Tự động hóa mô hình các phân tử hợp chất hữu cơ

Mỗi nguyên tử cacbon dùng 1 obitan lai hóa sp để xen phủ với nhau, 1obitan lai hóa sp còn lại để xen phủ với obitan 1s của nguyên tử H, các sự xen phủnày tạo thành các liên kết sigma σ..

PHẦN 1: ĐẠT VẤN ĐỀ

I.1 Lí do chọn đề tài

Hoá học là một môn khoa học mà khi nghiên cứu nó là nghiên cứu về cấutạo chất, nguyên tử, phân tử là phản ứng hóa học diễn ra ở kích thước vi mô màmắt thường không thể nhìn thấy được, do đó trong giảng dạy hóa học, ngoài các thínghiệm, người ta buộc phải dùng những mô hình ở kích thước thông thường, để từtrực quan mô phỏng bên ngoài mà suy ra tính chất và cấu tạo bên trong Vì thế, cóthể khẳng định rằng, mô hình mô phỏng, đồ dùng dạy học là rất cần thiết cho giảng

dạy hóa học

Đồ dùng dạy học trong hóa học đóng vai trò rất quan trọng, nó vừa là nộidung vừa là phương pháp dạy học hiệu quả Thông qua mô hình, đồ dùng dạy học,kiến thức được truyền tải một cách chính xác, tự nhiên, khách quan, sinh động, tạo

sự hứng thú cho cả người dạy và người học Tuy nhiên, trong các trường phổ thônghiện nay, đồ dùng phục vụ cho dạy học nói chung, đồ dùng phục vụ cho dạy họchóa học nói riêng hiện rất ít về số lượng và kém về chất lượng Việc sử dụng các

đồ dùng này trong các giở học đạt hiệu quả thấp do đồ dùng lạc hậu, lắp đặt cồngkềnh, thậm chí mất nhiều thời gian của giờ học Vì vậy, dẫn đến việc dạy học cònhạn chế, chủ yếu là truyền thụ kiến thức về mặt lý thuyết, hàn lâm Để khắc phụctình trạng này, đòi hỏi giáo viên phải thường xuyên thiết kế và sử dụng các môhình, đồ dùng trong dạy học để học sinh có điều kiện tiếp cận và lĩnh hội kiến thứcmột cách chủ động hơn

Mong muốn thiết kế được các đồ dùng dạy học hóa học với tiêu chí gọn nhẹ,

dễ lắp đặt, phản ánh được nhiều đặc tính của đối tượng cần mô phỏng, đặc biệt là

có tính tự động hóa cao, dễ sử dụng, tạo hứng thú cho người dạy và người học –những ưu điểm mà các mô hình, đồ dùng trước đây không có Từ đó tôi chọn đề

tài: “Tự động hóa mô hình các phân tử hợp chất hữu cơ”

I.2 Mục đích, nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu của đề tài.

+ Điều tra thực trạng về việc thiết kế và sử dụng mô hình, đồ dùng dạy họchóa học hiện nay

+ Điều tra về sự say mê, hứng thú đối với môn hóa của học sinh

+ Thiết kế và vận dụng mô hình, đồ dùng vào dạy học hóa học

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨUII.1 Cơ sở lí luận và thực tiễn.

II.1.1 Xu hướng phát triển mô hình, đồ dùng dạy học hóa học.

Việc thiết kế mô hình, đồ dùng dạy học hiện nay rất được chú trọng, khuyếnkhích và đang phát triển theo xu hướng như sau:

- An toàn cho người sử dụng, thân thiện với môi trường

- Chuyển từ mô hình, đồ dùng ở dạng tĩnh sang dạng động, từ mô phỏng đơngiản sang tinh vi, tự động hóa nhiều hơn, sát với thực tế đối tượng được môphỏng để tăng tính chính xác, khách quan của thông tin, kích thích sự khám phá

do mô hình, đồ dùng dạy học mang lại

- Dễ thiết kế, dễ sử dụng, giá thành thấp

- Góp phần xây dựng và phát triển kĩ năng quan sát, thu thập, xử lí thông tin,dần hình thành phương pháp nghiên cứu khoa học

II.1.2 Sử dụng mô hình, đồ dùng trong dạy học hóa học.

