Kompiuteriniai modeliai mokant chemijos. Cheminiai gamtos objektų modeliai
O.S.GABRIELYAN,
I. G. OSTROUMOVAS,
A.K.AKLEBININAS
PRADĖKITE IŠ CHEMIJOS
7 klasė
Tęsinys. Žr. pradžią Nr. 1, 2/2006
1 skyrius.
Chemija gamtos mokslų centre
(tęsinys)
§ 3. Modeliavimas
Be stebėjimo ir eksperimento, modeliavimas vaidina svarbų vaidmenį pažiniant gamtos pasaulį ir chemiją.
Jau minėjome, kad vienas iš pagrindinių stebėjimo tikslų yra ieškoti šablonų eksperimentų rezultatuose.
Tačiau kai kuriuos stebėjimus gamtoje atlikti yra nepatogu arba neįmanoma. Laboratorijoje natūrali aplinka atkuriama specialių prietaisų, instaliacijų, objektų pagalba, t.y. modeliai. Modeliai nukopijuoja tik svarbiausias objekto ypatybes ir savybes ir praleidžia tas, kurios nėra būtinos tyrimui. Žodis „modelis“ turi prancūzų-italų šaknis ir yra išverstas į rusų kalbą kaip „pavyzdys“. Modeliavimas yra tam tikro reiškinio tyrimas jo modelių pagalba, t.y. pakaitalai, analogai.
Pavyzdžiui, norint ištirti žaibą (natūralų reiškinį), mokslininkams nereikėjo laukti blogo oro. Žaibus galima modeliuoti fizikos klasėje ir mokyklos laboratorijoje. Dviem metaliniams rutuliukams reikia suteikti priešingus elektros krūvius – teigiamą ir neigiamą. Kai kamuoliukai priartėja prie tam tikro atstumo, tarp jų šokinėja kibirkštis – tai miniatiūrinis žaibas. Kuo didesnis kamuoliukų krūvis, kuo anksčiau artėjant šokinėja kibirkštis, tuo ilgesnis dirbtinis žaibas. Toks žaibas gaunamas naudojant specialų įrenginį, vadinamą elektroforo mašina.
Modelio tyrimas leido mokslininkams nustatyti, kad natūralus žaibas yra milžiniška elektros iškrova tarp dviejų griaustinio debesų arba tarp debesų ir žemės. Tačiau tikras mokslininkas kiekvienam tiriamam reiškiniui siekia rasti praktinį pritaikymą. Kuo galingesnis elektros žaibas, tuo aukštesnė jo temperatūra. Tačiau elektros energijos pavertimą šiluma galima „prisijaukinti“ ir panaudoti, pavyzdžiui, suvirinant ir pjaustant metalus. Taip gimė visiems šiandien pažįstamas elektrinio suvirinimo procesas.
Kiekvienas gamtos mokslas naudoja savo modelius, kurie padeda vizualizuoti tikrą gamtos reiškinį ar objektą.
Garsiausias geografinis modelis yra gaublys. Tai miniatiūrinis trimatis mūsų planetos vaizdas, su kuriuo galite ištirti žemynų ir vandenynų, šalių ir žemynų, kalnų ir jūrų išsidėstymą. Jei ant popieriaus lapo uždedamas žemės paviršiaus vaizdas, tai toks modelis vadinamas žemėlapiu.
Ypač plačiai taikomas modeliavimas fizikoje. Šio dalyko pamokose susipažinsite su įvairiais modeliais, kurie padės tirti elektrinius ir magnetinius reiškinius, kūnų judėjimo dėsnius, optinius reiškinius.
Biologijos studijose modeliai taip pat plačiai naudojami. Užtenka paminėti, pavyzdžiui, modelius – gėlės manekenus, žmogaus organus ir pan.
Ne mažiau svarbus ir chemijoje modeliavimas. Tradiciškai cheminius modelius galima suskirstyti į dvi grupes: medžiaginius ir ženklus (arba simbolinius).
medžiagų modeliai atomus, molekules, kristalus, chemijos gamybos chemikai naudoja didesniam aiškumui.
Tikriausiai matėte atomo modelio vaizdą, primenantį Saulės sistemos sandarą (30 pav.).
Cheminėms molekulėms modeliuoti naudojami rutuliniai arba tūriniai modeliai. Jie surinkti iš rutuliukų, simbolizuojančių atskirus atomus. Skirtumas slypi tame, kad rutulinių ir strypų modeliuose rutuliukai-atomai yra tam tikru atstumu vienas nuo kito ir yra pritvirtinti vienas prie kito strypais. Pavyzdžiui, vandens molekulių rutuliniai ir tūriniai modeliai parodyti Fig. 31.
Kristalų modeliai primena molekulių rutulinius modelius, tačiau vaizduoja ne atskiras medžiagos molekules, o parodo kristalinės būsenos medžiagos dalelių tarpusavio išsidėstymą (32 pav.).
Tačiau dažniausiai chemikai naudoja ne medžiagą, o ikoniniai modeliai yra cheminiai simboliai, cheminės formulės, cheminių reakcijų lygtys.
Nuo kitos pamokos pradėsite kalbėti chemine kalba, ženklų ir formulių kalba.
1. Kas yra modelis ir kas yra modeliavimas?
2. Pateikite pavyzdžių: a) geografinių modelių; b) fiziniai modeliai; c) biologiniai modeliai.
3. Kokie modeliai naudojami chemijoje?
4. Iš plastilino sukurkite rutulinius ir trimačius vandens molekulių modelius. Kokios formos yra šios molekulės?
5. Užsirašykite kryžmažiedžių žiedų formulę, jei šią augalų šeimą studijavote biologijos pamokoje. Ar šią formulę galima pavadinti modeliu?
6. Užrašykite kūno greičio skaičiavimo lygtį, jei žinote kelią ir laiką, per kurį kūnas keliauja. Ar šią lygtį galima pavadinti modeliu?
