St. Petersburg State Polytechnic University

สถาบันคณิตศาสตร์ประยุกต์และกลศาสตร์
ภาควิชากลศาสตร์ทฤษฎี

โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์

โครงการหลักสูตร

ทิศทางการอบรมปริญญาตรี 010800 กลศาสตร์และแบบจำลองทางคณิตศาสตร์

กลุ่ม 23604/1

ผู้จัดการโครงการ:

ยอมรับในการป้องกัน:

เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก

บทที่ 1 พลวัตของโมเลกุล 3

1.2 คู่ศักยภาพ 5

1.2.1 ศักยภาพของมอร์ส 5

1.2.2 ศักยภาพของเลนนาร์ด-โจนส์ 6

1.2.3 การเปรียบเทียบศักยภาพของมอร์สและเลนนาร์ด-โจนส์7

1.2.4 กราฟเปรียบเทียบศักย์และแรง 7

1.2.5 สรุปผล 9

1.2 โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ 9

บทที่ 2 เขียนโปรแกรม 10

2.1 ข้อกำหนดของโปรแกรม 10

2.2 รหัสโปรแกรม สิบเอ็ด

2.2.1 ตัวแปร สิบเอ็ด

2.2.2 ฟังก์ชันการสร้างอนุภาค 12

2.2.3 ฟังก์ชั่นฟิสิกส์14

2.2.4 ฟังก์ชันพาวเวอร์ 18

2.3 การเลือกพารามิเตอร์ที่เหมาะสม 19

ผลงาน 20

รายการอ้างอิง 21

บทนำและคำชี้แจงปัญหา

การสร้างแบบจำลองโมเลกุล แม้แต่โมเลกุลที่ง่ายที่สุดก็ยังเป็นงานที่ยาก ในการสร้างแบบจำลองนั้น จำเป็นต้องใช้ศักยภาพของอนุภาคจำนวนมาก แต่การเขียนโปรแกรมของพวกมันก็เป็นงานที่ยากมากเช่นกัน คำถามเกิดขึ้นว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะหาวิธีที่ง่ายกว่าในการสร้างแบบจำลองโมเลกุลที่ง่ายที่สุด

ศักยภาพที่จับคู่กันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างแบบจำลอง เพราะมีรูปแบบที่เรียบง่ายและง่ายต่อการตั้งโปรแกรม แต่จะนำไปใช้กับการสร้างแบบจำลองระดับโมเลกุลได้อย่างไร งานของฉันทุ่มเทเพื่อแก้ปัญหานี้

ดังนั้น งานที่กำหนดไว้ก่อนโครงการของฉันสามารถกำหนดได้ดังนี้ - เพื่อจำลองโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้ศักย์คู่ (แบบจำลอง 2 มิติ) และพิจารณาพลวัตของโมเลกุลที่ง่ายที่สุด

บทที่ 1 พลวัตของโมเลกุล

วิธีการพลวัตของโมเลกุลแบบคลาสสิก

วิธีการพลวัตของโมเลกุล (วิธี MD) เป็นวิธีการที่วิวัฒนาการชั่วขณะของระบบอะตอมหรืออนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กันจะถูกติดตามโดยการรวมสมการการเคลื่อนที่ของพวกมัน

บทบัญญัติพื้นฐาน:

กลศาสตร์คลาสสิกใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของอะตอมหรืออนุภาค กฎการเคลื่อนที่ของอนุภาคพบได้โดยใช้กลศาสตร์วิเคราะห์ แรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมสามารถแสดงได้ในรูปแบบของแรงศักย์แบบคลาสสิก (เป็นการไล่ระดับพลังงานศักย์ของระบบ) ความรู้ที่แน่นอนของวิถีของอนุภาคของระบบในช่วงเวลาที่ยาวนานนั้นไม่จำเป็นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของธรรมชาติมหภาค (อุณหพลศาสตร์) ชุดของการกำหนดค่าที่ได้รับในระหว่างการคำนวณโดยวิธีไดนามิกของโมเลกุลมีการกระจายตามฟังก์ชันการแจกแจงทางสถิติบางอย่าง เช่น ที่สอดคล้องกับการแจกแจงแบบไมโครคาโนนิคัล

วิธีการของโมเลกุลไดนามิกสามารถใช้ได้ถ้าความยาวคลื่นของอะตอม (หรืออนุภาค) เดอ บรอกลีนั้นเล็กกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมมาก

นอกจากนี้ พลวัตของโมเลกุลแบบคลาสสิกยังใช้ไม่ได้กับระบบการสร้างแบบจำลองที่ประกอบด้วยอะตอมของแสง เช่น ฮีเลียมหรือไฮโดรเจน นอกจากนี้ที่อุณหภูมิต่ำผลกระทบควอนตัมจะแตกหักและเพื่อพิจารณาระบบดังกล่าวจำเป็นต้องใช้วิธีการควอนตัม - เคมี จำเป็นที่เวลาที่พิจารณาพฤติกรรมของระบบจะนานกว่าเวลาผ่อนคลายของปริมาณทางกายภาพที่ศึกษา

วิธีการของพลวัตของโมเลกุลซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีนั้นแพร่หลายในด้านเคมีและตั้งแต่ทศวรรษ 1970 ในด้านชีวเคมีและชีวฟิสิกส์ มันมีบทบาทสำคัญในการกำหนดโครงสร้างของโปรตีนและการปรับแต่งคุณสมบัติของโปรตีน ถ้าปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุสามารถอธิบายได้ด้วยสนามแรง

1.2 คู่ศักยภาพ

ในงานของฉัน ฉันใช้สองศักยภาพ: Lennard-Jones และ Morse พวกเขาจะกล่าวถึงด้านล่าง

1.2.1 ศักยภาพของมอร์ส

D คือพลังงานพันธะ a คือความยาวพันธะ b คือพารามิเตอร์ที่กำหนดความกว้างของหลุมศักย์ไฟฟ้า

ค่าศักย์ไฟฟ้ามีพารามิเตอร์ไร้มิติหนึ่งค่า ba ที่ ba=6 ปฏิกิริยาระหว่างมอร์สและเลนนาร์ด-โจนส์อยู่ใกล้กัน เมื่อ ba เพิ่มขึ้น ความกว้างของหลุมที่มีศักยภาพสำหรับปฏิกิริยามอร์สจะลดลง และการโต้ตอบจะเข้มงวดและเปราะมากขึ้น

การลดลงของ ba นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่ตรงกันข้าม - หลุมที่มีศักยภาพขยายตัว ความแข็งแกร่งลดลง

แรงที่สอดคล้องกับศักยภาพของมอร์สคำนวณโดยสูตร:

หรือในรูปแบบเวกเตอร์:

1.2.2 ศักยภาพของเลนนาร์ด-โจนส์

ศักย์ไฟฟ้าคู่ของการโต้ตอบ กำหนดโดยสูตร:

r คือระยะห่างระหว่างอนุภาค D คือพลังงานพันธะ a คือความยาวพันธะ

ศักยภาพเป็นกรณีพิเศษของศักยภาพของมิเอะและไม่มีพารามิเตอร์ไร้มิติ

แรงโต้ตอบที่สอดคล้องกับศักยภาพของเลนนาร์ด - โจนส์คำนวณโดยสูตร

สำหรับศักยภาพของเลนนาร์ด-โจนส์ ความฝืดของพันธะ ความยาวพันธะวิกฤต และความแข็งแรงของพันธะ ตามลำดับ คือ

แรงเวกเตอร์ของการโต้ตอบถูกกำหนดโดยสูตร

นิพจน์นี้มีเพียงกำลังคู่ของระยะห่างระหว่างอะตอม r ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้การดำเนินการแยกรากในการคำนวณเชิงตัวเลขโดยวิธีพลวัตของอนุภาค

1.2.3 การเปรียบเทียบศักยภาพของมอร์สและเลนนาร์ด-โจนส์

ในการกำหนดศักยภาพ ให้พิจารณาแต่ละรายการจากมุมมองของการใช้งาน

ศักยภาพทั้งสองมีเงื่อนไขสองข้อ หนึ่งรับผิดชอบต่อสถานที่ท่องเที่ยว และอีกส่วนหนึ่งสำหรับสถานที่ท่องเที่ยว

ศักยภาพของมอร์สประกอบด้วยเลขชี้กำลังลบ ซึ่งเป็นหนึ่งในฟังก์ชันที่ลดลงเร็วที่สุด ผมขอเตือนคุณว่าเลขชี้กำลังมีรูปแบบสำหรับคำที่รับผิดชอบต่อการขับไล่ และสำหรับคำที่รับผิดชอบสำหรับแรงดึงดูด

ข้อดี:

ในทางกลับกันศักยภาพของ Lennard Jones มีฟังก์ชันกำลังของรูปแบบ

โดยที่ n = 6 สำหรับระยะที่รับผิดชอบต่อการดึงดูด และ n = 12 สำหรับระยะที่รับผิดชอบต่อการผลัก

ข้อดี:

