Масштабное моделирование молекул.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шульженко М.А. 1Денисов М.А. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Макаренкова Г.Ю. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Работа в формате PDF

5.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1 Введение.

Вся материя состоит из атомов. Это то, что мы теперь представляем, как само собой разумеющееся. И, как вы знаете из истории, представления о существовании атомов возникли еще в древности. Авторство возникновения этой теории чаще всего приписывается Демокриту (460-370 до н.э.) и его наставнику Левкиппу. Хотя их идеи об атомах были рудиментарными по сравнению с нынешней концепцией сегодня, они обрисовал важную идею, состоящую в том, что все состоит из атомов – невидимых и неделимых сфер материи бесконечного типа и числа.

С греческого «атом» переводится как «неделимый». Долгое время термины «атом», «корпускула», «молекула» были почти синонимами. Совсем недавно, по меркам истории, появилось представление о том, что же такое атом, причем ученые до сих пор спорят, как именно атом выглядит.

Ясность внесли химики всего мира в 1860 году. Ученые приняли решение называть атомами мельчайшие неделимые частицы вещества. Если химически устойчивая единица вещества включала в себя несколько атомов, то соответственно говорилось о том, что вещество состоит из молекул. Таким образом, ученые разделили все вещества на имеющие молекулярное и немолекулярное строение.

Нам стало интересно, какую форму имеют разные молекулы, как атомы располагаются в пространстве в различных молекулах, как выглядит молекулы окружающих нас веществ. Поэтому мы решили создать учебный комплект, который включал бы несколько простых, но разнообразных по пространственному строению молекул.

Цели проекта:

изучить строение различных молекул;

создать масштабные модели, отразив их реальные размеры;

создать учебный фильм в формате презентации, освещающий тему молекулярного строения веществ для курсов химии 7-8 классов;

Задачи проекта

найти информацию о молекулярном строении вещества и подготовить обзор литературы;

найти информацию о линейных размерах молекул некоторых неорганических и органических веществ;

перевести указанные размеры в единый масштаб;

сделать чертежи различных молекул в указанном масштабе;

создать шаростержневые модели молекул из фольги, деревянных шпажек и модельного пластилина (застывающего) в указанном масштабе;

создать полусферические модели молекул из фольги и модельного пластилина (застывающего) в указанном масштабе;

подготовить учебный фильм в формате презентации, в которой объясняется молекулярное строение веществ и показываются молекулы различных веществ;

показать фильм учащимся 7-8 классов нашей школы;

сделать выводы по результатам проекта.

Объект исследования – молекулы некоторых органических и неорганических веществ.

Предмет исследования – создание масштабных, объёмных моделей выбранных веществ.

2. Краткие теоретические сведения о строении молекул.

Молекулярные вещества – это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются молекулы. Молекулярные вещества имеют низкие температуры плавления и кипения и находятся в стандартных условиях в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Немолекулярные вещества – это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются атомы или ионы. Немолекулярные вещества находятся в стандартных условиях в твердом агрегатном состоянии и имеют высокие температуры плавления и кипения.

Все молекулы состоят из атомов, как химически неделимых мельчайших частиц вещества. Атомы имеют свой радиус, упрощенно их можно представить в виде сферы. Атомы в молекулах связаны друг с другом химическими связями, тем самым достигается прочность молекулы в пространстве и времени. Связи могут быть как одинарные, так и кратные – двойные, тройные. При этом атомы находятся на некотором расстоянии друг от друга, так как ядра атомов имеют одноименные заряды и поэтому отталкиваются. Следовательно, для изображения молекулы необходимо учитывать следующие параметры.

Длина связи. Для обозначения этих расстояний между атомами в молекуле используется понятие ковалентный радиус. Длина простой связи является величиной аддитивной: она примерно равна сумме ковалентных радиусов двух атомов. В последнее время атомные радиусы и расстояние между атомами принято выражать в пикометрах (пм, 1 пм = 10^-12м). Ранее длину связей представляли в ангстремах (Å, 1Å = 100пм).

Валентные углы. Направление ковалентных связей характеризуется валентными углами – углами между линиями, соединяющими связываемые атомы. Графическая формула химической частицы не несёт информации о валентных углах. Например, в сульфат-ионе SO₄^2- валентные углы между связями сера-кислород равны 109,5°. Совокупность длин связей и валентных углов в химической частице определяет её пространственное строение. Для определения валентных углов используют экспериментальные методы изучения структуры химических соединений. Оценить значения валентных углов можно теоретически, исходя из электронного строения химической частицы.

Энергия ковалентной связи. Химическое соединение образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно. Если силы притяжения преобладают над силами отталкивания, потенциальная энергия взаимодействующих атомов понижается, в противном случае – повышается.

Параметры ковалентной связи. Совокупность атомов, образующих химическую частицу, существенно отличается от совокупности свободных атомов. Образование химической связи приводит, в частности, к изменению радиусов атомов и их энергии. Происходит также перераспределение электронной плотности: повышается вероятность нахождения электронов в пространстве между связываемыми атомами.

При образовании химической связи в молекуле всегда происходит сближение атомов – расстояние между ними меньше, чем сумма радиусов изолированных атомов. Межъядерное расстояние между химически связанными атомами называется длиной химической связи.

Во многих случаях длину связи между атомами в молекуле вещества можно предсказать, зная расстояние между этими атомами в других химических веществах. Длина связи между атомами углерода равна 154 пм, между атомами в молекуле хлора–199 пм. Полусумма расстояний между атомами углерода и хлора, рассчитанная из этих данных, составляет 177 пм, что совпадает с экспериментально измеренной длиной связи в молекуле CCl₄.

В то же время это правило выполняется не всегда. Например, расстояние между атомами водорода и брома в двухатомных молекулах составляет 74 пм и 228 пм, соответственно. Среднее арифметическое этих чисел составляет 151 пм, однако реальное расстояние между атомами в молекуле бромоводорода равно 141 пм, то есть заметно меньше.

Расстояние между атомами существенно уменьшается при образовании кратных связей. Чем выше кратность связи, тем короче межатомное расстояние. Двойная связь на 10%-20% короче простой связи.

Существуют следующие основные геометрические формы молекул:

Линейная;

Треугольная;

Тетраэдрическая

Тригонально-бипирамидальная

Октаэдрическая.

Данные формы молекул представлены на рисунке 1.

Некоторые молекулы не укладываются в данную классификацию и имеют свою уникальную форму. При этом молекула может лежать на плоскости или быть объемной.

Рисунок 1. Основные формы молекул (слева направо: линейная, треугольная, тетраэдрическая, тригонально-бипирамидальная, октаэдрическая.)

3. Краткие теоретические сведения о способах представления (моделирования) молекул.

Основной структурной единицей веществ, имеющих молекулярное строение, является молекула. Молекула состоит из ограниченного числа атомов, связанных друг с другом ковалентными химическими связями. Заряд молекулы также как и атома равен нулю.

Можно сказать, что молекула – это группировка взаимосвязанных атомов различных химических элементов, поэтому атомы при сближении должны каким-то образом друг с другом связаться, чтобы молекула была устойчива в пространстве.

Первый способ – это ионная связь. В результате образования связей одни атомы отдают (теряют) свои электроны, а другие атомы присоединяют эти электроны. В обоих случаях образуются ионы (заряженные частицы) которые притягиваются. Схема образования ионной связи показана на рисунке 2. В этом случае получается вещество немолекулярного строения. Такие вещества в нашем проекте мы рассматривать не будем.

Рисунок 2. Схема образования поваренной соли.

Второй способ – это ковалентная связь. Этот способ заключается в обобществлении внешних электронов. При сближении нескольких атомов отдельные электроны, находящиеся на внешней электронной оболочке, престают принадлежать какому-то одному атому, а становятся общими (обменными) для двух атомов. Такие электроны называются валентными.

Общие электронные пары могут возникать двумя способами: в результате обобществления неспаренных валентных электронов (обменный или коллигативный механизм) и в результате обобществления неподелённой электронной пары одного из атомов (донорно-акцепторный механизм). Количество общих электронных пар, образуемых атомом, принято называть его валентностью.

Например, так группируется молекула углекислого газа. Она состоит из атома углерода и двух атомов кислорода. У углерода 4 электрона на внешнем электронном уровне, у кислорода – 6. Возникает молекула следующим образом: углерод индивидуально себе оставляет 2 внутренних электрона, а четыре внешних электрона делятся на пары: одна пара электронов связывается с одним атомом кислорода, другая пара со вторым атомом кислорода. Связывается – значит, эта пара электронов вращается и вокруг кислорода, и вокруг углерода одновременно. Кислород на каждый такой «обмен» отдает по два электрона. Кислород в таком соединении двухвалентен, а углерод – четырехвалентен. Схема образования такой связи представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема молекулы углекислого газа. «Обменные» электроны показаны кружочками вне оболочек.

В результате такого процесса объединения атомов в молекулу, около каждого ядра кислорода движется по 8 электронов и вокруг атома углерода тоже 8 электронов.

Молекулы всегда имеют постоянный состав, поэтому и вещества молекулярного строения имеют постоянный состав, т.е. являются дальтонидами. Дальтониды подчиняются закону постоянства состава – закону Пруста (Ж. Л. Пруст, 1801—1808 гг.).

Объединяясь в молекулу, атомы образуют определённую 2D или 3D-структуру (треугольник, квадрат, тетраэдр, октаэдр и т.д.). Данная структура устойчивая и единственно возможная для каждого отдельного соединения. Проще говоря – каждая молекула одного вещества (например: воды) имеет одни и те же размеры и выглядит одинаково.

Особо отметим, что если связи между атомами ковалентные, то это не свидетельство того, что вещество имеет молекулярное строение, т.е. состоит из молекул. Например, связи между атомами кремния и кислорода в SiO₂ являются ковалентными, но SiO₂ имеет атомное строение.

Для наглядного изображения пространственного строения молекул применяют различные модели: шаростержневая модель, полусферическая модель Стюарта-Бриглеба, модель Драйдинга. Примеры данных моделей представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Виды моделей атомов.

4 Практическая часть: создание чертежей.

Мы для своего проекта выбрали вещества молекулярного строения, потому что единицей такого вещества является молекула, имеющая постоянные линейные размеры и форму. Для реализации нашего проекта мы выбрали 12 веществ, среди которых взяли некоторые неорганические и органические вещества, которые упоминаются в школьном курсе химии и будут знакомы и интересны учащимся. Вот эти вещества:

водород Н₂; кислород О₂; озон О₃; азот N₂; вода H₂O; аммиак NH₃; угарный газ СО; углекислый газ СО₂; метан СН₄; этилен С₂Н₄; бензол С₆Н₆; ромбическая сера S₈.

Также мы постарались выбрать вещества разнообразные и интересные по строению молекулы, чтобы можно было рассмотреть различную форму молекул.

Мы собрали информацию о размерах молекул и валентных углах между отдельными атомами. Они представлены в таблице 1. Далее мы перевели все линейные размеры молекул в масштабе в 5см 0,1нм, кроме молекулы ромбической серы – масштаб в 2,8см 0,1нм. Данные представлены в таблице 2.

После этого, используя полученные данные, мы начертили модели на бумаге. Михаил Денисов делал чертежи шаровых моделей атомов, а Михаил Шульженко – шаростержневых моделей. Михаил Шульженко сперва чертил атомы, а потом соединения между атомами, а Михаил Денисов, наоборот, сперва начертил соединения, а после сами атомы. Получалось не сразу, но потом мы приноровились и от молекулы к молекуле чертили всё лучше и лучше. Для контрастности мы раскрасили атомы в соответствующие цвета, принятые для обозначения различных элементов в химии.

Фотографии наших чертежей вы можете видеть в приложении 1 на рисунках 5-11.

Таблица 1. Линейные размеры молекул.

Таблица 2. Вычисление размеров молекул, исходя из масштаба в 5см 0,1нм, кроме молекулы ромбической серы – масштаб в 2,8см 0,1нм.

