Model kemijskog spoja. Moderne visoke tehnologije

BILJEŠKA

Članak se bavi kvantno-kemijskim modelima atoma, molekula koji omogućuju razumijevanje suštine kemijskih transformacija tvari na atomskoj i molekularnoj razini njezine organizacije.

SAŽETAK

Članak je posvećen detaljnom razmatranju grafičkih kvantno-kemijskih modela atoma, molekula i kemijskih veza. Ovaj pristup omogućuje razumijevanje prirode kemijskih procesa i zakona njihovog odvijanja.

Suvremene ideje o strukturi atoma i molekula, razumijevanje kemijskih transformacija tvari na atomskoj i molekularnoj razini njezine organizacije otkriva kvantna kemija.

Sa stajališta kvantne kemije, atom je mikrosustav koji se sastoji od jezgre i elektrona koji se kreću u elektromagnetskom polju jezgre. Na sl. Na slici 1. prikazani su orbitalni, elektronički i difrakcijski modeli atoma prvog i drugog razdoblja, izgrađeni prema kvantnim principima i pravilima za punjenje energetskih razina u atomima elektronima. Četiri kvantna broja n, l, m l, m s u potpunosti karakteriziraju gibanje elektrona u polju jezgre. Glavni kvantni broj n karakterizira energiju elektrona, njegovu udaljenost od jezgre i odgovara broju energetske razine na kojoj se elektron nalazi. Orbitalni kvantni broj l određuje oblik orbitale i energiju podrazina iste energetske razine. Koncept "orbitale" znači najvjerojatnije područje gibanja elektrona u atomu. Magnetski kvantni broj m l određuje broj orbitala i njihovu prostornu orijentaciju. Najvažnije je da su orbitalni i magnetski kvantni brojevi međusobno povezani. Orbitalni kvantni broj l uzima vrijednosti za jedan manji od glavnog kvantnog broja n. Ako je a n= 1, dakle l= 0, a po obliku je sfernog 1 s-orbitalni. Ako je a n= 2, tada orbitalni kvantni broj poprima dvije vrijednosti: l= 0, 1, što ukazuje na prisutnost dvije podrazine. Kuglasta je 2 s- orbitalni ( l= 0) i tri 2 str-orbitale koje po obliku nalikuju gimnastičkim bučicama, smještene pod kutom od 90 ° duž osi kartezijanskog koordinatnog sustava.

Slika 1. Kvantno-kemijska, elektronska i elektronska difrakcija modeli atoma prvog i drugog razdoblja

Broj i prostorni raspored 2 str-orbitale određuje magnetski kvantni broj m l, koji uzima vrijednosti unutar orbitalnog kvantnog broja od – l na + l. Ako je a l= 0, dakle m l= 0 (jedan s- orbitalni). Ako je a l= 1, dakle m l uzima tri vrijednosti - 1 , 0, +1 (tri R-orbitale).

Orbitalni modeli atoma prikazuju prostorni raspored i oblik orbitala, a na modelima difrakcije elektrona u obliku simboličkih kvantnih ćelija data je slika orbitala te položaj razina i podrazina u energetskom dijagramu. Obratite pažnju na veličinu atoma. Ista se pravilnost ponavlja u razdobljima – kako se naboj jezgre povećava, dolazi do sve veće deformacije (kompresije) orbitala pod utjecajem elektromagnetskog privlačenja elektrona jezgrom (slika 1.).

Postavljanje elektrona u orbitale podliježe jednom od najvažnijih načela kvantna mehanika(Paulijev princip): u jednoj orbitali ne mogu biti više od dva elektrona, a moraju se razlikovati po vlastitom kutnom momentu - spinu (engleski spin rotacija). Elektroni s različitim spinovima konvencionalno su prikazani strelicama i ¯. Kada su dva elektrona na istoj orbitali, oni imaju antiparalelne spinove i ne sprječavaju jedan drugoga da se kreće u polju jezgre.

Ovo svojstvo podsjeća na rotaciju u spoju dva zupčanika. Kada je uključen, jedan zupčanik se okreće u smjeru kazaljke na satu, a drugi u suprotnom smjeru. Treći zupčanik u spoju s druga dva zaustavlja rotaciju. Ona je suvišna. Dakle u jednoj orbitali mogu biti samo 2 elektrona, treći je suvišan.

Kada su razine energije i podrazine ispunjene elektronima, kvantni princip minimalna energija (pravilo Klečkovskog) . Elektroni ispunjavaju orbitale od najniže do najviše energetske razine. Princip minimalne energije je poput punjenja podova visoka zgrada tijekom razdoblja poplava. Voda se diže i ispunjava sve katove odozdo prema gore, ne propuštajući niti jedan.

Prema Hundovom pravilu, sve R-orbitale su ispunjene prvo jednim elektronom, a tek onda drugim elektronom s antiparalelnim spinom.

Kvantno-kemijski modeli atoma omogućuju objašnjenje svojstava atoma da razmjenjuju energiju, daju i uzimaju elektrone, mijenjaju geometrijsku konfiguraciju i formiraju kemijske veze.

Kovalentna kemijska veza nastaje kada se oblaci valentnih elektrona preklapaju. Na primjer, takva je veza predstavljena u orbitalnom modelu molekule vodika (slika 2).

