Számítógépes modellek a kémia tanításában. A természet tárgyainak kémiai modelljei

O.S.GABRIELYAN,
I. G. OSTROUMOV,
A.K.AKHLEBININ

KEZDJEN EL A KÉMIÁBAN

7. osztály

Folytatás. Az elejét lásd az 1. számban, 2/2006

1. fejezet.
A kémia a természettudomány középpontjában

(folytatás)

3. § Modellezés

A modellezésnek a megfigyelés és a kísérletezés mellett fontos szerepe van a természeti világ és a kémia megismerésében.

Korábban elmondtuk, hogy a megfigyelés egyik fő célja, hogy mintákat keressünk a kísérletek eredményeiben.

Egyes megfigyeléseket azonban kényelmetlen vagy lehetetlen közvetlenül a természetben elvégezni. A természetes környezetet a laboratóriumban speciális eszközök, installációk, tárgyak segítségével teremtik újra, pl. modellek. A modellek csak az objektum legfontosabb jellemzőit és tulajdonságait másolják át, és elhagyják azokat, amelyek a tanulmányozáshoz nem nélkülözhetetlenek. A "modell" szó francia-olasz gyökerű, és oroszra "minta"-ként fordítják. Modellezés egy bizonyos jelenség tanulmányozása annak modelljei segítségével, azaz. helyettesítők, analógok.

Például a villámlás (természetes jelenség) tanulmányozásához a tudósoknak nem kellett rossz időjárásra várniuk. A villámokat fizikaórán és az iskolai laborban lehet modellezni. Két fémgolyónak ellentétes elektromos töltést kell adni - pozitív és negatív. Amikor a golyók közelebb kerülnek egy bizonyos távolsághoz, egy szikra ugrik közéjük - ez miniatűr villám. Minél nagyobb a töltés a golyókon, minél korábban ugrik fel a szikra közeledéskor, annál hosszabb a mesterséges villám. Az ilyen villámokat egy speciális eszközzel, úgynevezett elektroforikus géppel állítják elő.

A modell tanulmányozása lehetővé tette a tudósok számára, hogy megállapítsák, hogy a természetes villám egy óriási elektromos kisülés két zivatarfelhő között vagy a felhők és a talaj között. Egy igazi tudós azonban minden vizsgált jelenségre igyekszik gyakorlati alkalmazást találni. Minél erősebb az elektromos villám, annál magasabb a hőmérséklete. De az elektromos energia hővé alakítása „megszelídíthető”, és felhasználható például fémek hegesztésére és vágására. Így született meg az elektromos hegesztés ma mindenki által ismert folyamata.

Minden természettudomány saját modelljeit használja, amelyek segítenek egy valós természeti jelenség vagy tárgy vizualizálásában.

A leghíresebb földrajzi modell a földgömb. Ez bolygónk miniatűr, háromdimenziós képe, amellyel kontinensek és óceánok, országok és kontinensek, hegyek és tengerek elhelyezkedését tanulmányozhatja. Ha a földfelszín képét egy papírlapra visszük fel, akkor egy ilyen modellt térképnek nevezünk.

A fizikában különösen széles körben alkalmazzák a modellezést. A témával kapcsolatos leckéken különféle modellekkel ismerkedhet meg, amelyek segítenek az elektromos és mágneses jelenségek, a testek mozgási törvényeinek és az optikai jelenségek tanulmányozásában.

A biológia tanulmányozásában a modelleket is széles körben alkalmazzák. Elég, ha megemlítjük például a modelleket - virágbábukat, emberi szerveket stb.

A modellezés nem kevésbé fontos a kémiában. Hagyományosan a kémiai modellek két csoportra oszthatók: anyagra és jelre (vagy szimbolikusra).

anyagmodellek atomok, molekulák, kristályok, vegyi előállító vegyészek a nagyobb áttekinthetőség érdekében.

Valószínűleg látott már képet egy atommodellről, amely a Naprendszer szerkezetére emlékeztet (30. ábra).

Ball-and-stick vagy volumetrikus modelleket használnak a kémiai molekulák modellezésére. Az egyes atomokat szimbolizáló golyókból állnak össze. A különbség abban rejlik, hogy a golyós-rúd modellekben a golyó-atomok egymástól bizonyos távolságra helyezkednek el, és rudak segítségével vannak egymáshoz rögzítve. Például a vízmolekulák golyós-botos és térfogati modelljeit az 1-1. 31.

A kristálymodellek a molekulák golyós-botos modelljéhez hasonlítanak, azonban nem egy anyag egyes molekuláit ábrázolják, hanem egy kristályos állapotú anyag részecskéinek kölcsönös elrendeződését mutatják be (32. ábra).

A vegyészek azonban leggyakrabban nem anyagot, hanem ikonikus modellek kémiai szimbólumok, kémiai képletek, kémiai reakcióegyenletek.

A következő leckétől kezdi el beszélni a kémiai nyelvet, a jelek és képletek nyelvét.

1. Mi a modell és mi a szimuláció?

2. Mondjon példákat: a) földrajzi modellekre; b) fizikai modellek; c) biológiai modellek.

3. Milyen modelleket használnak a kémiában?

4. Készítsen gyurmából golyós-botos és háromdimenziós vízmolekulákat. Milyen alakúak ezek a molekulák?

5. Írd le a keresztesvirágú virágképletet, ha biológia órán tanultad ezt a növénycsaládot! Ezt a képletet lehet modellnek nevezni?

6. Írjon fel egy egyenletet a test sebességének kiszámítására, ha ismeri a test haladásához szükséges utat és időt. Nevezhető ez az egyenlet modellnek?