ไม่จำเป็นต้องมีการดำเนินการรากที่สอง เนื่องจากพลังนั้นอยู่ในโปรแกรมการขึ้นและลงที่ราบรื่นยิ่งขึ้นเมื่อเทียบกับศักยภาพของมอร์ส

1.2.4 กราฟเปรียบเทียบศักย์และแรง

1.2.5 บทสรุป

จากกราฟเหล่านี้ สามารถสรุปได้ 1 ข้อ - ศักยภาพของมอร์สนั้นยืดหยุ่นกว่า ดังนั้นจึงเหมาะสมกับความต้องการของฉันมากกว่า เพราะจำเป็นต้องอธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคสามตัว และสิ่งนี้จะต้องใช้ศักยภาพ 3 ประเภท:

สำหรับปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนและคาร์บอน (สำหรับออกซิเจนแต่ละตัวในโมเลกุลเท่ากัน) สำหรับปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนในโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ (เรียกว่าเสถียร) สำหรับปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคจากโมเลกุลต่างๆ

ดังนั้น ในอนาคต ฉันจะใช้เฉพาะศักยภาพของมอร์ส และฉันจะไม่ใช้ชื่อนี้

1.2 โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์

คาร์บอนไดออกไซด์ (คาร์บอนไดออกไซด์) เป็นก๊าซที่ไม่มีกลิ่นและไม่มีสี โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์มีโครงสร้างเชิงเส้นและพันธะโควาเลนต์ แม้ว่าตัวโมเลกุลเองจะไม่ใช่ขั้วก็ตาม โมเมนต์ไดโพล = 0

คำนิยาม

คาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) (คาร์บอนไดออกไซด์)ภายใต้สภาวะปกติ มันเป็นก๊าซไม่มีสี หนักกว่าอากาศ มีความเสถียรทางความร้อน และเมื่อถูกบีบอัดและทำให้เย็นลง จะกลายเป็นสถานะของเหลวและของแข็ง ("น้ำแข็งแห้ง") ได้อย่างง่ายดาย

โครงสร้างของโมเลกุลแสดงในรูปที่ 1. ความหนาแน่น - 1.997 g / l ละลายได้ไม่ดีในน้ำ ทำปฏิกิริยากับมันบางส่วน แสดงคุณสมบัติที่เป็นกรด ฟื้นคืนสภาพด้วยโลหะออกฤทธิ์ ไฮโดรเจน และคาร์บอน

ข้าว. 1. โครงสร้างของโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์

สูตรรวมของคาร์บอนไดออกไซด์คือ CO 2 ดังที่ทราบมวลโมเลกุลของโมเลกุลเท่ากับผลรวมของมวลอะตอมสัมพัทธ์ของอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุล (ค่ามวลอะตอมสัมพัทธ์ที่นำมาจากตารางธาตุของ D.I. Mendeleev ถูกปัดเศษเป็นจำนวนเต็ม ).

นาย(CO 2) = Ar(C) + 2×Ar(O);

นาย(CO 2) \u003d 12 + 2 × 16 \u003d 12 + 32 \u003d 44

คำนิยาม

มวลกราม (M)คือมวล 1 โมลของสาร

ง่ายที่จะแสดงว่าค่าตัวเลขของมวลโมลาร์ M และมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ M r เท่ากัน อย่างไรก็ตาม ค่าแรกมีขนาด [M] = g/mol และค่าที่สองไม่มีมิติ:

M = N A × m (1 โมเลกุล) = N A × M r × 1 น. = (NA ×1 amu) × M r = × M r .

หมายความว่า มวลโมลาร์ของคาร์บอนไดออกไซด์เท่ากับ 44 ก./โมล.

มวลโมลาร์ของสารในสถานะก๊าซสามารถกำหนดได้โดยใช้แนวคิดของปริมาตรโมลาร์ของสารนั้น เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้หาปริมาตรที่ถูกครอบครองภายใต้สภาวะปกติโดยมวลจำนวนหนึ่งของสารที่กำหนด แล้วคำนวณมวลของสารนี้ 22.4 ลิตรภายใต้สภาวะเดียวกัน

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ (การคำนวณมวลโมลาร์) คุณสามารถใช้สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติได้ (สมการ Mendeleev-Clapeyron):

โดยที่ p คือความดันแก๊ส (Pa) V คือปริมาตรแก๊ส (m 3) m คือมวลของสาร (g) M คือมวลโมลาร์ของสาร (g / mol) T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ (K), R คือค่าคงที่แก๊สสากลเท่ากับ 8.314 J / (mol × K)