§ 4. Cheminiai ženklai ir formulės
Simboliniai chemijos modeliai apima cheminių elementų ženklus arba simbolius, medžiagų formules ir cheminių reakcijų lygtis, kuriomis grindžiamas „cheminis rašymas“. Jos įkūrėjas yra švedų chemikas Jensas Jakobas Berzelius. Berzelio raštas remiasi svarbiausia iš cheminių sąvokų – „cheminis elementas“. Cheminis elementas yra identiškų atomų tipas.
Berzelius pasiūlė cheminius elementus žymėti pirmąja lotyniškų pavadinimų raide. Taigi pirmoji jo lotyniško pavadinimo raidė tapo deguonies simboliu: deguonis – O (skaitykite „o“, nes lotyniškas šio elemento pavadinimas oksigeniumas). Atitinkamai, vandenilis gavo simbolį H (skaitykite „pelenai“, nes lotyniškas šio elemento pavadinimas vandenilis), anglis - C (skaitykite „ce“, nes lotyniškas šio elemento pavadinimas carboneum). Tačiau lotyniški chromo pavadinimai ( chromo), chloras ( chloras) ir varis ( cuprum), taip pat anglis, pradėkite raide „C“. Kaip būti? Berzelijus pasiūlė išradingą sprendimą: rašyti tokius simbolius kaip pirmoji ir viena iš sekančių raidžių, dažniausiai antroji. Taigi, chromas žymimas Cr (skaityti "chromas"), chloras - Cl (skaityti "chloras"), varis - Cu (skaitykite "cuprum").
Lentelėje pateikti rusiški ir lotyniški pavadinimai, 20 cheminių elementų ženklai ir jų tarimas. 2.
Mūsų lentelėje yra tik 20 elementų. Norėdami pamatyti visus 110 šiandien žinomų elementų, turite pažvelgti į D.I. Mendelejevo cheminių elementų lentelę.
2 lentelė
Kai kurių cheminių elementų pavadinimai ir simboliai
| Rusiškas vardas | cheminis ženklas | Tarimas | Lotyniškas pavadinimas |
|---|---|---|---|
| Azotas | N | En | Azotas |
| Aliuminis | Al | Aliuminis | Aliuminis |
| Vandenilis | H | Uosis | Vandenilis |
| Geležis | Fe | Ferrum | Ferrum |
| Auksas | Au | Aurum | Aurum |
| kalio | K | kalio | Kalis |
| kalcio | Ca | kalcio | Kalcis |
| Deguonis | APIE | APIE | oksigeniumas |
| Magnis | mg | Magnis | magnio |
| Varis | Cu | Kuproom | Cuprum |
| Natrio | Na | Natrio | natrio |
| Merkurijus | hg | Hydrargyrum | Hydrargirum |
| Vadovauti | Pb | Plumbum | Plumbum |
| Siera | S | Es | Siera |
| sidabras | Ag | Argentum | Argentum |
| Anglies | SU | Tse | carboneum |
| Fosforas | R | Pe | Fosforas |
| Chloras | Cl | Chloras | Chloras |
| Chromas | Kr | Chromas | Chromas |
| Cinkas | Zn | Cinkas | Cinkas |
Dažniausiai į medžiagų sudėtį įeina kelių cheminių elementų atomai. Galite pavaizduoti mažiausią medžiagos dalelę, pavyzdžiui, molekulę, naudodami rutulinius modelius, kaip darėte ankstesnėje pamokoje. Ant pav. Rodomi 33 trimačiai vandens molekulių modeliai (A), rūgščios dujos b), metanas (V) ir anglies dioksidas (G).
Dažniau chemikai medžiagoms žymėti naudoja simbolinius modelius, o ne materialius modelius. Naudojant cheminių elementų ir indeksų simbolius, užrašomos medžiagų formulės. Indeksas parodo, kiek tam tikro elemento atomų yra medžiagos molekulėje. Tai parašyta žemiau cheminio elemento ženklo dešinėje. Pavyzdžiui, aukščiau paminėtų medžiagų formulės parašytos taip: H 2 O, SO 2, CH 4, CO 2.
Cheminė formulė yra pagrindinis mūsų mokslo ikoninis modelis. Ji neša labai svarbią informaciją chemikui. Cheminė formulė rodo: konkrečią medžiagą; viena šios medžiagos dalelė, pavyzdžiui, viena molekulė; kokybinė kompozicija medžiagų, t.y. kokių elementų atomai yra šios medžiagos dalis; kiekybinė sudėtis, t.y. kiek kiekvieno elemento atomų yra medžiagos molekulėje.
Medžiagos formulė taip pat gali nustatyti, ar ji paprasta, ar sudėtinga.
Medžiagos vadinamos paprastomis medžiagomis, susidedančiomis iš vieno elemento atomų. Junginiai sudaryti iš dviejų ar daugiau skirtingų elementų atomų.
Pavyzdžiui, vandenilis H 2, geležis Fe, deguonis O 2 yra paprastos medžiagos, o vanduo H 2 O, anglies dioksidas CO 2 ir sieros rūgštis H 2 SO 4 yra sudėtingos.
1. Kuris cheminis elementas turi didžiąją raidę C? Užsirašykite juos ir pasakykite.
2. Iš lentelės. 2 atskirai išrašykite metalinių elementų ir nemetalinių elementų ženklus. Pasakyk jų vardus.
3. Kas yra cheminė formulė? Parašykite šių medžiagų formules:
a) sieros rūgštis, jei žinoma, kad jos molekulėje yra du vandenilio atomai, vienas sieros atomas ir keturi deguonies atomai;
b) vandenilio sulfidas, kurio molekulė susideda iš dviejų vandenilio atomų ir vieno sieros atomo;
c) sieros dioksidas, kurio molekulėje yra vienas sieros atomas ir du deguonies atomai.
