Номер 5, страница 15 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Для выполнения задания необходимо воспользоваться специализированным программным обеспечением для молекулярного моделирования. Существует множество таких программ, включая бесплатные и доступные для образовательных целей.

Построение 3D-моделей молекул метана, этана и этилового спирта

1. Выбор и установка программы.
Для построения 3D-моделей можно найти в Интернете и использовать одну из следующих программ:

• Avogadro: Бесплатный, кроссплатформенный редактор молекул с открытым исходным кодом. Идеально подходит для начинающих благодаря интуитивному интерфейсу для "сборки" молекул.
• MolView: Бесплатный онлайн-сервис, который не требует установки. Позволяет строить молекулы и просматривать их 3D-структуры прямо в браузере.
• ChemSketch: Бесплатная программа от компании ACD/Labs (требуется регистрация на сайте), которая позволяет рисовать 2D-структуры и генерировать из них 3D-модели для просмотра.

2. Построение моделей.
В выбранной программе необходимо последовательно "собрать" молекулы из атомов углерода ($C$), водорода ($H$) и кислорода ($O$), соединяя их одинарными связями. Большинство программ автоматически добавляют атомы водорода для насыщения валентностей. После построения рекомендуется применить функцию оптимизации геометрии, чтобы программа рассчитала наиболее устойчивую пространственную структуру.

3. Описание построенных моделей.

• Метан ($CH_4$): Модель представляет собой правильный тетраэдр. В его центре расположен атом углерода, а в вершинах — четыре атома водорода. Все связи $C-H$ одинаковы по длине, а валентные углы $H-C-H$ составляют $109.5^{\circ}$.
• Этан ($C_2H_6$): Модель состоит из двух атомов углерода, соединенных одинарной связью ($C-C$). Каждый атом углерода дополнительно связан с тремя атомами водорода. Пространственно это выглядит как два соединенных основаниями тетраэдра. Модель позволяет наблюдать свободное вращение вокруг связи $C-C$, демонстрируя различные конформации (заторможенную и заслоненную).
• Этиловый спирт (этанол, $C_2H_5OH$): Модель похожа на этан, но у одного из атомов углерода один атом водорода заменен на гидроксильную группу ($-OH$). Наличие полярной группы $-OH$ придает молекуле асимметрию и полярность. Валентные углы вокруг атомов углерода и кислорода близки к тетраэдрическому ($109.5^{\circ}$).

Ответ: Для построения 3D-моделей можно использовать бесплатные программы, такие как Avogadro или MolView. Построенные модели наглядно демонстрируют тетраэдрическое строение атомов углерода в молекулах метана ($CH_4$), этана ($C_2H_6$) и этанола ($C_2H_5OH$), а также наличие функциональной гидроксильной группы в молекуле спирта.

Какие возможности предоставляет виртуальное моделирование для изучения химического строения веществ?

Виртуальное моделирование является мощным инструментом в химии, который открывает следующие возможности:

• Трехмерная визуализация: Позволяет наглядно представить пространственное строение молекулы, которое сложно понять из плоских схем. Пользователь может вращать модель, приближать и удалять ее, чтобы рассмотреть с любого ракурса.
• Анализ геометрических параметров: Можно точно измерить длины химических связей, валентные углы (между тремя атомами) и торсионные (двугранные) углы (между четырьмя атомами). Это помогает понять, как геометрия влияет на свойства и стабильность молекулы.
• Изучение изомерии: Виртуальные модели позволяют легко создавать и сравнивать различные виды изомеров: структурные, пространственные (стереоизомеры), оптические (энантиомеры). Это делает изучение сложной темы изомерии более интуитивным.
• Моделирование динамических процессов: Можно наблюдать за вращением фрагментов молекулы вокруг одинарных связей (конформационный анализ), а также моделировать колебания атомов, что дает представление о том, что молекулы не являются жесткими статичными структурами.
• Визуализация электронных свойств: Программы могут рассчитывать и отображать карты электростатического потенциала, показывая распределение заряда в молекуле. Это помогает выявлять реакционные центры (участки с избытком или недостатком электронной плотности) и прогнозировать химическую активность.
• Безопасность и экономичность: Позволяет изучать любые, в том числе опасные и дорогие, вещества без контакта с ними, что делает процесс обучения безопасным и не требующим затрат на реагенты и оборудование.

Ответ: Виртуальное моделирование предоставляет уникальные возможности для изучения химического строения, включая наглядную 3D-визуализацию молекул, точное измерение их геометрических параметров, интерактивное изучение изомерии и динамики, анализ электронных свойств для предсказания реакционной способности, а также обеспечивает безопасную и доступную среду для обучения.