Modelos computacionais no ensino de química. Métodos de descrição de veículos. Modelo químico

1.4.1 Modelos químicos

Além da observação e do experimento, a modelagem desempenha um papel importante na compreensão do mundo natural e da química. Um dos principais objetivos da observação é a busca de padrões nos resultados dos experimentos. No entanto, algumas observações são inconvenientes ou impossíveis de serem realizadas diretamente na natureza. Ambiente natural recriado em condições de laboratório usando dispositivos, instalações, objetos especiais, ou seja, modelos. Os modelos copiam apenas as características e propriedades mais importantes de um objeto e omitem aquelas que não são essenciais para o estudo. Assim, em química, os modelos podem ser divididos em dois grupos: material e icônico.

Modelos de aparelhos químicos e industriais

Os químicos usam modelos materiais de átomos, moléculas, cristais e indústrias químicas para maior clareza.

A representação mais comum de um átomo é um modelo que se assemelha à estrutura do sistema solar.

Para modelar as moléculas das substâncias que eles costumam usar bola e vara modelos. Modelos desse tipo são montados a partir de bolinhas coloridas que representam os átomos que compõem a molécula. As bolas são conectadas por hastes, simbolizando ligações químicas. Usando modelos de bola e bastão, os ângulos de ligação em uma molécula são reproduzidos com bastante precisão, mas as distâncias internucleares são refletidas apenas aproximadamente, uma vez que os comprimentos das hastes que conectam as bolas não são proporcionais aos comprimentos das ligações.

Modelos temidos transmite com bastante precisão os ângulos de ligação e a proporção dos comprimentos de ligação nas moléculas. Os núcleos dos átomos neles, ao contrário dos modelos de bola e haste, são designados não por bolas, mas por pontos de conexão entre as hastes.

Modelos hemisféricos, também chamados de modelos Stewart-Brigleb, são montados a partir de bolas com segmentos cortados. Os modelos Atom são conectados entre si por planos de fatia usando botões. Os modelos hemisféricos transmitem com precisão a proporção entre comprimentos e ângulos de ligação, bem como a ocupação do espaço internuclear nas moléculas. No entanto, esta completude nem sempre permite ter uma ideia clara do posição relativa núcleos.

Os modelos de cristais se assemelham a modelos de moléculas em forma de bola e bastão; no entanto, eles não representam moléculas individuais de uma substância, mas mostram o arranjo relativo das partículas de uma substância em um estado cristalino.

No entanto, mais frequentemente os químicos não usam material, mas modelos icônicos – estes são símbolos químicos, fórmulas químicas, equações reações químicas. Usando símbolos elementos químicos e índices são escritas as fórmulas das substâncias. O índice mostra quantos átomos de um determinado elemento estão incluídos na molécula de uma substância. Está escrito à direita do símbolo do elemento químico.

Uma fórmula química é o principal modelo simbólico da química. Mostra: uma substância específica; uma partícula desta substância; composição de alta qualidade substâncias, ou seja, átomos cujos elementos estão incluídos na composição desta substância; composição quantitativa, ou seja, quantos átomos de cada elemento estão incluídos na molécula de uma substância.

Todos os modelos acima são amplamente utilizados na criação modelos de computador interativos.

1.4.2 Classificação de modelos computacionais

Dentre os diversos tipos de software pedagógico, destacam-se especialmente aqueles que utilizam modelos computacionais. A utilização de modelos computacionais permite não só aumentar a visibilidade do processo de aprendizagem e intensificá-lo, mas também mudar radicalmente este processo. EM últimos anos O aprimoramento dos computadores avança em ritmo acelerado e suas possibilidades de modelagem tornaram-se quase ilimitadas, de modo que a importância dos modelos computacionais no estudo das disciplinas escolares pode aumentar significativamente. E.E. Nifantiev, A.K. Akhlebinin, V.N. Likhachev observa que a principal vantagem dos modelos de computador é a capacidade de simular quase todos os processos e fenômenos, interação interativa do usuário com o modelo, bem como a implementação de abordagens de pesquisa baseadas em problemas no processo de aprendizagem.

V. N. Likhachev propõe classificar os modelos computacionais educacionais de acordo com uma série de critérios, sendo os principais deles a presença de animação na exibição do modelo, o método de controle e o método de exibição visual do modelo. Com base na presença de animação, os RCMs podem ser dinâmicos ou estáticos. Os dinâmicos contêm fragmentos de animação para exibir objetos simulados e os estáticos não os possuem; De acordo com o método de controle, os CCMs podem ser controlados, o que permite alterar os parâmetros do modelo, e não controlados, que não oferecem essa oportunidade.