§ 4. Kémiai jelek és képletek

A kémiában a szimbolikus modellek közé tartoznak a kémiai elemek jelei vagy szimbólumai, az anyagok képletei és a kémiai reakciók egyenletei, amelyek a „kémiai írás” alapját képezik. Alapítója Jens Jakob Berzelius svéd vegyész. Berzelius írása a kémiai fogalmak közül a legfontosabbon – a „kémiai elemen” – alapul. A kémiai elem egyfajta azonos atom.

Berzelius azt javasolta, hogy a kémiai elemeket latin nevük első betűjével jelöljék. Így latin nevének első betűje az oxigén szimbóluma lett: oxigén - O (olvassa "o", mert ennek az elemnek a latin neve oxigénium). Ennek megfelelően a hidrogén megkapta a H szimbólumot (olvasd "hamu", mert ennek az elemnek a latin neve hidrogén), szén - C (olvasd "ce", mert ennek az elemnek a latin neve carboneum). Azonban a króm latin nevei ( króm), klór ( klór) és réz ( cuprum), valamint a szén, kezdje "C"-vel. Hogyan legyen? Berzelius ötletes megoldást javasolt: írjon olyan szimbólumokat, mint az első és az azt követő betűk egyike, leggyakrabban a második. Tehát a krómot Cr (értsd: "króm"), klór - Cl (értsd "klór"), réz - Cu (értsd "cuprum") jelöléssel.

Az orosz és latin neveket, 20 kémiai elem jeleit és kiejtését a táblázat tartalmazza. 2.

A táblázatunkban csak 20 elem található. A ma ismert mind a 110 elem megtekintéséhez meg kell néznie D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek táblázatát.

2. táblázat

Egyes kémiai elemek nevei és szimbólumai

Orosz név	kémiai jel	Kiejtés	Latin név
Nitrogén	N	En	Nitrogén
Alumínium	Al	Alumínium	Alumínium
Hidrogén	H	Hamu	Hidrogén
Vas	Fe	Ferrum	Ferrum
Arany	Au	Aurum	Aurum
kálium	K	kálium	Kalium
kalcium	kb	kalcium	Kalcium
Oxigén	O	O	oxigénium
Magnézium	mg	Magnézium	magnézium
Réz	Cu	Kuproom	Cuprum
Nátrium	Na	Nátrium	nátrium
Higany	hg	hydrargyrum	Hydrargirum
Vezet	Pb	Plumbum	Plumbum
Kén	S	Es	Kén
Ezüst	Ag	Argentum	Argentum
Szén	TÓL TŐL	Tse	carboneum
Foszfor	R	Pe	Foszpor
Klór	Cl	Klór	Chlorum
Króm	Kr	Króm	Króm
Cink	Zn	Cink	Cinkum

Leggyakrabban az anyagok összetétele több kémiai elem atomját tartalmazza. Golyós modellekkel ábrázolhatja egy anyag legkisebb részecskéjét, például egy molekulát, ahogy az előző leckében tette. ábrán. A vízmolekulák 33 háromdimenziós modelljét mutatjuk be (a), savanyú gáz b), metán (ban ben)és szén-dioxid (G).

A vegyészek gyakrabban használnak szimbolikus modelleket, nem pedig anyagi modelleket az anyagok megjelölésére. A kémiai elemek és indexek szimbólumaival felírjuk az anyagok képleteit. Az index megmutatja, hogy egy adott elem hány atomja van egy anyag molekulájában. Alul a kémiai elem jelétől jobbra van írva. Például a fent említett anyagok képleteit a következőképpen írják le: H 2 O, SO 2, CH 4, CO 2.

A kémiai képlet tudományunk fő ikonikus modellje. Nagyon fontos információkat tartalmaz egy vegyész számára. A kémiai képlet a következőket mutatja: egy adott anyag; ennek az anyagnak egy részecskéje, például egy molekula; minőségi összetétel anyagok, azaz milyen elemek részei ennek az anyagnak az atomjai; mennyiségi összetétel, azaz az egyes elemek hány atomja van egy anyag molekulájában.

Egy anyag képlete azt is meghatározhatja, hogy egyszerű vagy összetett.

Az anyagokat egyszerű anyagoknak nevezzük, amelyek egy elem atomjaiból állnak. A vegyületek két vagy több különböző elem atomjaiból állnak.

Például a hidrogén H 2, a vas Fe, az oxigén O 2 egyszerű anyagok, a víz H 2 O, a szén-dioxid CO 2 és a kénsav H 2 SO 4 összetett.

1. Melyik kémiai elemnek van nagy C betűje? Írd le és mondd el őket.

2. Táblázatból. 2 írja ki külön a fém elemek és a nem fém elemek jeleit. Mondd a nevüket.

3. Mi az a kémiai képlet? Írja fel a következő anyagok képleteit:

a) kénsav, ha ismert, hogy molekulája két hidrogénatomot, egy kénatomot és négy oxigénatomot tartalmaz;

b) hidrogén-szulfid, amelynek molekulája két hidrogénatomból és egy kénatomból áll;

c) kén-dioxid, amelynek molekulája egy kénatomot és két oxigénatomot tartalmaz.

4. Mi egyesíti ezeket az anyagokat?

Készítsen háromdimenziós modelleket gyurmából a következő anyagok molekuláiról:

a) ammónia, amelynek molekulája egy nitrogénatomot és három hidrogénatomot tartalmaz;

b) hidrogén-klorid, amelynek molekulája egy hidrogénatomból és egy klóratomból áll;

c) klór, amelynek molekulája két klóratomból áll.

Írja le ezeknek az anyagoknak a képleteit, és olvassa el őket!