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่าง 1

ออกกำลังกาย	ทำสูตรผสมทองแดงกับออกซิเจนถ้าอัตราส่วนมวลของธาตุในนั้นคือ m (Cu) : m (O) = 4: 1
การตัดสินใจ	หามวลโมลาร์ของทองแดงและออกซิเจน (ค่ามวลอะตอมสัมพัทธ์ที่นำมาจากตารางธาตุของ D.I. Mendeleev จะถูกปัดเศษขึ้นเป็นจำนวนเต็ม) เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า M = Mr ซึ่งหมายถึง M(Cu) = 64 g/mol และ M(O) = 16 g/mol n (Cu) = m (Cu) / M (Cu); n (Cu) \u003d 4 / 64 \u003d 0.0625 โมล n (O) \u003d m (O) / M (O); n (O) \u003d 1/16 \u003d 0.0625 โมล ค้นหาอัตราส่วนโมลาร์: n(Cu) :n(O) = 0.0625: 0.0625 = 1:1, เหล่านั้น. สูตรผสมทองแดงกับออกซิเจนคือ CuO เป็นคอปเปอร์ (II) ออกไซด์
ตอบ	CuO

ตัวอย่าง 2

ออกกำลังกาย	ทำสูตรสำหรับสารประกอบของเหล็กกับกำมะถันถ้าอัตราส่วนของมวลของธาตุในนั้นคือ m (Fe): m (S) \u003d 7: 4
การตัดสินใจ	เพื่อที่จะค้นหาความสัมพันธ์ขององค์ประกอบทางเคมีในองค์ประกอบของโมเลกุล จำเป็นต้องค้นหาปริมาณของสาร เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าในการหาปริมาณของสารควรใช้สูตรดังนี้ หามวลโมลาร์ของธาตุเหล็กและกำมะถัน (ค่ามวลอะตอมสัมพัทธ์ที่นำมาจากตารางธาตุของ D.I. Mendeleev จะถูกปัดเศษขึ้นเป็นจำนวนเต็ม) เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า M = Mr ซึ่งหมายถึง M(S) = 32 g/mol และ M(Fe) = 56 g/mol จากนั้นปริมาณของสารขององค์ประกอบเหล่านี้เท่ากับ: n(S) = m(S) / M(S); n (S) \u003d 4 / 32 \u003d 0.125 โมล n (Fe) = m (Fe) / M (Fe); n (Fe) \u003d 7 / 56 \u003d 0.125 โมล ค้นหาอัตราส่วนโมลาร์: n(Fe):n(S) = 0.125: 0.125 = 1:1, เหล่านั้น. สูตรผสมทองแดงกับออกซิเจนคือ FeS เป็นธาตุเหล็ก (II) ซัลไฟด์
ตอบ	FeS

ให้เราทำความคุ้นเคยกับโครงสร้างของโมเลกุลสั้น ๆ นั่นคืออนุภาคที่มีอะตอมหลายตัวรวมกัน โดยทั่วไป มีสองวิธีในการสร้างโมเลกุลจากอะตอม

วิธีแรกของวิธีการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการเกิดขึ้นของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากอะตอมที่เป็นกลาง เราได้ระบุไว้ข้างต้นแล้วว่าอะตอมเป็นกลาง กล่าวคือ จำนวนประจุบวกในนิวเคลียส (จำนวนโปรตอน) จะสมดุลด้วยจำนวนประจุลบ กล่าวคือ จำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียส

ถ้าด้วยเหตุผลบางอย่าง อะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ในนิวเคลียสจะมีประจุบวกมากเกินไปซึ่งไม่สมดุลโดยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และอะตอมดังกล่าวจะกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก

อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้เรียกว่าไอออน มีส่วนช่วยในการก่อตัวของโมเลกุลจากอะตอม

การศึกษาคุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมีต่างๆ แสดงให้เห็นว่าในทุกกรณี เสถียรที่สุดคืออิเล็กตรอนที่โคจรรอบนอกถูกเติมอย่างสมบูรณ์ หรือมีจำนวนอิเล็กตรอนที่เสถียรที่สุด - 8

สิ่งนี้ได้รับการยืนยันอย่างยอดเยี่ยมจากตารางธาตุ ซึ่งองค์ประกอบที่เฉื่อยที่สุด (เช่น เสถียรและไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารอื่น) จะอยู่ในกลุ่มศูนย์

อย่างแรกคือฮีเลียมซึ่งมีหนึ่งวงโคจรที่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนสองตัว และก๊าซนีออน อาร์กอน คริปทอน ซีนอนและเรดอนซึ่งมีอิเล็กตรอนแปดตัวในวงโคจรชั้นนอก

ในทางตรงกันข้าม หากวงโคจรรอบนอกของอะตอมมีอิเล็กตรอนเพียง 1 หรือ 2 ตัว อะตอมดังกล่าวก็มีแนวโน้มที่จะให้อิเล็กตรอนเหล่านี้กับอะตอมอื่น ซึ่งในวงโคจรชั้นนอกไม่มีอิเล็กตรอน 1-2 ตัวจนถึงเลขแปด อะตอมดังกล่าวมีปฏิกิริยาโต้ตอบกันมากที่สุด

ยกตัวอย่าง โมเลกุลเกลือเรียกว่าเคมีโซเดียมคลอไรด์และก่อตัวขึ้นตามชื่อของมันจากอะตอมของโซเดียมและคลอรีน อะตอมโซเดียมมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในวงโคจรชั้นนอก และอะตอมของคลอรีนมีอิเล็กตรอนเจ็ดตัว

หากอะตอมทั้งสองนี้เข้าหากัน อิเล็กตรอนของโซเดียมหนึ่งตัวซึ่งอยู่ในวงโคจรชั้นนอกและ "เกาะติด" กับอะตอมอย่างอ่อน สามารถแตกตัวออกจากมันและไปที่อะตอมของคลอรีน ซึ่งมันจะเป็นอิเล็กตรอนตัวที่แปดใน วงโคจรรอบนอก (รูปที่ 4 ,a)

อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงนี้ ไอออนสองอันเกิดขึ้น: โซเดียมไอออนบวกและคลอรีนไอออนลบ (รูปที่ 4b) ซึ่งถูกดึงดูดซึ่งกันและกันและก่อตัวเป็นโมเลกุลโซเดียมคลอไรด์ซึ่งสามารถแสดงเป็นลูกบอลสองลูกที่ดึงเข้าด้วยกัน สปริง (รูปที่ 4c) .

วิธีที่สองในการสร้างโมเลกุลจากอะตอมคือเมื่ออะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปเข้าหากัน อิเล็กตรอนที่ตั้งอยู่ที่อะตอมเหล่านี้ในวงโคจรรอบนอกจะถูกจัดเรียงใหม่ในลักษณะที่สัมพันธ์กับอะตอมสองอะตอมขึ้นไป อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรชั้นในยังคงเชื่อมโยงกับอะตอมนี้เท่านั้น

ในกรณีนี้ มีความปรารถนาที่จะสร้างวงโคจรที่เสถียรที่สุดของอิเล็กตรอนแปดตัว

ให้เรายกตัวอย่างของโมเลกุลดังกล่าว

ลองมาดูโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนและอะตอมของออกซิเจนสองอะตอม ในระหว่างการก่อตัวของโมเลกุลนี้ การจัดเรียงอิเล็กตรอนของวงโคจรชั้นนอกของอะตอมเหล่านี้จะเกิดขึ้น (รูปที่ 5)

อะตอมของคาร์บอนปล่อยอิเล็กตรอน 2 ตัวในวงโคจรชั้นในที่ผูกไว้กับนิวเคลียส และอิเล็กตรอนสี่ตัวในวงโคจรชั้นนอกจะกระจายโดยอิเล็กตรอน 2 ตัวไปยังอะตอมของออกซิเจนแต่ละอะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมจะบริจาคอิเล็กตรอน 2 ตัวเพื่อสร้างพันธะร่วมกันของอะตอมคาร์บอน

ดังนั้นอิเล็กตรอนสองคู่จึงมีส่วนร่วมในพันธะคาร์บอน - ออกซิเจนซึ่งเป็นผลมาจากการที่อะตอมทั้งสามของโมเลกุลดังกล่าวมีวงโคจรภายนอกที่เสถียรซึ่งอิเล็กตรอนแปดตัวหมุน

อย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้ว โมเลกุลไม่เพียงก่อตัวขึ้นจากองค์ประกอบต่างๆ แต่ยังมาจากอะตอมที่เหมือนกันด้วย

การก่อตัวของโมเลกุลดังกล่าวยังอธิบายได้ด้วยความปรารถนาที่จะมีอิเล็กตรอนจำนวนแปดเท่าในวงโคจรรอบนอกที่เสถียรที่สุด

ตัวอย่างเช่น อะตอมออกซิเจนซึ่งมีอิเล็กตรอน 2 ตัวในวงโคจรชั้นในและ 6 อิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นนอก ขาดอิเล็กตรอน 2 ตัวเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมแปดมิติ

ดังนั้นอะตอมเหล่านี้จึงเชื่อมต่อกันเป็นคู่สร้างโมเลกุลออกซิเจน O 2 ซึ่งอิเล็กตรอนสองตัวจากแต่ละอะตอมจะถูกทำให้เป็นลักษณะทั่วไปหลังจากนั้นอิเล็กตรอนแปดตัวจะหมุนรอบตัวพวกเขาในวงโคจรด้านนอก

เมื่อโมเลกุลถูกสร้างขึ้นตามวิธีที่สอง เมื่อมีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอม จุดศูนย์กลางของอะตอมจะต้องเข้าใกล้มากกว่าวิธีแรก เมื่อเกิดแรงดึงดูดร่วมกันของไอออนที่มีประจุตรงข้ามกันเท่านั้น

ดังนั้นหากในวิธีแรกเราสามารถจินตนาการถึงโมเลกุลดังกล่าวในรูปแบบของลูกบอลไอออนสัมผัสสองลูก (รูปที่ 4, c) ซึ่งไม่เปลี่ยนขนาดและรูปร่างของมัน ดังนั้นในวิธีที่สอง อะตอมทรงกลมดูเหมือนจะเป็น แบน

วิธีการสมัยใหม่ในการศึกษาโครงสร้างของสารทำให้ไม่เพียงแต่รู้ว่าอะตอมของโมเลกุลต่างๆ ประกอบด้วยอะไรบ้าง แต่ยังรวมถึงวิธีการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลด้วย กล่าวคือ โครงสร้างของโมเลกุลเหล่านี้มีระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่ ประกอบเป็นโมเลกุล

ในรูป รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างของโมเลกุลออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ รวมถึงการจัดเรียงนิวเคลียสของอะตอมในโมเลกุลเหล่านี้ ซึ่งบ่งชี้ระยะห่างระหว่างนิวเคลียร์ในอังสตรอม

โมเลกุลออกซิเจนซึ่งประกอบด้วยอะตอมสองอะตอมมีรูปร่างเป็นลูกบอลบีบอัดสองลูกโดยมีระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอม 1.20 A โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งประกอบด้วยอะตอมสามตัวมีรูปร่างเป็นเส้นตรงโดยมีอะตอมของคาร์บอนอยู่ตรงกลางและอะตอมออกซิเจนสองอะตอมตั้งอยู่ทั้งสองด้านเป็นเส้นตรงโดยมีระยะห่างระหว่างนิวเคลียร์ 1.15 A

ข้าว. 6. โครงสร้างของโมเลกุล: เอ - การจัดเรียงของอะตอม; b - การจัดเรียงของนิวเคลียสของอะตอม 1 - โมเลกุลออกซิเจน O 2; 2 - โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ CO 2

คำนิยาม

คาร์บอนไดออกไซด์(คาร์บอนมอนอกไซด์ (IV), คาร์บอนไดออกไซด์, คาร์บอนไดออกไซด์) ภายใต้สภาวะปกติเป็นก๊าซไม่มีสี หนักกว่าอากาศ มีความเสถียรทางความร้อน และเมื่อถูกบีบอัดและทำให้เย็นลง จะกลายเป็นสถานะของเหลวและของแข็ง (“น้ำแข็งแห้ง”) ได้อย่างง่ายดาย

มันละลายได้ไม่ดีในน้ำ ทำปฏิกิริยากับมันบางส่วน

ค่าคงที่คาร์บอนไดออกไซด์หลักแสดงไว้ในตารางด้านล่าง

ตารางที่ 1. คุณสมบัติทางกายภาพและความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์

คาร์บอนไดออกไซด์มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพ (การสังเคราะห์ด้วยแสง) โดยธรรมชาติ (ปรากฏการณ์เรือนกระจก) และธรณีเคมี (การละลายในมหาสมุทรและการก่อตัวของคาร์บอเนต) ในปริมาณมากจะเข้าสู่สิ่งแวดล้อมอันเป็นผลมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ของเสียที่เน่าเปื่อย ฯลฯ