Dentre os modelos de demonstração (não controlados), mais dois grupos podem ser distinguidos de acordo com a possibilidade de interação com o usuário: interativos e não interativos. Os interativos permitem alterar o tipo de exibição do modelo ou ponto de observação no modelo sem alterar seus parâmetros. Os não interativos não oferecem tais oportunidades.

E.E. Nifantiev, A. K. Akhlebinin e V.N. Likhachev é considerado o mais útil do ponto de vista metodológico classificação de acordo com o objeto de modelagem. Com base no nível dos objetos representados, os modelos utilizados no ensino de química podem ser divididos em dois grupos : modelos do macromundo, que refletem as propriedades externas dos objetos simulados e suas alterações E modelos de micromundo, que refletem a estrutura dos objetos e as mudanças que neles ocorrem ao nível da sua representação atômico-molecular. E modelos de objetos como substâncias químicas, reações químicas e processos físicos e químicos podem ser criados tanto no nível do microcosmo quanto no nível do macrocosmo.

A classificação da UCM pode ser apresentada em forma de diagrama para maior clareza.

1.4.3 Modelos computacionais do micromundo

Os objetos para modelagem no nível do micromundo são átomos, íons, moléculas, redes cristalinas e elementos estruturais de átomos. No nível do microcosmo, são modeladas as características estruturais da matéria e as interações das partículas que a compõem. Para modelar reações químicas no nível do microcosmo, os mecanismos dos processos químicos são de grande interesse. E nos modelos de processos físicos e químicos, são considerados processos que ocorrem em nível eletrônico ou atômico-molecular.

É claro que os CCMs que simulam modelos do micromundo tornam-se excelentes auxiliares no estudo da estrutura dos átomos, tipos de ligações químicas, estrutura da matéria, etc.

Modelos de átomos dos períodos 1–3 da tabela periódica são implementados no programa “ 1C: Tutor. Química» na forma de modelos do átomo de Bohr. Idéias mais modernas sobre a estrutura do átomo são implementadas no programa Chemlândia, onde são consideradas a distribuição de elétrons entre os subníveis de energia dos átomos dos elementos e o tipo de orbitais individuais em vários níveis de energia.

De particular interesse é o programa Hiperquímica. É um dos principais programas profissionais para o cálculo teórico de diversos parâmetros termodinâmicos e eletrônicos de moléculas. Com sua ajuda, é possível construir modelos espaciais de vários compostos, estudar as características de sua estrutura geométrica, determinar a forma e a energia dos orbitais moleculares, a natureza da distribuição da densidade eletrônica, o momento dipolar, etc. na forma de desenhos coloridos, que podem ser impressos em impressora, obtendo imagens de compostos químicos de alta qualidade nos ângulos e projeções necessários. A vantagem do programa é a capacidade de considerar uma molécula com lados diferentes, familiarize-se com as características de sua estrutura espacial. Isto parece extremamente importante, uma vez que, como mostra a prática docente, os alunos geralmente não desenvolvem ideias sobre moléculas como estruturas espaciais. A representação tradicional de produtos químicos num plano leva à perda de toda uma dimensão e não estimula o desenvolvimento da imaginação espacial.

No curso multimídia " Química para todos» é usado um programa - um demonstrador estéreo de moléculas. Ele permite fornecer imagens tridimensionais de moléculas compostas por átomos de hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio. Modelos wireframe de moléculas são usados ​​para demonstração. Os modelos podem ser movidos, girados e imagens de diversas moléculas diferentes podem ser mostradas simultaneamente. O programa permite que você mesmo crie novos modelos de moléculas. No total são apresentados modelos de 25 moléculas orgânicas, porém o valor didático desses modelos é pequeno, pois os modelos fornecidos são suficientes conexões simples, que cada aluno pode montar com plasticina e fósforos.

Modelos tridimensionais de lâmina orbital de demonstração de algumas moléculas são implementados no programa " Método de ligação de valência: hibridização de orbitais atômicos." E no programa “ Natureza da ligação química"explica as razões para a formação de uma ligação química usando o exemplo da formação de uma molécula de hidrogênio a partir de átomos. Ambos os programas estão incluídos no conjunto de programas de treinamento " Química para todos – 2000».