Slika 2. Model kovalentne veze u molekuli vodika

Korištenje kvantno kemijske metode valentnih veza temelji se na ideji da svaki par atoma u molekuli drži zajedno jedan ili više elektronskih parova s ​​antiparalelnim spinovima. Sa stajališta metode valentnih veza, molekula je mikrosustav koji se sastoji od dva ili više kovalentno vezanih atoma. Pozitivno nabijene jezgre atoma drže se negativnim nabojem koncentriranim u području preklapajućih atomskih orbitala. Privlačenje jezgri atoma na povećanu gustoću elektrona između njih uravnoteženo je silom odbijanja jezgri između sebe. Nastaje stabilan mikrosustav u kojem je duljina kovalentne veze jednaka udaljenosti između jezgri.

U molekuli fluora, kao i u molekuli vodika, postoji nepolarna kovalentna veza. Preklapanje 2 R 1 orbitale, elektronski par stvara povećanu elektronsku gustoću između jezgri atoma i održava molekulu u stabilnom stanju (slika 3.).

Slika 3. Model kovalentne veze u molekuli fluora

Nepolarna kovalentna veza znači takvo preklapanje valentnih orbitala, uslijed čega se poklapaju težišta pozitivnih i negativnih naboja.

Moguće je formirati polarnu kovalentnu vezu pri preklapanju 1 s 1 - i 2 R 1 orbitale. Na sl. Slika 4 prikazuje model fluorovodika s polarnom kovalentnom vezom. Gustoća elektrona između kovalentno vezanih atoma pomiče se na atom fluora, čiji nuklearni naboj (+9) ispoljava veću elektromagnetsku privlačnost u usporedbi s jezgrom atoma vodika s nabojem (+1).

Slika 4. Model polarne kovalentne veze u molekuli fluorovodika

Ionsko vezanje nastaje zbog privlačenja električno nabijenih čestica – iona. Na sl. Slika 5 prikazuje model za stvaranje ionske veze u litijevom fluoridu. Jako elektromagnetno polje koje stvara jezgra atoma fluora hvata i zadržava R-orbitale elektrona koji pripadaju atomu litija. Atom litija, lišen elektrona, mijenja svoju geometrijsku konfiguraciju (2 s-orbitalni), postaje pozitivno nabijeni ion i privlači ga negativno nabijeni fluor ion, koji je dobio dodatni elektron na R-orbitalni.

Slika 5. Model ionskog para Li + F - litijev fluorid

Sile elektrostatičkog privlačenja suprotno nabijenih iona i odbijanja elektronskih ljuski litijevih i fluorovih iona su uravnotežene i drže ione na udaljenosti koja odgovara duljini ionske veze. Orbitalno preklapanje u ionski vezanim spojevima praktički ne postoji.

Posebna vrsta kemijske veze očituje se u atomima metala. Metalni kristal (slika 6.) sastoji se od pozitivno nabijenih iona u čijem se polju valentni elektroni slobodno kreću („oblak elektrona“).

Slika 6. Model kristala litij metala

Ioni i "elektronski oblak" međusobno se drže u stabilnom stanju. Zbog velike pokretljivosti elektrona, metali imaju elektronsku vodljivost.

U molekulama atomi povezani s nekoliko kovalentnih veza mijenjaju svoju geometrijsku konfiguraciju. Razmotrimo manifestaciju ovog svojstva na primjeru atoma ugljika (1 s 2-orbitala nije prikazana u modelima atoma ugljika, jer ne sudjeluje u stvaranju kemijskih veza).

Eksperimentalno je utvrđeno da u molekuli CH 4 ugljikov atom tvori četiri identične kovalentne veze s atomima vodika, koje su ekvivalentne po svojim energetskim i prostornim karakteristikama. Teško je zamisliti četiri identične kovalentne veze, ako imamo na umu da se u ugljiku valentni elektroni nalaze na dvije energije 2 s i 2 str podrazine:

U osnovnom (nepobuđenom) stanju ugljik stvara samo dvije kovalentne veze. U pobuđenom stanju jedan elektron s podrazine 2 s prelazi na višu energetsku podrazinu 2 str. Kao rezultat takvog skakanja elektrona, ukupna energija 2 s- i 2 str-orbitale i valencija atoma ugljika mijenja se u četiri:

Pa ipak, to nije dovoljno da objasni četiri ekvivalentne kovalentne veze u molekuli CH 4, jer 2 s- i 2 str-orbitale imaju različitog oblika i prostornog uređenja. Problem je riješen uvođenjem hipoteze o hibridizacija - miješanje valentnih elektrona u podrazine iste energetske razine. U molekuli metana postoji jedan 2 s- i tri 2 R-orbitale ugljikovog atoma kao rezultat hibridizacije pretvaraju se u četiri ekvivalenta sp 3-hibridne orbitale:

Za razliku od nepobuđenog (osnovnog) stanja atoma ugljika, u kojem su tri 2 R-orbitale atoma nalaze se pod kutom od 90o (slika 7, a), u molekuli metana (slika 7, b) su jednaki po obliku i veličini sp 3-hibridni atomi ugljika nalaze se pod kutom od 109 oko 28".

Slika 7. Model molekule metana

U molekuli etilena C 2 H 4 (slika 8, a) atomi ugljika su u sR 2 - hibridno stanje. 2 su uključeni u hibridizaciju s-orbitalna i dva 2 R-orbitale. Kao rezultat hibridizacije, ugljikovi atomi tvore tri ekvivalenta sp 2 -hibridne orbitale smještene pod kutom od 120 o na ravninu; 2 pz-orbital ne sudjeluje u hibridizaciji.