5. Mondjon példákat olyan átalakulásokra, amikor a mészvíz analit, és amikor reagens!

6. Végezzen otthoni kísérletet az élelmiszerekben lévő keményítő meghatározására. Milyen reagenst használtál erre?

7. ábrán. A 33. ábra négy vegyi anyag molekuláris modelljét mutatja be. Hány kémiai elem alkotja ezeket az anyagokat? Írd le a szimbólumaikat, és mondd el a nevüket.

8. Vegyünk négy színű gyurmát. Tekerje fel a legkisebb fehér golyókat – ezek a hidrogénatomok modelljei, a nagyobb kék golyók az oxigénatomok modelljei, a fekete golyók a szénatomok modelljei, és végül a legnagyobb sárga golyók a kénatomok modelljei. (Természetesen feltételesen választottuk meg az atomok színét, az áttekinthetőség kedvéért.) Az atomgolyók segítségével készítsünk háromdimenziós modelleket az ábrán látható molekulákról! 33.

Az anód mikrokisülési folyamatainak fizikai és kémiai modellje

V F. Borbat, O.A. Golovanova, A.M. Sizikov, Omszki Állami Egyetem, Szervetlen Kémia Tanszék

Az elektrolitba merített elektródák közötti elektromos áram áthaladása során alumíniumból, titánból, tantálból és néhány más fémből készült anódokon képződő oxidrétegek bizonyos esetekben magas védő- és dielektromos tulajdonságokkal rendelkeznek. Jelenleg a különböző országok laboratóriumaiban jelentős mennyiségű kutatás folyik az anódbevonatok védő- és elektromos tulajdonságainak javítására, az optimális elektrolit-összetételek felkutatására, a folyamat gyárthatóságának javítására stb. A közelmúltban felhalmozott gyakorlati tapasztalatok a plazma-elektrolitikus anódkezelés védőbevonatok létrehozására való alkalmazásában jelentősen felülmúlták az ezen a területen rendelkezésre álló elméleti koncepciókat.

A szakirodalom és a kísérleti adataink alapján elfogadhatjuk az anód mikrokisülés fizikai modelljét, melynek lényege, hogy az anód mikrokisülés az oxidfilm zárórészének szikrabontásának és egy gáznak a kombinációja. kisülés a bontás után megjelenő gáz-plazma buborékban. Tekintsük a javasolt modellnek a kísérleti eredményeknek való megfelelését, figyelembe véve a folyamatok sorrendjét.

Oxidáció. Az oxidáció során (az elektródákon állandó feszültség mellett) akár több száz mikron vastagságú rétegek keletkeznek. Az új oxidrétegek képződése mellett ezek oldódási folyamata is végbemegy. Számos tanulmány kimutatta, hogy az oxidfilm növekedésének szikrázását megelőző időszakban az elektrolit-anionok, például a szulfátionok bekerülnek az oxid térfogatába. Porózus filmekben anionok jelennek meg az anódoxidban az oldat komponenseinek mechanikai "beágyazódása" miatt. Az oxidban lévő anionok mennyiségét az határozza meg, hogy képesek-e adszorbeálódni az üledék felszínén, vagy akár nem sztöchiometrikus összetételű vegyületeket képezni.

A plazma-elektrolitikus kezeléssel nyert bevonatok fázis- és elemösszetételének tanulmányozásakor azt találták, hogy ezzel a bevonatképzési módszerrel szulfátionokat vezetnek be a filmbe. Sőt, a regiszterogramok típusa alapján feltételezhető, hogy az elektrolit komponensek „keresete” azokon a helyeken történik, ahol anódos mikrokisülések lépnek fel a „gyógyulásuk” idején, ezért az elektrolit komponensek eloszlása ​​a filmen nem egyenletes és eltérő. hagyományos eloxálással nyert filmekben való elosztásból.

A lebontás egy összetett valószínűségi folyamat, amely a dielektrikum egy adott pontján, meglehetősen széles feszültség- és időtartományban fordulhat elő. A lebomlás megindulásának legfontosabb folyamatai a katód (elektrolitoldat) közelében lévő tértöltés változása és az elektronok térfogati befecskendezésének növekedése a dielektromos film vezetési sávjába. Ezek a folyamatok hozzájárulnak a lebontás kialakulásához. A lebomlás kezdete az elektronlavinák kialakulásához kapcsolódik. Valószínű, hogy az oxidban lévő szennyeződések az elsődleges ionok forrása lehet. Egy ilyen mechanizmus az oxidba bevitt elektrolit komponensek, elsősorban anionok különleges szerepére utal. Éppen ezért az anódos szikrabevonatok előállításának lehetőségét nagymértékben meghatározza az oldat összetétele. A vezetési sávba belépő és a mező által felgyorsított elektronok elegendő energiát kapnak ahhoz, hogy az oxidban lévő atomok ütközési ionizációját idézzék elő. Ez utóbbi lavinák előfordulásához vezet, amelyek a fémfelületet elérve lebontási csatornákat képeznek. Az áttörési feszültségnek a vastagságtól való lineáris függésének megléte jelzi a mező egyenletességét az áttörés során és a meghibásodás elektromos jellegét.

Az oxidfilm megsemmisülése - ha kénsavoldatokon anódos mikrokisüléseknek vannak kitéve, a víz és a kénsavmolekulák elektromos térben felgyorsult elektronok hatásának lesznek kitéve. Ezen oldatok ionizációjáról az irodalomban adatok állnak rendelkezésre. Ezek alapján a mikrokisülések plazmájában a legvalószínűbb ionok nagy valószínűséggel a legalacsonyabb megjelenési potenciállal rendelkező ionok lesznek, pl. A vízmolekulák esetében H2O+, a kénsav esetében H2SO4+ és kevésbé valószínű a HSO4+.