Có thể sử dụng mô hình, đồ dùng trong dạy học hóa học theo nhiều cách :Đưa vào tiết dạy, bài kiểm tra, đánh giá, cho về nhà nghiên cứu, thiết kế, hoạt độngngoại khóa…

Mô hình, đồ dùng trong dạy học hóa học giúp cho việc truyền tải kiến thứcmột cách chính xác, tự nhiên, khách quan, sinh động, tạo sự hứng thú cho cả ngườidạy và người học

Ý nghĩa của mô hình, đồ dùng trong dạy học hóa học:

- Phát triển năng lực nhận thức, rèn luyện tư duy từ thực tế đến lí thuyết, từcấu tạo đến tính chất, từ cụ thể, thực tiễn đến tư duy trừu tượng, tạo điều kiện choviệc học gắn liền với thực tế, tạo sự hứng thú trong học tập

- Giúp học sinh mở rộng hiểu biết, có thói quen liên hệ giữa thực tiễn với lýthuyết, vận dụng chúng để nghiên cứu, phát triển lẫn nhau và kiểm chứng chonhau

- Xây dựng và phát triển kĩ năng quan sát, thu thập, hướng dẫn, xử lí thôngtin, dần hình thành phương pháp nghiên cứu khoa học

- Giáo dục tư tưởng, đạo đức, tác phong lao động: Rèn luyện tính kiên nhẫn,trung thực, sáng tạo, khoa học, tính kỉ luật, tổ chức…

II.1.3 Thực trạng về việc thiết kế và sử dụng mô hình, đồ dùng dạy học

hóa học hiện nay ở trường THPT.

- Chúng tôi đã trực tiếp điều tra đối với giáo viên dạy môn hóa học, học sinh

ở các trường THPT trong địa bàn huyện Thanh Chương và thấy rằng việc sử dụng

đồ dùng trong dạy và học hóa học còn rất hạn chế cả về số lượng và chất lượng

Từ những nội dung trên cho thấy cần thiết phải tăng cường nghiên cứu, thiết

kế và sử dụng mô hình, đồ dùng dạy học hóa học ở trường THPT

II.2 Thiết kế mô hình một số phân tử hợp chất hữu cơ.

II.2.1 Cấu trúc các phân tử được thiết kế mô hình

II.2.1.1 Cấu trúc phân tử etin (axetilen).

Trong phân tử etin C2H2, mỗi nguyên tử cacbon C đều ở trạng thái lai hóa sp

Góc giữa trục của các obitan lai hóa sp là 180°

Mỗi nguyên tử cacbon dùng 1 obitan lai hóa sp để xen phủ với nhau, 1obitan lai hóa sp còn lại để xen phủ với obitan 1s của nguyên tử H, các sự xen phủnày tạo thành các liên kết sigma σ Mỗi nguyên tử cacbon còn có 2 obitan 2pvuông góc với nhau và vuông góc với trục nối tâm các nguyên tử Chúng lần lượtdùng các obitan này xen phủ với nhau từng đôi một, các sự xen phủ này được hìnhthành ở hai bên trục nối tâm các nguyên tử, tạo ra hai liên kết pi π có mặt phẳng bổdọc vuông góc với nhau và cắt nhau trên trục nối tâm các nguyên tử

Chính vì cấu trúc như thế nên trong phân tử etin, chỉ có các nguyên tử H là

có thể quay quanh trục lên kết một cách tương đối tự do (khi có lực tác động)

II.2.1.2 Cấu trúc phân tử eten (etilen).

Trong phân tử eten C2H4, mỗi nguyên tử cacbon đều ở trạng thái lai hóa sp2,nghĩa là mỗi nguyên tử cacbon dùng 1 obitan 2s và 2 obitan 2p để tổ hợp thành 3obitan mới giống nhau, hướng về 3 đỉnh của một tam giác đều Góc giữa chúng là120°

Mỗi nguyên tử cacbon dùng 1 obitan lai hóa sp2 để xen phủ với nhau, 2obitan lai hóa sp2 còn lại lần lượt xen phủ với obitan 1s của 2 nguyên tử H, các sựxen phủ này được hình thành ở trên trục nối tâm hai nguyên tử, tạo thành các liênkết sigma σ (phân tử C2H4 phẳng) Mỗi nguyên tử cacbon còn có 1 obitan 2p đểxen phủ với nhau tạo ra liên kết pi π có mặt phẳng bổ dọc vuông góc với mặtphẳng phân tử

Chính vì cấu trúc như thế nên trong phân tử eten, chỉ có các nguyên tử H là

có thể quay quanh trục liên kết một cách tương đối tự do (khi có lực tác động),còn các nguyên tử cacbon (thực chất là cả nhóm CH2) thì chỉ dao động quay mộtgóc rất nhỏ quanh trục liên kết C=C, rồi trở về trạng thái phẳng

II.2.1.3 Cấu trúc phân tử etan.