Slika 8. Model molekule etilena

U molekuli etilena ugljikovi atomi nisu povezani samo s-vezom, već i p-vezom. Nastaje kao rezultat preklapanja Rz-orbitale s formiranjem dvaju područja preklapanja iznad i ispod osi koja spaja jezgre, s obje strane osi s-veze (slika 8).

Model trostruke veze predstavljen je u molekuli acetilena (slika 9). Prilikom miješanja jednog 2 s- i jedan 2 p x - nastaju dvije orbitale atoma ugljika sp-hibridne orbitale, koje se nalaze na liniji koja spaja jezgre atoma (kut 180 o). Nehibridni 2 RU- i 2Rz-orbitale različitih ugljikovih atoma se preklapaju, tvoreći dvije p-veze u međusobno okomitim ravninama (slika 9.).

Slika 9. Model molekule acetilena

Molekule, poput atoma, pokazuju sposobnost razbijanja i stvaranja kemijskih veza, mijenjanja svoje geometrijske konfiguracije i prelaska iz električno neutralnog u ionsko stanje. Ova svojstva prikazana su u reakciji između molekula amonijaka NH 3 i fluorovodika HF (slika 10). Kovalentna veza u molekuli vodikovog fluorida je prekinuta, a između dušika i vodika u molekuli amonijaka nastaje kovalentna veza donor-akceptor. Donor je usamljeni par elektrona atoma dušika, akceptor je prazna orbitala atoma vodika (slika 10.). Geometrijska konfiguracija molekule NH 3 (trigonalna piramida, vezni kut 107 o 18") mijenja se u tetraedarsku konfiguraciju iona NH 4 + (109 o 28"). Konačni proces je stvaranje ionske veze u kristalnoj strukturi amonijevog fluorida. Orbitalni modeli molekula omogućuju prikaz svih gore navedenih svojstava u jednoj reakciji: prekid i stvaranje kemijskih veza, promjena geometrijske konfiguracije, prelazak iz električno neutralnog u ionsko stanje.

Riža. 10. Model nastanka ionskog para kristalnog NH 4 + F -

Kemijska reakcija pomoću simbola kemijski elementi:

NH 3 + HF → NH 4 F,

daje generalizirani izraz onoga što se otkriva u orbitalnim modelima molekula. Kemijske reakcije predstavljene orbitalnim modelima i simbolima kemijskih elemenata međusobno se nadopunjuju. To je njihova zasluga. Ovladavanje elementarnim znanjem o kvantno-kemijskom izrazu strukture i sastava atoma i molekula dovodi do razumijevanja ključnih kemijskih pojmova: kovalentne polarne i nepolarne veze, donor-akceptorske veze, ionske veze, geometrijske konfiguracije atoma i molekula, kemijska reakcija. A na temelju tog znanja može se pouzdano koristiti simbolika kemijskih elemenata i spojeva za Kratki opis kemijska stanja i transformacije tvari.

Navedimo još jedan primjer reakcije razmatrane sa stajališta kvantne kemije. Voda pokazuje svojstva slabog elektrolita. Elektrolitička disocijacija obično se predstavlja jednadžbom:

H 2 O ⇄H + + OH -

H 2 O + H 2 O ⇄H 3 O + + OH -.

Podjelu molekula vode na pozitivno i negativno nabijene ione otkriva kvantno kemijski model reakcije elektrolitičke disocijacije (slika 11.).

Slika 11. Model elektrolitičke disocijacije vode

Molekula vode je iskrivljena piramida (valentni kut 104 o 30 "). Dva sR 3-hibridne orbitale atoma kisika tvore s-veze s atomima vodika. Druga dva sR 3-hibridne orbitale imaju slobodne parove elektrona s antiparalelnim spinovima. Prekid kovalentne H–O veze u jednoj od molekula dovodi do stvaranja kovalentne kemijske veze na susjednoj molekuli mehanizmom donor-akceptor. Vodikov ion, koji ima praznu orbitalu, djeluje kao akceptor elektronskog para atoma kisika susjedne molekule vode. U ovom primjeru, kao iu prethodnom, kvantno-kemijski pristup omogućuje razumijevanje fizikalno-kemijskog značenja procesa elektrolitičke disocijacije vode.

Razmišljanje je proces kojim posredno možemo prosuditi što je skriveno od naše osjetilne percepcije. Kvantna kemija daje vizualnu sliku kemijskih procesa i stanja materije, otkriva što je skriveno od naše osjetilne percepcije, potiče učenje i razmišljanje.

1. Vygotsky L.S. Razmišljanje i govor. – M.: Labirint, 1999. – 352 str.
2. Zagashev I.O., Zair-Bek S.I. Kritičko razmišljanje: razvojna tehnologija. - Sankt Peterburg: Savez "Delta", 2003. - 284 str.
3. Krasnov K.S. Molekule i kemijske veze. – M.: postdiplomske studije, 1984. - 295 str.
4. Leontiev A.N. Predavanja iz opće psihologije. – M.: Značenje, 2000. – 512 str.
5. Peregudov F.I., Tarasenko F.P. Uvod u analiza sustava. - M.: Viša škola, 1989. - 367 str.
6. Prokofjev V.F. Čovjek - kontrolirano bioračunalo? // Bilten Međunarodne akademije znanosti (ruski odjeljak). - 2008. - Broj 1. - S. 1-21.
7. Yablokov V.A., Zakharova O.M. Sustavna organizacija sadržaja nastave kemije // Universum: Psihologija i obrazovanje: elektron. znanstvenim časopis 2016. broj 5(23) / [ Elektronički resurs]. - Način pristupa:
URL://website/ru/psy/archiv/item/2505 (pristupljeno 2.4.2017.)