Tehát az elektronok ionizációs és disszociatív kapcsolódási folyamatai a következő ionokat adják, ha kénsavas oldatokra mikrokisüléseket alkalmazunk (1-5. reakciók). e + H2O  H2O+ + 2e (1), e + H2SO4  H2SO4+ + 2e (2), vagy HSO4 + H+ + 2e (3), e + H2O  OH + H- (4), e + H2SO4  H + HSO4- (5).

Az e reakciók által képződött pozitív és negatív ionok átalakulása két különböző módon történik: 1) a töltések semlegesítése; 2) ion-molekuláris reakciók. A gerjesztett részecskék disszociációja és ion-molekuláris reakciók eredményeként keletkező gyökök a gázbuborékban lévő molekulákról a H atom leválási reakcióiba és a rekombinációs reakcióba kerülnek.

A gyökképződés után a H atom absztrakciós reakciói játszódnak le: H(OH, HSO4) + H2SO4  H2(H2O, H2SO4) + HSO4 (6), H(HSO3) + H2O  H2(H2SO3) + OH (7) és a gyökök rekombinációjának reakciói : HSO4 + OH  H2SO4 (8), HSO4 + HSO4  H2S2O8 (9), OH + OH  H2O2 (10), H + HSO4  H2SO4 (11).

A mikrokisüléses plazma által gerjesztett kénsavmolekulák szomszédos molekulákkal: H2SO4* + H2SO4  H2SO3 + H2SO5 (12) kölcsönhatása következtében lehetséges a kén-dioxid képződése, vagy a mechanizmus is lehetséges: H2SO4*  H2SO3 + O (13). A keletkező H2SO3 és H2SO5 a magas hőmérséklet miatt a mikrokisülési zónában termikusan disszociál az egyenletek szerint:

H2SO3  H2O + SO2 (14), 2H2SO5  2H2SO4 + 0,5 O2 (15).

A gyökök egy része a mikrokisüléses gázbuborékon túl az azt körülvevő folyadékba jut, ahol rekombinációs reakciókba lépnek egymással és reagálnak az elektrolit komponensekkel. Az elektrolit buborékközeli rétegében lezajló folyamatok eredményeként létrejövő termékek hozama a kénsav koncentrációjától (azaz a különböző koncentrációjú kénsavoldatokban jelen lévő ionok arányától) függ.

A kénsav kémiai átalakulásának javasolt mechanizmusa szerint az oldatban lévő koncentrációjának növekedésével, ellenkező esetben a koncentráció növekedésével a mikrokisüléses gázbuborékban a közvetlenül ionizált és az elektronütéssel gerjesztett kénsav számának növekedésével. savmolekulák lépnek fel. Mivel a gázkisüléseknél szokásos elektronenergiákon tapasztalható alacsony ionizáció miatt az anyagok kémiai átalakulása főként gerjesztett állapotokon keresztül megy végbe, a kénsav koncentrációjának növekedésével járó mikrokisüléseknek való kitettség esetén a kénsav koncentrációjának növekedésével kell számolni. azoknak a termékeknek a hozama, amelyeknek a gerjesztett részecskék a prekurzorai.

A kénsav koncentrációjának növekedésével (több mint 14 M) növekszik a kénsavmolekulák aránya a gáz-plazma buborékban, illetve az oldott anyag bomlása a mikrokisülési plazma közvetlen hatása miatt következik be. A 14 M-nál kisebb kénsavoldatok esetében az oldott anyag átalakulása főként a plazma oldószerre gyakorolt ​​hatása miatt következik be – ez közvetett hatás. Ez növeli a 9, 10, 11, 13 reakciók valószínűségét, amelyek stabil molekuláris termékek képződéséhez vezetnek: kén-dioxid és peroxid vegyületek.

A pórusok "gyógyulása" - a plazmaképződés további bővülése meglehetősen gyorsan az utóbbi hőmérsékletének jelentős csökkenéséhez, és ennek következtében a kisülési hordozók koncentrációjának csökkenéséhez, az áram megszakadásához és a csatorna gyors lehűléséhez vezet. . A gáz-plazma buborék eltűnése a benne lévő gázkisülés megszűnése után következik be. Ismeretes, hogy a gázkisülés kialszik, amikor az áramsűrűség a kisülés önfenntartásához megengedhető minimális szint alá csökken. Mikrokisülések esetén a gázkisülési áramsűrűség csökkenésének okai a következők lehetnek: 1) a buborékközeli elektrolit réteg áramhordozókkal való kimerülése idővel, ami miatt az elektrolit képtelenné válik a megengedett minimális áramsűrűség biztosítására. a kisülés önfenntartására, és a gázkisülés kialszik; 2) a mikrokisülési buborék méretének növekedése a körülötte lévő folyadék bepárolgása miatt; 3) az oxidfilm zárórészében lévő lebontó csatorna megolvasztása vagy "gyógyítása" (gázplazmában történő eloxálással). Az első törés során keletkezett kráter általában eléri a fémfelületet. Ezen a ponton az áramsűrűség maximális lesz a kráterben lévő elektrolit viszonylag alacsony ellenállása miatt, ami biztosítja az oxidfilm (a MexOy plazmakémiai reakció terméke) gyors megjelenését. A lebomlási hely "gyógyulása" történik, az oxidfilm vastagsága megnő, és főleg az aljzat anyagának mélységében.