องค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์

องค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์แสดงโดยสูตรเชิงประจักษ์ CO 2 โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ (รูปที่ 1) เป็นเส้นตรง ซึ่งสอดคล้องกับแรงผลักขั้นต่ำของคู่อิเล็กตรอนที่จับ ความยาวของพันธะ C=H คือ 0.116 นาโนเมตร และพลังงานเฉลี่ยของมันคือ 806 kJ/โมล ในกรอบของวิธีการของพันธะเวเลนซ์นั้น σ-bond สองตัว С-О นั้นเกิดจากการโคจรของ sp-hybridized ของอะตอมคาร์บอนและ 2p z - ออร์บิทัลของอะตอมออกซิเจน ออร์บิทัล 2p x และ 2p y ของอะตอมคาร์บอนที่ไม่มีส่วนร่วมในการผสมพันธุ์ sp ซ้อนทับกับออร์บิทัลของอะตอมออกซิเจนที่คล้ายคลึงกัน ในกรณีนี้จะเกิด π-ออร์บิทัลสองวง ซึ่งอยู่ในระนาบตั้งฉากซึ่งกันและกัน

ข้าว. 1. โครงสร้างของโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์

เนื่องจากการจัดเรียงอะตอมของออกซิเจนอย่างสมมาตร โมเลกุลของ CO 2 จึงไม่มีขั้ว ดังนั้น ไดออกไซด์จึงละลายได้เล็กน้อยในน้ำ (CO 2 ปริมาตรหนึ่งในปริมาตร H 2 O หนึ่งปริมาตรที่ 1 atm และ 15 o C) การไม่มีขั้วของโมเลกุลทำให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอและอุณหภูมิต่ำของจุดสามจุด: t = -57.2 o C และ P = 5.2 atm

คำอธิบายโดยย่อของคุณสมบัติทางเคมีและความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์

ในทางเคมี คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารเฉื่อย ซึ่งเกิดจากพลังงานสูงของพันธะ O=C=O ด้วยตัวรีดิวซ์อย่างแรงที่อุณหภูมิสูง คาร์บอนไดออกไซด์จะแสดงคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ ด้วยถ่านหินจะลดลงเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ CO:

C + CO 2 \u003d 2CO (t \u003d 1,000 o C)

แมกนีเซียมที่จุดไฟในอากาศยังคงเผาไหม้ในบรรยากาศของคาร์บอนไดออกไซด์:

CO 2 + 2Mg \u003d 2MgO + C.

คาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) ทำปฏิกิริยากับน้ำบางส่วน:

CO 2 (ล.) + H 2 O \u003d CO 2 × H 2 O (ล.) ↔ H 2 CO 3 (ล.)

แสดงคุณสมบัติที่เป็นกรด:

CO 2 + NaOH เจือจาง = NaHCO 2 ;

CO 2 + 2NaOH conc \u003d Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 ↓ + H 2 O;

CO 2 + BaCO 3 (s) + H 2 O \u003d Ba (HCO 3) 2 (ล.)

เมื่อถูกความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000 o C คาร์บอนไดออกไซด์จะสลายตัว:

2CO 2 \u003d 2CO + O 2

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่าง 1

ออกกำลังกาย	ในระหว่างการเผาไหม้สารอินทรีย์ 0.77 กรัมซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนไฮโดรเจนและออกซิเจนจะเกิดคาร์บอนไดออกไซด์ 2.4 กรัมและน้ำ 0.7 กรัม ความหนาแน่นไอของสารในแง่ของออกซิเจนคือ 1.34 กำหนดสูตรโมเลกุลของสาร
การตัดสินใจ	m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C); ม.(C)=×12=0.65 ก.; ม. (H) \u003d 2 × 0.7 / 18 × 1 \u003d 0.08 ก. ม.(O) \u003d m (C x H y O z) - ม. (C) - ม. (H) \u003d 0.77 - 0.65 - 0.08 \u003d 0.04 กรัม x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O); x:y:z = 0.65/12:0.08/1: 0.04/16; x:y:z = 0.054: 0.08: 0.0025 = 22:32:1 ซึ่งหมายความว่าสูตรที่ง่ายที่สุดของสารประกอบคือ C 22 H 32 O และมวลโมลาร์ของมันคือ 46 g / mol ค่ามวลโมลาร์ของสารอินทรีย์สามารถกำหนดได้โดยใช้ความหนาแน่นของออกซิเจน: M สาร = M(O 2) × D(O 2) ; M สาร \u003d 32 × 1.34 \u003d 43 g / mol M สาร / M (C 22 H 32 O) \u003d 43 / 312 \u003d 0.13 ดังนั้นสัมประสิทธิ์ทั้งหมดในสูตรจึงต้องคูณด้วย 0.13 ดังนั้นสูตรโมเลกุลของสารจะมีลักษณะเหมือน C 3 H 4 O
ตอบ	สูตรโมเลกุลของสาร C 3 H 4 O