1.4.1 Kemijski modeli

Osim promatranja i eksperimentiranja, modeliranje igra važnu ulogu u poznavanju svijeta prirode i kemije. Jedan od glavnih ciljeva promatranja je traženje obrazaca u rezultatima eksperimenata. Međutim, neka opažanja su nezgodna ili nemoguće provoditi izravno u prirodi. prirodno okruženje rekreirati u laboratorijskim uvjetima uz pomoć posebnih uređaja, instalacija, predmeta, odnosno modela. Modeli kopiraju samo najvažnije značajke i svojstva objekta, a izostavljaju ona koja nisu bitna za proučavanje. Dakle, u kemiji se modeli mogu uvjetno podijeliti u dvije skupine: materijala i ikona.

Modeli kemijskih i industrijskih aparata

Kemičari koriste materijalne modele atoma, molekula, kristala, kemijske industrije radi veće jasnoće.

Najčešći prikaz atoma je model koji nalikuje strukturi Sunčevog sustava.

Često se koristi za modeliranje molekula tvari. kuglica i palica modeli. Modeli ovog tipa sastavljeni su od kuglica u boji koje predstavljaju atome koji čine molekulu. Kuglice su povezane šipkama, što simbolizira kemijske veze. Uz pomoć modela kuglice i štapa, kutovi veze u molekuli se prilično precizno reproduciraju, ali se međunuklearne udaljenosti reflektiraju samo približno, budući da duljine šipki koje spajaju kuglice nisu proporcionalne duljinama veze.

Dredding modeli prilično točno prenijeti kutove veze i omjer duljina veza u molekulama. Jezgre atoma u njima, za razliku od modela kugle i šipke, nisu označene kuglicama, već spojnim točkama štapića.

hemisferni modeli, također se nazivaju Stewart-Brigleb modeli, sastavljaju se od kuglica s izrezanim segmentima. Modeli atoma međusobno su povezani ravninama presjeka pomoću gumba. Hemisferični modeli točno prenose i omjer duljina veza i kutova veze te popunjavanje međunuklearnog prostora u molekulama. Međutim, ova popunjenost ne omogućuje uvijek vizualni prikaz relativni položaj jezgre.

Modeli kristala nalikuju kugličnim modelima molekula, međutim, ne prikazuju pojedinačne molekule tvari, već pokazuju međusobni raspored čestica tvari u kristalnom stanju.

Međutim, češće kemičari ne koriste materijal, već kultni modeli - to su kemijski simboli, kemijske formule, jednadžbe kemijske reakcije. Pomoću simbola kemijskih elemenata i indeksa zapisuju se formule tvari. Indeks pokazuje koliko je atoma određenog elementa uključeno u molekulu tvari. Napisano je desno od znaka kemijskog elementa.

Kemijska formula je glavni kultni model u kemiji. Pokazuje: specifičnu tvar; jedna čestica ove tvari; kvalitativni sastav tvari, tj. atomi čiji su elementi dio ove tvari; kvantitativni sastav, tj. koliko je atoma svakog elementa dio molekule tvari.

Svi gore navedeni modeli naširoko se koriste u stvaranju interaktivni računalni modeli.

1.4.2 Klasifikacija računalnih modela

Među raznim vrstama pedagoškog softvera istaknuti su oni koji koriste računalne modele. Korištenje računalnih modela omogućuje ne samo povećanje vidljivosti i intenziviranje procesa učenja, već i radikalnu promjenu tog procesa. NA posljednjih godina računala se napreduju velikom brzinom, a njihove mogućnosti modeliranja postale su gotovo neograničene, pa se važnost računalnih modela u proučavanju školskih disciplina može značajno povećati. E.E. Nifantiev, A.K. Ahlebinin, V.N. Likhachov napominje da je glavna prednost računalnih modela mogućnost modeliranja gotovo svih procesa i pojava, interaktivna interakcija korisnika s modelom, kao i implementacija problematičnih, istraživačkih pristupa u procesu učenja.

V. N. Likhachev predlaže klasificirati obrazovne računalne modele prema nizu kriterija, od kojih su glavni prisutnost animacije pri prikazivanju modela, metoda upravljanja, metoda vizualnog prikaza modela. Prisutnošću animacije UKM može biti dinamičan i statičan. Dinamički sadrže fragmente animacije za prikaz simuliranih objekata i procesa, a u statičkim ih nema. Prema načinu upravljanja, RCM se može upravljati, što vam omogućuje promjenu parametara modela, i neupravljano, koji ne pružaju takvu priliku.

Među demonstracionim (neupravljanim) modelima mogu se razlikovati još dvije skupine prema mogućnosti interakcije s korisnikom: interaktivni i neinteraktivni. Interaktivni vam omogućuju promjenu vrste prikaza modela ili točke promatranja na modelu bez promjene njegovih parametara. Neinteraktivne takve mogućnosti ne pružaju.

E.E. Nifantiev, A.K. Ahlebinin i V.N. Lihačov se smatra najkorisnijim s metodološkog stajališta klasifikacija prema objektu modeliranja. Prema razini zastupljenosti predmeta, modeli koji se koriste u nastavi kemije mogu se podijeliti u dvije skupine : modeli makrosvijeta, koji odražavaju vanjska svojstva simuliranih objekata i njihovu promjenu i modeli mikrosvijeta, koji odražavaju strukturu objekata i promjene koje se u njima događaju na razini njihove atomske i molekularne reprezentacije. A modeli takvih objekata kao što su kemikalije, kemijske reakcije i fizikalno-kemijski procesi mogu se stvoriti i na razini mikrosvijeta i na razini makrokozmosa.

Klasifikacija UKM-a može se prikazati u obliku dijagrama radi veće jasnoće.

1.4.3 Računalni modeli mikrosvijeta

Objekti za modeliranje na razini mikrokozmosa su atomi, ioni, molekule, kristalne rešetke, strukturni elementi atoma. Na razini mikrokozmosa modeliraju se značajke strukture materije, interakcija čestica koje čine materiju. Za modeliranje kemijskih reakcija na razini mikrosvijeta od velikog su interesa mehanizmi kemijskih procesa. A u modelima fizikalnih i kemijskih procesa razmatraju se procesi koji se odvijaju na elektronskoj ili atomsko-molekularnoj razini.

Jasno je da CCM koji simuliraju modele mikrosvijeta postaju izvrsni asistenti u proučavanju strukture atoma, vrsta kemijskih veza, strukture materije itd.

Modeli atoma 1 - 3 razdoblja periodnog sustava Mendelejeva implementirani su u programu " 1C: Učitelj. Kemija»u obliku Bohrovih modela atoma. U programu su implementirane modernije ideje o strukturi atoma chemland, gdje se razmatra raspodjela elektrona po energetskim podrazinama atoma elemenata i oblik pojedinih orbitala na različitim energetskim razinama.

Posebno je zanimljiv program HyperChem. To je jedan od glavnih stručnih programa za teorijski proračun različitih termodinamičkih i elektroničkih parametara molekula. Uz njegovu pomoć moguće je graditi prostorne modele različitih spojeva, proučavati značajke njihove geometrijske strukture, odrediti oblik i energiju molekularnih orbitala, prirodu raspodjele elektronske gustoće, dipolnog momenta itd. Svi izlazni podaci su pruža se u obliku crteža u boji, koji se potom mogu ispisati na pisaču, čime se dobiva visokokvalitetna slika kemijskih spojeva u potrebnim kutovima i projekcijama. Prednost programa je mogućnost razmatranja molekule s različite stranke upoznati značajke njegove prostorne strukture. Čini se da je to iznimno važno, budući da, kako pokazuje nastavna praksa, učenici obično ne stvaraju ideje o molekulama kao prostornim strukturama. Tradicionalna slika kemikalija u jednoj ravnini dovodi do gubitka cijele dimenzije i ne potiče razvoj prostorne mašte.

Na tečaju multimedije Kemija za sve» Koristi se program - stereo demonstrator molekula. Omogućuje vam da pružite volumetrijske slike molekula koje se sastoje od atoma vodika, kisika, ugljika i dušika. Za demonstraciju se koriste žičani modeli molekula. Modeli se mogu pomicati, rotirati, prikazivati ​​slike nekoliko različitih molekula u isto vrijeme. Program vam omogućuje da sami kreirate nove modele molekula. Ukupno su dati modeli od 25 organskih molekula, međutim didaktička vrijednost ovih modela je niska, budući da su modeli dovoljno osigurani. jednostavne veze, koje svaki učenik može prikupiti pomoću plastelina i šibica.

Demonstracijski orbitalno-lopatični 3D modeli nekih molekula implementirani su u program " Metoda valentnih veza: hibridizacija atomskih orbitala. I u programu Priroda kemijske veze» objašnjava uzroke nastanka kemijske veze na primjeru nastanka molekule vodika iz atoma. Oba ova programa uključena su u set programa obuke" Kemija za sve - 2000».

Interaktivni demo žičani okviri koji se koriste u programima ChemLand- 115 molekula pretežno organskih spojeva, i " Kemija za sve". Ova dva programa imaju svoje prednosti i nedostatke: u programu Chemistry for All modeli se mogu prikazati na cijelom ekranu monitora, dok u programu ChemLand takve funkcije nema, međutim program sadrži veliki broj molekula. U Chemlandu koriste se dinamički modeli koji pokazuju prostornu strukturu molekula s mogućnošću mjerenja kutova veze i duljine veze, što nam omogućuje praćenje promjene polariteta trokutaste molekule ovisno o vrsti atoma.

Prilikom proučavanja strukture molekula i kristala, programi dizajnirani više za istraživačke svrhe mogu biti korisni. Ovo je, na primjer, program CS Chem3D Pro, koji vam omogućuje stvaranje, modificiranje i prikaz trodimenzionalne strukture različitih molekula. Također koristan program Kristalni dizajner, koji je dizajniran za vizualizaciju trodimenzionalne strukture kristalne rešetke. Ovi programi mogu biti korisni za stvaranje trodimenzionalnih slika molekula i kristala te za njihovo demonstriranje u učionici pomoću računala.

