Računalniški modeli pri pouku kemije. Kemijski modeli predmetov narave

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

ZAČNITE S KEMIJO

7. razred

Nadaljevanje. Glej začetek v št. 1, 2/2006

Poglavje 1.
Kemija v središču naravoslovja

(nadaljevanje)

§ 3. Modeliranje

Poleg opazovanja in eksperimentiranja ima modeliranje pomembno vlogo pri poznavanju narave in kemije.

Rekli smo že, da je eden glavnih ciljev opazovanja iskanje vzorcev v rezultatih poskusov.

Nekatera opazovanja pa je neprijetno ali nemogoče izvajati neposredno v naravi. Naravno okolje poustvarjamo v laboratoriju s pomočjo posebnih naprav, instalacij, objektov, t.j. modeli. Modeli kopirajo samo najpomembnejše značilnosti in lastnosti predmeta in izpustijo tiste, ki za študij niso bistvene. Beseda "model" ima francosko-italijanske korenine in je v ruščino prevedena kot "vzorec". Modelarstvo je preučevanje določenega pojava s pomočjo njegovih modelov, tj. nadomestki, analogi.

Na primer, za preučevanje strele (naravni pojav) znanstvenikom ni bilo treba čakati na slabo vreme. Strele je mogoče modelirati pri pouku fizike in v šolskem laboratoriju. Dvema kovinskima kroglicama je treba dati nasprotni električni naboj - pozitiven in negativen. Ko se krogli približata na določeno razdaljo, med njima preskoči iskra – to je strela v malem. Večji kot je naboj na kroglicah, prej preskoči iskra ob približevanju, daljša je umetna strela. Takšno strelo dobimo s posebno napravo, imenovano elektroforni stroj.

Preučevanje modela je znanstvenikom omogočilo ugotoviti, da je naravna strela ogromna električna razelektritev med dvema nevihtnima oblakoma ali med oblaki in tlemi. Vendar pa si pravi znanstvenik prizadeva najti praktično uporabo za vsak preučevani pojav. Močnejša kot je električna strela, višja je njena temperatura. Toda pretvorbo električne energije v toploto je mogoče "ukrotiti" in uporabiti na primer za varjenje in rezanje kovin. Tako se je rodil danes vsem poznan postopek električnega varjenja.

Vsaka naravoslovna veda uporablja svoje modele, ki pomagajo vizualizirati resnični naravni pojav ali predmet.

Najbolj znan geografski model je globus. To je miniaturna tridimenzionalna slika našega planeta, s katero lahko preučujete lokacijo celin in oceanov, držav in celin, gora in morij. Če se slika zemeljske površine nanese na list papirja, se tak model imenuje zemljevid.

Še posebej široko se uporablja modeliranje v fiziki. Pri pouku te teme se boste seznanili z različnimi modeli, ki vam bodo v pomoč pri preučevanju električnih in magnetnih pojavov, zakonov gibanja teles in optičnih pojavov.

Pri študiju biologije se modeli pogosto uporabljajo. Dovolj je omeniti na primer modele - lutke rož, človeških organov itd.

Modeliranje ni nič manj pomembno v kemiji. Konvencionalno lahko kemijske modele razdelimo v dve skupini: materialne in znakovne (ali simbolne).

materialni modeli atomi, molekule, kristali, kemična proizvodnja, ki jih kemiki uporabljajo za večjo jasnost.

Verjetno ste že videli sliko modela atoma, ki spominja na zgradbo sončnega sistema (slika 30).

Modeli s kroglico in palico ali volumetrični modeli se uporabljajo za modeliranje kemičnih molekul. Sestavljeni so iz kroglic, ki simbolizirajo posamezne atome. Razlika je v tem, da so pri modelih s kroglico in palico kroglični atomi nameščeni na določeni razdalji drug od drugega in so pritrjeni drug na drugega s palicami. Na sl. 31.

Modeli kristalov so podobni krogličnim modelom molekul, vendar ne prikazujejo posameznih molekul snovi, ampak prikazujejo medsebojno razporeditev delcev snovi v kristalnem stanju (slika 32).

Vendar najpogosteje kemiki ne uporabljajo materiala, ampak ikonični modeli so kemijski simboli, kemijske formule, enačbe kemijskih reakcij.

Od naslednje lekcije boste začeli govoriti kemijski jezik, jezik znakov in formul.

1. Kaj je model in kaj simulacija?

2. Navedite primere: a) geografskih modelov; b) fizični modeli; c) biološki modeli.

3. Kateri modeli se uporabljajo v kemiji?

4. Izdelajte kroglice in tridimenzionalne modele vodnih molekul iz plastelina. Kakšne oblike so te molekule?

5. Zapišite formulo cvetov križnic, če ste to rastlinsko družino preučevali pri pouku biologije. Ali lahko to formulo imenujemo model?

6. Zapišite enačbo za izračun hitrosti telesa, če poznate pot in čas, ki ga telo porabi. Ali lahko to enačbo imenujemo model?

§ 4. Kemični znaki in formule

Simbolni modeli v kemiji vključujejo znake ali simbole kemičnih elementov, formule snovi in ​​enačbe kemijskih reakcij, ki so podlaga za "kemijsko pisanje". Njegov ustanovitelj je švedski kemik Jens Jakob Berzelius. Berzeliusovo pisanje temelji na najpomembnejšem kemijskem konceptu - "kemični element". Kemični element je vrsta enakih atomov.

