Kunnen we de eigenschappen van een molecule voorspellen?

Nelson, 13 jaar
7 november 2017

Stel, een uitgevonden molecule, H2FeOH. Kunnen we dan voorspellen wat voor eigenschappen het heeft zonder het in de laboratorium te testen? Bijvoorbeeld: hoe weten we of het met 1 atm op 25°c, het vloeibaar, gassig of een vast is? Als het vast is, kan het makkelijk kapot, opgelost door water worden, hitte geleiden of elektriciteit geleiden? Wat is de massa dichtheid, de kleur, de elasticiteit, de plooibaarheid. Is het mogelijk om dat voor te spellen of is het echt nodig om het eerst uit te testen in een laboratorium?

Antwoord

Beste Nelson,

Dat is een zeer interessante vraag. Met wat we tegenwoordig weten over de werking van de natuur is het mogelijk om voor een nieuw uitgevonden molecule de eigenschappen hiervan te gaan voorspellen. We moeten hier wel de kanttekening bij maken dat niet alle eigenschappen even eenvoudig te voorspellen zijn.

Laat ons eenvoudig beginnen met de molecule die je voorstelt. Het gedrag van de atomen en hun elektronen wordt beschreven door de wetten van de kwantummechanica. Hoewel we de vergelijkingen zouden kunnen opschrijven, die het kwantummechanische gedrag van de molecule die je hier geeft beschrijven, is het oplossen ervan allerminst eenvoudig. Gelukkig hoeven we dit niet met de hand te doen, maar bestaan er gespecialiseerde computerprogramma's die dit voor ons kunnen doen. Op de Engelstalige Wikipedia kun je zelfs een lijst van de meest bekende van deze programma's vinden (sommigen zijn gratis, andere betalend). Deze programma's lossen dezelfde vergelijkingen op, maar doen dat met een verschillend doel (focus op een andere eigenschap) of met een verschillende methode. Voor een eenvoudige molecule als je hier schrijft, kan je vrij snel (minder dan enkele uren op je eigen computer) sommige eigenschappen berekenen, voor andere systemen en eigenschappen kan de rekentijd vele weken of maanden in beslag nemen op een supercomputer

Een van de eerste dingen die men zal proberen voorspellen is of de molecule stabiel is (zijnde: of deze kan bestaan of uit elkaar zal vallen). Dit doet men door de energie van de molecule te berekenen, en deze te vergelijken met de energie samenstellende componenten. Weten of iets een gas, vloeistof of vaste stof is bij kamertemperatuur kan ook, maar dat is al iets moeilijker. Gas en vaste stof zijn het eenvoudigste te simuleren, en laten je toe, terug door het vergelijken van de energie van de molecule in gasfase en in vaste-fase, te bekijken welke het stabielste zal zijn.

De kleur van een molecule zou je kunnen afleiden uit de energieën van de elektronen. Hieruit kan je het spectrum bepalen. Een vergelijkbare berekening voor de vaste-stof versie van je molecule vertelt je iets over de geleidbaarheid. Ook de elasticiteit van een vaste-stof kan berekend worden.

Zoals je ziet is er heel veel mogelijk. Er zijn echter twee belangrijke opmerkingen te maken:

* De berekeningen die je uitvoert zijn meestal voor perfecte vaste-stoffen (zonder barsten, gaten, of fout zittende atomen), wat je eigenlijk nooit in een experiment zal hebben. Deze foutjes kunnen de eigenschappen enorm aanpassen. Neem bv. diamant. Dit is een isolator. Echter, in echt diamant zit er altijd een klein beetje stikstof wat de elektrische structuur aanpast (en voor een gelige kleur kan zorgen). Doe je een klein beetje Boor in het diamant (dan wordt deze blauwig van kleur) dan wordt je diamant een geleider, of zelfs een supergeleider (indien het veel Boor is).

* Hoewel je deze dingen kan uitrekenen kan het soms wel sneller zijn deze te maken in een labo. Berekeningen voor een realistisch materiaal worden zeer snel zeer complex omdat je alle mogelijke combinaties zelf met de hand moet maken en uitproberen om te kijken welke het stabielste is. De natuur (in het labo) dat dat moeilijke werk voor jou. Het nadeel in het laatste geval is dat je niet weet welke combinatie het is. Ga je beide zaken combineren; enerzijds een materiaal maken in het labo, en anderzijds berekenen met de computer dan kan je de sterkte van beide combineren. Het labo-werk kan je makkelijk informatie geven over moeilijk te berekenen eigenschappen (bv. de oplosbaarheid) terwijl het computerwerk je kan vertellen wat de atomaire structuur exact is: Je H2FeOH is dat 1 molecule of eerder HFe + H2O? of H2+ FeOH?

Groeten,
Danny

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2020
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen