모든 모델이 화학에서 잘못되었습니다!

모든 모델이 화학에서 잘못되었습니다!

예, 올바르게 읽었습니다. 그리고 화학뿐만 아니라 모든 모델이 과학에서 잘못되었습니다 . 그리고 아마도 과학뿐만 아니라 모든 지리적, 경제적 또는 비즈니스 모델도 마찬가지입니다.

 

이제“이 남자가 뭐라고 해요?”라고 생각할 수 있습니다. 제가 여기서 여러분 모두에게 무엇을 말해야하는지 설명 할 수 있도록 잠시 시간을주세요.

 

물에 대한 잘못된 화학 모델

실제 물과 비교 한 물 모델

좋아요, 우선 모델이 무엇인가요? 사람들은 일반적으로 모델을 과학의 구성 요소라고 부릅니다. 모델은 과학적 방법의 기본 요소입니다. 과학에서 우리는 많은 종류의 시스템의 동작을 연구하고 예측하며, 모델을 사용하여 시스템의 이러한 속성과 동작을 단순화, 대체 또는 대립합니다.

 

그러나 과학이나 화학만을위한 모델의 개념을 제한하지 마십시오. 모든 곳에서 모델을 찾을 수 있으며 ( 실험실에서 실험 을 수행 하는 동안 모델 을 사용합니다 ) 다음 예제를 통해 누구나 모델의 개념을 매우 쉽게 이해할 수 있습니다. . " 일상 모델 "의 예입니다 .

 

맛있는 요리의 레시피는 요리의 실제 과정의 모델입니다.

여행의 사진 앨범이 여행의 모델입니다.

축구 경기에 대한 뉴스 보도는 축구 경기 자체의 모델입니다.

정치 후보자가 선거에서 선출 된 경우 (또는 적어도 그럴 것으로 예상되는) 성과의 모델이됩니다.

그 중에서 모든 모델이 잘못되었지만 일부는 유용하다는 것을 알 수 있습니다.

 

목차 숨기기

1 모든 모델이 잘못되었지만 일부는 유용합니다.

2 화학 모델로서의 수 정장 이론

화학의 3 가지 고급 모델 : 분자 궤도 이론

모든 모델이 잘못되었지만 일부는 유용합니다.

과학에 더 가까운 또 다른 예 : 인구가 어떤 종류의 신발을 선호하는지에 대한 통계적 연구는 실제 선호도의 모델입니다. 이 시점에서 당신은 아마도 제가 언급 한 첫 문장을 이해하기 시작했을 것입니다.

 

이제 저는 품질 관리 및 시계열 분석에 대해 다른 일을 한 영국 통계학자인 George EP Box 를 인용하고 싶습니다 .

 

" 기본적으로 모든 모델이 잘못되었지만 일부는 유용합니다."

 

이 진술의 의미는 내가이 기사와 함께 전달하고자하는 아이디어의 초석을 구성하며, 두 부분으로 논의 할 것입니다.

 

“본질적으로 모든 모델이 잘못 되었다는 것은 정의에 따라 현실의 단순화이기 때문에 모든 모델이 잘못 될 것임을 의미합니다. 물론 한 모델이 다른 모델보다 "더 잘못"될 수 있습니다. 일반적으로 수학이나 논리와 같은 가장 "엄격한"과학에서 모델은 현실에 더 가깝습니다. 예를 들어, 물리학 자들은 종종 아주 작은 물체에 대한 중력 효과 나 마찰 같은 것을 무시합니다. 다른 모델은 예를 들어 많은 인구에 대한 인구 통계 학적 연구와 같이 많은 것을 무시합니다. 그러나 일반적으로 모델은 모든 물리적 현실을 완전히 재현 할 수 없습니다.

 

…하지만 일부는 유용합니다.” 물론 그렇습니다! 우리는 그것들을 항상 사용합니다. 그리고 그것들 없이는 화학도없고 과학도없고 어떤 종류의 연구도 없습니다! 간단한 모델과 근사치는 사람들이 작은 시스템의 아주 작은 변화에서 전체 우주에 이르기까지 사물을 설명하고 행동을 예측하며 속성을 이해하는 데 도움이됩니다.

 

나는 이것을 예시하기 위해 내가 가장 좋아하는“유용한 잘못된 모델”을 사용하는 것을 좋아한다 : 지도 .

 

보스턴지도

이 보스턴지도는 현실에 대한 좋은 근사치이지만… 어느 정도까지?

누군가가지도가 틀렸다고 말하면 거리의 라벨이 잘못 지정되었거나 건물이 표시되지 않거나 위치가 지정되지 않았다고 말하는 것입니다. 그런 불가능한 일을하는 것이지도의 목표가 아니기 때문에 그 사람은지도가 현실을 완벽하게 재현 할 것이라고 결코 기대하지 않을 것입니다. 그 남자는 모델이 그가 대답해야하는 질문에 대답 할 수없는 경우에만 화를 낼 것입니다. 오래된지도가 없다면 목적에 맞지 않을 것 입니다 .

 

그럼에도 불구하고 모델은 어떤 경우에도 적용 할 수있는 100 % 정확한 설명이나 예측을 제공하지 않습니다. 무작위성이 존재합니다. 불확실성과 오류가 존재합니다. 이러한 구성 요소가없는 모델을 찾는 것은 더 이상 모델이 없다는 것을 의미하며 사실 만 있습니다.

 

이론적으로 완벽한 데이터, 훌륭한 컴퓨팅 도구가 있다면 속성, 행동 또는 이벤트를 완벽하게 예측할 수있는 모델을 만들 수 있습니다. 그러나이 경우에도 활용하는 데 필요한 계산 능력으로 인해 실행 불가능하게 만드는 매우 복잡한 모델이 있습니다.

 

물론 실제로 적용 할 수 있고 결과를 얻을 수있는 매우 복잡한 모델을 과학에서 찾을 수 있습니다. 그리고 저는 여러분이 더 부정확하고“더 틀린”모델이라고 부를 수있는 단순한 모델보다 더 적은 무작위성, 오류 및 불확실성으로 아주 좋은 것을 얻을 수 있다고 약속합니다. 이것이 더 단순한 모델을 쓸모 없게 만들까요? 물론 그렇지 않습니다. 모델이 어느 정도 유용하다면 계속 사용할 수 있습니다.

 

모델을 언제 거부합니까? 이전 모델보다 더 잘 설명하는 새 모델을 찾고 호환되지 않는 경우에만 해당됩니다. 모델이 구식이라고합니다.

 

이제 화학에 들어갈 때가 왔습니다! 그렇지 않으면 할 수 없었던 것을 이제 우리가 배운 모든 것을 우리 과학 분야에 적용 할 것입니다.

 

저는 두 가지 모델에 대해 논의하고 싶습니다. 제가 가장 좋아하는 예는 기사 끝 부분에 남겨 두겠습니다. 계속 읽으면 실망하지 않고 실제로 모든 모델이 잘못되었다는 사실을 인정할 것입니다.

 

화학 모델로서의 수 정장 이론

제가 논의 할 첫 번째 모델은 크리스탈 필드 이론 입니다. 무기 화학에 대한 몇 가지 과정을 수강했다면이 모델을 아주 잘 알고있을 것입니다. 그것을 모르는 사람들을 위해 Crystal Field Theory (CFT)는 배위 화합물의 중심 금속 이온 d 궤도의 퇴화 손실을 설명하는 정전기 모델입니다 .

 

Cu 2+ 와 같이 고립 된 금속 이온이있는 경우 5 개의 d 궤도는 모두 동일한 에너지를 갖습니다. 그러나 리간드 (부분 또는 순 음전하를 가진 특정 분자 또는 이온)가 정전기 상호 작용으로 인해 금속 주위에 배치되면 이러한 궤도는 더 이상 동일한 에너지를 가지지 않고 서로 다른 에너지 수준으로 분할됩니다. 우리는 팔면체 분리를 고수 할 것입니다 (6 개의 리간드가 팔면체를 형성하는 금속에 결합 할 때) :

 

틀릴 수있는 모델로서의 수 정장 이론 CuSO4

이 예는 Cu 2+ 분리 된 이온 (실제로는 구리 이온이 리간드와 배위되지 않는 모든 염이 될 수 있음)이 물이 들어있는 비커에 추가 될 때 어떤 일이 발생하는지 보여줍니다 . 원칙적으로 d 궤도는 동일한 에너지를 가졌지 만 6 개의 물 분자가 중앙 구리 이온 주위에 위치하면 정전기 상호 작용으로 인해 분리되어 두 가지 다른 에너지 수준을 생성합니다. 실험적으로 그림에 표시된 것과 같은 솔루션에서 파란색을 관찰 할 수 있습니다. 왜 그런 일이 발생하고 무수 구리 염이 색을 나타내지 않는 이유는 무엇입니까? 글쎄, 이것은 분명히이 잘못된 모델로 설명 할 수있는 실험적 사실입니다 (우리는 CFT가 왜 잘못된 지 잠시 후에 볼 것입니다)! 가 d를 상부 에너지 레벨에서 반쯤 비어있는 궤도이고, 적절한 빛이 흡수되면 하부의 전자 하나가 서로 "점프"할 수 있습니다.

 

∆ oct 는 두 에너지 수준 간의 에너지 차이와 같습니다. 그리고이 에너지의 빛이 흡수되면 하나의 전자가 더 높은 수준으로 촉진되거나 여기됩니다. 음, 이런 종류의 빛은 전자기 복사 스펙트럼의 가시 범위 내에 있습니다. 특히 그것은 붉은 주황색 빛입니다. 따라서 화합물은 흡수 된 빛의 보색, 사실상 청록색을 표시합니다.

 

우리는 방금 CFT가 배위 화합물의 색상과 같은 특성 (구조 또는 자기 특성과 같은 다른 특성 중에서)을 설명하고 예측할 수 있다는 것을 방금 보았지만 이것은 완전히 잘못된 모델입니다!

 

왜? 금속 이온과 리간드 사이의 정전 기적 상호 작용 만 고려하기 때문에 이것은 확실히 발생하지 않습니다! 배위 복합체에는 강력한 공유 결합 특성이 있으며이를 고려하지 않으면 많은 것을 설명 할 수 없으므로 (예 : 분광 화학 계열 ) 완전히 잘못된 모델이지만 특정 특성을 쉽게 설명하고 예측하는 데 유용합니다. 다시 말하지만, 우리는 모든 모델이 어느 정도 잘못되었는지 확인합니다.

 

화학의 고급 모델 : 분자 궤도 이론

반대로 분자 궤도 이론 은 CFT가 할 수있는 모든 특성과 행동을 예측하고 설명 할 수 있으며, 질적으로뿐만 아니라 양적으로도 훨씬 더 많이 설명 할 수 있습니다. 그러나 MOT는 훨씬 더 복잡하고 약간 복잡한 시스템에 적용하려면 강력한 컴퓨터를 사용하여 대규모 계산을 사용해야합니다. CFT의 기초와 분자 궤도 이론의 기초를 고려하기 때문에 CFT보다 상당히 "덜 틀린" 또 다른 모델 인 Ligand Field Theory 가 있습니다.이 모델 은 CFT를 찾고자 할 때 가장 널리 사용됩니다. 유용성과 정확성 사이의 좋은 타협.

 

이 기사를 마치기 위해 내가 가장 좋아하는 널리 사용되는 모델 인 hybridization 의 개념에 대해 논의하고자합니다 . 많은 학부 화학 학생들은 마치 혼성화가 원자의 본질적인 속성 인 것처럼 분자의 혼성 원자에 대해 이야기합니다.

 

정리 해보자 : 분자의 원자는 혼성화되지 않는다 . 혼성화는 분자 구조와 기하학을 정당화하거나 설명하기 위해 사용하는 모델 일뿐입니다. 우리의 삶을 더 쉽게 만들기 위해 사용하는 또 다른 단순한 모델입니다.

 

물론, 큰 유기 분자 반응을 연구 할 때 복잡한 분자 궤도 이론을 화합물의 모든 원자에 적용하기 시작할 수는 없습니다. 우리는 결국 미쳐 버리게 될 것입니다 (만약 우리가 무언가를 끝내면). 그래서 우리는 더 간단한 모델을 이용하고 반응 메커니즘을 설명하기 위해 루이스 구조에서 전자를 이동시킵니다.

 

나는 유기 분자 탄소 원자 사이의 단일, 이중 및 삼중 결합을 설명하기 위해 특정 혼성화를 사용하는 존재하지 않는 필요성을 설명하고 싶습니다. 이것은 매우 재밌습니다.

 

일반적으로 가르치는 것은 탄소가 단일 결합 만 형성하면 sp 3 하이브리드 화 된다는 것입니다 . 이중 결합을 형성하면 sp 2 하이브리드 화되고 나머지 p 궤도는 π 결합을 형성합니다. 그리고 그것이 삼중 결합을 형성 할 때, 그것은 sp 혼성화되고 나머지 두 개의 p 궤도는 두 개의 π 결합을 생성합니다. Pauling은 알켄 또는 알킨의 전자 분포는 sp 3 궤도 만 사용하여 쉽게 설명 할 수 있다고 설명했습니다 . 두 개의 sp 3 궤도가 σ와 π 결합 사이에 겹치고 (그림 1) 우리는 정확히 동일한 전자 분포를 갖게됩니다. 우리가 고전적인 것을 사용할 때보 다.

 

타우 본드 에틸렌 분자

이 마지막 모델은 "브리지"차선 (그림 2)과 같은 것을 사용하여 표현할 수 있으며, 결과적인 종류의 결합을 "타우 결합"이라고합니다. 매우 유용한 모델은 아니지만 (때로는 입체 화학을 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 내 글의 주요 목적을 설명하는 데 사용할 수있는 의미에서 절대적으로 합법적이고 매우 훌륭하며 모델입니다. 모든 모델이 잘못되었습니다. 모든 모델은 항상 한계를 고려하여 사용되어야하는 단순화 및 근사치처럼 취급되어야하며 절대로 사실과 혼동되지 않아야 합니다.

 

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