4. Kas vienija visas šias medžiagas?
Iš plastilino sukurkite šių medžiagų molekulių trimačius modelius:
a) amoniako, kurio molekulėje yra vienas azoto atomas ir trys vandenilio atomai;
b) vandenilio chloridas, kurio molekulė susideda iš vieno vandenilio atomo ir vieno chloro atomo;
c) chloras, kurio molekulė susideda iš dviejų chloro atomų.
Parašykite šių medžiagų formules ir jas perskaitykite.
5. Pateikite transformacijų pavyzdžių, kai kalkių vanduo yra analitė, o kai jis yra reagentas.
6. Atlikite namų eksperimentą, kad nustatytumėte krakmolą maiste. Kokį reagentą naudojote tam?
7. Ant pav. 33 rodo keturių cheminių medžiagų molekulinius modelius. Kiek cheminių elementų sudaro šias medžiagas? Užsirašykite jų simbolius ir pasakykite jų vardus.
8. Paimkite keturių spalvų plastiliną. Susukite mažiausius baltus rutuliukus – tai vandenilio atomų modeliai, didesni mėlyni – deguonies atomų modeliai, juodi – anglies atomų modeliai, galiausiai didžiausi geltoni rutuliukai yra sieros atomų modeliai. (Žinoma, atomų spalvą pasirinkome sąlyginai, dėl aiškumo.) Naudodami atominius rutuliukus, sukurkite trimačius molekulių modelius, parodytus pav. 33.
Fizikinis ir cheminis procesų modelis anodo mikroiškrovėje
V.F. Borbatas, O.A. Golovanova, A.M. Sizikovas, Omsko valstybinis universitetas, Neorganinės chemijos katedra
Oksido sluoksniai, susidarę ant anodų, pagamintų iš aliuminio, titano, tantalo ir kai kurių kitų metalų, praeinant elektros srovei tarp elektrodų, panardintų į elektrolitą, kai kuriais atvejais pasižymi didelėmis apsauginėmis ir dielektrinėmis savybėmis. Šiuo metu įvairių šalių laboratorijose atliekama nemažai tyrimų, kuriais siekiama nustatyti galimybes pagerinti anodinių dangų apsaugines ir elektrines savybes, ieškoti optimalių elektrolitų kompozicijų, gerinti procesų pagaminamumą ir pan. Neseniai sukaupta praktinė patirtis naudojant plazminį elektrolitinį anodą, kuriant apsaugines dangas, gerokai pranoko šioje srityje turimas teorines koncepcijas.
Remiantis literatūra ir mūsų eksperimentiniais duomenimis, galime priimti fizinį anodo mikroiškrovos modelį, kurio pagrindinė mintis yra ta, kad anodo mikro iškrova yra oksido plėvelės barjerinės dalies kibirkštinio skilimo ir dujų derinys. iškrova dujų-plazmos burbule, atsiradusiame po gedimo. Panagrinėkime siūlomo modelio atitikimą eksperimento rezultatams, atsižvelgdami į procesų seką.
Oksidacija. Oksidacijos metu (esant pastoviai įtampai ant elektrodų) susidaro iki šimtų mikronų storio sluoksniai. Kartu su naujų oksidų sluoksnių susidarymu vyksta ir jų tirpimo procesas. Daugybė tyrimų parodė, kad oksido plėvelės augimo laikotarpiu prieš kibirkštį elektrolitų anijonai, tokie kaip sulfato jonai, yra įtraukiami į oksido tūrį. Poringose plėvelėse anijonai atsiranda anodiniame okside dėl tirpalo komponentų mechaninio „įterpimo“. Anijonų, esančių okside, kiekį lemia jų gebėjimas adsorbuotis ant nuosėdų paviršiaus arba net sudaryti nestechiometrinės sudėties junginius.
Tiriant plazmos elektrolitinio apdorojimo būdu gautų dangų fazę ir elementinę sudėtį, nustatyta, kad šiuo dangų gavimo būdu į plėvelę įvedami sulfato jonai. Be to, registrogramų tipas leidžia manyti, kad elektrolitų komponentų „uždirbimas“ vyksta anodo mikroiškrovimų vietose jų „gijimo“ momentu, todėl elektrolitų komponentų pasiskirstymas plėvelėje nėra vienodas ir skiriasi nuo pasiskirstymas plėvelėse, gautose įprastu anodavimu.
Sugedimas yra sudėtingas tikimybinis procesas, kuris gali įvykti tam tikrame dielektriko taške per gana platų įtampų ir laiko intervalą. Svarbiausi procesai skilimo pradžiai yra erdvės krūvio pokytis prie katodo (elektrolito tirpalas) ir elektronų tūrio įpurškimo į dielektrinės plėvelės laidumo juostą padidėjimas. Šie procesai prisideda prie gedimo vystymosi. Skilimo pradžia siejama su elektronų lavinų vystymusi. Labai tikėtina, kad priemaišų lygis okside gali būti pirminių jonų šaltinis. Toks mechanizmas rodo ypatingą elektrolito komponentų, įvestų į oksidą, vaidmenį, pirmiausia anijonus. Štai kodėl galimybę gauti anodines kibirkšties dangas daugiausia lemia tirpalo sudėtis. Elektronai, kurie patenka į laidumo juostą ir yra pagreitinami lauko, įgyja pakankamai energijos, kad sukeltų oksido atomų smūginę jonizaciją. Pastarasis sukelia lavinų atsiradimą, kurios, pasiekusios metalinį paviršių, sudaro gedimo kanalus. Linijinės gedimo įtampos priklausomybės nuo storio buvimas rodo lauko homogeniškumą gedimo metu ir elektrinį gedimo pobūdį.