Wireframes de demonstração interativos usados ​​em programas ChemLand– 115 moléculas de compostos predominantemente orgânicos, e “ Química para todos" Esses dois programas têm seus prós e contras: no programa Química para Todos os modelos podem ser exibidos na tela inteira do monitor, mas no programa ChemLand não existe tal função, porém, o programa apresenta um grande número de moléculas. No programa ChemLand modelos dinâmicos são usados ​​​​que demonstram a estrutura espacial das moléculas com a capacidade de medir ângulos e comprimentos de ligação, o que permite rastrear a mudança na polaridade de uma molécula triangular dependendo do tipo de átomo.

Ao estudar a estrutura de moléculas e cristais, programas mais destinados a fins de pesquisa podem ser úteis. Por exemplo, este é o programa CS Chem3D Pro, que permite criar, modificar e exibir a estrutura tridimensional de várias moléculas. O programa também é útil Designer de Cristal, que é projetado para visualizar a estrutura tridimensional da rede cristalina. Esses programas podem ser úteis na criação de imagens tridimensionais de moléculas e cristais e na sua demonstração em aulas usando um computador.

Programa " Monte a molécula", embora inferior em suas capacidades aos programas acima mencionados, pode ser efetivamente utilizado para o trabalho individual de crianças em idade escolar.

Modelos de processos e mecanismos físicos e químicos são implementados no programa “ Química para todos" Modelos não interativos sobre o tema “Dissociação eletrolítica” são demonstrados aqui: dissociação de sais, ácidos, álcalis, hidrólise de sais. O mesmo programa implementa alguns modelos de mecanismos de reações orgânicas: bromação de alcanos, esterificação, mecanismo geral de reações de polimerização, etc. Todos os modelos de mecanismos de reação são não interativos, mostrados em tela cheia, possuem som, mas não há descrição textual dos fenômenos ocorridos, o que limita significativamente o uso do programa.

Na versão online do livro didático interativo para o ensino médio de química orgânica para as séries X – XI, editado por G. I. Deryabina, A. V. Solovov são apresentados os mecanismos de troca e doador-aceitador de formação de ligações covalentes, mecanismos homolíticos e heterolíticos de clivagem de ligações covalentes usando o exemplo da abstração de um átomo de hidrogênio de uma molécula de metano e o processo de hibridização sp. De grande interesse modelos interativos de demonstração em 3D de moléculas orgânicas e mecanismos de reações químicas: cloração do metano e mecanismo geral de substituição nucleofílica. É muito importante que ao trabalhar com modelos você possa alterar sua posição no espaço, e para o mecanismo de reação, você possa alterar a posição do ponto de observação.

Outro programa demonstrando os mecanismos das reações químicas, programa Animações de reação orgânica. Ele contém 34 mecanismos de reação orgânica. Além disso, cada mecanismo é apresentado na forma de quatro variantes de modelos moleculares: bola e haste, volumétrico e duas variantes de modelos de lâmina orbital. Uma das variantes dos modelos de lâmina orbital demonstra uma mudança nos orbitais externos do substrato durante a reação, e a outra - o reagente. Isto torna mais fácil observar a mudança nos orbitais externos dos reagentes durante a reação. Se necessário, você pode utilizar o material teórico da ferramenta interativa de cognição multicanal. Desenvolvimento seus próprios alunos...

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Fedorov A.Ya. 1Melentyeva T.A. 2Melentyeva M.A. 3

1 Instituto Tula de Gestão e Negócios em homenagem. N. D. Demidova

2Tula universidade pedagógica eles. L.N. Tolstoi

3 Academia Russa de Música com o nome. Gnessin

1. Ivashov P.V. Estudos geoquímicos da paisagem em maciços basálticos. – M.: Editora “Dalnauka”, 2003. – 323 p.

2. Akimova T.A., Kuzmin A.P., Khaskin V.V. Ecologia. – M.: Editora “UNIDADE”, 2001. – 343 p.

4. Ecologia; editado por Terekhina L.A. – Tula: Editora “TSPU”, 2004. – 221 p.

5. Fedorov A.Ya., Melentyeva T.A., Melentyeva M.A. Processo de purificação de gás de processo. - Tula: Editora "TulGU" Série "Ecologia e segurança da vida", 2009. - Vol. 3. – pp.

6. Fedorov A.Ya., Melentyeva T.A., Melentyeva M.A. Modelagem de processos metalúrgicos. – M.: Editora “Academia de Ciências Naturais”, 2011. – P. 56–58.

