Polaryzacja cząsteczek

Zagadnienia

• Biegunowość
• Elektroujemność
• Wiązania
• Ładunek częściowy
• Dipol

Opis

Kiedy cząsteczka jest dipolem? Zmieniaj elektroujemność atomów w cząsteczce, aby zobaczyć, jak to wpływa na polaryzację. Zobacz jak cząsteczka zachowuje się w polu elektrycznym. Zmieniaj kąt wiązania aby zobaczyć, jak kształt wpływa na polaryzację. Zobacz jak to działa w przypadku rzeczywistych cząsteczek w 3D.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, styczeń 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła podstawowa, szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wskaż polarność za pomocą strzałki biegunowej lub ładunków cząstkowych
• Uszereguj wiązania w zależności od polarności
• Przewiduj polarność cząsteczki wykorzystując polarność wiązania i kształt cząsteczki

Przykładowe materiały teoretyczne

• Oddziaływanie dipol-dipol (ZPE)
• Wiązania chemiczne – kowalencyjne i kowalencyjne spolaryzowane (ZPE)
• Co to są czynniki elektrofilowe i jakie indywidua można do nich zaliczyć? (ZPE)
• Jakie są rodzaje dielektryków? (ZPE)
• Jak dielektryki zachowują się w zewnętrznym polu elektrycznym? (ZPE)
• Dipole elektryczne (OpenStax)
• Polarność (Wikipedia)
• Elektryczny moment dipolowy (Wikipedia)
• Polaryzacja wiązań chemicznych (Wikipedia)
• Polarność cząsteczek (Khan Academy)

Sterowanie symulacją

Ekran Dwa atomy (link bezpośredni)

Zmień elektroujemność atomów, zobacz wypadkowy potencjał elektrostatyczny lub gęstość elektronową i przewiduj polaryzację wiązań.

Ekran Trzy atomy (link bezpośredni)

Zbadaj związek między momentami dipolowymi wiązań a momentem dipolowym cząsteczki i obserwuj cząsteczkę w polu elektrycznym.

Ekran Cząsteczki rzeczywiste

Ekran nie jest obecnie dostępny w HTML5. Jeżeli Twoje urządzenie obsługuje Java, możesz pobrać i użyć wersji Java (plik .jar) tu lub uruchomić symulację za pomocą CheerpJ kompatybilnego z przeglądarką tu. Tę i inne wersje językowe znajdziesz pod adresem https://phet.colorado.edu/pl/simulations/legacy/molecule-polarity/translations

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Polaryzacja cząsteczek chcesz uwzględnić tylko pierwszy i drugi ekran (screens=1,2), z domyślnie otwartym drugim ekranem (initialScreen=2), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/molecule-polarity_all.html?screens=1,2&initialScreen=2

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/molecule-polarity_all.html?locale=pl&screens=1,2&initialScreen=2

Wskazuje, że dostęp do tego dostosowania można uzyskać też z menu Preferencje lub Opcje... w symulacji.

Parametr query i opis	Przykładowe linki
dipoleDirection - kierunek punktów dipola wiązania domyślnie wskazuje od cząstkowego dodatniego do cząstkowego ujemnego ładunku (positiveToNegative) i może być wyświetlany w odwrotnym kierunku (negativeToPositive).	dipoleDirection=negativeToPositive
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=2,1 screens=2
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false
supportsPanAndZoom - gdy true, umożliwia przesuwanie i powiększanie symulacji za pomocą pinch-to-zoom lub elementów sterujących zoomem przeglądarki.	supportsPanAndZoom=false

Menu Preferencje

Po kliknięciu ikony menu Preferencje otworzy się okno, w którym w sekcji Symulacja możemy zaznaczyć żądane opcje:

Gdy adres URL symulacji kończy się na "_all.html", dodatkowo pojawia się sekcja Lokalizacja, w której możemy dokonać wyboru języka:

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

• W wywiadach żaden z uczniów nie uznał, że można zmienić elektroujemność rzeczywistego atomu.

• Uczniowie mogą obracać cząsteczkę w 2D i zmieniać kąt wiązania (ekran Trzy atomy). W początkowych wywiadach wielu uczniów nie znalazło tej funkcji, więc dodano strzałki. Strzałki te zostaną usunięte, gdy uczeń wejdzie w interakcję z cząsteczkami.

Uproszczenia modelu

• Suwak elektroujemności ma zakres od 2 do 4, ale wartość ta nigdy nie jest wyświetlana. Wynikowa różnica elektroujemności między dwoma związanymi atomami waha się od 0 do 2.
• Momenty dipolowe wiązania są równoległe do osi wiązania, a ich długość jest liniowo proporcjonalna do różnicy elektroujemności. Należy pamiętać, że jest to uproszczenie; w rzeczywistości moment dipolowy nie zależy wyłącznie od elektroujemności.
• Moment dipolowy cząsteczki jest sumą wektorową momentów dipolowych wiązań. Na ekranie Dwa atomy moment dipolowy cząsteczki nie jest pokazany, ponieważ jest równoważny momentowi dipolowemu wiązania. Na ekranie Trzy atomy, manipulowanie elektroujemnością skutkuje zrozumieniem wpływu wartości wektorów przy sumowaniu, podczas gdy manipulowanie kątami wiązań skutkuje zrozumieniem wpływu kątów między wektorami.
• Wielkość ładunku cząstkowego atomu jest liniowo proporcjonalna do różnicy elektroujemności między związaną parą. Jeśli atom ma wyższą elektroujemność niż atom na drugim końcu wiązania, wówczas znak ładunku cząstkowego jest ujemny; w przeciwnym razie jest dodatni. W przypadku atomów, które uczestniczą w więcej niż jednym wiązaniu (np. atom B na ekranie Trzy atomy), ładunek cząstkowy wypadkowy jest sumą ładunków cząstkowych wniesionych przez każde wiązanie.
• Potencjał elektrostatyczny i gęstość elektronowa są liniowo proporcjonalne do różnicy elektroujemności ustawionej za pomocą suwaków. Powierzchnie te nie są zaimplementowane dla cząsteczki trójatomowej na ekranie Trzy atomy, ponieważ manipulowanie kątami wiązań skutkuje nieokreślonymi powierzchniami.
• Gdy pole elektryczne jest włączone, prędkość kątowa cząsteczki jest proporcjonalna do momentu dipolowego cząsteczki. Jeśli moment dipolowy cząsteczki jest niewielki (ale niezerowy), może ona obracać się przez kilka minut.
• Ekran Trzy atomy umożliwia uczniom zmianę kąta wiązania między zewnętrznymi atomami (A i C). Wiązania AB i BC są traktowane niezależnie, a model nie pozwala na odpychanie się tych atomów. Aby sprawdzić, w jaki sposób atomy odpychają się od siebie po zmianie kątów wiązań, zobacz symulację Kształty cząsteczek.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Przewiduj, jak zmiana elektroujemności wpłynie na polarność wiązania.
• Wyjaśnij związek między momentami dipolowymi wiązań a momentem dipolowym cząsteczki.
• Ustal, czy niepolarna cząsteczka może zawierać wiązania polarne.
• Opisz, w jaki sposób kąt wiązania ABC wpływa na moment dipolowy cząsteczki.
• Porównaj zachowanie cząsteczek niepolarnych i polarnych w zewnętrznym polu elektrycznym.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Polaryzacja cząsteczek tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).