Így a kísérleti eredmények és az irodalmi adatok alapján javasolt az anód mikrokisülés kénsavoldatokra gyakorolt ​​hatásának mechanizmusa, amely a következő szakaszokat tartalmazza:

A mikrokisülési buborékban gerjesztett és ionizált molekulák képződése a benne áramló gázkisülés következtében;

A reakciók lefutása gyökök és molekuláris termékek képződésével, amelyek egymással és a kiindulási anyagokkal való reakciói adják a végtermékek zömét;

A keletkező gyökök és egyéb részecskék diffúziós eltávolítása a gázbuborékon kívül, amelyek reakciói az elektrolit közeli buborékrétegében a végső molekuláris termékekhez vezetnek.

Bibliográfia

Bakovets V.V., Polyakov O.V., Dolgovesova I.P. Fémek plazma-elektrolitikus anódos kezelése // Novoszibirszk: Nauka, 1991. P.63-68.

Nagatant T., Yashinara S.T. A fragmensionok eloszlásának és reakcióinak vizsgálata töltésspektrométerrel // J. Bull. chem. szoc. Jap., 1973. V.46. No. 5. P.1450-1454.

Mann M., Hastrulid A., Tate J. Vízgőz és ammónia ionizációja és disszociációja elektronütéssel // J. Phys. Fordulat. 1980. V.58. P.340-347.

Ivanov Yu.A., Polak L.S. Az elektronok energiaeloszlása ​​alacsony hőmérsékletű plazmában // Plasma Chemistry, Moszkva: Atomizdat, 1975. Issue. 2. C.161-198.

A munka elkészítéséhez a http://www.omsu.omskreg.ru/ webhelyről származó anyagok

1.4.1 Kémiai modellek

A megfigyelés és a kísérletezés mellett a természeti világ és a kémia megismerésében fontos szerepet kap a modellezés. A megfigyelés egyik fő célja, hogy mintákat keressünk a kísérletek eredményeiben. Egyes megfigyeléseket azonban kényelmetlen vagy lehetetlen közvetlenül a természetben elvégezni. A természetes környezetet a laboratóriumban speciális eszközök, installációk, tárgyak, azaz modellek segítségével teremtik újra. A modellek csak az objektum legfontosabb jellemzőit és tulajdonságait másolják át, és elhagyják azokat, amelyek a tanulmányozáshoz nem nélkülözhetetlenek. Tehát a kémiában a modellek feltételesen két csoportra oszthatók: anyagi és ikonikus.

Vegyi és ipari készülékek modelljei

Az atomok, molekulák, kristályok, vegyipar anyagmodelljeit a vegyészek a nagyobb áttekinthetőség érdekében használják.

Az atom legáltalánosabb ábrázolása a Naprendszer szerkezetére emlékeztető modell.

Gyakran használják anyagok molekuláinak modellezésére. labda-bot modellek. Az ilyen típusú modelleket színes golyókból állítják össze, amelyek a molekulát alkotó atomokat képviselik. A golyókat rudak kötik össze, amelyek a kémiai kötéseket szimbolizálják. A golyós-botos modellek segítségével a molekulában lévő kötési szögek meglehetősen pontosan reprodukálhatók, de a magok közötti távolságok csak megközelítőleg tükröződnek, mivel a golyókat összekötő rudak hossza nem arányos a kötéshosszokkal.

Kotró modellek elég pontosan közvetíti a kötésszögeket és a kötéshosszak arányát a molekulákban. A bennük lévő atommagokat a golyós-rúd modellekkel ellentétben nem golyók, hanem a rudak kapcsolódási pontjai jelölik.

félgömb alakú modellek, más néven Stewart-Brigleb modellek, vágott szegmensekkel ellátott golyókból állnak össze. Az atommodelleket gombok segítségével szeletsíkok kötik össze. A félgömb alakú modellek pontosan közvetítik mind a kötéshosszak és kötésszögek arányát, mind a molekulákban lévő magközi tér kitöltését. Ez a foglaltság azonban nem mindig teszi lehetővé a magok kölcsönös elrendezésének vizuális megjelenítését.

A kristálymodellek a molekulák golyós-botos modelljéhez hasonlítanak, azonban nem az anyag egyes molekuláit ábrázolják, hanem egy kristályos állapotban lévő anyag részecskéinek kölcsönös elrendeződését mutatják be.

A vegyészek azonban gyakrabban nem anyagot használnak, hanem ikonikus modellek - ezek kémiai szimbólumok, kémiai képletek, kémiai reakcióegyenletek. A kémiai elemek és indexek szimbólumaival felírjuk az anyagok képleteit. Az index megmutatja, hogy egy adott elem hány atomja van egy anyag molekulájában. A kémiai elem jelétől jobbra van írva.

A kémiai képlet a kémia fő ikonikus modellje. Megmutatja: egy adott anyag; ennek az anyagnak egy részecskéje; az anyag minőségi összetétele, azaz azon atomok, amelyek elemei ennek az anyagnak a részét képezik; mennyiségi összetétel, azaz az egyes elemek hány atomja része az anyag molekulájának.

A fenti modellek mindegyikét széles körben használják az alkotás során interaktív számítógépes modellek.

1.4.2 Számítógépes modellek osztályozása

A különböző típusú pedagógiai szoftverek közül kiemeljük azokat, amelyek számítógépes modelleket használnak. A számítógépes modellek használata nemcsak a tanulási folyamat láthatóságának növelését és intenzitását teszi lehetővé, hanem a folyamat gyökeres megváltoztatását is. Az utóbbi években rohamos ütemben halad a számítógépek fejlesztése, modellezési lehetőségeik szinte határtalanná váltak, így a számítógépes modellek jelentősége az iskolai tudományágak tanulmányozásában jelentősen megnőhet. E.E. Nifantiev, A.K. Akhlebinin, V.N. Likhachev megjegyzi, hogy a számítógépes modellek fő előnye az szinte bármilyen folyamat és jelenség modellezésének lehetősége, interaktív felhasználói interakció a modellel, valamint problematikus, kutatási megközelítések megvalósítása a tanulási folyamatban.