De todas as rochas que surgiram no interior da Terra, as mais difundidas são os basaltos - formações de efusão associadas ao magmatismo basáltico. A família do basalto é geralmente classificada pelos petrólogos em dois grandes tipos: basaltos tholeínicos e basaltos alcalinos de olivina. Os basaltos toleínicos consistem em dois piroxênios (augita e o próprio piroxênio pobre em cálcio) e plagioclásio. Eles também podem conter olivina. Os basaltos alcalinos de olivina distinguem-se pela presença de apenas um piroxênio (augivita) na paragênese com plagioclásio e olivina. Eles são especialmente característicos das ilhas oceânicas. Os basaltos toleint são encontrados principalmente nas profundezas dos oceanos, ao longo das dorsais oceânicas e também na forma de manta de basaltos no continente. Os teleítos continentais têm teores ligeiramente superiores de cálcio e sílica em comparação com os teleítos oceânicos.

Nas regiões de propagação da atividade vulcânica antiga e moderna, foi agora comprovada uma conexão estreita e espacial de basaltos e andesitos como formações de efusão com seus análogos intrusivos na forma de gabroides e dioritos. Comunidade composições químicas essas rochas vulcânicas e rochas intrusivas indicam a unidade de sua origem profunda.

Muitos processos metalúrgicos baseiam-se no processamento de rochas contendo ferro. Baseiam-se na recuperação de metais de minérios, onde estão contidos principalmente na forma de óxidos ou sulfetos por meio de reações térmicas e eletrolíticas. As reações químicas mais típicas são:

Fe2O3 + 3C +O2 → 2Fe + CO + 2CO2,

5Сu2S + 5O2 → 10Cu + 5SO2, (1)

Al2O3 + 3O → 2Al + 3O2,

onde Fe2O3, Al2O3 são óxidos de ferro e alumínio; Сu2S - sulfeto de cobre; C - carbono; O2 - oxigênio molecular; O - oxigênio atômico; CO - monóxido de carbono; CO2 - dióxido de carbono; SO2 - dióxido de enxofre. A cadeia tecnológica da metalurgia ferrosa inclui produção de pelotas e aglomerados, alto-forno, siderurgia, laminação, ferroligas, fundição e outras produções auxiliares. Todos os processos metalúrgicos são acompanhados de intensa poluição ambiental (tabela). Na produção de coque, hidrocarbonetos aromáticos, fenóis, amônia, cianetos e uma série inteira outras substâncias. A metalurgia ferrosa consome grandes quantidades de água. Embora as necessidades industriais sejam 80-90% satisfeitas através dos sistemas de abastecimento de água reciclada, a captação de água doce e a descarga de águas residuais contaminadas atingem volumes muito grandes, respectivamente, cerca de 25-30 m3 e 10-15 m3 por 1 tonelada de ciclo completo. produtos. Com drenos em corpos d’água entram quantidades significativas de substâncias em suspensão, sulfatos, cloretos e compostos de metais pesados.

Emissões de gases das principais etapas da metalurgia ferrosa em kg/t do produto correspondente

Observação. * kg/m2 de superfície metálica.

Tecnologias da indústria química com todos os seus ramos ( química inorgânica, química petroquímica, química florestal, síntese orgânica, química farmacológica, indústria microbiológica, etc.) contêm muitos ciclos de materiais abertos. As principais fontes de emissões nocivas são os processos de produção de ácidos e álcalis inorgânicos, borracha sintética, fertilizantes minerais, pesticidas, plásticos, corantes, solventes, detergentes, craqueamento de óleo. Além disso, existem processos de purificação de gases de processo. Nos fluxos tecnogênicos de poluentes, o lugar principal é ocupado pelos meios de transporte - ar e água.

Normalmente, o processo químico para produção de metais envolve a redução de um determinado metal – geralmente um óxido ou sulfeto – ao metal livre. O carvão é geralmente usado como agente redutor, mais frequentemente na forma de coque (KMZ, RMZ).

A Rússia ocupa uma posição desvantajosa localização geográfica em relação ao transporte transfronteiriço de poluentes atmosféricos. Devido à predominância ventos ocidentais Uma parte significativa da poluição atmosférica no território europeu da Rússia (ER) provém do transporte aerogénico dos países da Europa Ocidental e Central e dos países vizinhos.

