CPK-Farbschema

Grundidee und Bedeutung

Das CPK-Farbschema ist eine in der Chemie verbreitete Farbkonvention zur Unterscheidung von Atomen verschiedener chemischer Elemente in Molekülmodellen. Der Name geht auf die Chemiker Robert Corey, Linus Pauling und Walter Koltun zurück. Atome werden dabei meist als farbige Kugeln dargestellt, zum Beispiel in Kugel-Stab-Modellen oder in raumfüllenden Modellen, auch Kalottenmodelle genannt. Ein Modell der Aminosäure Prolin aus Kunststoff entspricht in der Regel dieser Farbgebung.

Die Farbe ist eine Kennzeichnung und keine natürliche Eigenschaft des Atoms im Modell. Sie erleichtert es, die Zusammensetzung und den Aufbau eines Moleküls zu erkennen. Mehrere Farben wurden vermutlich mnemotechnisch, also als Gedächtnishilfe, von den Farben reiner Elemente oder auffälliger Verbindungen abgeleitet. Wasserstoff ist beispielsweise ein farbloses Gas, Kohlenstoff erscheint als Holzkohle, Graphit oder Koks schwarz, Octaschwefel gelb, Chlor grünlich und Brom dunkelrot. Jod in Ether ist violett, allotroper Phosphor rot und Rost dunkelorange-rot.

Bei Sauerstoff und Stickstoff ist die Herkunft der Farben weniger eindeutig. Die rote Farbe für Sauerstoff könnte mit der Verbrennung oder mit dem roten sauerstoffhaltigen Hämoglobin im Blut verbunden sein. Das Blau für Stickstoff könnte sich auf die himmelblaue Erscheinung der Atmosphäre beziehen, deren Hauptbestandteil Stickstoff ist.

Entwicklung der Farbkonvention

Die Geschichte der Molekülmodelle reicht im Artikel bis zu August Wilhelm von Hofmann zurück. Nachdem August Kekulé 1858 die chemische Strukturtheorie und Alexander Crum Brown 1861 gedruckte Strukturformeln eingeführt hatten, verwendete Hofmann offenbar als Erster Molekülmodelle in der organischen Chemie.

Bei einem Vortrag in der Londoner Royal Institution am 7. April 1865 zeigte Hofmann Modelle einfacher organischer Stoffe wie Methan, Ethan und Methylchlorid. Er konstruierte sie aus verschiedenfarbigen Tischkrocketbällen, die durch dünne Messingröhrchen verbunden waren. Sein ursprüngliches Farbschema lautete: Kohlenstoff schwarz, Wasserstoff weiß, Stickstoff blau, Sauerstoff rot, Chlor grün und Schwefel gelb. Dieses Schema entwickelte sich später weiter. Die Krocketbälle dienten dabei auch dazu, die Valenz, also die Verbindungsfähigkeit von Atomen, zu veranschaulichen.

1952 veröffentlichten Robert B. Corey und Linus Pauling eine Beschreibung raumfüllender Modelle für Proteine und andere Biomoleküle, die sie am Caltech entwickelt hatten. Die Atome bestanden aus facettierten Hartholzkugeln, die in leuchtenden Farben für die jeweiligen chemischen Elemente bemalt wurden. Ihre Zuordnung umfasste Weiß für Wasserstoff, Schwarz für Kohlenstoff, Himmelblau für Stickstoff und Rot für Sauerstoff. Zusätzlich stellten sie kleinere Modelle mit Plastikkugeln nach demselben Farbschema her.

Walter Koltun patentierte 1965 eine verbesserte Version der Modellierungstechnik von Corey und Pauling. In seinem Patent nannte er Weiß für Wasserstoff, Schwarz für Kohlenstoff, Blau für Stickstoff, Rot für Sauerstoff, Tiefgelb für Schwefel und Violett für Phosphor. Die Halogene Fluor, Chlor, Brom und Iod sollten durch Hellgrün, Mittelgrün, Mitteldunkelgrün und Dunkelgrün unterschieden werden. Silber war für Metalle wie Cobalt, Eisen, Nickel und Kupfer vorgesehen.

Typische Zuordnungen

Typische CPK-Farben sind:

• Wasserstoff (H): weiß
• Kohlenstoff (C): schwarz
• Stickstoff (N): blau
• Sauerstoff (O): rot
• Fluor (F) und Chlor (Cl): grün
• Brom (Br): dunkelrot
• Iod (I): dunkelviolett
• Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon sowie Radon (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn): cyan
• Phosphor (P): orange
• Schwefel (S): gelb
• Bor (B) und die meisten Übergangsmetalle: beige
• Alkalimetalle Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr): violet
• Erdalkalimetalle Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra): dunkelgrün
• Titan (Ti): grau
• Eisen (Fe): dunkelorange
• andere Elemente: pink

Diese Liste beschreibt typische Zuweisungen. Sie ist nicht mit einer unveränderlichen Naturkonstante gleichzusetzen, weil verschiedene Modell- und Softwarestandards voneinander abweichen können.

Varianten in moderner Software

Moderne Molekülvisualisierer und Datenbanken verwenden teilweise unterschiedliche Farbzuweisungen. Die im Artikel aufgeführte Vergleichstabelle stellt die Farben für die Elemente in mehreren Systemen gegenüber: Corey bezeichnet die ursprüngliche Zuordnung von Corey und Pauling, Koltun die Farben aus Koltuns Patent, Jmol das Schema des Molekülvisualisierers Jmol, RasMol das von RasMol verwendete Schema und PubChem die Farben der PubChem-Datenbank des United States National Institutes of Health.

Die Tabelle ordnet die Elemente nach ihrer Ordnungszahl Z und nennt jeweils Symbol und Elementname. Sie reicht von Wasserstoff mit Z = 1 bis Oganesson mit Z = 118. Zusätzlich berücksichtigt sie einzelne Isotope: Deuterium (²H beziehungsweise D), Tritium (³H beziehungsweise T), Kohlenstoff-13 (¹³C), Kohlenstoff-14 (¹⁴C) und Stickstoff-15 (¹⁵N). Aufgeführt werden unter anderem die Hauptgruppenelemente, Übergangsmetalle, Lanthanoide und Actinoide.

Die Farben sind laut Artikel nur ungefähre Angaben. Sie können von der verwendeten Display-Hardware und von den Betrachtungsbedingungen abhängen. Für Unterricht und Prüfungsvorbereitung ist deshalb wichtig: Das CPK-Schema liefert eine verbreitete Orientierung, aber ein konkretes Modell oder Programm kann einzelne Elemente anders einfärben.