مولکول های افلاطونی چیست؟ – تاریخچه و شکل آن ها

به چند وجهی های منتظم و محدب، مولکول های افلاطونی گفته می شود که اندازه ضلع های وجوه و یال ها و همچنین زاویه های آن ها با هم برابر است. پنج مولکول افلاطونی وجود دارد که عبارتند از چهار وجهی منتظم، شش وجهی منتظم، هشت وجهی منتظم، دوازده وجهی منتظم و بیست وجهی منتظم هستند. مولکول های افلاطونی که شامل هیدروکربن های افلاطونی هستند در راس ها اتم کربن و در اضلاع پیوندهای کربن – کربن دارند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را این مولکول ها و شکل آن ها آشنا می کند.

تاریخچه

مطالعاتی که برای اولین بار روی اجسام افلاطونی انجام شده است به یونان باستان برمی گردد. اعتقاد آن ها به هماهنگی مولکول های افلاطونی با عناصر چهارگانه سازنده جهان هستی بودند. یونانیان چهاروجهی را هماهنگ با آتش، مکعب را با خاک، هشت وجهی را با هوا، بیست وجهی را با آب متناسب می دانستند. بعد از نسبت دادن این اجسام به عناصر چهار گانه، ارسطو کسی بود که اثیر را به عنوان عنصر پنجم معرفی کرد. او این عنصر را به دوازده وجهی نسبت داد.

اجسام افلاطونی چیست؟

چندوجهی های منتظمی که محدب بوده و به تعداد پنج عدد وجود دارند به نام اجسام افلاطونی هستند. در چندوجهی های منتظم تعداد وجه های یکسانی در هر راس به یکدیگر می رسند. چهار وجهی منتظم از چهار مثلث متساوی الاضلاع تشکیل شده، شش وجهی منتظم به عنوان مکعب از شش مربع، هشت وجهی منتظم از هشت مثلث متساوی الاضلاع، دوازده وجهی از دوازده پنج ضلعی منتظم و بیست وجهی منتظم از بیست مثلث متساوی الاضلاع ساخته شده است. هیدروکربن های افلاطونی نیز مولکول هایی هستند که از اتم های کربن در راس و پیوندهای کربن به عنوان ضلع این مولکول ها، ساخته شده اند. هر پنج جسم افلاطونی به عنوان تاس و از برخی از این شکل ها پازل ترکیبی ساخته می شود (مانند مکعب روبیک).

از نمونه های هیدروکربن افلاطونی کوبان (C_۸ H_۸) و تتراهدران (C_۴ H_۴) را می توان نام برد. از نمونه های اجسام افلاطونی نیز فلوریت یا کلسیم فلوراید به شکل هشت وجهی و سنگ نمک به شکل بلور مکعبی گهگاهی دیده می شود.

توصیف شکل های مولکول های افلاطونی

اولین جسم و مولکول افلاطونی (چهار وجهی منتظم)

چهاروجهی منتظم نتیجه اتصال سه مثلث متساوی الاضلاع در هر راس است. در کل چهار مثلث متساوی الاضلاع است که این مولکول را تشکیل می دهد. چون در هر راس کل زاویه های آن کمتر از ۳۶۰ درجه (۱۸۰ درجه) است بنابراین شرط اصلی بودن جسم افلاطونی را دارد. تتراهدران (C_۴ H_۴) یکی از نمونه های چهار وجهی است که برای سنتز این ماده فعالیت های زیادی صورت گرفته است. اما این ماده به دلیل ناپایداری در شرایط عادی آزمایشگاهی قابل سنتز نیست. این هم به دلیل کشش زاویه ای زیادی است که مولکول تحت تاثیر آن است.