Para uma avaliação integral do estado da bacia aérea, é utilizado o índice de poluição atmosférica total:

onde qi é a concentração média anual da i-ésima substância no ar; Ai é o coeficiente de perigo da i-ésima substância, o inverso da concentração máxima permitida desta substância; Ci é um coeficiente que depende da classe de perigo da substância. Im é um indicador simplificado e geralmente é calculado para m = 5 - as concentrações mais significativas de substâncias que determinam a poluição do ar. As substâncias mais comuns nestes cinco primeiros são benzopireno, formaldeído, fenol, amônia, dióxido de nitrogênio, dissulfeto de carbono e poeira. O índice Im varia de frações de um a 15-20 - condições extremas de poluição.

De acordo com uma série de indicadores, principalmente em termos de massa e prevalência de efeitos nocivos, o poluente atmosférico número um é o dióxido de enxofre. Liberação na atmosfera grandes quantidades O SO2 e os óxidos de nitrogênio levam a uma diminuição notável no pH da precipitação. Isto ocorre devido a reações secundárias na atmosfera que levam à formação de ácidos fortes. Estas reações envolvem oxigênio e vapor de água, bem como partículas de poeira tecnogênicas como catalisador:

2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4,

4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3, (3)

onde H2SO4, HNO3 são ácidos sulfúrico e nítrico. Vários produtos intermediários dessas reações também aparecem na atmosfera. A dissolução de ácidos na umidade atmosférica leva à chuva ácida. Em áreas industriais e em áreas de transporte atmosférico de óxidos de enxofre e nitrogênio, o pH da água da chuva varia de 3 a 5. A precipitação ácida é especialmente perigosa em áreas com solos ácidos e baixo buffer águas naturais. Isto leva a mudanças desfavoráveis ​​nos ecossistemas aquáticos. Os complexos naturais do sul do Canadá e da Sulphur Europe há muito que sentem os efeitos da precipitação ácida.

Na década de 1970, surgiram relatos de declínios regionais no ozônio estratosférico. Particularmente notável foi o buraco de ozônio pulsante sazonalmente sobre a Antártica, com uma área de mais de 10 milhões de km2, onde o conteúdo de O3 diminuiu quase 50% durante a década de 1980. Dado que o enfraquecimento do escudo de ozono é extremamente perigoso para toda a biota terrestre e para a saúde humana, estes dados atraíram a atenção dos cientistas e depois de toda a sociedade. A maioria dos especialistas tende a acreditar que os buracos na camada de ozônio são de origem tecnogênica. A suposição mais razoável é que razão principalé a entrada nas camadas superiores da atmosfera de cloro e flúor tecnogênicos, bem como de outros átomos e radicais capazes de adicionar oxigênio atômico de forma extremamente ativa, competindo assim com a reação:

O + O2 → O3, (4)

onde O3 é ozônio. A introdução de halogênios ativos na alta atmosfera é mediada por clorofluorocarbonetos voláteis (CFCs), como os freons, que, sendo inertes e não tóxicos em condições normais, sob a influência da radiação de ondas curtas raios ultravioleta desintegrar-se na estratosfera. Os clorofluorcarbonos possuem uma série de propriedades benéficas, o que levou ao seu uso generalizado em unidades de refrigeração, condicionadores de ar, latas de aerossol, extintores de incêndio, etc. (figura). Desde 1950, a produção global de CFCs aumentou 7-10% anualmente.

Produção mundial de clorofluorcarbonos

Posteriormente, foram adoptados acordos internacionais obrigando os países participantes a reduzir a utilização de CFC. Em 1978, os Estados Unidos proibiram o uso de aerossóis CFC. Mas a expansão de outras utilizações dos CFC levou novamente a um aumento na sua produção global. A transição da indústria para novas tecnologias que poupam o ozono está associada a grandes custos financeiros. EM últimas décadas Também surgiram outras formas puramente técnicas de introduzir destruidores ativos de ozônio na estratosfera: explosões nucleares na atmosfera, emissões de aeronaves supersônicas, lançamentos de foguetes e naves espaciais reutilizável. É possível, no entanto, que parte do enfraquecimento observado da tela de ozono da Terra esteja associada não a emissões provocadas pelo homem, mas a flutuações seculares nas propriedades aeroquímicas da atmosfera e a alterações climáticas independentes.

Link bibliográfico

Fedorov A.Ya., Melentyeva T.A., Melentyeva M.A. MODELO QUÍMICO DE POLUIÇÃO DA TERRA // Moderno alta tecnologia. – 2013. – Nº 2. – P. 107-109;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31345 (data de acesso: 06/04/2019). Chamamos a sua atenção revistas publicadas pela editora "Academia de Ciências Naturais"

Química– ciência experimental sobre as transformações de elementos químicos e compostos químicos. De acordo com a definição de D.I. Mendeleev, a química é ao mesmo tempo ciência, E produção. A principal tarefa da química é obter substâncias com determinadas propriedades e desenvolver formas de controlar as propriedades das substâncias durante o processo de sua transformação. Química estudos ligações químicas, energética de reações químicas, reatividade de substâncias, propriedades de catalisadores, etc.

Em 1860, ocorreu na Alemanha o Congresso Internacional de Químicos, onde os cientistas chegaram à conclusão de que todas as substâncias consistem em moléculas, as moléculas consistem em átomos, os átomos e as moléculas estão em contínuo movimento térmico. Ligação química entre os átomos é realizada por elétrons localizados na camada externa dos átomos. Eles são chamados elétrons de valência.

O papel da modelagem em química é extremamente alto, portanto a teoria química consiste em muitos modelos. Entre eles estão modelos com uma ampla gama de aplicabilidade, que criam a base da ciência química moderna. Esses modelos incluem: modelo estequiométrico, atômico-molecular, geométrico e eletrônico. O aparecimento de cada um deles ao mesmo tempo revolucionou a visão dos químicos.

Modelo estequiométrico define uso fórmulas químicas e equações. A equação estequiométrica fornece uma descrição precisa de qualquer reação.

Modelo atômico-molecular mostra rearranjos intramoleculares e intermoleculares de átomos. Este modelo mostra reações químicas durante as quais os átomos são redistribuídos.

Modelo geométrico determina a estrutura das fórmulas químicas e a geometria dos parâmetros moleculares. Este modelo permite representar espacialmente a estrutura de um composto e compreender a razão do aparecimento de substâncias isoméricas. Qualquer transformação química é uma transição contínua de uma configuração geométrica de átomos para outra. O modelo geométrico é teoria clássica estrutura molecular, porque todos os átomos têm coordenadas e trajetórias de movimento. Modelos atômico-moleculares e geométricos do aço meios poderosos sistematização de enorme material experimental.

Modelo eletrônico mostra a reatividade das substâncias através da estrutura eletrônica das moléculas. Este modelo refere-se à química não clássica, porque o comportamento dos elétrons nos átomos obedece às leis física quântica. As reações químicas que ocorrem sob certas condições: pressão e temperatura pertencem à química clássica, e as reações que ocorrem com a participação de catalisadores, inibidores e enzimas pertencem à química quântica. Todos esses modelos se complementam. Cada modelo subsequente usa e detalha os postulados do modelo anterior.

Perguntas para autocontrole

1. Que tipo de ciência é a química?

2. Que definição Mendeleev deu à química?

3. O que tarefa principal química?

4. O que a química estuda?

5. Onde ocorreu o Congresso Internacional de Químicos em 1860?

6. O que aprovaram os participantes do Congresso Internacional de Químicos em 1860?

7. Quais elétrons são chamados de elétrons de valência?

8. Quais modelos são amplamente utilizados em química?

9. O que define o modelo estequiométrico?

10. O que mostra o modelo atômico-molecular?

11. O que define um modelo geométrico?

12. O que mostra o modelo eletrônico?

Modelo físico-químico de processos em microdescarga anódica

V.F. Borbat, O. A. Golovanova, A.M. Sizikov, Omsk universidade estadual, Departamento de Química Inorgânica

Camadas de óxido formadas em ânodos feitos de alumínio, titânio, tântalo e alguns outros metais durante a passagem corrente elétrica entre eletrodos imersos em um eletrólito, em alguns casos apresentam altas propriedades protetoras e dielétricas. Atualmente, laboratórios em vários países estão conduzindo uma quantidade significativa de pesquisas destinadas a estabelecer as possibilidades de melhorar as propriedades protetoras e elétricas dos revestimentos anódicos, buscando composições eletrolíticas ideais, aumentando a capacidade de fabricação do processo, e assim por diante. A recente experiência prática de utilização de tratamento anódico eletrolítico de plasma para criar revestimentos protetores ultrapassou significativamente os conceitos teóricos disponíveis nesta área.

Com base na literatura e em nossos dados experimentais, podemos aceitar o modelo físico da microdescarga anódica, cuja ideia principal é que a microdescarga anódica é uma combinação de quebra de faísca da parte de barreira do filme de óxido e uma descarga de gás na bolha de gás-plasma que aparece após a quebra. Consideremos a conformidade do modelo proposto resultados experimentais levando em consideração a sequência dos processos.

Oxidação. Durante a oxidação (a uma tensão constante nos eletrodos), formam-se camadas de até centenas de mícrons de espessura. Junto com a formação de novas camadas de óxido, ocorre também o processo de sua dissolução. Vários estudos mostraram que durante o período pré-faísca de crescimento do filme de óxido, ânions eletrolíticos, por exemplo, íons sulfato, são incluídos no volume de óxido. Em filmes porosos, os ânions aparecem no óxido anódico devido à “incorporação” mecânica dos componentes da solução. O teor de ânions incluídos no óxido é determinado pela sua capacidade de serem adsorvidos na superfície do sedimento ou mesmo de formar compostos de composição não estequiométrica.

Ao estudar a fase e a composição elementar dos revestimentos obtidos por tratamento eletrolítico a plasma, constatou-se que com este método de produção de revestimentos, íons sulfato são introduzidos no filme. Além disso, o aparecimento dos padrões de gravação dá motivos para supor que o “ganho” dos componentes eletrolíticos ocorre em locais onde ocorrem microdescargas anódicas no momento de sua “cura”, portanto a distribuição dos componentes eletrolíticos ao longo do filme não é uniforme e difere provenientes da distribuição em filmes obtidos por anodização convencional.

A ruptura é um processo probabilístico complexo que pode ocorrer em um determinado ponto de um dielétrico em uma faixa bastante ampla de tensões e tempo. Os processos mais importantes para o início da quebra são uma mudança na carga espacial próxima ao cátodo (solução eletrolítica) e um aumento na injeção volumétrica de elétrons na zona de condução do filme dielétrico. Esses processos contribuem para o desenvolvimento de um colapso. O início do colapso está associado ao desenvolvimento de avalanches de elétrons. É provável que a fonte de íons primários possa ser os níveis de impurezas no óxido. Este mecanismo assume um papel especial para os componentes eletrolíticos incorporados no óxido, principalmente ânions. É por isso que a possibilidade de obtenção de revestimentos de faísca anódica é em grande parte determinada pela composição da solução. Os elétrons que entram na banda de condução e são acelerados pelo campo adquirem energia suficiente para causar ionização por impacto dos átomos no óxido. Este último leva à ocorrência de avalanches que, ao atingirem a superfície metálica, formam canais de ruptura. Existência dependência linear tensão de ruptura versus espessura indica a uniformidade do campo durante a ruptura e a natureza elétrica da ruptura.

Destruição do filme de óxido - quando exposto a microdescargas anódicas em soluções de ácido sulfúrico pela ação de campo elétrico os elétrons serão expostos a moléculas de água e ácido sulfúrico. Dados sobre a ionização dessas soluções estão disponíveis na literatura. Com base neles, os íons mais prováveis ​​no plasma de microdescarga serão provavelmente íons com os menores potenciais de aparecimento, ou seja, para moléculas de água seria de esperar H2O+, para ácido sulfúrico H2SO4+ e menos provável HSO4+.

Assim, os processos de ionização e ligação dissociativa de elétrons produzem os seguintes íons quando expostos a microdescargas em soluções de ácido sulfúrico (reações 1-5). e + H2O  H2O+ + 2e (1), e + H2SO4  H2SO4+ + 2e (2), ou HSO4 + H+ + 2e (3), e + H2O  OH + H- (4), e + H2SO4  H + HSO4-(5).

Os íons positivos e negativos formados nessas reações possuem dois caminhos diferentes de suas transformações: 1) neutralização de cargas; 2) reações íon-moleculares. Os radicais formados a partir da dissociação de partículas excitadas e de reações íon-moleculares entram em reações de abstração do átomo de H das moléculas localizadas na bolha de gás e em reações de recombinação.

Após a formação dos radicais, ocorrem reações de abstração do átomo H: H(OH, HSO4) + H2SO4  H2(H2O, H2SO4) + HSO4 (6), H(HSO3) + H2O  H2(H2SO3) + OH (7) e reações de recombinação de radicais: HSO4 + OH  H2SO4 (8), HSO4 + HSO4  H2S2O8 (9), OH + OH  H2O2 (10), H + HSO4  H2SO4 (11).