V. N. Likhachev azt javasolja, hogy az oktatási számítógépes modelleket számos kritérium szerint osztályozzák, amelyek közül a legfontosabbak az animáció jelenléte a modell megjelenítésekor, az irányítás módja, a modell vizuális megjelenítésének módja. Az animáció jelenlétével az UKM dinamikus és statikus lehet. A dinamikusak animációs töredékeket tartalmaznak a szimulált objektumok és folyamatok megjelenítésére, a statikusaknál hiányoznak. A vezérlés módja szerint az RCM kezelhető, ami lehetővé teszi a modell paramétereinek megváltoztatását, és nem menedzselt, amelyek nem biztosítanak ilyen lehetőséget.

A demonstrációs (nem menedzselt) modellek között a felhasználóval való interakció lehetősége szerint további két csoport különíthető el: interaktív és nem interaktív. Az interaktívak lehetővé teszik a modell megjelenítésének típusát vagy a megfigyelési pontot a modellen anélkül, hogy megváltoztatnák a paramétereit. A nem interaktív ilyen lehetőségeket nem biztosítják.

E.E. Nifantiev, A.K. Akhlebinin és V.N. Lihacsovot módszertani szempontból a leghasznosabbnak tartják a modellező objektum szerinti osztályozás. Az ábrázolt objektumok szintje szerint a kémia tanításában használt modellek két csoportra oszthatók : a makrovilág modelljei, amelyek a szimulált objektumok külső tulajdonságait és azok változását tükrözik és mikrovilág modellek, amelyek a tárgyak szerkezetét és a bennük végbemenő változásokat tükrözik atomi és molekuláris reprezentációjuk szintjén. És az olyan objektumok modelljei, mint a vegyi anyagok, a kémiai reakciók és a fizikai-kémiai folyamatok, mind a mikrovilág, mind a makrokozmosz szintjén létrehozhatók.

Az UKM besorolása a nagyobb áttekinthetőség érdekében diagram formájában is bemutatható.

1.4.3 A mikrovilág számítógépes modelljei

A mikrokozmosz szintjén a modellezés tárgyai az atomok, ionok, molekulák, kristályrácsok, az atomok szerkezeti elemei. A mikrovilág szintjén az anyag szerkezetének sajátosságait, az anyagot alkotó részecskék kölcsönhatását modellezik. A kémiai reakciók mikrovilág szintjén történő modellezéséhez a kémiai folyamatok mechanizmusai nagyon érdekesek. A fizikai és kémiai folyamatok modelljeiben pedig az elektronikus vagy atomi-molekuláris szinten végbemenő folyamatokat veszik figyelembe.

Nyilvánvaló, hogy a mikrovilág modelljeit szimuláló CCM-ek kiváló asszisztensekké válnak az atomok szerkezetének, a kémiai kötések típusainak, az anyag szerkezetének stb.

A programban a Mengyelejev periódusos rendszerének 1-3 periódusának atommodelljeit valósítják meg " 1C: Oktató. Kémia» az atom Bohr-modelljei formájában. A programban az atom szerkezetére vonatkozó modernebb ötletek valósulnak meg chemland, ahol figyelembe vesszük az elektronok eloszlását az elemek atomjainak energia-alszintjein és az egyes pályák formáját a különböző energiaszinteken.

Külön érdekesség a program HyperChem. Molekulák különféle termodinamikai és elektronikus paramétereinek elméleti számításának egyik fő szakmai programja. Segítségével lehetőség nyílik különféle vegyületek térbeli modelljének felépítésére, geometriai szerkezetük jellemzőinek tanulmányozására, molekuláris pályák alakjának és energiájának meghatározására, az elektronsűrűség eloszlásának jellegére, dipólusmomentumra stb. Minden kimenő adat színes rajzok formájában biztosítjuk, amelyek azután nyomtatóra nyomtathatók, így kiváló minőségű képet kapunk a kémiai vegyületekről a szükséges szögekben és vetületekben. A program előnye, hogy lehetőség nyílik a molekula különböző szögekből történő vizsgálatára, térszerkezetének sajátosságaival való megismerkedésre. Ez rendkívül fontosnak tűnik, hiszen a tanítási gyakorlat szerint a diákok általában nem alkotnak elképzeléseket a molekulákról, mint térszerkezetekről. A vegyszerek hagyományos képe egy síkban a teljes dimenzió elvesztéséhez vezet, és nem serkenti a térbeli képzelet fejlődését.

A multimédiás tanfolyamon Kémia mindenkinek» Egy programot használnak - molekulák sztereó bemutatóját. Lehetővé teszi térfogati kép készítését hidrogén-, oxigén-, szén- és nitrogénatomokból álló molekulákról. A demonstrációhoz molekulák drótvázas modelljeit használják. A modellek mozgathatók, forgathatók, egyszerre több különböző molekuláról jeleníthetők meg képek. A program lehetővé teszi új molekulamodellek önálló létrehozását. Összesen 25 szerves molekula modelljeit adjuk meg, azonban ezeknek a modelleknek a didaktikai értéke alacsony, mivel meglehetősen egyszerű vegyületek modelljei állnak rendelkezésre, amelyeket minden tanuló gyurmával és gyufával összeállíthat.

Egyes molekulák szemléltető orbitális lapátos 3D modelljeit implementálják a programban " A vegyértékkötések módszere: atompályák hibridizációja.És a programban A kémiai kötés természete» ismerteti a kémiai kötés létrejöttének okait az atomokból hidrogénmolekula képződésének példáján keresztül. Mindkét program benne van a képzési programokban " Kémia mindenkinek – 2000».