Program " sastaviti molekulu“, iako inferioran u svojim mogućnostima u odnosu na gore navedene programe, može se učinkovito koristiti u individualnom radu školaraca.

Modeli fizičkih i kemijskih procesa i mehanizama implementirani su u program " Kemija za sve". Ovdje su prikazani neinteraktivni modeli na temu "Elektrolitička disocijacija": disocijacija soli, kiselina, lužina, hidroliza soli. U istom programu implementirani su neki modeli mehanizama organskih reakcija: alkansko bromiranje, esterifikacija, opći mehanizam reakcija polimerizacije itd. Svi modeli reakcijskih mehanizama su neinteraktivni, prikazuju se na cijelom ekranu, imaju zvuk, ali nema tekstualnog opisa pojava koje se javljaju, što značajno ograničava korištenje programa.

U internetskoj verziji interaktivnog udžbenika za srednju školu organske kemije za X - XI. razrede, ur. G. I. Deryabina, A. V. Solovov prikazani su razmjenski i donorsko-akceptorski mehanizmi stvaranja kovalentne veze, homolitički i heterolitički mehanizmi cijepanja kovalentne veze na primjeru apstrakcije atoma vodika iz molekule metana, proces sp-hibridizacije. Od velikog interesa su interaktivni 3D demonstracijski modeli organskih molekula te mehanizmi kemijskih reakcija: kloriranje metana i opći mehanizam nukleofilne supstitucije. Vrlo je važno da pri radu s modelima možete promijeniti njihov položaj u prostoru, a za mehanizam reakcije možete promijeniti položaj točke promatranja.

Drugi program koji pokazuje mehanizme kemijskih reakcija, program Animacije organske reakcije. Sadrži 34 mehanizma organskih reakcija. Štoviše, svaki mehanizam je predstavljen u obliku četiri varijante molekularnih modela: kugličastih, trodimenzionalnih i dvije varijante modela orbitalnih lopatica. Jedna od varijanti modela orbitalne oštrice pokazuje promjenu vanjskih orbitala supstrata tijekom reakcije, a druga reaktanta. To olakšava promatranje promjene vanjskih orbitala reaktanata tijekom reakcije. Ako je potrebno, možete koristiti teorijski materijal interaktivnog višekanalnog alata za spoznaju. Razvoj sami studenti...

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Upotrijebite obrazac u nastavku

Studenti, diplomski studenti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam jako zahvalni.

Još ne postoji HTML verzija djela.
Arhivu radova možete preuzeti klikom na donju poveznicu.

Slični dokumenti

Homologni niz metana. Struktura molekule metana. Kutovi između svih karika. Fizička svojstva alkani. Laboratorijske metode dobivanja. Dobivanje iz soli karboksilne kiseline. Vrsta hibridizacije ugljikovih atoma u alkanima. Strukturni izomerizam alkana.

prezentacija, dodano 08.10.2014


Elektronski model molekule. Teorija odbijanja elektronskih parova valentne ljuske. Reaktivnost molekula. Klasifikacija kemijskih reakcija. Stupnjevi slobode molekule, njihovi rotacijsko gibanje. Opis simetrije oscilacija, njihova interakcija.

prezentacija, dodano 15.10.2013


Karakteristike strukture atoma. Određivanje broja protona, elektrona, neutrona. Razmatranje kemijske veze i polariteta molekule u cjelini. Jednadžbe disocijacije i konstante disocijacije za slabe elektrolite. Redox reakcije.

test, dodano 09.11.2015


Struktura molekule, veze atoma i svojstva acetilena kao kemijske tvari. Osobitosti dobivanja alkina termolizom metana i hidrogenacijom ugljika u industriji i reakcijom eliminacije u laboratoriju. Reakcije alkina koje uključuju trostruku vezu.

kontrolni rad, dodano 05.08.2013


Glavne odredbe klasična teorija kemijska struktura molekule. Karakteristike koje određuju njegovu reaktivnost. Homologni rad alkana. Nomenklatura i izometrija ugljikovodika. Klasifikacija organskih spojeva koji sadrže kisik.

prezentacija, dodano 25.01.2017


Kemijski element je skup atoma iste vrste. Otkriće kemijskih elemenata. Veličine atoma i molekula. Oblici postojanja kemijskih elemenata. Neke informacije o molekularnoj i nemolekularnoj strukturi tvari. Atomsko-molekularna doktrina.

prezentacija, dodano 15.04.2012


Opći slijed za izračun elektronske strukture molekule pomoću MO LCAO metode. Jednostavna Hückelova metoda. Primjeri molekularne strukture za MOX metodu. Alil u MOX metodi. Opća svojstva elektronička distribucija u sustavu ugljikovodika Hückel.

Fizikalno-kemijski model procesa u anodnom mikropražnjenju

V.F. Borbat, O.A. Golovanova, A.M. Sizikov, Omsk Državno sveučilište, Zavod za anorgansku kemiju

Slojevi oksida nastali na anodama od aluminija, titana, tantala i nekih drugih metala tijekom prolaska električna struja između elektroda uronjenih u elektrolit, u nekim slučajevima imaju visoka zaštitna i dielektrična svojstva. Trenutno, laboratoriji u raznim zemljama provode značajnu količinu istraživanja s ciljem utvrđivanja mogućnosti za poboljšanje zaštitnih i električnih svojstava anodnih prevlaka, traženje optimalnih sastava elektrolita, poboljšanje proizvodnosti procesa i tako dalje. Praktično iskustvo stečeno nedavno u korištenju plazma-elektrolitičke anodne obrade za stvaranje zaštitnih premaza značajno je nadmašilo teorijske koncepte koji su dostupni u ovom području.