5 Практическая часть: создание моделей молекул.

Используя чертежи, мы перешли непосредственно к созданию объемных моделей молекул. Для изготовления моделей мы применяли:

Алюминиевую фольгу для наполнения (придания объема) атомам;

Легкий пластилин (застывающий) для формирования оболочки атомов;

Деревянные шпажки для конструирования связей в молекуле.

Для измерения длины мы использовали линейку, для измерения углов – транспортир.

Первоначально мы сминали фольгу и измеряли заготовки по чертежу (первоначальная подгонка), когда шары из фольги становились сходными по размеру с чертёжными, мы покрывали их пластилином определённого цвета, добиваясь соответствия размеру.

Затем мы брали деревянные шпажки, обрезали их под нужный размер, оставляя место для крепления в атомы, затачивали один из концов ножницами и крепили их в готовые атомы под определённым углом. Углы измеряли транспортиром. Полученные модели представлены в приложении 2 на рисунках 12-23 (шаростержневые модели) и на рисунках 25-27 (полусферические модели).

Сперва для крепления атомов в молекулах мы использовали тонкие деревянные шпажки, но при этом страдала прочность конструкции – такую модель нельзя было взять в руки и рассмотреть со всех сторон без риска разрушения конструкции. Поэтому для того, чтобы ребятам впоследствии можно было подержать в руках наши модели, мы в большинстве молекул заменили тонкие шпажки на деревянные рейки с применением клея. В качестве примера как мы переделали наши модели, рисунок 24 в приложении 2. Во всем остальном, кроме толщины деревянных реек, наши модели остались прежними и мы их не стали приводить их фотографии, чтобы не повторяться.

6 Выводы по результатам проекта.

В результате наших исследований мы можем сделать следующие выводы:

большое количество веществ нашей Вселенной имеет молекулярное строение, то есть состоит из отдельных, устойчивых во времени и пространстве молекул;

все молекулы имеют разный размер, зависящий от количества атомов в молекуле, характеристик этих атомов, характера химических связей и ее длины;

состав молекул, а также их форма напрямую влияют на свойства вещества, которое образовано этими молекулами;

форма некоторых молекул симметрична и уникальна;

наглядные пособия, которые у нас получились можно использовать при изучении атомно-молекулярного учения, молекулярного строения веществ и т.д.;

не всегда валентность совпадает с количеством связей в молекуле.

7 Практическая часть: создание учебного фильма.

При использовании возможностей программы PowerPoint и Word нами был разработан и выполнен учебный фильм. Слайды данного фильма представлены в приложении 3.

8. Заключение

Одним из основополагающих понятий современной науки и материалистического представления об устройстве Вселенной является понятия атома и молекулы. На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были официально приняты определения этих понятий. Данное введение дало последующий толчок к развитию не только химии и физики, но и других естественных наук. Постепенно, с открытием химического состава молекул (химической формулы) и разработками более совершенных методов исследования строения вещества, были получены знания о размерах и форме тех или иных молекул. Стало возможно построение молекулярных моделей.

Молекулярные модели дают наглядное представление о том, как именно устроены молекулы, а зная эти особенности легко понимать особенности физических и химических свойств вещества. На основании знаний о физических и химических свойствах можно предсказать строение молекул веществ, в ней участвующих. Также противоположное заключение тоже будет верным: на основании сведений о строении молекулы вещества реально предсказать его поведение во время химической реакции.

Разрабатывая свой проект, мы сперва не ожидали большого эффекта, но постепенно увлеклись и создали достаточно большой набор наглядных пособий моделей разнообразных неорганических и органических молекул. Наши пособия позволили нам создать учебный фильм, который дает учащимся возможность окунуться в микромир, увидеть какими причудливыми бывают порой молекулы. А самым любопытным учащимся мы даем возможность потрогать, подержать в руках и поближе рассмотреть наши модели.

Так как учение о молекулах для химической науки является одним из самых главных, то наш проект, надеемся, даст учащимся возможность лучше понять и изучить важнейшие сведения о составе и свойствах этой мельчайшей единицы вещества.