Berzelius je predlagal označevanje kemičnih elementov s prvo črko njihovih latinskih imen. Torej je bil simbol kisika prva črka njegovega latinskega imena: kisik - O (beri "o", ker je latinsko ime tega elementa kisik). V skladu s tem je vodik prejel simbol H (beri "pepel", ker je latinsko ime tega elementa hidrogenij), ogljik - C (beri "ce", ker je latinsko ime tega elementa carboneum). Vendar pa latinska imena za krom ( krom), klor ( klor) in baker ( kuprum) kot tudi ogljik, začnite s "C". Kako biti? Berzelius je predlagal genialno rešitev: napišite takšne simbole kot prvo in eno od naslednjih črk, najpogosteje drugo. Torej, krom je označen s Cr (beri "krom"), klor - Cl (beri "klor"), baker - Cu (beri "cuprum").

Ruska in latinska imena, znaki 20 kemičnih elementov in njihova izgovorjava so podani v tabeli. 2.

V naši tabeli je le 20 elementov. Če si želite ogledati vseh 110 danes znanih elementov, morate pogledati tabelo kemičnih elementov D. I. Mendelejeva.

tabela 2

Imena in simboli nekaterih kemičnih elementov

rusko ime	kemični znak	Izgovorjava	latinsko ime
Dušik	N	En	Dušik
Aluminij	Al	Aluminij	Aluminij
vodik	H	pepel	vodik
Železo	Fe	Ferrum	Ferrum
zlato	Au	Aurum	Aurum
kalij	K	kalij	Kalij
kalcij	pribl	kalcij	kalcij
kisik	O	O	kisik
magnezij	mg	magnezij	magnezij
baker	Cu	Kuprum	Cuprum
Natrij	Na	Natrij	natrij
Merkur	hg	Hydrargyrum	Hydrargirum
Svinec	Pb	Plumbum	Plumbum
Žveplo	S	Es	Žveplo
Srebrna	Ag	Argentum	Argentum
Ogljik	OD	Tse	carboneum
fosfor	R	Pe	Fosfor
Klor	Cl	Klor	Klor
Chromium	Kr	Chromium	Chromium
Cink	Zn	Cink	Cink

Najpogosteje sestava snovi vključuje atome več kemičnih elementov. Najmanjši delček snovi, na primer molekule, lahko upodabljate z modeli kroglic, kot ste to storili v prejšnji lekciji. Na sl. Prikazanih je 33 tridimenzionalnih modelov vodnih molekul (a), kisli plin (b), metan (v) in ogljikov dioksid (G).

Kemiki za označevanje snovi pogosteje uporabljajo simbolne modele kot materialne modele. Z uporabo simbolov kemijskih elementov in indeksov so zapisane formule snovi. Indeks kaže, koliko atomov določenega elementa je vključenih v molekulo snovi. Zapisano je spodaj desno od znaka kemijskega elementa. Na primer, formule zgoraj omenjenih snovi so zapisane na naslednji način: H 2 O, SO 2, CH 4, CO 2.

Kemijska formula je glavni ikonični model v naši znanosti. Za kemika nosi zelo pomembne informacije. Kemijska formula prikazuje: specifično snov; en delec te snovi, na primer ena molekula; kvalitativna sestava snovi, tj. atomi katerih elementov so del te snovi; kvantitativna sestava, tj. koliko atomov posameznega elementa je v molekuli snovi.

Formula snovi lahko tudi določi, ali je preprosta ali zapletena.

Snovi imenujemo enostavne snovi, sestavljene iz atomov enega elementa. Spojine so sestavljene iz atomov dveh ali več različnih elementov.

Na primer, vodik H 2, železo Fe, kisik O 2 so enostavne snovi, voda H 2 O, ogljikov dioksid CO 2 in žveplova kislina H 2 SO 4 pa so kompleksne.

1. Kateri kemični element ima veliko začetnico C? Zapišite jih in povejte.

2. Iz tabele. 2 ločeno izpiši znake kovinskih elementov in nekovinskih elementov. Povejte njihova imena.

3. Kaj je kemijska formula? Napišite formule za naslednje snovi:

a) žveplova kislina, če je znano, da njena molekula vsebuje dva atoma vodika, en atom žvepla in štiri atome kisika;

b) vodikov sulfid, katerega molekula je sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma žvepla;

c) žveplov dioksid, katerega molekula vsebuje en atom žvepla in dva atoma kisika.

4. Kaj združuje vse te snovi?

Iz plastelina izdelajte tridimenzionalne modele molekul naslednjih snovi:

a) amoniak, katerega molekula vsebuje en atom dušika in tri atome vodika;

b) vodikov klorid, katerega molekula je sestavljena iz enega atoma vodika in enega atoma klora;

c) klor, katerega molekula je sestavljena iz dveh atomov klora.

Napišite formule za te snovi in ​​jih preberite.

5. Navedite primere transformacij, ko je apnena voda analit in kdaj reagent.

6. Izvedite domači poskus za določanje škroba v hrani. Kateri reagent ste uporabili za to?

7. Na sl. 33 prikazuje molekularne modele štirih kemikalij. Koliko kemičnih elementov tvori te snovi? Zapiši njihove simbole in povej njihova imena.

