Modèles de molécules de pâte à modeler. Molécules de pâte à modeler

Outre l’observation et l’expérimentation, la modélisation joue un rôle important dans la compréhension du monde naturel et de la chimie.

Nous avons déjà dit que l'un des principaux objectifs de l'observation est de rechercher des modèles dans les résultats des expériences.

Cependant, certaines observations sont peu pratiques voire impossibles à réaliser directement dans la nature. L'environnement naturel est recréé dans des conditions de laboratoire à l'aide d'appareils, d'installations, d'objets spéciaux, c'est-à-dire de modèles (du latin module - mesurer, échantillon). Les modèles copient uniquement les caractéristiques et propriétés les plus importantes d'un objet.

Par exemple, pour étudier le phénomène naturel de la foudre, les scientifiques n’ont pas eu besoin d’attendre un orage. La foudre peut être simulée en cours de physique et dans le laboratoire de l’école. Deux billes métalliques doivent recevoir des charges électriques opposées : positive et négative. Lorsque les boules s'approchent d'une certaine distance, une étincelle saute entre elles - c'est un éclair en miniature. Plus la charge sur les boules est élevée, plus l'étincelle saute tôt à l'approche, plus la foudre artificielle est longue. Un tel éclair est produit à l'aide d'un dispositif spécial appelé machine électrophore (Fig. 33).

Riz. 33.
Machine électrophore

L'étude du modèle a permis aux scientifiques de déterminer que la foudre naturelle est une décharge électrique géante entre deux nuages ​​​​d'orage ou entre les nuages ​​et le sol. Cependant, un vrai scientifique s'efforce de trouver une application pratique à chaque phénomène étudié. Plus la foudre électrique est puissante, plus sa température est élevée. Mais la conversion de l’énergie électrique en chaleur peut être utilisée, par exemple, pour souder et couper des métaux. C'est ainsi qu'est apparu le procédé de soudage électrique, familier à tous les étudiants aujourd'hui (Fig. 34).

Riz. 34.
Le phénomène naturel de la foudre peut être simulé en laboratoire

La modélisation en physique est particulièrement largement utilisée. Dans les leçons sur ce sujet, vous vous familiariserez avec une variété de modèles qui vous aideront à étudier les phénomènes électriques et magnétiques, les schémas de mouvement des corps et les phénomènes optiques.

Chaque science naturelle utilise ses propres modèles qui permettent d'imaginer visuellement un phénomène ou un objet naturel réel.

Le modèle géographique le plus célèbre est le globe (Fig. 35, a) - une image miniature en trois dimensions de notre planète, avec laquelle vous pouvez étudier l'emplacement des continents et des océans, des pays et des continents, des montagnes et des mers. Si une image de la surface de la Terre est appliquée sur une feuille de papier plate, un tel modèle est appelé carte géographique (Fig. 35, b).

Riz. 35.
Les modèles géographiques les plus connus : a - globe ; b - carte

Les modèles sont largement utilisés dans l’étude de la biologie. Il suffit de mentionner, par exemple, des modèles - mannequins d'organes humains, etc. (Fig. 36).

Riz. 36.
Modèles biologiques : a - œil ; b - cerveau

La modélisation n’est pas moins importante en chimie. Classiquement, les modèles chimiques peuvent être divisés en deux groupes : objectifs et symboliques, ou symboliques (Schéma 1).

Des modèles de sujets d'atomes, de molécules, de cristaux et d'installations industrielles chimiques sont utilisés pour plus de clarté.

Vous avez probablement vu une photo d'un modèle d'atome qui ressemble à la structure du système solaire (Fig. 37).

Riz. 37.
Modèle de structure atomique

Pour modéliser les molécules de substances chimiques, des modèles boule-bâton ou tridimensionnels sont utilisés. Ils sont assemblés à partir de boules symbolisant des atomes individuels. La différence est que dans les modèles boule-bâton, les atomes de la boule sont situés à une certaine distance les uns des autres et sont fixés les uns aux autres par des tiges. Par exemple, des modèles boule-bâton et tridimensionnels de molécules d'eau sont présentés à la figure 38.

Riz. 38.
Modèles d'une molécule d'eau : a - boule et tige ; b - volumétrique

Les modèles de cristaux ressemblent à des modèles de molécules en forme de boule et de bâton, cependant, ils ne représentent pas les molécules individuelles d'une substance, mais montrent la disposition relative des particules d'une substance dans un état cristallin (Fig. 39).

Riz. 39.
Modèle en cristal de cuivre

Cependant, le plus souvent, les chimistes utilisent des modèles iconiques ou symboliques plutôt que des modèles thématiques. Ce sont des symboles chimiques, des formules chimiques, des équations de réactions chimiques.

Vous commencerez à apprendre le langage chimique des signes et des formules dans la prochaine leçon.

Questions et tâches

1. Qu'est-ce qu'un modèle ? modélisation?
2. Donnez des exemples de : a) modèles géographiques ; b) modèles physiques ; c) modèles biologiques.
3. Quels modèles sont utilisés en chimie ?
4. Fabriquez des modèles en forme de boule et de bâton et en trois dimensions de molécules d'eau à partir de pâte à modeler. Quelle forme ont ces molécules ?
5. Notez la formule de la fleur crucifère si vous avez étudié cette famille de plantes en cours de biologie. Cette formule peut-elle être qualifiée de modèle ?
6. Écrivez une équation pour calculer la vitesse d’un corps si le chemin et le temps qu’il met pour parcourir le corps sont connus. Cette équation peut-elle être appelée un modèle ?

Aujourd'hui, nous donnerons une leçon non seulement de modélisation, mais aussi de chimie, et nous réaliserons des modèles de molécules à partir de pâte à modeler. Les boules de pâte à modeler peuvent être représentées sous forme d'atomes, et des allumettes ou des cure-dents ordinaires aideront à montrer les connexions structurelles. Cette méthode peut être utilisée par les enseignants pour expliquer de nouvelles matières en chimie, par les parents lors de la vérification et de l'étude des devoirs, et par les enfants eux-mêmes qui s'intéressent au sujet. Il n’existe probablement pas de moyen plus simple et plus accessible de créer du matériel visuel pour la visualisation mentale de micro-objets.

Voici des exemples de représentants du monde de la chimie organique et inorganique. Par analogie avec elles, d'autres structures peuvent être réalisées, l'essentiel est de comprendre toute cette diversité.

Matériel de travail :

• pâte à modeler de deux couleurs ou plus;
• formules développées de molécules du manuel (si nécessaire) ;
• des allumettes ou des cure-dents.

1. Préparez de la pâte à modeler pour modéliser des atomes sphériques à partir desquels des molécules seront formées, ainsi que des allumettes pour représenter les liaisons entre eux. Naturellement, il est préférable de montrer les atomes de différents types dans une couleur différente, afin qu'il soit plus clair d'imaginer un objet spécifique dans le micromonde.

2. Pour faire des boules, pincez le nombre requis de portions de pâte à modeler, pétrissez dans vos mains et roulez en formes dans vos paumes. Pour sculpter des molécules d'hydrocarbures organiques, vous pouvez utiliser des boules rouges plus grosses - ce seront du carbone, et des boules bleues plus petites - de l'hydrogène.

3. Pour former une molécule de méthane, insérez quatre allumettes dans la boule rouge afin qu'elles pointent vers les sommets du tétraèdre.

4. Placez les boules bleues aux extrémités libres des allumettes. La molécule de gaz naturel est prête.

5. Préparez deux molécules identiques pour expliquer à votre enfant comment obtenir la molécule du prochain représentant des hydrocarbures - l'éthane.

6. Connectez les deux modèles en retirant une allumette et deux boules bleues. Ethan est prêt.

7. Ensuite, continuez cette activité passionnante et expliquez comment se forme un lien multiple. Retirez les deux boules bleues et doublez la liaison entre les carbones. De la même manière, vous pouvez modeler toutes les molécules d'hydrocarbures nécessaires à la leçon.

8. La même méthode convient pour sculpter des molécules du monde inorganique. Les mêmes boules de pâte à modeler vous aideront à réaliser vos projets.

9. Prenez l’atome de carbone central – la boule rouge. Insérez-y deux allumettes, définissant la forme linéaire de la molécule ; attachez deux boules bleues, qui dans ce cas représentent des atomes d'oxygène, aux extrémités libres des allumettes. Nous avons donc une molécule de dioxyde de carbone de structure linéaire.

10. L'eau est un liquide polaire et ses molécules sont des formations angulaires. Ils sont constitués d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. La structure angulaire est déterminée par la paire d’électrons libres sur l’atome central. Il peut également être représenté par deux points verts.

C’est le genre de leçons créatives passionnantes que vous devriez absolument pratiquer avec vos enfants. Les étudiants de tout âge s'intéresseront à la chimie et comprendront mieux le sujet si, pendant le processus d'apprentissage, ils disposent d'une aide visuelle réalisée par eux-mêmes.

De nombreux écoliers n'aiment pas la chimie et la considèrent comme une matière ennuyeuse. Beaucoup de gens trouvent ce sujet difficile. Mais l'étudier peut être intéressant et éducatif si vous abordez le processus de manière créative et montrez tout clairement.

Nous vous proposons un guide détaillé pour sculpter des molécules à partir de pâte à modeler.

Avant de fabriquer des molécules, nous devons décider à l’avance quelles formules chimiques nous utiliserons. Dans notre cas, il s'agit de l'éthane, de l'éthylène, du méthylène. Nous aurons besoin de : de la pâte à modeler de couleurs contrastées (dans notre cas, rouge et bleu) et de la pâte à modeler verte, des allumettes (cure-dents).

1. Roulez 4 boules d'un diamètre d'environ 2 cm (atomes de carbone) en pâte à modeler rouge. Roulez ensuite 8 boules plus petites en pâte à modeler bleue, d'environ un centimètre de diamètre (atomes d'hydrogène).

2. Prenez 1 boule rouge et insérez-y 4 allumettes (ou cure-dents) comme indiqué sur l'image.

3. Prenez 4 boules bleues et placez-les sur les extrémités libres des allumettes insérées dans la boule rouge. Le résultat est une molécule de gaz naturel.

4. Répétez l'étape n°3 et obtenez deux molécules pour la substance chimique suivante.

5. Les molécules fabriquées doivent être reliées les unes aux autres avec une allumette afin de former une molécule d'éthane.

6. Vous pouvez également créer une molécule avec une double liaison : l'éthylène. Pour ce faire, de chaque molécule obtenue à l'étape n°3, sortez 1 allumette avec une boule bleue dessus et reliez les pièces entre elles avec deux allumettes.

7. Prenez une boule rouge et 2 bleues et reliez-les ensemble avec deux allumettes pour obtenir une chaîne : bleue – 2 allumettes – rouge – 2 allumettes – bleue. Nous avons une autre molécule avec une double liaison : le méthylène.

8. Prenez les boules restantes : rouge et 2 bleues et reliez-les avec des allumettes comme indiqué sur la figure. Ensuite, nous roulons 2 petites boules de pâte à modeler verte et les attachons à notre molécule. Nous avons une molécule avec deux électrons chargés négativement.

Étudier la chimie deviendra plus intéressant et votre enfant développera un intérêt pour le sujet.

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Les gens ont deviné depuis très longtemps que les substances sont constituées de minuscules particules individuelles ; c'est ce qu'a déclaré le scientifique grec Démocrite il y a environ 2 500 ans.

Mais si dans l'Antiquité les scientifiques supposaient seulement que les substances étaient constituées de particules individuelles, alors au début du 20e siècle, l'existence de telles particules a été prouvée par la science. Les particules qui composent de nombreuses substances sont appelées molécules 1.

Une molécule d'une substance est la plus petite particule de cette substance. La plus petite particule d'eau est une molécule d'eau, la plus petite particule de sucre est une molécule de sucre, etc.

Quelles sont les tailles des molécules ?

On sait qu'un morceau de sucre peut être broyé en très petits grains et qu'un grain de blé peut être moulu en farine. L'huile, se répandant sur l'eau, forme un film dont l'épaisseur est 40 000 fois inférieure à celle d'un cheveu humain. Mais un grain de farine et l’épaisseur d’un film d’huile contiennent non pas une, mais plusieurs molécules. Cela signifie que la taille des molécules de ces substances est encore plus petite que la taille d'un grain de farine et l'épaisseur du film. La comparaison suivante peut être faite : une molécule est autant de fois plus petite qu’une pomme de taille moyenne que la pomme est plus petite que le globe.

Les molécules de différentes substances diffèrent par leur taille, mais elles sont toutes très petites. Des instruments modernes - les microscopes électroniques - ont permis de voir et de photographier les plus grosses molécules (voir planche en couleurs II). Ces photographies confirment encore une fois l'existence de molécules.

Les molécules étant très petites, chaque corps en contient un grand nombre. 1 cm 3 d'air contient un tel nombre de molécules que si vous additionnez le même nombre de grains de sable, vous obtiendrez une montagne qui recouvrira une grande usine.

Dans la nature, tous les corps diffèrent les uns des autres, au moins d'une certaine manière. Il n’y a pas deux personnes qui aient le même visage. Parmi les feuilles qui poussent sur le même arbre, il n’y en a pas deux exactement identiques. Même dans tout un tas de sable, nous ne trouverons pas de grains de sable identiques. Des millions de billes pour roulements sont fabriquées en usine selon un échantillon, de même taille. Mais si vous mesurez les boules avec plus de précision que lors du traitement, vous pouvez être sûr qu'il n'y en a pas deux identiques parmi elles.

Les molécules d’une même substance diffèrent-elles les unes des autres ?

1. Molécule est un mot latin signifiant « petite masse ».

Des expériences nombreuses et complexes ont montré que les molécules d’une même substance sont identiques. Chaque substance pure est constituée de molécules identiques qui lui sont propres. C'est un fait étonnant. Il est impossible, par exemple, de distinguer l'eau obtenue à partir de jus ou de lait de l'eau obtenue par distillation de l'eau de mer, puisque les molécules de l'eau sont les mêmes et qu'aucune autre substance n'est constituée des mêmes molécules.

Bien que les molécules soient de très petites particules de matière, elles sont également divisibles. Les particules qui composent les molécules sont appelées atomes.

Par exemple, une molécule d’oxygène est constituée de deux atomes identiques. Une molécule d'eau est composée de trois atomes : un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. La figure 14 montre deux molécules d'eau. Cette représentation schématique des molécules est acceptée en science ; elle correspond aux propriétés des molécules étudiées dans des expériences physiques et est appelée modèle moléculaire.

La fission de deux molécules d’eau produit quatre atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygène. Tous les deux atomes d'hydrogène se combinent pour former une molécule d'hydrogène, et chaque atome d'oxygène en une molécule d'oxygène, comme le montre schématiquement la figure 15.

Les atomes ne sont pas non plus des particules indivisibles ; ils sont constitués de particules plus petites appelées particules élémentaires.

Questions. 1. Comment s’appellent les particules qui composent les substances ? 2. De quelles observations découle-t-il que les tailles des molécules sont petites ? 3. Que savez-vous de la taille des molécules ? 4. Que savez-vous de la composition de la molécule d’eau ? 5. Quelles expériences et quels raisonnements montrent que toutes les molécules d’eau sont identiques ?

Exercice. Comme vous le savez, des gouttes d’un liquide huileux se répandent à la surface de l’eau, formant une fine pellicule. Pourquoi l’huile cesse-t-elle de se répandre à partir d’une certaine épaisseur de film ?

Exercice. Fabriquez des modèles de deux molécules d'eau à partir de pâte à modeler colorée. Utilisez ensuite ces molécules pour créer des modèles de molécules d’oxygène et d’hydrogène.

Ce travail est réalisé auprès d'étudiants venus suivre une formation professionnelle. Très souvent, leurs connaissances en chimie sont faibles et ne s’intéressent donc pas au sujet. Mais chaque élève a le désir d’apprendre. Même un élève peu performant s'intéresse à une matière lorsqu'il parvient à faire quelque chose par lui-même.