برای این که به شکل های مشابهی از مولکول تتراهدران برسند، اتم های هیدروژن را با اتم های بزرگی جایگزین کردند. این اتم های بزرگ باعث پایداری مولکول ها و فراهم آوردن شرایط سنتز خواهد شد. یکی از این مشتق ها استفاده از گروه تری متیل سیلیل است. در این مشتق چون پیوندهای C-C از پیوندهای مشابه معمول کوتاهتر می شود و امکان جداسازی آن ها به شکل جامدات پایدار را فراهم می کند. حتی این مولکول ها می توانند با پیوندهایی کوتاهتر به هم متصل و یک دیمر از آن ها را تشکیل دهند.

فسفر سفید با فرمول P_۴ P_۴ نمونه مولکولی است که  دارای شکل تتراهدرانی است. برخی از یون ها نیز می توانند شکل تتراهدرانی داشته باشند.

دومین جسم و مولکول افلاطونی (مکعب)

در شکل مکعبی در هر راس سه مربع به هم رسیده و تشکیل یک مکعب یا شش وجهی منتظم را می دهند. در این مولکول ها نیز مجموع زوایای هر راس کمتر از ۳۶۰ درجه (برابر ۲۷۰ درجه) سانتی گراد است. کوبان نمونه ای از مولکول افلاطونی مکعبی است. شیمیدان ها این مولکول را که به شکل جامد پایدار با نقطه ذوب ۱۳۱ درجه سانتی گراد است، از سال ۱۹۶۴ شناسایی کردند. کوبان دارای چگالی بالا برابر ۱,۲۹ گرم بر سانتی مترمکعب است. از کوبان نمونه های غنی تری سنتز شده است که به جای اتم های هیدروژن، گروه های نیترو دارد. استفاده از این ماده های پرانرژی در تولید مواد منفجره است.

پروتئین های آهن – گوگرد نمونه هایی از کوبان هایی هستند که به طور طبیعی وجود دارند. این ترکیبات دارای ساختار مکعبی بوده و راس های آن ها به صورت یک در میان دارای اتم های آهن و گوگرد است.

سومین جسم و مولکول افلاطونی (دوازده وجهی)

تشکیل دوازده وجهی با رسیدن سه پنج ضلعی در هر کدام از راس هاست. جمع زاویه های هر راس در این شکل مولکولی نیز از ۳۶۰ درجه کمتر و برابر ۳۲۴ درجه سانتی گراد است. نمونه ای از مولکول دوازده وجهی افلاطونی، دودکاهدران (C_۲۰ H_۲۰) است. شیمیدان ها به این مولکول با سنتز رسیدند و در طبیعت یافت نمی شود. هر راس در این شکل مولکول در ارتباط با سه اتم کربن دیگر و یک اتم هیدروژن است. همه اتم های کربن با هم و همه ی اتم های هیدروژن نیز با هم معادل هستند. این موضوع با مشاهده ساختار مولکول دودکاهدران با طیف سنجی NMR یعنی رزنانس مغناطیسی هسته ای اثبات شده است.

با بمباران این مولکول با یون های هلیم، ترکیبی از برخی از این مولکول ها حاصل می شود. یون های هلیم در اتصال با این مولکول ها نبوده بلکه داخل سوراخ آن ها جای گرفته است.

مولکول های غیرممکن افلاطونی

در بین پنج مولکول های افلاطونی، دو مورد از آن ها یعنی هشت وجهی و بیست وجهی به هیچ وجه سنتز و ساخته نمی شوند. اکتاهدران ترکیبی ناپایدار بوده و زوایای پیوندی در این مولکول بسیار کوچک است. در تتراهدران با وجود کوچک بودن زوایایی پیوندی و کشش زاویه ای، جایگزینی گروه های پایدار کننده در اتصال با اتم های کربن به پایداری آن ها کمک می کرد. اما در مولکول اکتاهدران به دلیل اتصال هر چهار ظرفیت هر اتم کربن با اتم های کربن دیگر، مانع از جایگذاری گروه های پایدارکننده می شود. در مولکول های بیست وجهی هم چون هر راه ارتباطی هر راس از طریق پنج یال است و چنین ارتباطی برای کربن وجود ندارد، سنتز این مولکول ممکن نیست.