Trong phân tử etan C2H6, mỗi nguyên tử cacbon đều ở trạng thái lai hóa sp3,

có 4 obitan lai hóa hướng về bốn đỉnh của một tứ diện đều, góc giữa chúng là109°28

Mỗi nguyên tử cacbon dùng 1 obitan lai hóa sp3 để xen phủ với nhau, 3obitan lai hóa sp3 còn lại để xen phủ với từng obitan 1s của nguyên 3 tử H, các sựxen phủ này được hình thành ở trên trục nối tâm các nguyên tử, tạo thành các liênkết sigma σ

Hình ảnh mô phỏng phân tử etan dạng xen kẽ và dạng che khuất.

Với cấu trúc như trên, dẫn đến trong phân tử etan, các nguyên tử H có thểquay quanh trục liên kết một cách tương đối tự do (khi có lực tác động), đồng thờicác nhóm nguyên tử CH3 cũng có khả năng đó, nhưng không được dễ dàng bằng(do có lực đẩy khi ở cấu dạng che khuất) Điều đó cũng có nghĩa là cấu dạng xen

kẽ sẽ bền nhất cho phân tử etan

II.2.1.4 Cấu trúc phân tử etanol.

Trong phân tử etanol, phần C2H5 giống phân tử etan Ngoài ra còn có nhóm

OH với oxi có lai hóa sp3, trong đó 2 obitan lai hóa chứa đôi electron đã ghép đôichưa tạo liên kết đẩy mạnh hơn 2 obitan lai hóa còn lại nên góc C-O-H khoảng

1070

Trạng thái bền nhất của phân tử etanol là khi O và 2 H của C thứ nhất xen kẽvới 3 H của C số 2, đồng thời H của OH hướng ra xa C số 2

Hình ảnh mô phỏng phân tử etanol ở trạng thái bền nhất.

II.2.1.5 Cấu trúc phân tử etanal.

Trong phân tử axit etanal, phần CH3 giống phân tử etan Ở nhóm CH=O, C

và O có lai hóa sp2 nên các góc liên kết của C này xấp xỉ 1200

Trạng thái bền nhất của phân tử axit etanal là H của nhóm CH=O nằm xen

kẽ với 2 H bất kì của CH3, đồng thời H của OH hướng ra xa C số 2

Hình ảnh mô phỏng phân

tử etanal

II.2.1.6 Cấu trúc phân tử axit etanoic

Trong phân tử axit etanoic, phần CH3 giống phân tử etan Ở nhóm COOH, C

và O của C=O có lai hóa sp2 nên các góc liên kết của chúng xấp xỉ 1200, O ở nhóm

OH có lai hóa sp3, trong đó 2 obitan lai hóa chứa đôi electron đã ghép đôi chưa tạoliên kết đẩy mạnh hơn 2 obitan lai hóa còn lại nên góc C-O-H khoảng 1070

Trạng thái bền nhất của phân tử axit etanoic là O của nhóm OH nằm xen kẽvới 2 H bất kì của CH3, đồng thời H của OH hướng ra xa C số 2

Hình ảnh mô phỏng phân tử axit etanoic

II.2.1.7 Cấu trúc phân tử bezen.