Na temelju literature i naših eksperimentalnih podataka, možemo prihvatiti fizički model anodnog mikropražnjenja čija je glavna ideja da je anodno mikropražnjenje kombinacija iskri proboja barijernog dijela oksidnog filma i plina. iscjedak u plinsko-plazma mjehuru koji se pojavio nakon sloma. Razmotrite korespondenciju predloženog modela Rezultati eksperimenta uzimajući u obzir slijed procesa.

Oksidacija. Tijekom oksidacije (pri konstantnom naponu na elektrodama) nastaju slojevi debljine do stotine mikrona. Uz stvaranje novih oksidnih slojeva odvija se i proces njihovog otapanja. Brojna istraživanja su pokazala da su u razdoblju prije iskre rasta oksidnog filma anioni elektrolita, poput sulfatnih iona, uključeni u volumen oksida. U poroznim filmovima anioni se pojavljuju u anodnom oksidu zbog mehaničkog "ugrađivanja" komponenti otopine. Sadržaj aniona uključenih u oksid određen je njihovom sposobnošću da se adsorbiraju na površini sedimenta ili čak da tvore spojeve nestehiometrijskog sastava.

Proučavanjem faznog i elementarnog sastava prevlaka dobivenih plazma-elektrolitičkom obradom utvrđeno je da se ovom metodom dobivanja prevlaka u film uvode sulfatni ioni. Štoviše, vrsta registrograma daje osnovu za pretpostavku da se “zarada” komponenti elektrolita događa na mjestima gdje se javljaju anodni mikropražnjenja u vrijeme njihovog “zacjeljivanja”, stoga raspodjela elektrolitnih komponenata po filmu nije ravnomjerna i različita. iz distribucije u filmovima dobivenim konvencionalnim eloksiranjem.

Slom je složen probabilistički proces koji se može dogoditi u određenoj točki u dielektriku u prilično širokom rasponu napona i vremena. Najvažniji procesi za početak sloma su promjena prostornog naboja u blizini katode (otopina elektrolita) i povećanje volumnog ubrizgavanja elektrona u vodljivi pojas dielektričnog filma. Ovi procesi doprinose razvoju sloma. Početak sloma povezan je s razvojem elektronskih lavina. Vrlo je vjerojatno da razine nečistoća u oksidu mogu biti izvor primarnih iona. Takav mehanizam ukazuje na posebnu ulogu komponenti elektrolita unesenih u oksid, prvenstveno aniona. Zato je mogućnost dobivanja anodnih iskričastih premaza uvelike određena sastavom otopine. Elektroni koji ulaze u pojas vodljivosti i ubrzavaju ih polje dobivaju energiju dovoljnu da izazove udarnu ionizaciju atoma u oksidu. Potonje dovodi do pojave lavina, koje, dosežući metalnu površinu, tvore kanale za probijanje. Postojanje linearna ovisnost Razlika između napona proboja i debljine ukazuje na ujednačenost polja tijekom proboja i električnu prirodu sloma.

Uništavanje oksidnog filma - kada je izložen anodnim mikropražnjenjima na otopinama sumporne kiseline, djelovanje ubrzanog električno polje elektroni će biti izloženi molekulama vode i sumpornoj kiselini. Podaci o ionizaciji ovih otopina dostupni su u literaturi. Na temelju njih će najvjerojatniji ioni u plazmi mikropražnjenja najvjerojatnije biti ioni s najnižim potencijalima pojave, t.j. Za molekule vode treba očekivati ​​H2O+, za sumpornu kiselinu H2SO4+, a manje vjerojatno HSO4+.

Dakle, procesi ionizacije i disocijativnog vezanja elektrona daju sljedeće ione pod djelovanjem mikropražnjenja na otopine sumporne kiseline (reakcije 1-5). e + H2O  H2O+ + 2e (1), e + H2SO4  H2SO4+ + 2e (2), ili HSO4 + H+ + 2e (3), e + H2O  OH + H- (4), e + H2SO4  H + HSO4- (5).

Pozitivni i negativni ioni nastali ovim reakcijama imaju dva različita načina transformacije: 1) neutralizacija naboja; 2) ionsko-molekularne reakcije. Radikali nastali kao rezultat disocijacije pobuđenih čestica i ionsko-molekularnim reakcijama ulaze u reakcije oduzimanja atoma H od molekula u mjehuru plina i u reakciju rekombinacije.

Nakon nastajanja radikala odvijaju se reakcije apstrakcije H atoma: H(OH, HSO4) + H2SO4  H2(H2O, H2SO4) + HSO4 (6), H(HSO3) + H2O  H2(H2SO3) + OH (7) i reakcije rekombinacije radikala : HSO4 + OH  H2SO4 (8), HSO4 + HSO4  H2S2O8 (9), OH + OH  H2O2 (10), H + HSO4  H2SO4 (11).