Oksido plėvelės sunaikinimas – veikiant anodinėms sieros rūgšties tirpalų mikroiškrovoms, vanduo ir sieros rūgšties molekulės bus veikiamos elektronų, pagreitintų elektriniame lauke. Duomenų apie šių tirpalų jonizaciją galima rasti literatūroje. Remiantis jais, labiausiai tikėtini jonai mikroiškrovų plazmoje greičiausiai bus mažiausią išvaizdos potencialą turintys jonai, t.y. H2O+ reikėtų tikėtis vandens molekulėms, H2SO4+ – sieros rūgščiai ir mažiau tikėtina, kad HSO4+.
Taigi, jonizacijos ir disociatyvaus elektronų prisijungimo procesai duoda tokius jonus, kai sieros rūgšties tirpalams taikomos mikroiškrovos (1-5 reakcijos). e + H2O H2O+ + 2e (1), e + H2SO4 H2SO4+ + 2e (2), arba HSO4 + H+ + 2e (3), e + H2O OH + H- (4), e + H2SO4 H + HSO4- (5).
Šių reakcijų susidarantys teigiami ir neigiami jonai turi du skirtingus transformacijos būdus: 1) krūvių neutralizavimas; 2) jonų molekulinės reakcijos. Radikalai, susidarę dėl sužadintų dalelių disociacijos ir jonų-molekulinių reakcijų, patenka į H atomo atsiskyrimo nuo molekulių dujų burbule reakcijas ir į rekombinacijos reakciją.
Susidarius radikalams, vyksta H atomo abstrakcijos reakcijos: H(OH, HSO4) + H2SO4 H2(H2O, H2SO4) + HSO4 (6), H(HSO3) + H2O H2(H2SO3) + OH (7) ir radikalų rekombinacijos reakcijos : HSO4 + OH H2SO4 (8), HSO4 + HSO4 H2S2O8 (9), OH + OH H2O2 (10), H + HSO4 H2SO4 (11).
Sieros dioksido susidarymas galimas dėl sieros rūgšties molekulių, sužadintų mikroiškrovos plazmos, sąveikos su kaimyninėmis molekulėmis: H2SO4* + H2SO4 H2SO3 + H2SO5 (12), arba galimas ir mechanizmas: H2SO4* H2SO3 + O (13). Dėl aukštos temperatūros mikro iškrovos zonoje susidarę H2SO3 ir H2SO5 termiškai disocijuoja pagal lygtis:
H2SO3 H2O + SO2 (14), 2H2SO5 2H2SO4 + 0,5 O2 (15).
Kai kurie radikalai už mikroiškrovos dujų burbulo ribų patenka į jį supantį skystį, kur vyksta rekombinacinės reakcijos tarpusavyje ir reaguoja su elektrolitų komponentais. Produktų išeiga, atsirandanti dėl procesų, vykstančių elektrolito burbuliniame sluoksnyje, priklausys nuo sieros rūgšties koncentracijos (ty nuo jonų santykio skirtingos koncentracijos sieros rūgšties tirpaluose).
Pagal siūlomą sieros rūgšties cheminių virsmų mechanizmą, padidėjus jos koncentracijai tirpale, kitaip, padidėjus jos koncentracijai mikroiškrovos dujų burbule, padidėja tiesiogiai jonizuojamų ir sužadinamų elektronų skaičius. atsiras smūgio sieros rūgšties molekulės. Kadangi dėl mažos jonizacijos esant elektronų energijoms, įprastoms dujų išlydžiui, cheminės medžiagų transformacijos daugiausia vyksta per sužadintas būsenas, tada mikroiškrovų atveju, kai padidėja sieros rūgšties koncentracija, reikėtų tikėtis, kad padidės produktų, kurių pirmtakas yra sužadintos dalelės, išeiga.
Padidėjus sieros rūgšties koncentracijai (daugiau nei 14M), sieros rūgšties molekulių dalis dujų-plazmos burbule atitinkamai didėja, dėl tiesioginio mikroiškrovos plazmos veikimo vyksta ištirpusios medžiagos skilimas. Sieros rūgšties tirpalams, kurių koncentracijos mažesnis nei 14 M, tirpios medžiagos virsta daugiausia dėl plazmos poveikio tirpikliui – netiesioginio poveikio. Tai padidina reakcijų 9,10,11,13 tikimybę, dėl kurių susidarys stabilūs molekuliniai produktai: sieros dioksidas ir peroksido junginiai.
Porų "gydymas" - tolesnis plazmos susidarymo išsiplėtimas gana greitai lemia reikšmingą pastarosios temperatūros sumažėjimą ir dėl to iškrovos nešėjų koncentracijos sumažėjimą, srovės pertrūkį ir greitą kanalo aušinimą. . Dujų plazmos burbulas išnyks po to, kai jame užges dujų išleidimas. Yra žinoma, kad dujų išlydis užges, kai srovės tankis joje nukris žemiau minimalaus leistino lygio išlydžiui išsilaikyti. Mikroiškrovimų atveju dujų išlydžio srovės tankio sumažėjimo priežastys gali būti: 1) elektrolito burbulinio sluoksnio išeikvojimas laikui bėgant srovės nešikliais, dėl kurio elektrolitas nebegali užtikrinti minimalus srovės tankis, leidžiantis išsilaikyti iškrovai, o dujų išlydis išnyksta; 2) mikroiškrovos burbulo dydžio padidėjimas dėl jį supančio skysčio išgaravimo į jį; 3) oksido plėvelės barjerinėje dalyje esančio skilimo kanalo lydymas arba „gydymas“ (anoduojant dujų plazmoje). Pirmojo gedimo metu susidaręs krateris dažniausiai pasiekia metalinį paviršių. Šiuo metu srovės tankis tampa maksimalus dėl santykinai mažos elektrolito varžos krateryje, užtikrinančios greitą oksido plėvelės (MexOy plazminės cheminės reakcijos produktas) atsiradimą. Vyksta gedimo vietos „gyjimas“, padidėja oksido plėvelės storis, o daugiausia – pagrindo medžiagos gylyje.