Trong phân tử benzen C6H6, tất cả các nguyên tử cacbon đều ở trạng thái laihóa sp2

Mỗi nguyên tử cacbon dùng lần lượt 2 obitan lai hóa sp2 để xen phủ với cácobitan tương tự của 2 nguyên tử cacbon bên cạnh tạo thành bộ khung cacbon màmỗi nguyên tử cacbon nằm trên 1 đỉnh của lục giác đều, 1 obitan lai hóa sp2 còn lạixen phủ với obitan 1s của tử H, tạo thành các liên kết sigma σ (phân tử C6H6

phẳng) Mỗi nguyên tử cacbon còn có 1 obitan 2p vuông góc với mặt phẳng phân

tử, chúng xen phủ với nhau thành một hệ thống liên kết pi π liên hợp khép kíntrong vòng benzen

Chính vì cấu trúc như thế nên trong phân tử benzen, chỉ có các nguyên tử H

là có thể quay quanh trục liên kết một cách tương đối tự do (khi có lực tác động),còn các nguyên tử cacbon (thực chất là các nhóm CH) thì chỉ dao động quay mộtgóc rất nhỏ về hai phía của mặt phẳng phân tử, rồi trở về trạng thái phẳng

II.2.1.8 Cấu trúc phân tử phenol.

Phân tử phenol C6H5OH cơ bản gồm hai phần Phần thứ nhất là C6H5 thường

gọi là “nhân benzen” có cấu trúc giống benzen, phần thứ hai là OH, giống OH của

etanol CH3CH2OH, góc liên kết C-O-H khoảng 1080

Hình ảnh mô phỏng phân tử phenol

Với cấu trúc như trên, dẫn đến phân tử phenol có các nguyên tử H có thểquay quanh trục liên kết một cách tương đối tự do (khi có lực tác động), cácnguyên tử cacbon (thực chất là nhóm CHO và các nhóm CH) thì chỉ dao động

quay một góc rất nhỏ về hai phía của “mặt phẳng nhân benzen”, rồi trở về “trạng thái phẳng”( phần C6H5O có cấu trúc gần phẳng) Với nhóm OH cũng có khả năngquay quanh trục liên kết C-O (khi có lực tác động) nhưng khó hơn so với nguyên

tử H (gần giống OH của etanol), sau đó trở về trạng thái mà ở đó nguyên tử H

hướng ra khỏi “mặt phẳng nhân benzen”, tức là tâm của ba nguyên tử trong nhóm COH nằm trên mặt phẳng vuông góc với “mặt phẳng nhân benzen”.

II.2.2 Chuẩn bị vật liệu.

Vật liệu dùng để thiết kế gồm các loại cơ bản sau:

1 Các quả cầu bằng nhựa: Có thể dùng các quả bóng nhựa cũ, quả bóngném, bóng bàn hỏng, gồm có loại lớn (mô phỏng nguyên tử cacbon), loại vừa (môphỏng nguyên tử oxi) và nhỏ (mô phỏng nguyên tử hiđro) có kích cỡ bán kính

tương đương tỉ lệ r1/r2/r3 = 1,45/1,25/1 (tỉ lệ bán kính nguyên tử cacbon/ bán kínhnguyên tử oxi/ bán kính nguyên tử hiđro).

2.Các nam châm tròn bán kính khoảng bằng ½ lần bán kính quả cầu loạinhỏ Có thể tìm nam châm này ở các loa hỏng trong các quán sửa chữa điện, điệntử

3.Một ít sơn màu đen, trắng và màu đỏ

4.Một ít thanh kim loại như thép li, nan hoa (tăm) cũ của xe đạp, xe máy,keo dính, đế gỗ

II.2.3 Các thông số về kích thước, khoảng cách

a Các thông số về kích thước, khoảng cách của các nguyên tử, phân tử.Bán kính nguyên tử H: 0,53 Å

Bán kính nguyên tử C: 0,77 Å

Bán kính nguyên tử O: 0,66 Å

Khoảng cách giữa các nguyên tử trong các phân tử:

Etin Eten Etan Etanol Etanal AxitEtanoic Benzen PhenolR

CC 1,212Å 1,337Å 1,523Å 1,523Å 1,509Å 1,509Å 1,395Å 1,395ÅR

CH 1,090Å 1,100Å 1,113Å 1,113Å 1,113Å 1,113Å 1,100Å 1,100ÅR

b Các thông số về kích thước, khoảng cách của các mô hình

Bán kính quả cầu mô phỏng nguyên tử H: 2,50 cm

Bán kính quả cầu mô phỏng nguyên tử C: 3,65 cm

Bán kính quả cầu mô phỏng nguyên tử O: 3,15 cm

Khoảng cách giữa các nguyên tử trong mô hình các phân tử:

Eten

Etan

Etanol

Etanal

AxitEtanoic

Benzen

PhenolR

CC

5,72cm

6,31cm

7,18cm

7,18cm

7,12cm

7,12cm

6,58cm

6,58cmR

CH

5,14cm

5,19cm

5,25cm

5,25cm

5,25cm

5,25cm

5,19cm

5,19cmR

OH

4.44cm

4,58cm

4,58cmR

CO

6,61cm

6,31cm

6,39cmR

C=O

5,70cm

5,70cm

Số đo (trung bình) của các góc:

H

-C-H

H-C-C

H-C=C

H-O-C

C-C-O

C-C=O

O-C=O1

09,50

109,50

1

200

1

200

II.2.4 Tiến hành thiết kế

II.2.4.1 Xử lí, gia công vật liệu

Dùng hai đoạn ngắn ống nhựa phi 60 làm cốt cacbon Mỗi ống nhựa đượcdán kín bằng một đầu bằng miếng nhựa tròn, phẳng một đầu rồi gắn 3 nam châm(sấp) xen kẽ với 3 nam châm (ngửa) tạo thành vòng tròn bên trong miếng nhựatròn để làm cốt Trên ống nhựa mỗi cốt có gắn 3 chốt kim loại cách đều nhau làmchốt định vị Một trong hai cốt được gắn một thanh hãm có thể kéo ra, thu vào, cốtkia được khoét lỗ đủ cho thanh hãm quay một góc nhất định (dùng làm giảm gócquay quanh trục C-C của eten, etin), sơn đen cả hai được 2 cốt gọi là cốt C

Dùng hai đoạn ngắn ống nhựa phi 42 làm cốt oxi Gắn 2 nửa nam châm đốixứng tâm được cốt O1, cốt còn lại gọi là cốt O2, cần sơn đỏ cho cả hai cốt này

Thiết kế mô hình C, O, H

Dùng 2 quả bóng nhựa cỡ lớn, khoét lỗ tròn ở các quả bóng cho vừa cốt C.Trên mỗi quả bóng nhựa sau khi lắp cốt, được xuyên tâm (qua tâm quả bóng vàtâm của cốt C) để gắn trục nối 2 quả bóng nhựa gần nhau ở vị trí của 2 cốt C(trụcnày gọi là trục C-C) Trong mỗi quả bóng nhựa, gắn 3 lỗ cắm sao cho các góc cóđược khi nhìn từ tâm quả bóng đến tâm cốt và các lỗ cắm có giá trị khoảng 109,50

(các lỗ cắm nhóm 1), gắn thêm 2 lỗ cắm vào mỗi quả bóng sao cho các góc cóđược khi nhìn từ tâm quả bóng đến tâm cốt và các lỗ cắm có giá trị khoảng khoảng

1200 (các lỗ cắm nhóm 2) trong đố có 1 lỗ cắm nhóm 1 và 1 lỗ cắm nhóm 2 gầnnhau nhất Tiếp theo, dùng các nam châm gắn quanh 2 lỗ cắm liền kề nhau của mộttrong hai quả bóng tạo thành vòng tròn ta được mô hình nguyên tử C1, gọi lànguyên tử C1, mô hình còn lại gọi là nguyên tử C2 Sau khi sơn đen là đã hoànthành mô hình 2 nguyên tử cacbon C1 và C2

Dùng 2 quả bóng cỡ trung bình làm mô hình nguyên tử oxi Khoét lỗ tròn ởcác quả bóng cho vừa cốt O, trên một quả bóng nhựa sau khi lắp cốt O, đượcxuyên tâm (qua tâm quả bóng và tâm của cốt O) để gắn trục nối với mô hìnhnguyên tử cacbon (trục này gọi là trục C-O) Một trong hai quả bóng nhựa, gắnmột lỗ cắm sao cho lỗ cắm tạo với trục C-O một góc khoảng 1070 ta được mô hìnhnguyên tử oxi thứ nhất, gọi là nguyên tử O1, mô hình nguyên tử oxi còn lại gọi lànguyên tử O2, cần sơn đỏ cho cả nguyên tử O1 và O2

Dùng 6 quả bóng nhỏ làm mô hình nguyên tử hiđro Xuyên tâm các quảbóng để sau lấy thanh nan hoa gắn vào nguyên tử C, nguyên tử O, sơn trắng tađược mô hình các nguyên tử H

