Kalottimalli
Kalottimalli, pallomalli eli CPK-malli on kemiassa käytetty tapa esittää molekyylien tai kiteiden rakennetta siten, että atomeja esittävät pallot, joiden säde on verrannollinen atomin säteeseen ja niiden keskipisteiden väliset etäisyydet atomien ydinten välisiin etäisyyksiitin. Eri alkuaineiden atomeja esitetään eri värisillä palloilla. Esimerkiksi vetyatomeja vastaavat valkoiset, hiiliatomeja mustat ja happiatomeja punaiset pallot CPK-värikäytännön mukaisesti.
Termi CPK-malli johtuu Robert Coreystä, Linus Paulingista ja Walter L. Koltunista, jotka 1950-luvulla kehittivät mallin käyttökelpoiseen muotoon. Heidän mukaansa on saanut nimensä myös CPK-värikäytäntö, jota käytetään myös pallotikkumalleissa ja jonka mukaisesti esimerkiksi vetyatomeja vastaavat valkoiset, hiiliatomeja mustat ja happiatomeja punaiset pallot.
Kalottimallit eroavat muista kolmiulotteisista esitystavoista kuten pallotikkumalleista ja viivakaavoista siten, että siinä käytetään toisissaan kiinni olevia palloja. Niillä voidaan kuvata kolmiulotteisesti eri atomien suhteellisia kokoja ja niiden vaatimaa tilaa molekyyleissä. Toisaalta kalottimallit eivät osoita atomien välisiä kemiallisia sidoksia, ja niistä on usein vaikea nähdä molekyylin muotoa, kun siitä suurimman osan peittävät katsojaa lähimpänä olevia atomeja esittävät pallot. Sen vuoksi tällaisista malleista on eniten hyötyä, jos niitä voidaan käyttää dynaamisesti, varsinkin jos kyseessä on monimutkainen molekyyli.
Historia
Kalottimallien kehittämiseen antoivat aiheen kristallografiset tutkimustulokset, joiden avulla voitiin selvittää monimutkaisten orgaanisten molekyylien kuten proteiinien rakenne. Selvemmin kuin pallotikkumallien avulla, voitiin kalottimalleilla havainnollistaa, miten molekyylit pakkautuvat kiinteissä aineissa, liuoksissa ja biologisissa ympäristöissä.
Vuonna 1952 Robert Corey ja Linus Pauling esittelivät Caltechissa valmistamiaan molekyylien malleja, joissa atomien suhteelliset koot vastasivat todellisia. Heidän malleissaan atomeja kuvasivat puiset pallot, ja jokaisen pallon säde oli suoraan verrannollinen vastaavan atomin van der Waalsin säteeseen siten, että yksi tuuma mallissa vastasi yhtä ångströmiä. Atomien välisten sidosten kuvaamiseksi jokaisesta pallosta leikattiin pallokalotin muotoisia osia irti, niin että jäljelle jääneiden kappaleiden väliset kosketuspinnat olivat tason osia. Irti leikatut osat olivat suuruudeltaan sellaisia, että pallojen keskipisteiden väliset etäisyydet olivat samassa mittakaavassa verrannollisia kemiallisten sidosten pituuksiin. Pallot kiinnitettiin toisiinsa metallisilla liittimillä, jotka työnnettiin näiden tasopintojen keskipisteissä oleviin koloihin. Mallissa otettiin myös huomioon molekyylien väliset vetysidokset. Samassa artikkelissa Corey ja Pauling kuvasivat lyhyesti myös yksinkertaisempia mutta samalla epätarkempia malleja, joissa atomeja vastaavat pallot oli tehty kumia muistuttavasta polyvinyylimuovista mittakaavassa 1 tuuma = 2 Å ja ne kiinnitettiin toisiinsa neppareilla.
Vuonna 1965 Walter L. Koltun esitteli ja patentoi yksinkertaistetun järjestelmän, jossa atomeja kuvastivat eriväriset muovista valetut pallot, jotka kiinnitettiin toisiinsa neppareilla. Tällaisia malleja voitiin käyttää oleellisesti samoihin tarkoituksiin kuin Coreyn ja Paulungin aiemmin esittämiä. Näin malleista tuli opetuksessa ja tutkimuksessa suosittu tapa käsitellä molekyylejä. Tällaisia värikoodattuja malleja, joissa kappaleiden koot määräytyvät sidospituuden ja van der Waalsin säteiden mukaan, sanotaan nykyisin yleisesti CPK-malleiksi kolmen kehittäjänsä mukaan.
Myöhemmässä tutkimuksessa kalottimallista on kehitetty myös muunnelmia, jolla voidaan visualisoida molekyylin varausjakauma sähköstaattisena potentiaalipintana. Varausjakaumasta voidaan päätellä, mikä osa molekyylistä on reaktiivinen ja miten se käyttäytyy. Tällaisissa malleissa eri värit eivät kuvaa eri alkuaineiden atomeja vaan sähköpotentiaalia molekyylin eri kohdissa.
Kuvia
Lähteet
- 1 2 3 4 5 Molecular models of amino acids, peptides, and proteins. Review of Scientific Instruments, 1953, 8. vsk, nro 24, s. 621–627. doi:10.1063/1.1770803 Bibcode:1953RScI...24..621C Artikkelin verkkoversio.
- ↑ Molekyylikaavat ja mallit Kotkansaaren koulu. Viitattu 5.6.2026.
- ↑ Space-filling model Grokipedia. Viitattu 5.6.2026.
- ↑ Nathan A. Baker, David Sept, Simpson Joseph, Michael J. Holst, J. Andrew McCammon: Electrostatics of nanosystems: Application to microtubules and the ribosome. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 2001, nro 98, s. 10037-10041. Artikkelin verkkoversio.
- ↑ Calculating Electrostatics poissonboltzmann.org. Arkistoitu 24.6.2015. Viitattu 5.6.2026.
- ↑ Valter D. Koltun: Precision space-filling atomic models. Biopolymers, 1965, 3. vsk, nro 6, s. 665–679. doi:10.1002/bip.360030606 ISSN 0006-3525 Artikkelin verkkoversio. {en]
- ↑ Space filling atomic units and connectors for molecular models patents.google.com. Viitattu 5.6.2026.
- ↑ Johannes Permaa: ”Visualisointi: Varausjakaumat ja elektrostaattinen potentiaalipinta”, Edumol: Avoin ja ilmainen molekyylimallinnussovellus kemian opetuksen tueksi. Lumat, 2015, nro 3(7). Artikkelin verkkoversio.