Nastajanje sumporovog dioksida moguće je kao rezultat interakcije molekula sumporne kiseline pobuđene plazmom mikropražnjenja sa susjednim molekulama: H2SO4* + H2SO4  H2SO3 + H2SO5 (12), ili je moguć i mehanizam: H2SO4*  H2SO3 + O (13). Nastali H2SO3 i H2SO5 zbog visoke temperature u zoni mikropražnjenja toplinski se disociraju prema jednadžbama:

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

Neki od radikala izlaze izvan mjehurića plina mikropražnjenja u tekućinu koja ga okružuje, gdje ulaze u reakcije rekombinacije jedni s drugima i reagiraju s komponentama elektrolita. Prinos proizvoda kao rezultat procesa koji se odvijaju u sloju elektrolita blizu mjehurića ovisit će o koncentraciji sumporne kiseline (tj. o udjelu iona prisutnih u otopinama sumporne kiseline različitih koncentracija).

Prema predloženom mehanizmu kemijskih transformacija sumporne kiseline, s povećanjem njezine koncentracije u otopini, inače, s povećanjem njezine koncentracije u mjehuriću plina s mikropražnjenjem, povećava se broj izravno ioniziranih i pobuđenih sumpornim udarom elektrona pojavit će se molekule kiseline. Budući da se zbog niske ionizacije na energijama elektrona uobičajenim za plinsko pražnjenje, kemijske transformacije tvari provode uglavnom kroz pobuđena stanja, onda u slučaju izlaganja mikropražnjenjima s povećanjem koncentracije sumporne kiseline treba očekivati ​​povećanje u prinosu proizvoda kojima su pobuđene čestice prekursor.

S povećanjem koncentracije sumporne kiseline (više od 14M), udio molekula sumporne kiseline u mjehuru plina i plazme raste, odnosno dolazi do razgradnje otopljene tvari zbog izravno djelovanje mikropražnjenja plazme. Za otopine sumporne kiseline manje od 14 M, pretvorba otopljene tvari događa se uglavnom zbog djelovanja plazme na otapalo – neizravno djelovanje. Time se povećava vjerojatnost reakcija 9,10,11,13 koje dovode do stvaranja stabilnog molekularni proizvodi: sumporni dioksid i peroksidni spojevi.

"Liječenje" pora - daljnje širenje stvaranja plazme prilično brzo dovodi do značajnog smanjenja temperature potonje i, kao posljedice, do smanjenja koncentracije nositelja pražnjenja, prekida struje i brzog hlađenja kanala . Nestanak plinsko-plazma mjehurića će se dogoditi nakon što se gasno pražnjenje u njemu ugasi. Poznato je da će se plinsko pražnjenje ugasiti kada gustoća struje u njemu padne ispod minimalne dopuštene vrijednosti za samoodrživost pražnjenja. U slučaju mikropražnjenja, razlozi za smanjenje gustoće struje plinskog pražnjenja mogu biti: 1) iscrpljivanje sloja elektrolita koji se nalazi blizu mjehurića s vremenom nosiocima struje, zbog čega elektrolit postaje nesposoban osigurati minimalna gustoća struje dopuštena za samoodrživost pražnjenja, a plinsko pražnjenje se gasi; 2) povećanje veličine mjehurića mikropražnjenja zbog isparavanja tekućine koja ga okružuje u njega; 3) otapanje ili "liječenje" (eloksiranjem u plinskoj plazmi) razgradnog kanala u dijelu barijere oksidnog filma. Krater nastao tijekom prvog sloma obično doseže metalnu površinu. U ovom trenutku gustoća struje postaje maksimalna zbog relativno niskog otpora elektrolita u krateru, što osigurava brzo pojavljivanje oksidni film (proizvod plazma-kemijske reakcije MexOy). Dolazi do "cijeljenja" mjesta razgradnje, povećava se debljina oksidnog filma, i to uglavnom u dubini materijala podloge.

Dakle, na temelju rezultata eksperimenta i literaturnih podataka, predlaže se mehanizam djelovanja anodnog mikropražnjenja na otopine sumporne kiseline, koji uključuje sljedeće faze:

Formiranje pobuđenih i ioniziranih molekula u mjehuru mikropražnjenja zbog plinskog pražnjenja koji teče u njemu;

Tijek reakcija s stvaranjem radikala i molekularnih proizvoda, čije reakcije međusobno i s početnim materijalima daju glavninu konačnih proizvoda;

Difuzijsko uklanjanje nastalih radikala i drugih čestica izvan plinskog mjehurića, čije reakcije dovode do konačnih molekularnih proizvoda u sloju elektrolita koji je blizu mjehurića.

Bibliografija

Bakovets V.V., Polyakov O.V., Dolgovesova I.P. Plazma-elektrolitička anodna obrada metala // Novosibirsk: Nauka, 1991. P.63-68.

Nagatant T., Yashinara S.T. Studije raspodjele iona fragmenata i njihove reakcije spektrometrom naboja // J. Bull. kem. soc. Japan, 1973. V.46. br. 5. P.1450-1454.

Mann M., Hastrulid A., Tate J. Ionizacija i disocijacija vodene pare i amonijaka udarom elektrona // J. Phys. vlč. 1980. V.58. P.340-347.

Ivanov Yu.A., Polak L.S. Energetska raspodjela elektrona u niskotemperaturnoj plazmi // Plasma Chemistry, Moskva: Atomizdat, 1975. Izd. 2. C.161-198.

Za pripremu ovog rada, materijali sa stranice http://www.omsu.omskreg.ru/