Dùng 6 quả bóng nhựa cỡ lớn làm mô hình nguyên tử C của vòng benzen.Mài vát các quả bóng, xuyên lỗ để gắn vào vòng thép Bên trong, ở vị trí kề nhaugiữa hai quả bóng được gắn 2 nam châm đối diện nhau, đỉnh ngoài mỗi quả bóngtạo một lỗ cắm để sau này gắn nguyên tử C, H, tạo ra bộ khung vòng benzen Mộttrong 6 quả bóng này (nên chọn quả bóng nằm hai bên) được gắn thêm 2 nửa namchâm tạo thành vòng quanh lỗ cắm giúp định vị cân bằng OH của phenol, mô hìnhnguyên tử cacbon này gọi là nguyên tử Cb1, sơn đen mô hình này ta được mô hìnhcác nguyên tử C của benzen

Thiết kê vòng benzen

Dùng các thanh nan hoa cắt bớt sao cho chiều dài đủ làm các trục C-C, C-O,C=O, CH, O-H, trục đứng cho các phân tử chứa 2 cacbon (etin, eten, etan, etanol,etanal, axit axitetanoic), làm trục đứng và khung cho các phân tử chứa 6 cacbon(bezen, phenol)

Để làm cho các bộ phận cần thiết quay được khi biểu diễn ta dùng môtơ nhỏchạy bằng nguồn 3 pin 1,5 v có gắn bảng mạch điều khiển từ xa (tận dụng từ xeđiều khiển hỏng của trẻ em) gắn vào trục đứng của các phân tử chứa 2 cacbon, gắnvào trục nguyên tử O1

II.2.4.2 Cách lắp ráp

II.2.4.2.1 Cách lắp ráp mô hình phân tử etan

Dùng thanh trục đứng lắp 2 nguyên tử C1, C2 sao cho nguyên tử C ở trêngắn tương đối chặt với trục ( khi môtơ làm tục quay nguyên tử C này quay theo),lắp vào mỗi nguyên tử C này 3 nguyên tử hiđro ở các lỗ cắm nhóm 1

Ở mô hình này,các nguyên tử H có thể quay quanh trục liên kết C-H, cáccụm nguyên tử CH3 có thể quay quanh trục liên kết C-C (khi có lực tác động từbên ngoài), sau đó phân tử etan tự động về trạng thái bền (xen kẽ - nhìn theo trụcliên kết C-C thấy ba nguyên tử hiđro ở cacbon số một và ba nguyên tử hiđro ởcacbon số hai lần lượt đan xen nhau)

Khi ta bật công tắc, bấm điều khiển từ xa, nhóm CH3 phía trên sẽ quay,nhóm CH3 phía dưới có thể quay theo nhưng chậm hơn Khi ngừng điều khiển thìchuyển động quay ở trên sẽ chậm dần và tự động về trạng thái bền (xen kẽ)

II.2.4.2.2 Cách lắp ráp mô hình phân tử eten

Dùng thanh trục (ngắn) C-C lắp 2 nguyên tử C1, C2, xoay cốt C1, C2 saocho 3 chốt ngập vào 3 rãnh cạn hơn ở trên các nguyên tử C1, C2 (làm giảm khoảngcách C1, C2 so với etan), lắp vào mỗi nguyên tử này 2 nguyên tử hiđro ở các lỗcắm nhóm 2, kéo thanh hãm để hạn chế góc quay giữa hai nhóm CH2 còn khoảng30-400

Với mô hình trên,các nguyên tử H có thể quay quanh trục liên kết C-H, cáccụm nguyên tử CH2 có thể dao động quay quanh trục liên kết C-C (khi có lực tácđộng từ bên ngoài) một góc nhất định, sau đó phân tử eten tự động về trạng tháibền ( tâm của 6 nguyên tử nằm trên một mặt phẳng)

Khi ta bật công tắc, bấm điều khiển từ xa, nhóm CH2 phía trên sẽ dao động(lúc lắc) Khi ngừng điều khiển thì chuyển động ở trên sẽ chậm dần và tự động vềtrạng thái bền (phẳng)

II.2.4.2.3 Cách lắp ráp mô hình phân tử etin