Taigi, remiantis eksperimento rezultatais ir literatūros duomenimis, siūlomas anodo mikroiškrovos poveikio sieros rūgšties tirpalams mechanizmas, kurį sudaro šie etapai:
Sužadintų ir jonizuotų molekulių susidarymas mikroiškrovos burbule dėl jame tekančios dujų iškrovos;
Reakcijų eiga susidarant radikalams ir molekuliniams produktams, kurių reakcijos tarpusavyje ir su pradinėmis medžiagomis suteikia didžiąją dalį galutinių produktų;
Susidarančių radikalų ir kitų dalelių difuzinis pašalinimas už dujų burbulo ribų, kurių reakcijos lemia galutinius molekulinius produktus elektrolito burbulo sluoksnyje.
Bibliografija
Bakovetsas V.V., Polyakovas O.V., Dolgovesova I.P. Metalų apdorojimas plazminiu-elektrolitiniu anodu // Novosibirskas: Nauka, 1991. P.63-68.
Nagatant T., Yashinara S.T. Fragmentų jonų pasiskirstymo ir jų reakcijos tyrimai krūvio spektrometru // J. Bull. chem. soc. Jap., 1973. V.46. Nr. 5. P.1450-1454.
Mann M., Hastrulid A., Tate J. Vandens garų ir amoniako jonizacija ir disociacija elektronų smūgiu // J. Phys. Rev. 1980. V.58. P.340-347.
Ivanovas Yu.A., Polak L.S. Elektronų energijos pasiskirstymas žemos temperatūros plazmoje // Plasma Chemistry, Maskva: Atomizdat, 1975. Laida. 2. C.161-198.
Šiam darbui parengti medžiaga iš svetainės http://www.omsu.omskreg.ru/
1.4.1 Cheminiai modeliai
Be stebėjimo ir eksperimento, modeliavimas vaidina svarbų vaidmenį pažiniant gamtos pasaulį ir chemiją. Vienas iš pagrindinių stebėjimo tikslų – ieškoti šablonų eksperimentų rezultatuose. Tačiau kai kuriuos stebėjimus gamtoje atlikti yra nepatogu arba neįmanoma. Laboratorijoje natūrali aplinka atkuriama specialių prietaisų, instaliacijų, objektų, t.y., modelių pagalba. Modeliai nukopijuoja tik svarbiausias objekto ypatybes ir savybes ir praleidžia tas, kurios nėra būtinos tyrimui. Taigi chemijoje modelius galima sąlygiškai suskirstyti į dvi grupes: materialus ir ikoniškas.
Cheminių ir pramoninių aparatų modeliai
Dėl didesnio aiškumo chemikai naudoja atomų, molekulių, kristalų, chemijos pramonės medžiaginius modelius.
Dažniausias atomo vaizdas yra modelis, panašus į Saulės sistemos struktūrą.
Dažnai naudojamas medžiagų molekulėms modeliuoti. rutulys ir lazda modeliai. Šio tipo modeliai surenkami iš spalvotų rutuliukų, vaizduojančių molekulę sudarančius atomus. Rutuliai yra sujungti strypais, simbolizuojančiais cheminius ryšius. Naudojant rutulio ir lazdos modelius, gana tiksliai atkuriami jungties kampai molekulėje, tačiau atstumai tarp branduolių atsispindi tik apytiksliai, nes rutulius jungiančių strypų ilgiai nėra proporcingi jungties ilgiams.
Dreding modeliai gana tiksliai perteikia ryšio kampus ir jungčių ilgių santykį molekulėse. Juose esantys atomų branduoliai, priešingai nei rutulinio strypo modeliuose, žymimi ne rutuliais, o strypų sujungimo taškais.
pusrutulio formos modeliai, dar vadinami Stewart-Brigleb modeliais, yra surenkami iš rutuliukų su supjaustytais segmentais. Atomų modeliai yra sujungti pjūvių plokštumos naudojant mygtukus. Pusrutulio formos modeliai tiksliai perteikia tiek jungties ilgių ir ryšių kampų santykį, tiek tarpbranduolinės erdvės užpildymą molekulėse. Tačiau šis užimtumas ne visada leidžia vizualiai pavaizduoti abipusį branduolių išdėstymą.
Kristalų modeliai primena molekulių rutulinius modelius, tačiau vaizduoja ne atskiras medžiagos molekules, o parodo kristalinės būsenos medžiagos dalelių tarpusavio išsidėstymą.
Tačiau dažniau chemikai naudoja ne medžiagą, o ikoniniai modeliai - tai cheminiai simboliai, cheminės formulės, cheminių reakcijų lygtys. Naudojant cheminių elementų ir indeksų simbolius, užrašomos medžiagų formulės. Indeksas parodo, kiek tam tikro elemento atomų yra medžiagos molekulėje. Jis rašomas cheminio elemento ženklo dešinėje.
Cheminė formulė yra pagrindinis ikoninis chemijos modelis. Tai rodo: konkrečią medžiagą; viena šios medžiagos dalelė; kokybinė medžiagos sudėtis, t. y. atomai, kurių elementai yra šios medžiagos dalis; kiekybinė sudėtis, t.y. kiek kiekvieno elemento atomų yra medžiagos molekulės dalis.
Visi minėti modeliai yra plačiai naudojami kuriant interaktyvūs kompiuterių modeliai.
1.4.2 Kompiuterių modelių klasifikavimas
Iš įvairių pedagoginės programinės įrangos tipų išskiriamos tos, kurios naudoja kompiuterinius modelius. Kompiuterinių modelių naudojimas leidžia ne tik padidinti mokymosi proceso matomumą ir jį suintensyvinti, bet ir kardinaliai pakeisti šį procesą. Pastaraisiais metais kompiuterių tobulinimas vyksta sparčiais tempais, o jų modeliavimo galimybės tapo beveik neribotos, todėl kompiuterinių modelių svarba mokyklinių disciplinų studijose gali gerokai išaugti. E.E. Nifantijevas, A.K. Akhlebininas, V.N. Likhačiovas pažymi, kad pagrindinis kompiuterių modelių pranašumas yra galimybė modeliuoti beveik bet kokius procesus ir reiškinius, interaktyvi vartotojo sąveika su modeliu, taip pat probleminių, tyrimo metodų diegimas mokymosi procese.
V. N. Likhačiovas siūlo klasifikuoti mokomuosius kompiuterinius modelius pagal daugybę kriterijų, iš kurių pagrindiniai yra animacijos buvimas demonstruojant modelį, valdymo metodas, modelio vizualinio atvaizdavimo metodas. Dėl animacijos UKM gali būti dinamiška ir statiška. Dinaminiuose yra animacinių fragmentų, skirtų imituotiems objektams ir procesams rodyti, o statiškuose jų nėra. Pagal valdymo būdą RCM gali būti valdomas, leidžiantis keisti modelio parametrus, ir nevaldomas, kurie tokios galimybės nesuteikia.
Tarp demonstracinių (nevaldomų) modelių galima išskirti dar dvi grupes pagal sąveikos su vartotoju galimybę: interaktyviąją ir neinteraktyviąją. Interaktyvūs leidžia keisti modelio rodymo tipą arba stebėjimo tašką modelyje nekeičiant jo parametrų. Neinteraktyvios tokios galimybės nesuteikia.
E.E. Nifantijevas, A.K. Akhlebininas ir V.N. Metodologiniu požiūriu Likhačiovas laikomas naudingiausiu klasifikacija pagal modeliavimo objektą. Pagal vaizduojamų objektų lygį chemijos mokyme naudojamus modelius galima suskirstyti į dvi grupes : makropasaulio modeliai, kurios atspindi išorines imituojamų objektų savybes ir jų kitimą Ir mikropasaulio modeliai, kurios atspindi objektų struktūrą ir juose vykstančius pokyčius jų atominio ir molekulinio vaizdavimo lygiu. O tokių objektų kaip cheminės medžiagos, cheminės reakcijos ir fizikiniai-cheminiai procesai modeliai gali būti sukurti tiek mikropasaulio, tiek makrokosmoso lygmenyje.
Siekiant didesnio aiškumo, UKM klasifikacija gali būti pateikta diagramos pavidalu.
1.4.3 Kompiuteriniai mikropasaulio modeliai
Modeliavimo objektai mikrokosmoso lygyje yra atomai, jonai, molekulės, kristalinės gardelės, atomų struktūriniai elementai. Mikrokosmoso lygmenyje modeliuojami materijos sandaros ypatumai, materiją sudarančių dalelių sąveika. Modeliuojant chemines reakcijas mikropasaulio lygmenyje, labai domina cheminių procesų mechanizmai. O fizikinių ir cheminių procesų modeliuose atsižvelgiama į elektroniniu arba atominiu-molekuliniu lygmeniu vykstančius procesus.
Akivaizdu, kad CCM, imituojantys mikropasaulio modelius, tampa puikiais pagalbininkais tiriant atomų struktūrą, cheminių ryšių tipus, materijos struktūrą ir kt.
Programoje įgyvendinti Mendelejevo periodinės lentelės 1–3 periodų atomų modeliai. 1C: Mokytojas. Chemija» Bohro atomo modelių pavidalu. Programoje įgyvendinamos modernesnės idėjos apie atomo sandarą Chemlandas, kur atsižvelgiama į elektronų pasiskirstymą per elementų atomų energijos polygius ir atskirų orbitų formą skirtinguose energijos lygiuose.
Ypač įdomi programa HyperChem. Tai viena pagrindinių profesinių programų, skirtų teoriniam įvairių termodinaminių ir elektroninių molekulių parametrų skaičiavimui. Jo pagalba galima sukurti įvairių junginių erdvinius modelius, tirti jų geometrinės sandaros ypatybes, nustatyti molekulinių orbitų formą ir energiją, elektronų tankio pasiskirstymo pobūdį, dipolio momentą ir kt. pateikiami spalvotų brėžinių pavidalu, kuriuos vėliau galima atspausdinti ant spausdintuvo, išgaunant kokybišką cheminių junginių vaizdą reikiamais kampais ir projekcijomis. Programos privalumas – galimybė ištirti molekulę įvairiais kampais, susipažinti su jos erdvinės sandaros ypatumais. Tai atrodo nepaprastai svarbu, nes, kaip rodo mokymo praktika, studentai paprastai nesusikuria idėjų apie molekules kaip erdvines struktūras. Tradicinis chemikalų įvaizdis vienoje plokštumoje veda į visos dimensijos praradimą ir neskatina erdvinės vaizduotės vystymosi.
Multimedijos kursuose Chemija visiems» Naudojama programa – stereofoninis molekulių demonstratorius. Tai leidžia pateikti tūrinius molekulių, susidedančių iš vandenilio, deguonies, anglies ir azoto atomų, vaizdus. Demonstravimui naudojami vielinio rėmo molekulių modeliai. Modelius galima perkelti, pasukti, vienu metu rodyti kelių skirtingų molekulių vaizdus. Programa leidžia jums patiems kurti naujus molekulių modelius. Iš viso pateikiami 25 organinių molekulių modeliai, tačiau didaktinė šių modelių reikšmė menka, nes pateikiami gana paprastų junginių modeliai, kuriuos kiekvienas mokinys gali surinkti naudodamas plastiliną ir degtukus.
Programoje įgyvendinami kai kurių molekulių demonstraciniai orbitinių mentelių 3D modeliai. Valentinių ryšių metodas: atominių orbitalių hibridizacija. Ir programoje Cheminio ryšio pobūdis» paaiškina cheminio ryšio atsiradimo priežastis pasitelkdamas vandenilio molekulės susidarymo iš atomų pavyzdį. Abi šios programos yra įtrauktos į mokymo programų rinkinį " Chemija visiems – 2000 m».
Programose naudojami interaktyvūs demonstraciniai rėmeliai ChemLand- 115 molekulių daugiausia organinių junginių ir " Chemija visiems“. Šios dvi programos turi savo privalumų ir trūkumų: programoje „Chemija visiems“ modeliai gali būti rodomi visame monitoriaus ekrane, o „ChemLand“ programoje tokios funkcijos nėra, tačiau programoje yra daug molekulių. ChemLand naudojami dinaminiai modeliai, demonstruojantys erdvinę molekulių struktūrą su galimybe išmatuoti ryšio kampus ir ryšių ilgį, kuri leidžia atsekti trikampės molekulės poliškumo kitimą priklausomai nuo atomų tipo.
Tiriant molekulių ir kristalų struktūrą, gali praversti programos, skirtos labiau tyrimų tikslams. Tai, pavyzdžiui, programa CS Chem3D Pro, kuri leidžia kurti, modifikuoti ir atvaizduoti įvairių molekulių trimatę struktūrą. Taip pat naudinga programa Kristalų dizaineris, kuri skirta trimatei kristalinės gardelės struktūrai vizualizuoti. Šios programos gali būti naudingos kuriant trimačius molekulių ir kristalų vaizdus bei demonstruojant juos klasėje naudojant kompiuterį.
Programa " surinkti molekulę“, nors ir savo galimybėmis prastesnis už aukščiau paminėtas programas, gali būti efektyviai panaudotas individualiame moksleivių darbe.
Programoje diegiami fizikinių ir cheminių procesų bei mechanizmų modeliai " Chemija visiems“. Čia demonstruojami neinteraktyvūs modeliai tema „Elektrolitinė disociacija“: druskų, rūgščių, šarmų disociacija, druskų hidrolizė. Toje pačioje programoje įgyvendinami kai kurie organinių reakcijų mechanizmų modeliai: alkano brominimas, esterifikacija, bendras polimerizacijos reakcijų mechanizmas ir kt. Visi reakcijos mechanizmų modeliai yra neinteraktyvūs, rodomi per visą ekraną, turi garsą, tačiau nėra tekstinio vykstančių reiškinių aprašymo, kas gerokai riboja programos naudojimą.
Interaktyvaus vidurinės mokyklos organinės chemijos vadovėlio X–XI klasėms internetinėje versijoje, redagavo G. I. Deryabina, A. V. Solovovas kovalentinio ryšio susidarymo mainų ir donoro-akceptoriaus mechanizmai, homolitiniai ir heterolitiniai kovalentinio ryšio skilimo mechanizmai pateikti vandenilio atomo abstrahavimo iš metano molekulės, sp-hibridizacijos proceso pavyzdžiu. Didelį susidomėjimą kelia interaktyvūs 3D demonstraciniai organinių molekulių modeliai ir cheminių reakcijų mechanizmai: metano chlorinimas ir bendras nukleofilinio pakeitimo mechanizmas. Labai svarbu, kad dirbant su modeliais galima keisti jų padėtį erdvėje, o reakcijos mechanizmui – stebėjimo taško padėtį.
Kita programa, demonstruojanti cheminių reakcijų mechanizmus, programa Organinės reakcijos animacijos. Jame yra 34 organinių reakcijų mechanizmai. Be to, kiekvienas mechanizmas pateikiamas keturių molekulinių modelių variantų pavidalu: rutulio ir lazdos, trimačio ir dviejų orbitinių ašmenų modelių variantų. Vienas iš orbitinių ašmenų modelių variantų parodo substrato išorinių orbitalių pasikeitimą reakcijos eigoje, o kitas – reagento. Taip lengviau stebėti reagentų išorinių orbitų pokyčius reakcijos eigoje. Jei reikia, galite pasinaudoti interaktyvaus daugiakanalio pažinimo įrankio teorine medžiaga. Plėtra savų mokinių...
Kompiuterio testavimas
Testai >> Informatika... metodikos ... studijuojant literatūra... plėtra bandymai ir bandymai. Kompiuterinio testavimo technologija turėtų turėti šias pagrindines charakteristikas: interaktyvus ... mikropasauliai); ... (mokykla ... jų naudojimas adresu ... modeliai/ Pamoka skirta valiutos kursas ...
Mokslo filosofija ir metodologija
Studijų vadovas >> FilosofijaBiologijos srityje adresu studijuojant skirtingų biologinių rūšių koevoliucija, jų struktūros ir organizavimo lygiai... ir nustatyta. Naudojimas metodai priešinasi išoriniams apribojimams, taikomiems tyrimo parametrams. Modeliaiįgyvendinimas...
Socialinė ir kultūrinė veikla (2)
Vadovėlis >> Sociologija... jų studijuoti, išsaugojimas, gamyba, plėtra, naudoti ir dėl to plėtra ... . At studijuojant kursą, ... mikropasaulis ... modeliai ir baigiasi modelis ... interaktyvus pedagoginiai metodai ir technologijos. Tarp jų yra privačių metodus... ikimokyklinis, mokykla (...
Interaktyvių mikropasaulio modelių kūrimas ir jų panaudojimo metodai mokant mokyklinio chemijos kurso.
1.4.1 Cheminiai modeliai
Be stebėjimo ir eksperimento, modeliavimas vaidina svarbų vaidmenį pažiniant gamtos pasaulį ir chemiją. Vienas iš pagrindinių stebėjimo tikslų – ieškoti šablonų eksperimentų rezultatuose. Tačiau kai kuriuos stebėjimus gamtoje atlikti yra nepatogu arba neįmanoma. Laboratorijoje natūrali aplinka atkuriama specialių prietaisų, instaliacijų, objektų, t.y., modelių pagalba. Modeliai nukopijuoja tik svarbiausias objekto ypatybes ir savybes ir praleidžia tas, kurios nėra būtinos tyrimui. Taigi chemijoje modelius galima sąlygiškai suskirstyti į dvi grupes: medžiagą ir ženklą.
Dėl didesnio aiškumo chemikai naudoja atomų, molekulių, kristalų, chemijos pramonės medžiaginius modelius.
Dažniausias atomo vaizdas yra modelis, panašus į Saulės sistemos struktūrą.
Kamuoliukų ir lazdelių modeliai dažnai naudojami medžiagų molekulėms modeliuoti. Šio tipo modeliai surenkami iš spalvotų rutuliukų, vaizduojančių molekulę sudarančius atomus. Rutuliai yra sujungti strypais, simbolizuojančiais cheminius ryšius. Naudojant rutulio ir lazdos modelius, gana tiksliai atkuriami jungties kampai molekulėje, tačiau atstumai tarp branduolių atsispindi tik apytiksliai, nes rutulius jungiančių strypų ilgiai nėra proporcingi jungties ilgiams.
Dredingo modeliai gana tiksliai perteikia jungties kampus ir jungčių ilgių santykį molekulėse. Juose esantys atomų branduoliai, priešingai nei rutulinio strypo modeliuose, žymimi ne rutuliais, o strypų sujungimo taškais.
Pusrutulio formos modeliai, dar vadinami Stewart-Briegleb modeliais, yra surenkami iš rutulių su supjaustytais segmentais. Atomų modeliai yra sujungti pjūvių plokštumos naudojant mygtukus. Pusrutulio formos modeliai tiksliai perteikia tiek jungties ilgių ir ryšių kampų santykį, tiek tarpbranduolinės erdvės užpildymą molekulėse. Tačiau šis užimtumas ne visada leidžia vizualiai pavaizduoti abipusį branduolių išdėstymą.
Kristalų modeliai primena molekulių rutulinius modelius, tačiau vaizduoja ne atskiras medžiagos molekules, o parodo kristalinės būsenos medžiagos dalelių tarpusavio išsidėstymą.
Tačiau dažniau chemikai naudoja ne materialinius, o simbolinius modelius – tai cheminiai simboliai, cheminės formulės, cheminių reakcijų lygtys. Naudojant cheminių elementų ir indeksų simbolius, užrašomos medžiagų formulės. Indeksas parodo, kiek tam tikro elemento atomų yra medžiagos molekulėje. Jis rašomas cheminio elemento ženklo dešinėje.
Cheminė formulė yra pagrindinis ikoninis chemijos modelis. Tai rodo: konkrečią medžiagą; viena šios medžiagos dalelė; kokybinė medžiagos sudėtis, t. y. atomai, kurių elementai yra šios medžiagos dalis; kiekybinė sudėtis, t.y. kiek kiekvieno elemento atomų yra medžiagos molekulės dalis.
Visi minėti modeliai plačiai naudojami kuriant interaktyvius kompiuterinius modelius.
Reaktoriaus pasirinkimas sieros anhidrido oksidacijos reakcijai į sieros anhidridą atlikti
Centrinis aparatas bet kurioje cheminėje-technologinėje sistemoje, kurią sudaro daugybė mašinų ir aparatų, tarpusavyje sujungtų įvairiomis jungtimis, yra cheminis reaktorius – aparatas, kuriame vyksta cheminis procesas. Tipo pasirinkimas...
Pirmiausia sukuriamas kompiuterinis objekto modelis, o kompiuterinis modeliavimas naudojamas molekulėms formuoti tyrimo vietoje. Modelis gali būti 2D arba 3D.
Inovatyvus naujų vaistų kūrimo technologijos kūrimo būdas
Nekyla abejonių dėl kvantinėms cheminėms konstrukcijoms naudojamo molekulės modelio, pagal kurį analizuojama branduolių ir elektronų sistema, o jos elgsena apibūdinama kvantinės teorijos lygtimis, pagrįstumas, neabejotina. .
Inovatyvus naujų vaistų kūrimo technologijos kūrimo būdas
Biologinio aktyvumo nustatymo metodams įvedama deskriptorių ir QSAR sąvoka. Molekulinis deskriptorius yra skaitinė reikšmė, apibūdinanti molekulių savybes. Pavyzdžiui, jie gali parodyti fizikines ir chemines savybes...
Izobutano alkilinimo izobutilenu į izooktaną kinetikos tyrimas matematiniu modeliavimu
Benzeno chlorinimo reakcijos kinetikos tyrimas
R = k*C1*Ck? Siekiant geriausio gauto modelio apdorojimo, transformuosime funkcijos formą, nes reakcijos greičio priklausomybė nuo laiko yra pastovi ir pirmiems 3 eksperimentams lygi 0,0056...
Modeliavimo metodas chemijoje
Šiuo metu galite rasti daugybę skirtingų sąvokų „modelis“ ir „modeliavimas“ apibrėžimų. Panagrinėkime kai kuriuos iš jų. „Modelis suprantamas kaip tam tikros žinių srities faktų, dalykų ir santykių rodymas paprastesnio ...
Moksliniai reologijos pagrindai
Kūno įtempių ir deformacijų būsena paprastai yra trimatė ir nerealu jo savybes apibūdinti naudojant paprastus modelius. Tačiau tais retais atvejais, kai vienaašiai kūnai deformuojasi...
CTS sintezė ir analizė benzino gamyboje
Cheminis katalizinio krekingo proceso modelis yra labai sudėtingas. Apsvarstykite paprasčiausias reakcijas, vykstančias krekingo metu: СnН2n+2 > CmH2m+2 + CpH2p...
Cheminės-technologinės sistemos (CTS) sintezė
Gamybos procesai skiriasi savo ypatybėmis ir sudėtingumo laipsniu. Jei procesas sudėtingas ir jo mechanizmo iššifravimas reikalauja daug pastangų ir laiko, naudojamas empirinis metodas. Matematiniai modeliai...
Srauto srauto ir pilno maišymo reaktorių palyginimas izoterminiu režimu