8. Vzemite plastelin štirih barv. Zvijte najmanjše bele kroglice za atome vodika, večje modre kroglice za atome kisika, črne kroglice za atome ogljika in na koncu največje rumene kroglice za atome žvepla. (Seveda smo barvo atomov izbrali pogojno, zaradi jasnosti.) Z atomskimi kroglicami izdelajte tridimenzionalne modele molekul, prikazanih na sl. 33.

Fizikalno-kemijski model procesov pri anodni mikrorazelektritvi

V.F. Borbat, O.A. Golovanova, A.M. Sizikov, Omsk State University, Oddelek za anorgansko kemijo

Oksidne plasti, ki nastanejo na anodah iz aluminija, titana, tantala in nekaterih drugih kovin med prehodom električnega toka med elektrodami, potopljenimi v elektrolit, imajo v nekaterih primerih visoke zaščitne in dielektrične lastnosti. Trenutno laboratoriji v različnih državah izvajajo veliko raziskav, namenjenih ugotavljanju možnosti za izboljšanje zaščitnih in električnih lastnosti anodnih prevlek, iskanju optimalnih sestav elektrolitov, izboljšanju izdelave procesov itd. Praktične izkušnje, pridobljene v zadnjem času pri uporabi plazemsko-elektrolitske anodne obdelave za ustvarjanje zaščitnih premazov, so znatno presegle teoretične koncepte, ki so na voljo na tem področju.

Na podlagi literature in naših eksperimentalnih podatkov lahko sprejmemo fizikalni model anodne mikrorazelektritve, katerega glavna ideja je, da je anodna mikrorazelektritev kombinacija preboja iskre pregradnega dela oksidnega filma in plina razelektritev v plinsko-plazemskem mehurčku, ki se je pojavil po razpadu. Upoštevajmo skladnost predlaganega modela z eksperimentalnimi rezultati ob upoštevanju zaporedja procesov.

Oksidacija. Pri oksidaciji (pri konstantni napetosti na elektrodah) nastanejo plasti debele do več sto mikronov. Hkrati s tvorbo novih oksidnih plasti poteka tudi proces njihovega raztapljanja. Številne študije so pokazale, da so v obdobju pred iskro rasti oksidnega filma anioni elektrolitov, kot so sulfatni ioni, vključeni v prostornino oksida. V poroznih filmih se anioni pojavijo v anodnem oksidu zaradi mehanske "vdelave" komponent raztopine. Vsebnost anionov, vključenih v oksid, je določena z njihovo sposobnostjo, da se adsorbirajo na površini usedline ali celo tvorijo spojine nestehiometrične sestave.

Pri preučevanju fazne in elementarne sestave prevlek, dobljenih s plazemsko-elektrolitično obdelavo, je bilo ugotovljeno, da se s to metodo pridobivanja prevlek v film vnesejo sulfatni ioni. Poleg tega vrsta registrogramov daje razloge za domnevo, da se "zaslužek" elektrolitskih komponent pojavi na mestih, kjer se pojavijo anodne mikrorazelektritve v času njihovega "celjenja", zato porazdelitev elektrolitskih komponent po filmu ni enakomerna in se razlikuje iz porazdelitve v filmih, pridobljenih s konvencionalno anodizacijo.

Razpad je kompleksen verjetnostni proces, ki se lahko pojavi na dani točki v dielektriku v precej širokem razponu napetosti in časov. Najpomembnejša procesa za nastanek razpada sta sprememba prostorskega naboja v bližini katode (raztopina elektrolita) in povečanje volumskega vbrizga elektronov v prevodni pas dielektrične folije. Ti procesi prispevajo k razvoju okvare. Začetek okvare je povezan z razvojem elektronskih plazov. Zelo verjetno je, da so nivoji nečistoč v oksidu lahko vir primarnih ionov. Takšen mehanizem kaže na posebno vlogo komponent elektrolita, vnesenih v oksid, predvsem anionov. Zato je možnost pridobivanja anodnih prevlek v veliki meri odvisna od sestave raztopine. Elektroni, ki vstopijo v prevodni pas in jih polje pospeši, pridobijo dovolj energije, da povzročijo udarno ionizacijo atomov v oksidu. Slednje vodi v nastanek snežnih plazov, ki, ko dosežejo kovinsko površino, tvorijo razgradne kanale. Obstoj linearne odvisnosti prebojne napetosti od debeline kaže na homogenost polja med prebojem in električno naravo preboja.

Uničenje oksidnega filma - ko so izpostavljene anodnim mikrorazelektritvam na raztopinah žveplove kisline, bodo molekule vode in žveplove kisline izpostavljene delovanju elektronov, pospešenih v električnem polju. Podatki o ionizaciji teh raztopin so na voljo v literaturi. Na podlagi njih bodo najverjetnejši ioni v plazmi mikrorazelektritev najverjetneje ioni z najnižjimi pojavnimi potenciali, t.j. Za molekule vode je treba pričakovati H2O+, za žveplovo kislino H2SO4+ in manj verjetno HSO4+.

Torej procesi ionizacije in disociativne vezave elektronov dajejo naslednje ione, ko se mikrorazelektritve nanašajo na raztopine žveplove kisline (reakcije 1-5). e + H2O  H2O+ + 2e (1), e + H2SO4  H2SO4+ + 2e (2) ali HSO4 + H+ + 2e (3), e + H2O  OH + H- (4), e + H2SO4  H + HSO4- (5).

Pozitivni in negativni ioni, ki nastanejo pri teh reakcijah, imajo dva različna načina transformacije: 1) nevtralizacija nabojev; 2) ionsko-molekularne reakcije. Radikali, ki nastanejo kot posledica disociacije vzbujenih delcev in z ionsko-molekularnimi reakcijami, vstopajo v reakcije odcepitve atoma H od molekul v plinskem mehurčku in v reakcijo rekombinacije.

Po nastanku radikalov potekajo reakcije abstrakcije atoma H: H(OH, HSO4) + H2SO4  H2(H2O, H2SO4) + HSO4 (6), H(HSO3) + H2O  H2(H2SO3) + OH (7) in reakcije rekombinacije radikalov : HSO4 + OH  H2SO4 (8), HSO4 + HSO4  H2S2O8 (9), OH + OH  H2O2 (10), H + HSO4  H2SO4 (11).

Nastanek žveplovega dioksida je možen kot posledica interakcije molekul žveplove kisline, ki jih vzbudi plazma z mikrorazelektritvijo, s sosednjimi molekulami: H2SO4* + H2SO4  H2SO3 + H2SO5 (12), možen pa je tudi mehanizem: H2SO4*  H2SO3 + O (13). Nastala H2SO3 in H2SO5 zaradi visoke temperature v območju mikrorazelektritve toplotno disociirata po enačbah:

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

Nekateri radikali preidejo plinski mehurček z mikrorazelektritvijo v tekočino, ki ga obdaja, kjer med seboj vstopijo v rekombinacijske reakcije in reagirajo s komponentami elektrolitov. Izkoristek produktov kot posledica procesov, ki se odvijajo v skoraj mehurčkovem sloju elektrolita, bo odvisen od koncentracije žveplove kisline (tj. Od deleža ionov, prisotnih v raztopinah žveplove kisline različnih koncentracij).

V skladu s predlaganim mehanizmom kemičnih transformacij žveplove kisline se s povečanjem njene koncentracije v raztopini, sicer s povečanjem njene koncentracije v plinskem mehurčku mikrorazelektritve, poveča število neposredno ioniziranih in vzbujenih z elektroni pride do udarnih molekul žveplove kisline. Ker se zaradi nizke ionizacije pri energijah elektronov, ki so običajne za plinsko razelektritev, kemične transformacije snovi izvajajo predvsem skozi vzbujena stanja, potem je treba v primeru izpostavljenosti mikrorazelektritvam s povečanjem koncentracije žveplove kisline pričakovati povečanje v izkoristku produktov, za katere so vzbujeni delci predhodnik.

S povečanjem koncentracije žveplove kisline (več kot 14 M) se poveča delež molekul žveplove kisline v plinsko-plazemskem mehurčku, oziroma pride do razgradnje raztopljene snovi zaradi neposrednega delovanja plazme mikrorazelektritve. Pri raztopinah žveplove kisline, manjših od 14 M, pride do pretvorbe topljenca predvsem zaradi delovanja plazme na topilo - posredno delovanje. To poveča verjetnost reakcij 9,10,11,13, ki vodijo do nastanka stabilnih molekularnih produktov: žveplovega dioksida in peroksidnih spojin.

"Celjenje" por - nadaljnje širjenje plazemske tvorbe precej hitro vodi do znatnega znižanja temperature slednje in posledično do zmanjšanja koncentracije nosilcev praznjenja, prekinitve toka in hitrega hlajenja kanala . Izginotje plinsko-plazemskega mehurčka se bo zgodilo, ko bo plinska razelektritev v njem ugasnila. Znano je, da bo plinska razelektritev ugasnila, ko bo gostota toka v njej padla pod minimalno dovoljeno raven za samovzdrževanje razelektritve. V primeru mikrorazelektritev so lahko razlogi za zmanjšanje gostote toka plinske razelektritve: 1) osiromašenje bližnje mehurčke plasti elektrolita s tokovnimi nosilci sčasoma, zaradi česar elektrolit ne more zagotoviti minimalna dovoljena gostota toka za samovzdrževanje razelektritve in plinska razelektritev ugasne; 2) povečanje velikosti mehurčka z mikrorazelektritvijo zaradi izhlapevanja tekočine, ki ga obdaja, vanj; 3) taljenje ali "celjenje" (z eloksiranjem v plinski plazmi) razgradnega kanala v pregradnem delu oksidnega filma. Krater, ki nastane med prvim razpadom, običajno doseže kovinsko površino. Na tej točki postane gostota toka največja zaradi relativno nizke odpornosti elektrolita v kraterju, kar zagotavlja hiter pojav oksidnega filma (produkt plazemsko-kemijske reakcije MexOy). Pride do "celjenja" mesta razpada, poveča se debelina oksidnega filma in predvsem v globini substratnega materiala.

Tako je na podlagi rezultatov eksperimenta in literaturnih podatkov predlagan mehanizem učinka anodne mikrorazelektritve na raztopine žveplove kisline, ki vključuje naslednje stopnje:

Tvorba vzbujenih in ioniziranih molekul v mehurčku mikrorazelektritve zaradi plinske razelektritve, ki teče v njem;

Potek reakcij s tvorbo radikalov in molekulskih produktov, katerih reakcije med seboj in z izhodnimi snovmi dajejo večino končnih produktov;

Difuzijsko odstranjevanje nastalih radikalov in drugih delcev zunaj plinskega mehurčka, katerih reakcije vodijo do končnih molekularnih produktov v plasti elektrolita blizu mehurčka.

Bibliografija

Bakovets V.V., Polyakov O.V., Dolgovesova I.P. Plazemsko-elektrolitska anodna obdelava kovin // Novosibirsk: Nauka, 1991. P.63-68.

Nagatant T., Yashinara S.T. Študije porazdelitve fragmentov ionov in njihove reakcije s spektrometrom naboja // J. Bull. kem. soc. Jap., 1973. V.46. št. 5. Str.1450-1454.

Mann M., Hastrulid A., Tate J. Ionizacija in disociacija vodne pare in amoniaka z udarom elektronov // J. Phys. Rev. 1980. V.58. Str.340-347.

Ivanov Yu.A., Polak L.S. Energijska porazdelitev elektronov v nizkotemperaturni plazmi // Kemija plazme, Moskva: Atomizdat, 1975. Izd. 2. C.161-198.

Za pripravo tega dela gradiva s spletnega mesta http://www.omsu.omskreg.ru/

1.4.1 Kemijski modeli

Poleg opazovanja in eksperimentiranja ima modeliranje pomembno vlogo pri poznavanju narave in kemije. Eden glavnih ciljev opazovanja je iskanje vzorcev v rezultatih poskusov. Nekatera opazovanja pa je neprijetno ali nemogoče izvajati neposredno v naravi. V laboratoriju poustvarjamo naravno okolje s pomočjo posebnih naprav, instalacij, objektov, tj. maket. Modeli kopirajo samo najpomembnejše značilnosti in lastnosti predmeta in izpustijo tiste, ki za študij niso bistvene. Tako lahko v kemiji modele pogojno razdelimo v dve skupini: materialno in ikonično.

Modeli kemičnih in industrijskih naprav

Kemiki za večjo preglednost uporabljajo materialne modele atomov, molekul, kristalov, kemične industrije.

Najpogostejša predstavitev atoma je model, ki spominja na strukturo sončnega sistema.

Pogosto se uporablja za modeliranje molekul snovi. žoga in palica modeli. Tovrstni modeli so sestavljeni iz barvnih kroglic, ki predstavljajo atome, ki sestavljajo molekulo. Kroglice so povezane s palicami, ki simbolizirajo kemične vezi. S pomočjo modelov kroglice in palice so vezni koti v molekuli precej natančno reproducirani, medjedrne razdalje pa se odražajo le približno, saj dolžine palic, ki povezujejo kroglice, niso sorazmerne z dolžinami vezi.

Dreding modeli precej natančno prenašajo kote vezi in razmerje dolžin vezi v molekulah. Jedra atomov v njih, za razliko od modelov s kroglo in palico, niso označena s kroglami, temveč s povezovalnimi točkami palic.

hemisferični modeli, imenovani tudi modeli Stewart-Brigleb, so sestavljeni iz kroglic z izrezanimi segmenti. Modeli atomov so med seboj povezani s prereznimi ravninami s pomočjo gumbov. Hemisferični modeli natančno izražajo razmerje med dolžinami vezi in veznimi koti ter zapolnjenost medjedrnega prostora v molekulah. Vendar ta zasedenost ne omogoča vedno vizualne predstavitve medsebojne razporeditve jeder.

Modeli kristalov spominjajo na kroglične modele molekul, vendar ne prikazujejo posameznih molekul snovi, ampak prikazujejo medsebojno razporeditev delcev snovi v kristalnem stanju.

Vendar pogosteje kemiki ne uporabljajo materiala, ampak ikonični modeli - to so kemijski simboli, kemijske formule, enačbe kemijskih reakcij. Z uporabo simbolov kemijskih elementov in indeksov so zapisane formule snovi. Indeks kaže, koliko atomov določenega elementa je vključenih v molekulo snovi. Zapisano je desno od znaka kemijskega elementa.

Kemijska formula je glavni ikonični model v kemiji. Prikazuje: določeno snov; en delec te snovi; kvalitativno sestavo snovi, to je, kateri atomi elementov so del te snovi; količinska sestava, to je, koliko atomov posameznega elementa je del molekule snovi.

Vsi zgoraj navedeni modeli se pogosto uporabljajo pri ustvarjanju interaktivni računalniški modeli.

1.4.2 Klasifikacija računalniških modelov

Med različnimi vrstami pedagoške programske opreme izpostavljamo tiste, ki uporabljajo računalniške modele. Uporaba računalniških modelov omogoča ne le povečanje prepoznavnosti učnega procesa in njegovo intenziviranje, temveč tudi korenito spremembo tega procesa. V zadnjih letih napredek računalnikov poteka zelo hitro, njihove modelne zmožnosti pa so postale skoraj neomejene, zato se lahko pomen računalniških modelov pri študiju šolskih disciplin bistveno poveča. E.E. Nifantijev, A.K. Ahlebinin, V.N. Likhachev ugotavlja, da je glavna prednost računalniških modelov možnost modeliranja skoraj vseh procesov in pojavov, interaktivna interakcija uporabnika z modelom, pa tudi implementacija problemskih, raziskovalnih pristopov v učni proces.

V. N. Likhachev predlaga razvrstitev izobraževalnih računalniških modelov po številnih merilih, med katerimi so glavni prisotnost animacije pri prikazu modela, način nadzora, način vizualnega prikaza modela. Zaradi prisotnosti animacije je UKM lahko dinamičen in statičen. Dinamični vsebujejo fragmente animacije za prikaz simuliranih predmetov in procesov, v statičnih pa jih ni. Glede na način krmiljenja je mogoče upravljati RCM, ki vam omogoča spreminjanje parametrov modela, in neupravljane, ki ne zagotavljajo takšne možnosti.

Med demonstracijskimi (neupravljanimi) modeli ločimo še dve skupini glede na možnost interakcije z uporabnikom: interaktivne in neinteraktivne. Interaktivni omogočajo spreminjanje vrste prikaza modela ali točke opazovanja na modelu brez spreminjanja njegovih parametrov. Neinteraktivne takšne priložnosti ne zagotavljajo.

E.E. Nifantijev, A.K. Akhlebinin in V.N. Lihačov velja za najbolj uporabnega z metodološkega vidika razvrstitev glede na objekt modeliranja. Glede na nivo predstavljenih predmetov lahko modele, ki jih uporabljamo pri pouku kemije, razdelimo v dve skupini : modeli makrosveta, ki odražajo zunanje lastnosti simuliranih objektov in njihovo spremembo in modeli mikrosvetov, ki odražajo strukturo predmetov in spremembe, ki se v njih dogajajo na ravni njihove atomske in molekularne predstavitve. Modele predmetov, kot so kemikalije, kemične reakcije in fizikalno-kemijski procesi, je mogoče ustvariti tako na ravni mikrosveta kot na ravni makrokozmosa.

Razvrstitev UKM je lahko za večjo jasnost predstavljena v obliki diagrama.

1.4.3 Računalniški modeli mikrosveta

Objekti za modeliranje na ravni mikrokozmosa so atomi, ioni, molekule, kristalne mreže, strukturni elementi atomov. Na ravni mikrokozmosa se modelirajo značilnosti strukture snovi, interakcija delcev, ki sestavljajo snov. Za modeliranje kemijskih reakcij na ravni mikrosveta so zelo zanimivi mehanizmi kemijskih procesov. In v modelih fizikalnih in kemijskih procesov se upoštevajo procesi, ki se odvijajo na elektronski ali atomsko-molekularni ravni.

Jasno je, da CCM, ki simulirajo modele mikrosveta, postanejo odlični pomočniki pri preučevanju strukture atomov, vrst kemičnih vezi, strukture snovi itd.

Modeli atomov 1 - 3 obdobja periodnega sistema Mendelejeva so implementirani v programu " 1C: Učitelj. kemija» v obliki Bohrovih modelov atoma. V programu so implementirane sodobnejše ideje o strukturi atoma chemland, kjer je obravnavana porazdelitev elektronov po energijskih podravnih atomov elementov in oblika posameznih orbital na različnih energijskih nivojih.

Posebno zanimiv je program HyperChem. Je eden glavnih strokovnih programov za teoretični izračun različnih termodinamičnih in elektronskih parametrov molekul. Z njegovo pomočjo je mogoče zgraditi prostorske modele različnih spojin, preučiti značilnosti njihove geometrijske strukture, določiti obliko in energijo molekularnih orbital, naravo porazdelitve elektronske gostote, dipolni moment itd. Vsi izhodni podatki so na voljo v obliki barvnih risb, ki jih je mogoče nato natisniti na tiskalniku in tako pridobiti visokokakovostno sliko kemičnih spojin v zahtevanih kotih in projekcijah. Prednost programa je možnost pregleda molekule iz različnih zornih kotov, da se seznanite z značilnostmi njene prostorske strukture. To se zdi izjemno pomembno, saj, kot kaže praksa poučevanja, učenci običajno ne oblikujejo predstav o molekulah kot prostorskih strukturah. Tradicionalna podoba kemikalij v eni ravnini vodi v izgubo celotne razsežnosti in ne spodbuja razvoja prostorske domišljije.

Pri multimedijskem tečaju Kemija za vse» Uporabljen je program - stereo demonstrator molekul. Omogoča vam, da zagotovite volumetrične slike molekul, sestavljenih iz atomov vodika, kisika, ogljika in dušika. Za predstavitev se uporabljajo žični modeli molekul. Modele lahko premikamo, vrtimo, prikazujejo slike več različnih molekul hkrati. Program vam omogoča, da sami ustvarite nove modele molekul. Skupaj so podani modeli 25 organskih molekul, vendar je didaktična vrednost teh modelov majhna, saj so predvideni modeli dokaj preprostih spojin, ki jih lahko vsak učenec sestavi s plastelinom in vžigalicami.

Demonstracijski orbitalni 3D modeli nekaterih molekul so implementirani v programu " Metoda valenčnih vezi: hibridizacija atomskih orbital. In v programu Narava kemijske vezi» pojasni vzroke za nastanek kemijske vezi na primeru nastanka molekule vodika iz atomov. Oba programa sta vključena v sklop programov usposabljanja " Kemija za vse - 2000».

Interaktivni demo žični okvirji, ki se uporabljajo v programih ChemLand- 115 molekul pretežno organskih spojin in " Kemija za vse". Ta dva programa imata svoje prednosti in slabosti: v programu Chemistry for All se modeli lahko prikazujejo na celotnem zaslonu monitorja, medtem ko v programu ChemLand te funkcije ni, vendar program vsebuje veliko število molekul. V ChemLandu uporabljajo se dinamični modeli, ki prikazujejo prostorsko strukturo molekul z možnostjo merjenja veznih kotov in dolžin vezi, ki nam omogoča, da sledimo spremembi polarnosti trikotne molekule glede na vrsto atomov.

Pri preučevanju zgradbe molekul in kristalov so lahko koristni programi, namenjeni bolj raziskovalnim namenom. To je na primer program CS Chem3D Pro, ki omogoča ustvarjanje, spreminjanje in prikazovanje tridimenzionalne strukture različnih molekul. Tudi uporaben program Oblikovalec kristalov, ki je namenjen vizualizaciji tridimenzionalne strukture kristalne mreže. Ti programi so lahko uporabni za ustvarjanje tridimenzionalnih slik molekul in kristalov ter za njihovo predstavitev v učilnici z uporabo računalnika.

program " sestavite molekulo”, čeprav je po svojih zmogljivostih slabši od zgornjih programov, se lahko učinkovito uporablja pri individualnem delu šolarjev.

Modeli fizikalnih in kemijskih procesov in mehanizmov so implementirani v programu " Kemija za vse". Tukaj so prikazani neinteraktivni modeli na temo "Elektrolitska disociacija": disociacija soli, kislin, alkalij, hidroliza soli. V istem programu so implementirani nekateri modeli mehanizmov organskih reakcij: bromiranje alkanov, esterifikacija, splošni mehanizem polimerizacijskih reakcij itd. Vsi modeli reakcijskih mehanizmov so neinteraktivni, prikazani na celotnem zaslonu, imajo zvok, ni pa besedilnega opisa dogajanja, kar bistveno omejuje uporabo programa.

V spletni različici interaktivnega učbenika za srednjo šolo iz organske kemije za razrede X - XI, ki sta ga uredila G. I. Deryabina, A. V. Solovov prikazani so izmenjevalni in donorsko-akceptorski mehanizmi nastajanja kovalentne vezi, homolitični in heterolitični mehanizmi pretrganja kovalentne vezi na primeru odcepitve atoma vodika od molekule metana, proces sp-hibridizacije. Zelo zanimivi so interaktivni 3D predstavitveni modeli organskih molekul in mehanizmi kemijskih reakcij: kloriranje metana in splošni mehanizem nukleofilne substitucije. Zelo pomembno je, da lahko pri delu z modeli spreminjate njihov položaj v prostoru, za reakcijski mehanizem pa lahko spreminjate položaj opazovalne točke.

Še en program, ki prikazuje mehanizme kemičnih reakcij, program Organske reakcijske animacije. Vsebuje 34 mehanizmov organskih reakcij. Poleg tega je vsak mehanizem predstavljen v obliki štirih variant molekularnih modelov: krogličastega, tridimenzionalnega in dveh variant modelov orbitalne lopute. Ena izmed variant modelov orbitalnih rezil prikazuje spremembo zunanjih orbital substrata med potekom reakcije, druga pa reaktanta. Tako je lažje opazovati spremembo zunanjih orbital reaktantov med potekom reakcije. Po potrebi lahko uporabite teoretično gradivo interaktivnega večkanalnega kognicijskega orodja. Razvojštudenti sami...

Računalniško testiranje

Testi >> Informatika

... metodologije ... študij literatura... razvoj testi in testiranje. Tehnologija računalniškega testiranja mora imeti naslednje glavne značilnosti: interaktivni ... mikrosvetovi); ... (šola ... njim uporaba pri ... modeli/ Vadnica za menjalni tečaj ...

Filozofija in metodologija znanosti

Študijski vodnik >> Filozofija

Na področju biologije pri študij soevolucija različnih bioloških vrst, njim strukture in ravni organizacije... in vzpostavljene. Uporaba Metode se upirajo zunanjim omejitvam, naloženim glede parametrov študije. Modeli izvedba...

Družbene in kulturne dejavnosti (2)

Učbenik >> Sociologija

... njim študija, ohranjanje, proizvodnja, razvoj, uporaba in kot posledica, razvoj ... . pri študij seveda, ... mikrosvet ... modeli in konec model ... interaktivni pedagoške metode in tehnologije. Med njimi so zasebniki metode... predšolski, šola (...

Razvoj interaktivnih modelov mikrosveta in metod njihove uporabe pri študiju šolskega tečaja kemije

1.4.1 Kemijski modeli

Poleg opazovanja in eksperimentiranja ima modeliranje pomembno vlogo pri poznavanju narave in kemije. Eden glavnih ciljev opazovanja je iskanje vzorcev v rezultatih poskusov. Nekatera opazovanja pa je neprijetno ali nemogoče izvajati neposredno v naravi. V laboratoriju poustvarjamo naravno okolje s pomočjo posebnih naprav, instalacij, objektov, tj. maket. Modeli kopirajo samo najpomembnejše značilnosti in lastnosti predmeta in izpustijo tiste, ki za študij niso bistvene. Tako lahko v kemiji modele pogojno razdelimo v dve skupini: materialne in simbolične.

Kemiki za večjo preglednost uporabljajo materialne modele atomov, molekul, kristalov, kemične industrije.

Najpogostejša predstavitev atoma je model, ki spominja na strukturo sončnega sistema.

Modeli s kroglico in palico se pogosto uporabljajo za modeliranje molekul snovi. Tovrstni modeli so sestavljeni iz barvnih kroglic, ki predstavljajo atome, ki sestavljajo molekulo. Kroglice so povezane s palicami, ki simbolizirajo kemične vezi. S pomočjo modelov kroglice in palice so vezni koti v molekuli precej natančno reproducirani, medjedrne razdalje pa se odražajo le približno, saj dolžine palic, ki povezujejo kroglice, niso sorazmerne z dolžinami vezi.

Dredingovi modeli precej natančno prikazujejo vezne kote in razmerje dolžin vezi v molekulah. Jedra atomov v njih, za razliko od modelov s kroglo in palico, niso označena s kroglami, temveč s povezovalnimi točkami palic.

Hemisferični modeli, imenovani tudi Stewart-Brieglebovi modeli, so sestavljeni iz kroglic z izrezanimi segmenti. Modeli atomov so med seboj povezani s prereznimi ravninami s pomočjo gumbov. Hemisferični modeli natančno izražajo razmerje med dolžinami vezi in veznimi koti ter zapolnjenost medjedrnega prostora v molekulah. Vendar ta zasedenost ne omogoča vedno vizualne predstavitve medsebojne razporeditve jeder.

Modeli kristalov spominjajo na kroglične modele molekul, vendar ne prikazujejo posameznih molekul snovi, ampak prikazujejo medsebojno razporeditev delcev snovi v kristalnem stanju.

Vendar pogosteje kemiki uporabljajo ne materialne, ampak simbolične modele - to so kemijski simboli, kemijske formule, enačbe kemijskih reakcij. Z uporabo simbolov kemijskih elementov in indeksov so zapisane formule snovi. Indeks kaže, koliko atomov določenega elementa je vključenih v molekulo snovi. Zapisano je desno od znaka kemijskega elementa.

Kemijska formula je osnovni ikonični model v kemiji. Prikazuje: določeno snov; en delec te snovi; kvalitativno sestavo snovi, to je, kateri atomi elementov so del te snovi; količinska sestava, to je, koliko atomov posameznega elementa je del molekule snovi.

Vsi zgoraj navedeni modeli se pogosto uporabljajo pri ustvarjanju interaktivnih računalniških modelov.

Izbira reaktorja za izvedbo reakcije oksidacije žveplovega anhidrida v žveplov anhidrid

Osrednji aparat v vsakem kemijsko-tehnološkem sistemu, ki vključuje številne stroje in aparate, ki so med seboj povezani z različnimi povezavami, je kemijski reaktor - aparat, v katerem poteka kemijski proces. Izbira vrste ...

Najprej se ustvari računalniški model predmeta, računalniška simulacija pa se uporabi za oblikovanje molekul na mestu študije. Model je lahko 2D ali 3D.

Inovativen način razvoja tehnologije za ustvarjanje novih zdravil

Nobenega dvoma ni o smiselnosti modela molekule, ki se uporablja za kvantno kemijske konstrukcije, po katerem je sistem jeder in elektronov predmet analize in njegovo obnašanje opisujejo enačbe kvantne teorije. .

Inovativen način razvoja tehnologije za ustvarjanje novih zdravil

Za metode za določanje biološke aktivnosti je uveden koncept deskriptorjev in QSAR. Molekularni deskriptor je številčna vrednost, ki označuje lastnosti molekul. Lahko na primer predstavljajo fizikalno-kemijske lastnosti ...

Študija kinetike alkilacije izobutana z izobutilenom v izooktan z matematičnim modeliranjem

Preučevanje kinetike reakcije kloriranja benzena

R = k*C1*Ck? Za najboljšo obdelavo dobljenega modela bomo transformirali obliko funkcije, saj je odvisnost hitrosti reakcije od časa konstantna in je za prve 3 poskuse 0,0056...

Metoda simulacije v kemiji

Trenutno lahko najdete veliko različnih definicij pojmov "model" in "modeliranje". Razmislimo o nekaterih od njih. »Model razumemo kot prikaz dejstev, stvari in razmerij določenega področja znanja v obliki enostavnejšega ...

Znanstvene osnove reologije

Napetostno-deformacijsko stanje telesa je na splošno tridimenzionalno in je nerealno opisati njegove lastnosti s preprostimi modeli. Vendar pa v tistih redkih primerih, ko so enoosna telesa deformirana ...

Sinteza in analiza CTS v proizvodnji bencina

Kemijski model procesa katalitskega krekinga je zelo zapleten. Razmislite o najpreprostejši reakciji, ki poteka med postopkom krekinga: СnН2n+2 > CmH2m+2 + CpH2p ...

Sinteza kemijsko-tehnološkega sistema (CTS)

Proizvodni procesi so različni po značilnostih in stopnji kompleksnosti. Če je proces zapleten in dešifriranje njegovega mehanizma zahteva veliko truda in časa, uporabimo empirični pristop. Matematični modeli ...

Primerjava reaktorjev s čepnim tokom in polnega mešanja pri izotermnem delovanju