В будущем мы хотели бы продолжить свои исследования и может быть попытаться создать модель природных и искусственных макромолекул (полимеров) в нескольких масштабах, а также дополнить коллекцию примерами других интересных молекул.

9. Список литературы.

Материал по молекулярному строению вещества на образовательном портале Фоксфорд.

Х.Д.Хёльтье, В. Зиппль, Д. Роньян, Г. Фолькерс «Молекулярное моделирование.» - М.: Бином, 2010.

Молекулярная модель - https://ru.qaz.wiki/wiki/Molecular_model

Молекула - определение, строение и свойства Источник: https://nauka.club/fizika/molekula.html

http://examchemistry.com/content/lesson/veshestva/molekulyarnoestroenye.html

https://studopedia.ru/23_11453_sposobi-otobrazheniya-stroeniya-molekul-formuli-modeli.html

https://zen.yandex.ru/media/id/5a630d2c9b403c5442578563/pogovorim-o-molekulah-kak-obrazuiutsia-molekuly-5b0cfaee3c50f79e15532009

https://zen.yandex.ru/media/id/5a630d2c9b403c5442578563/pogovorim-o-molekulah-kak-predstavit-sebe-ih-formu-5b2a533724611300a945efa7

https://zen.yandex.ru/media/disttutor/vescestva-molekuliarnogo-stroeniia-5d72366532335400ad8be80d

Вид конкурсной работы: Учебный проект.

Тема: Масштабное моделирование молекул.

Авторы: Шульженко Михаил Андреевич, Денисов Михаил Андреевич, 8 класс.

Приложение 1. Чертежи молекул в масштабе в 5см 0,1нм

Рисунок 5. Чертеж молекулы воды Н₂О

Рисунок 6. Чертеж молекул азота N₂ и озона О₃

Рисунок 7. Чертеж молекул водорода Н₂ кислорода О₂, угарного газа СО и углекислого газа СО₂

Рисунок 8. Чертеж молекулы аммиака NH₃

Рисунок 9. Чертеж молекулы метана СН₄

Рисунок 10. Чертеж молекулы этана С₂Н₄

Рисунок 11. Чертеж молекулы бензола С₆Н₆

Вид конкурсной работы: Учебный проект.

Тема: Масштабное моделирование молекул.

Авторы: Шульженко Михаил Андреевич, Денисов Михаил Андреевич, 8 класс.

Приложение 2. Масштабные модели молекул.

Рисунки 12-24 – шаростержневые модели, рисунки 25-27 – полусферические.

Рисунок 12. Масштабная модель молекулы кислорода О₂

Рисунок 13. Масштабная модель молекулы воды Н₂О

Рисунок 14. Масштабная модель молекулы озона О₃

Рисунок 15. Масштабная модель молекулы этилена С₂Н₄

Рисунок 16. Масштабная модель молекулы аммиака NH₃

Рисунок 17. Масштабная модель молекулы водорода Н₂

Рисунок 18. Масштабная модель молекулы углекислого газа СО₂

Рисунок 19. Масштабная модель молекулы угарного газа СО

Рисунок 20. Масштабная модель молекулы азота N₂

Рисунок 21. Масштабная модель молекулы углекислого газа СО₂

Рисунок 22. Масштабная модель молекулы ромбической серы S₈

Рисунок 23. Масштабная модель молекулы метана СН₄

Рисунок 24. Масштабные модели молекул воды Н₂О, озона О₃ и водорода Н₂ с использованием деревянных реек.

Рисунок 25. Масштабные полусферические модели молекул воды Н₂О, озона О₃, кислорода О₂,азота N₂ и водорода Н_2.

Рисунок 26. Масштабная полусферическая модель молекулы ромбической серы S₈

Рисунок 27. Масштабные полусферические модели молекул углекислого газа СО₂, угарного газа СО, этилена С₂Н₄ и аммиака NН_3.

Вид конкурсной работы: Учебный проект.

Тема: Масштабное моделирование молекул.

Авторы: Шульженко Михаил Андреевич, Денисов Михаил Андреевич, 8 класс.

Приложение 3. Слайды учебного фильма.