A formação de dióxido de enxofre é possível como resultado da interação de microdescargas de moléculas de ácido sulfúrico excitadas por plasma com moléculas vizinhas: H2SO4* + H2SO4  H2SO3 + H2SO5 (12), ou o mecanismo também é possível: H2SO4*  H2SO3 + Ó (13). Devido à alta temperatura na zona de microdescarga, o H2SO3 e o H2SO5 resultantes dissociam-se termicamente de acordo com as equações:

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

Alguns radicais vão além da bolha de gás da microdescarga para o líquido circundante, onde entram em reações de recombinação entre si e reagem com os componentes do eletrólito. O rendimento dos produtos como resultado de processos que ocorrem na camada quase bolha do eletrólito dependerá da concentração de ácido sulfúrico (ou seja, da proporção de íons presentes em soluções de ácido sulfúrico de diferentes concentrações).

De acordo com o mecanismo proposto de transformações químicas do ácido sulfúrico, com aumento de sua concentração na solução, caso contrário, com aumento de sua concentração na bolha de gás de uma microdescarga, haverá aumento no número de diretamente ionizados e excitado por moléculas de ácido sulfúrico por impacto de elétrons. Como, devido à baixa ionização nas energias eletrônicas típicas de uma descarga gasosa, as transformações químicas das substâncias são realizadas principalmente através de estados excitados, então no caso de exposição a microdescargas com aumento na concentração de ácido sulfúrico, deve-se esperar um aumento no rendimento de produtos para os quais as partículas excitadas são o precursor.

Com o aumento da concentração de ácido sulfúrico (mais de 14 M), a proporção de moléculas de ácido sulfúrico na bolha gás-plasma aumenta e, consequentemente, ocorre a decomposição da substância dissolvida devido a ação direta plasma de microdescarga. Para soluções de ácido sulfúrico inferiores a 14 M, a transformação do soluto ocorre principalmente devido à ação do plasma sobre o solvente - um efeito indireto. Devido a isso, a probabilidade de ocorrência de reações 9,10,11,13, levando à formação de estáveis produtos moleculares: dióxido de enxofre e compostos peróxidos.

“Cura” do poro - a expansão adicional da formação de plasma leva rapidamente a uma diminuição significativa na temperatura deste último e, como consequência, a uma diminuição na concentração de portadores de descarga, interrupção da corrente e resfriamento rápido de o canal. O desaparecimento da bolha de gás-plasma ocorrerá após a extinção da descarga de gás nela contida. A extinção de uma descarga de gás, como se sabe, ocorrerá quando a densidade de corrente nela diminuir abaixo do mínimo permitido para uma descarga autossustentável. No caso de microdescargas, as razões para a diminuição da densidade de corrente de descarga de gás podem ser: 1) esgotamento da camada de eletrólito quase bolha com portadores de corrente ao longo do tempo, devido ao qual o eletrólito se torna incapaz de fornecer a densidade de corrente mínima permitida para autossustentação da descarga, e a descarga de gás se apaga; 2) um aumento no tamanho da bolha de microdescarga devido à evaporação do líquido circundante nela; 3) fusão ou “cura” (por anodização em plasma gasoso) do canal de ruptura na parte de barreira do filme de óxido. A cratera formada durante a primeira ruptura geralmente atinge a superfície do metal. Neste ponto, a densidade de corrente torna-se máxima devido à resistência relativamente baixa do eletrólito na cratera, o que garante aparição rápida filme de óxido (produto da reação química do plasma MexOy). O local de ruptura é “curado” e a espessura do filme de óxido aumenta, principalmente profundamente no material do substrato.

Assim, com base nos resultados experimentais e nos dados da literatura, o trabalho propõe um mecanismo para o efeito de uma microdescarga anódica em soluções de ácido sulfúrico, incluindo as seguintes etapas:

A formação de moléculas excitadas e ionizadas em uma bolha de microdescarga devido ao fluxo de uma descarga de gás nela;

A ocorrência de reações com formação de radicais e produtos moleculares, cujas reações entre si e com as substâncias iniciais dão a maior parte dos produtos finais;

Remoção por difusão dos radicais resultantes e outras partículas fora da bolha de gás, cujas reações levam a produtos moleculares finais na camada eletrolítica próxima à bolha.

Referências

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Para preparar este trabalho, foram utilizados materiais do site http://www.omsu.omskreg.ru/