Programokban használt interaktív bemutató drótvázak ChemLand- 115 túlnyomórészt szerves vegyület molekula, és Kémia mindenkinek". Ennek a két programnak megvannak a maga előnyei és hátrányai: a Chemistry for All programban a modellek a monitor teljes képernyőjén jeleníthetők meg, míg a ChemLand programban nincs ilyen funkció, azonban a program nagyszámú molekulát tartalmaz. A ChemLandben dinamikus modelleket használnak, amelyek bemutatják a molekulák térbeli szerkezetét a kötésszögek és kötéshosszok mérésének képességével, amellyel nyomon követhetjük egy háromszög alakú molekula polaritásának változását az atomok típusától függően.

A molekulák és kristályok szerkezetének tanulmányozása során hasznosak lehetnek az inkább kutatási célokat szolgáló programok. Ez például egy program CS Chem3D Pro, amely lehetővé teszi különböző molekulák háromdimenziós szerkezetének létrehozását, módosítását és megjelenítését. Szintén hasznos program Kristály tervező, amely a kristályrács háromdimenziós szerkezetének megjelenítésére szolgál. Ezek a programok hasznosak lehetnek molekulák és kristályok háromdimenziós képeinek elkészítéséhez, illetve ezek számítógépes tantermi bemutatásához.

program" állítsa össze a molekulát”, bár képességeiben gyengébb a fenti programoknál, hatékonyan használható az iskolások egyéni munkájában.

A programban fizikai és kémiai folyamatok és mechanizmusok modelljeit valósítják meg " Kémia mindenkinek". Nem interaktív modelleket mutatunk be az "Elektrolitikus disszociáció" témában: sók, savak, lúgok disszociációja, sók hidrolízise. Ugyanez a program a szerves reakciómechanizmusok néhány modelljét valósítja meg: alkánbrómozás, észterezés, a polimerizációs reakciók általános mechanizmusa stb. A reakciómechanizmusok minden modellje nem interaktív, teljes képernyőn jelenik meg, van hangja, de nincs szöveges leírása a fellépő jelenségekről, ami jelentősen korlátozza a program használatát.

A szerves kémia középiskolai interaktív tankönyvének online változatában a X-XI. osztályok számára, szerkesztette: G. I. Deryabina, A. V. Solovov a kovalens kötés képződésének csere- és donor-akceptor mechanizmusait, a kovalens kötések felszakadásának homolitikus és heterolitikus mechanizmusait mutatjuk be a metánmolekulából történő hidrogénatom-elvonás, az sp-hibridizációs folyamat példáján. Nagy érdeklődésre tartanak számot szerves molekulák interaktív 3D-s demonstrációs modelljeiés a kémiai reakciók mechanizmusai: a metán klórozása és a nukleofil szubsztitúció általános mechanizmusa. Nagyon fontos, hogy a modellekkel való munkavégzés során megváltoztatható a térbeli helyzetük, a reakciómechanizmusnál pedig a megfigyelési pont helyzete.

Egy másik, a kémiai reakciók mechanizmusait bemutató program, a program Szerves reakció animációk. 34 szerves reakciómechanizmust tartalmaz. Ezen túlmenően, mindegyik mechanizmus négyféle molekuláris modell formájában jelenik meg: golyós-botos, háromdimenziós és kétféle orbitális lapát modell. Az orbitális lapát modellek egyik változata a szubsztrát külső pályáinak változását mutatja be a reakció során, a másik pedig a reaktánsét. Ez megkönnyíti a reaktánsok külső pályájának változásának megfigyelését a reakció során. Szükség esetén használhatja az interaktív többcsatornás megismerő eszköz elméleti anyagát. Fejlődés saját diákjaik...

Számítógépes tesztelés

Tesztek >> Informatika

... módszertanok ... tanul irodalom... fejlődés tesztek és tesztelések. A számítógépes tesztelési technológiának a következő fő jellemzőkkel kell rendelkeznie: interaktív ... mikrovilágok); ... (iskola ... őket használat nál nél ... modellek/ Tutorial for árfolyam ...

Tudományfilozófia és módszertan

Tanulmányi útmutató >> Filozófia

A biológia területén nál nél tanul különböző biológiai fajok koevolúciója, őket struktúrák és szervezeti szintek... és megállapították. Használat módszerek ellenállnak a vizsgálat paramétereire vonatkozó külső korlátozásoknak. Modellek végrehajtás...

Társadalmi és kulturális tevékenységek (2)

Tankönyv >> Szociológia

... őket tanulmány, megőrzés, előállítás, fejlesztés, használatés ennek következtében fejlődés ... . Nál nél tanul tanfolyam, ... mikrovilág ... modellekés véget ér modell ... interaktív pedagógiai módszerek és technológiák. Köztük magánszemélyek mód... óvoda, iskola (...

A mikrovilág interaktív modelljeinek kidolgozása és felhasználásuk módszerei egy kémia iskolai kurzus tanulmányozásában

1.4.1 Kémiai modellek

A modellezésnek a megfigyelés és a kísérletezés mellett fontos szerepe van a természeti világ és a kémia megismerésében. A megfigyelés egyik fő célja, hogy mintákat keressünk a kísérletek eredményeiben. Egyes megfigyeléseket azonban kényelmetlen vagy lehetetlen közvetlenül a természetben elvégezni. A természetes környezetet a laboratóriumban speciális eszközök, installációk, tárgyak, azaz modellek segítségével teremtik újra. A modellek csak az objektum legfontosabb jellemzőit és tulajdonságait másolják át, és elhagyják azokat, amelyek a tanulmányozáshoz nem nélkülözhetetlenek. Tehát a kémiában a modellek feltételesen két csoportra oszthatók: anyagra és jelre.

