Какого цвета атомы?

Автор: madschumacher. В этой статье мы обсудим какие бывают цветовые схемы для атомов, дальтонизм, цветовую модель RGB в контексте Python-а. А в конце мы попробуем сделать собственную цветовую схему для атомов первого и второго периодов таблицы Менделеева, исходя из того, чтобы цвета были чуточку дружелюбнее к дальтоникам. И да, это кликбейтный заголовок.

Введение

Конечно, у атомов как у таковых цвета нет и быть не может, поскольку они излучают свет только в возбуждённом состоянии, и в зависимости от этого состояния, длина волны излучения будет разной. В качестве примера можно взять атом водорода. В видимой области электромагнитного спектра (400–750 nm), у него видны только четыре полосы из спектральной серии Бальмера.

cvet1.pngРисунок 1. Серия Бальмера для атома водорода в видимом диапазоне

И что из этих цветов, спрашивается, считать цветом водорода?! И так для каждого из элементов…

Но тем не менее, «цвет атома» это не бессмысленное понятие. Дело в том, что мы постоянно используем модели молекул, где обозначаем атомы шариками, а химические связи между ними при помощи палочек. И чтобы пользователям было как можно удобнее распознавать где какой атом, эти самые сферы изображают разного размера и разного цвета: каждый элемент своего размера и своего цвета. Про размеры мы говорить не будем, это отдельная и сложная тема (те, кому интересно, могут прогуляться по соответствующим статьям в Википедии). А вот про цветовые схемы для разных элементов мы поговорим.

Первая полноценная пространственная молекулярная модель, ещё до появления компьютеров, была создана Робертом Кори и Лайнусом Полингом (тем самым, дважды нобелевским лауреатом и создателем эпидемии продажи витамина C по всему миру). Они как раз тогда работали вместе над вторичной структурой белков, и такие модели им были очень полезны в их работе. В своей статье 1953 года [Rev. Sci. Instr. (1953), 24, 621 они только описали принципы своего конструктора, из которого можно было делать приближённые к реальности модельки аминокислот и полипептидов. Атомов для белков в первом приближении много не надо, поэтому там были описаны только углерод ©, азот (N), кислород (O) и водород (H). Цветовой схемы там дано не было, но по-видимому, она существовала (по крайней мере об этом говорит Википедия).

Через несколько лет после этого, Вальтер Колтун запатентовал расширенную и более детализованную молекулярную модель [US3170246A, основываясь на работе Кори и Полинга. Позже, Колтун описал получившуюся модель в отдельной статье [Biopolymers (1965), 3, 665–679, в ней же даётся название CPK (Corey-Pauling-Koltun), по фамилиям создателей. И вот в этом патенте 1962-го и статье 1965-го даётся цветовая схема для покраски атомов, которая и войдёт в обиход как схема CPK. Собственно вот она.

  • Водород (H) в этой схеме предполагался белым. Видимо… потому что его не видно?
  • Углерод © — чёрным. Наверное, чтобы быть похожим на уголь или графит?
  • Азот (N) должен был быть синим. Без понятия почему.
  • Кислород (O) должен быть красным, тоже не знаю почему (кстати, жидкий кислород имеет светло-голубой цвет).
  • Фтор (F) должен был быть бледно-зелёным. Ну, в целом похоже на цвет жидкого и газообразного F2.
  • Фосфор (P) в патенте был пурпурным, но в более поздней статье он стал бледно-жёлтым. Такое изменение, по-ходу, было сделано, чтобы сделать его похожим на белый фосфор (состоящий из молекул P4), который в неочищенном состоянии ещё называют жёлтым фосфором.
  • Сера (S) там была жёлтая. Тут тоже всё ясно, самородная сера вполне себе жёлтая.
  • Хлор (Cl) зелёный, что, впрочем тоже хоть как-то согласуется с жёлто-зелёным цветом газа Cl2.
  • Бром (Br) в патенте предполагался средне-тёмно зелёным, но в более поздней статье стал коричневым, что тоже хоть как-то похоже на красно-бурый цвет его жидкости и паров.
  • Йод (I) в патенте был замыкающим в зелёной семье галогенов, и предполагался тёмно-зелёным, но в статье внезапно стал фиолетовым, видимо, чтобы ассоциироваться со своими кристаллами и парами.
  • Металлы, типа железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni) и меди (Cu), необходимые для всяких хелатов, должны были быть серебристыми шариками. Тоже вполне себе логично, хоть медь и выбивается из этого ряда своим красноватым цветом.

Вот эту чётко прописанную схему можно и считать за точку отсчёта цветовых схем атомов. И что забавно, эти самые CPK-модельки до сих пор производятся (и используются!).

cvet2.pngРисунок 2. CPK модельки в реале, 2023 год.

Тем не менее, жизнь не стояла на месте, с 60-х годов у нас появились компьютеры с графикой, вычислительная химия (расчёт свойств атомов и молекул при помощи квантовой механики и компьютеров) дошла до больших систем, а таблица Менделеева к 2016 году официально разрослась до 118 элементов. И отсюда очевидно, что великолепия CPK-схемы давно перестало хватать для повседневной жизни. Поэтому появился зоопарк различных схем раскраски атомов. Для примера давайте возьмём простую молекулу, 2-хлор-1,1-дифторэтилен (не пугаемся названия!), скачаем файл со структурой с сайта NIST Chemistry WebBook, и откроем его в шести разных молекулярных визуализаторах: Avogadro, Chemcraft, UCSF Chimera, Jmol, Molden и RasMol. В результате получим следующий зоопарк разноцветных попугаев:

cvet3.pngРисунок 3. 2-хлор-1,1-дифторэтилен в разных визуализаторах.

Без подписей и озарения свыше не поймёшь где какой атом, и классическая CPK-схема, где каждый из четырёх типов атомов этой молекулы (H, C, F, Cl) присутствует, поможет нам только в случае Jmol-а. Собственно, цветовая схема этого визуализатора и является наиболее прямой наследницей CPK, но не без изменений (например, углерод вместо чёрного стал серым). Само собой, при разработке всех этих цветовых гамм, никак не учитывалось, что некоторые люди, которые будут на эти молекулы смотреть, являются дальтониками. Поэтому, в этом посте мы попробуем разобраться с дальтонизмом, основами цветовой модели RGB и питоновской библиотекой Pillow, и даже попробуем получить свою собственную цветовую схему для атомов.

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

Хабр