Les tâches du travail sont conçues en tenant compte des lacunes dans les connaissances. Un matériel théorique solide vous permet de rappeler rapidement les concepts nécessaires, ce qui aide les étudiants à terminer le travail. Après avoir construit des modèles de molécules, il est plus facile pour les enfants d'écrire des formules développées. Pour les étudiants plus forts qui terminent la partie pratique du travail plus rapidement, des tâches de calcul sont proposées. Chaque élève obtient un résultat en travaillant : certains parviennent à construire des modèles de molécules, ce qu'ils font avec plaisir, d'autres accomplissent l'essentiel du travail, d'autres accomplissent toutes les tâches, et chaque élève reçoit une note.

Objectifs de la leçon :

• développer des compétences de travail indépendant;
• généraliser et systématiser les connaissances des étudiants sur la théorie de la structure des composés organiques ;
• consolider la capacité à composer des formules développées d'hydrocarbures ;
• mettre en pratique les compétences de dénomination selon la nomenclature internationale ;
• répéter la résolution de problèmes pour déterminer la fraction massique d'un élément dans une substance ;
• développer l'attention et l'activité créatrice;
• développer une pensée logique;
• cultiver le sens des responsabilités.

Travaux pratiques

« Faire des modèles de molécules de substances organiques.
Élaboration de formules développées d'hydrocarbures.

Objectif du travail :

1. Apprenez à réaliser des modèles de molécules de substances organiques.
2. Apprenez à écrire les formules développées des hydrocarbures et à les nommer selon la nomenclature internationale.

Matériel théorique. Les hydrocarbures sont des substances organiques constituées d'atomes de carbone et d'hydrogène. L'atome de carbone de tous les composés organiques est tétravalent. Les atomes de carbone peuvent former des chaînes droites, ramifiées et fermées. Les propriétés des substances dépendent non seulement de la composition qualitative et quantitative, mais également de l'ordre dans lequel les atomes sont connectés les uns aux autres. Les substances qui ont la même formule moléculaire mais des structures différentes sont appelées isomères. Les préfixes indiquent la quantité di- deux, trois- trois, tétra- quatre ; cyclo- signifie fermé.

Les suffixes dans les noms d'hydrocarbures indiquent la présence d'une liaison multiple :

fr liaison simple entre atomes de carbone (CC);
fr double liaison entre atomes de carbone (C = C);
dans triple liaison entre atomes de carbone (CC);
diène deux doubles liaisons entre atomes de carbone (C = C C = C) ;

Radicaux : méthyle -CH 3 ; éthyle -C 2 H 5 ;

chlore -Cl; brome -Br.

Exemple. Fabriquez un modèle d’une molécule de propane. Molécule de propane C 3 H 8 contient trois atomes de carbone et huit atomes d'hydrogène. Les atomes de carbone sont connectés les uns aux autres. Suffixe indique la présence d’une simple liaison entre les atomes de carbone. Les atomes de carbone sont situés selon un angle de 10 928 minutes.

La molécule a la forme d’une pyramide. Dessinez les atomes de carbone sous forme de cercles noirs, les atomes d'hydrogène sous forme de cercles blancs et les atomes de chlore sous forme de cercles verts.

Lorsque vous dessinez des modèles, observez le rapport des tailles atomiques.

Trouver la masse molaire à l'aide du tableau périodique

M (C 3 H 8) = 12 3 + 1 8 = 44 g/mol.

Pour nommer un hydrocarbure il faut :

1. Choisissez la chaîne la plus longue.
2. Nombre commençant à partir du bord dont la liaison radicale ou multiple est la plus proche.
3. Indiquez le radical si plusieurs radicaux sont indiqués chacun. (Numéro avant le nom).
4. Nommez le radical en commençant par le plus petit radical.
5. Nommez la chaîne la plus longue.
6. Indiquez la position de la liaison multiple. (Numéro après nom).

Lors de la composition de formules par nom nécessaire:

1. Déterminez le nombre d’atomes de carbone dans la chaîne.
2. Déterminez la position de la liaison multiple. (Numéro après nom).
3. Déterminez la position des radicaux. (Numéro avant le nom).
4. Écrivez les formules des radicaux.
5. Enfin, déterminez le nombre et la disposition des atomes d’hydrogène.

La fraction massique d'un élément est déterminée par la formule :

Où

– fraction massique de l’élément chimique ;

n – nombre d'atomes d'un élément chimique ;

Ar est la masse atomique relative d’un élément chimique ;

Mr – poids moléculaire relatif.

Lorsque vous résolvez un problème, utilisez formules de calcul :

Densité relative du gaz Dg montre combien de fois la densité d'un gaz est supérieure à la densité d'un autre gaz. D(H 2) - densité relative de l'hydrogène. D(air) - densité relative dans l'air.

Matériel : Un ensemble de modèles de molécules en forme de boule et de bâton, de la pâte à modeler de différentes couleurs, des allumettes, un tableau « Hydrocarbures saturés », un tableau périodique. Tâches individuelles.

Avancement des travaux. Accomplir les tâches selon les options.

Option n°1.

Tâche n°1 . Réaliser des modèles de molécules : a) butane, b) cyclopropane. Dessinez des modèles moléculaires dans votre cahier. Écrivez les formules développées de ces substances. Trouvez leurs poids moléculaires.

Tâche n°3. Composer de construction formules de substances :

a) butène-2, écrivez son isomère ;
b) 3,3 - diméthylpentine-1.

Tâche n°4. Résoudre des problèmes :

Tâche 1 Déterminer la fraction massique de carbone et d'hydrogène dans le méthane.

Tâche 2. Le noir de carbone est utilisé pour produire du caoutchouc. Déterminer combien de g de suie (C) peuvent être obtenus à partir de la décomposition de 22 g de propane ?

Option n°2.

Tâche n°1 . Réaliser des modèles de molécules : a) 2-méthylpropane, b) cyclobutane. Dessinez des modèles moléculaires dans votre cahier. Écrivez les formules développées de ces substances. Trouvez leurs poids moléculaires.

Tâche n°2. Nommez les substances :

Tâche n°3 Composer de construction formules de substances :

a) 2-méthylbutène-1, écrivez son isomère ;
b) propine.

Tâche n°4. Résoudre des problèmes :

Tâche 1. Déterminer la fraction massique de carbone et d'hydrogène dans l'éthylène.

Tâche 2. Le noir de carbone est utilisé pour produire du caoutchouc. Déterminer la masse de suie (C) pouvant être obtenue à partir de la décomposition de 36 g de pentane ?

Option n°3.

Tâche n°1 . Réaliser des modèles de molécules : a) 1,2-dichloroéthane, b) méthylcyclopropane

Dessinez des modèles moléculaires dans votre cahier. Écrivez les formules développées de ces substances. Combien de fois le dichloroéthane est-il plus lourd que l’air ?

Tâche n°2. Nommez les substances :

Tâche n°3. Composer de construction formules de substances :

a) 2-méthylbutène-2, écrivez son isomère ;
b) 3,4-diméthylpentine-1.

Tâche n°4. Résoudre des problèmes :

Tâche 1. Trouver la formule moléculaire d'une substance contenant 92,3 % de carbone et 7,7 % d'hydrogène. La densité relative de l'hydrogène est de 13.

Problème 2. Quel volume d'hydrogène sera libéré lors de la décomposition de 29 g de butane (n.o.) ?

Option numéro 4.

Tâche n°1 . Réaliser des modèles de molécules : a) 2,3-diméthylbutane, b) chlorocyclopropane. Dessinez des modèles moléculaires dans votre cahier. Écrivez les formules développées de ces substances. Trouvez leurs poids moléculaires.

Tâche n°2. Nommer les substances

Tâche n°3. Composer formules développées des substances :

a) 2-méthylbutadientène-1,3; écrire l'isomère.
b) 4-méthylpentine-2.

Tâche n°4. Résoudre des problèmes :

Tâche 1. Trouver la formule moléculaire d'une substance contenant 92,3 % de carbone et 7,7 % d'hydrogène. La densité relative de l'hydrogène est de 39.

Problème 2. Quel volume de dioxyde de carbone sera libéré lors de la combustion complète de 72 g de carburant automobile constitué de propane ?