Az atomok, molekulák, kristályok, vegyipar anyagmodelljeit a vegyészek a nagyobb áttekinthetőség érdekében használják.

Az atom legáltalánosabb ábrázolása a Naprendszer szerkezetére emlékeztető modell.

Ball-and-stick modelleket gyakran használnak anyagok molekuláinak modellezésére. Az ilyen típusú modelleket színes golyókból állítják össze, amelyek a molekulát alkotó atomokat képviselik. A golyókat rudak kötik össze, amelyek a kémiai kötéseket szimbolizálják. A golyós-botos modellek segítségével a molekulában lévő kötési szögek meglehetősen pontosan reprodukálhatók, de a magok közötti távolságok csak megközelítőleg tükröződnek, mivel a golyókat összekötő rudak hossza nem arányos a kötéshosszokkal.

Dreding modelljei meglehetősen pontosan közvetítik a kötési szögeket és a kötéshosszak arányát a molekulákban. A bennük lévő atommagokat a golyós-rúd modellekkel ellentétben nem golyók, hanem a rudak kapcsolódási pontjai jelölik.

A félgömb alakú modelleket, más néven Stewart-Briegleb modelleket vágott szegmensekkel ellátott golyókból állítják össze. Az atommodelleket gombok segítségével szeletsíkok kötik össze. A félgömb alakú modellek pontosan közvetítik mind a kötéshosszak és kötésszögek arányát, mind a molekulákban lévő magközi tér kitöltését. Ez a foglaltság azonban nem mindig teszi lehetővé a magok kölcsönös elrendezésének vizuális megjelenítését.

A kristálymodellek a molekulák golyós-botos modelljéhez hasonlítanak, azonban nem az anyag egyes molekuláit ábrázolják, hanem egy kristályos állapotban lévő anyag részecskéinek kölcsönös elrendeződését mutatják be.

A vegyészek azonban gyakrabban nem anyagi, hanem szimbolikus modelleket használnak - ezek kémiai szimbólumok, kémiai képletek, kémiai reakcióegyenletek. A kémiai elemek és indexek szimbólumaival felírjuk az anyagok képleteit. Az index megmutatja, hogy egy adott elem hány atomja van egy anyag molekulájában. A kémiai elem jelétől jobbra van írva.

A kémiai képlet a kémia alapvető ikonikus modellje. Megmutatja: egy adott anyag; ennek az anyagnak egy részecskéje; az anyag minőségi összetétele, azaz azon atomok, amelyek elemei ennek az anyagnak a részét képezik; mennyiségi összetétel, azaz az egyes elemek hány atomja része az anyag molekulájának.

A fenti modellek mindegyikét széles körben használják interaktív számítógépes modellek létrehozásában.

A kénsav-anhidrid kénsav-anhidriddé való oxidációjának reakcióját végrehajtó reaktor kiválasztása

Bármely kémiai-technológiai rendszer központi berendezése, amely számos, különféle kapcsolatokkal összekapcsolt gépet és berendezést foglal magában, egy kémiai reaktor - egy olyan berendezés, amelyben kémiai folyamat zajlik. Típusválasztás...

Először is létrejön az objektum számítógépes modellje, és számítógépes modellezéssel molekulákat képeznek a vizsgálat helyén. A modell lehet 2D vagy 3D.

A technológia fejlesztésének innovatív módja új gyógyszerek létrehozására

Nem fér kétség a kvantumkémiai konstrukciókhoz használt molekula modelljének ésszerűségéhez, amely szerint az atommagok és elektronok rendszere elemzés tárgyát képezi, viselkedését pedig a kvantumelmélet egyenletei írják le, kétségtelen. .

A technológia fejlesztésének innovatív módja új gyógyszerek létrehozására

A biológiai aktivitás meghatározására szolgáló módszerek esetében bevezetik a leírók és a QSAR fogalmát. A molekuláris leíró a molekulák tulajdonságait jellemző numerikus érték. Például fizikai-kémiai tulajdonságokat képviselhetnek...

Izobután izobutilénnel izooktánná történő alkilezésének kinetikájának vizsgálata matematikai modellezéssel

A benzol klórozási reakciójának kinetikájának vizsgálata

R = k*C1*Ck? A kapott modell legjobb feldolgozása érdekében transzformáljuk a függvény alakját, mivel a reakciósebesség időfüggősége állandó és az első 3 kísérletnél 0,0056...

Szimulációs módszer a kémiában

Jelenleg a "modell" és a "modellezés" fogalmának számos különböző definíciója található. Nézzünk meg néhányat közülük. "A modell egy bizonyos tudásterület tényeinek, dolgoknak és összefüggéseinek megjelenítése egy egyszerűbb ...

A reológia tudományos alapjai

Egy test feszültség-húzódási állapota általában háromdimenziós, tulajdonságait egyszerű modellekkel leírni irreális. Azokban a ritka esetekben azonban, amikor az egytengelyű testek deformálódnak...

CTS szintézise és elemzése a benzingyártásban

A katalitikus krakkolási folyamat kémiai modellje nagyon összetett. Tekintsük a krakkolási folyamat során lejátszódó reakciók közül a legegyszerűbbet: СnН2n+2 > CmH2m+2 + CpH2p...

Kémiai-technológiai rendszer (CTS) szintézise

A gyártási folyamatok jellemzőikben és összetettségükben változatosak. Ha a folyamat összetett, és mechanizmusának megfejtése sok erőfeszítést és időt igényel, empirikus megközelítést alkalmazunk. Matematikai modellek...

A dugós áramlású és a teljes keverőreaktorok összehasonlítása izoterm üzemben