ตัวอย่าง 2

ออกกำลังกาย	เมื่อเผาอินทรียวัตถุที่มีน้ำหนัก 10.5 กรัม จะได้คาร์บอนไดออกไซด์ 16.8 ลิตร (N.O. ) และน้ำ 13.5 กรัม ความหนาแน่นไอของสารในอากาศเท่ากับ 2.9 ได้สูตรโมเลกุลของสาร
การตัดสินใจ	มาวาดโครงร่างสำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ของสารประกอบอินทรีย์ซึ่งแสดงจำนวนอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็น "x", "y" และ "z" ตามลำดับ: C x H y O z + O z →CO 2 + H 2 O. ให้เรากำหนดมวลของธาตุที่ประกอบเป็นสารนี้ ค่ามวลอะตอมสัมพัทธ์ที่นำมาจากตารางธาตุของ D.I. Mendeleev ปัดเศษขึ้นเป็นจำนวนเต็ม: Ar(C) = 00.00 น. Ar(H) = 1 น. Ar(O) = 16 น. m(C) = n(C)×M(C) = n(CO 2)×M(C) = ×M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H 2 O)×M(H) = ×M(H); คำนวณมวลโมลาร์ของคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ดังที่ทราบมวลโมลาร์ของโมเลกุลเท่ากับผลรวมของมวลอะตอมสัมพัทธ์ของอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุล (M = Mr): M(CO 2) \u003d Ar (C) + 2 × Ar (O) \u003d 12+ 2 × 16 \u003d 12 + 32 \u003d 44 g / mol; M(H 2 O) \u003d 2 × Ar (H) + Ar (O) \u003d 2 × 1 + 16 \u003d 2 + 16 \u003d 18 g / mol ม.(C) = ×12 = 9 กรัม; ม.(H) \u003d 2 × 13.5 / 18 × 1 \u003d 1.5 กรัม m(O) \u003d m (C x H y O z) - m (C) - m (H) \u003d 10.5 - 9 - 1.5 \u003d 0 g มากำหนดสูตรเคมีของสารประกอบกัน: x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H); x:y = 9/12: 1.5/1; x:y = 0.75: 1.5 = 1: 2 ซึ่งหมายความว่าสูตรที่ง่ายที่สุดของสารประกอบคือ CH 2 และมวลโมลาร์ของมันคือ 14 ก. / โมล ค่ามวลโมลาร์ของสารอินทรีย์สามารถกำหนดได้โดยใช้ความหนาแน่นในอากาศ: Msubstance = M(อากาศ) × D(อากาศ) ; M สาร \u003d 29 × 2.9 \u003d 84 g / mol ในการหาสูตรที่แท้จริงของสารประกอบอินทรีย์ เราหาอัตราส่วนของมวลโมลาร์ที่ได้รับ: M สาร / M (CH 2) \u003d 84 / 14 \u003d 6 ซึ่งหมายความว่าดัชนีของอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนควรสูงกว่า 6 เท่า กล่าวคือ สูตรของสารจะมีลักษณะเหมือน C 6 H 12
ตอบ	สูตรโมเลกุลของสาร C 6 H 12

แต่ถ้าโมเลกุลจากอะตอมเดียวกันต่างกันมาก โมเลกุลจากอะตอมต่างกันจะต้องมีความหลากหลายขนาดไหน! ลองดูอีกครั้งในอากาศ - บางทีเราอาจพบโมเลกุลดังกล่าวที่นั่นด้วย? แน่นอนเราจะทำ!
คุณรู้หรือไม่ว่าโมเลกุลใดที่คุณหายใจออกในอากาศ? (แน่นอน ไม่ใช่แค่คุณ - ทุกคนและสัตว์ทั้งหมด) โมเลกุลของเพื่อนเก่าของคุณ - คาร์บอนไดออกไซด์! ฟองอากาศของคาร์บอนไดออกไซด์จะทำให้ลิ้นของคุณรู้สึกเสียวซ่าเมื่อคุณดื่มน้ำอัดลมหรือน้ำมะนาว ชิ้นส่วนของน้ำแข็งแห้งที่ใส่ในกล่องไอศกรีมก็ทำจากโมเลกุลดังกล่าวเช่นกัน น้ำแข็งแห้งเป็นของแข็งคาร์บอนไดออกไซด์
ในโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ อะตอมของออกซิเจนสองอะตอมจะถูกยึดจากด้านตรงข้ามกับอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอม "คาร์บอน" หมายถึง "ผู้ให้กำเนิดถ่านหิน" แต่คาร์บอนให้กำเนิดมากกว่าถ่านหิน เมื่อคุณวาดด้วยดินสอธรรมดาๆ เศษกราไฟต์เล็กๆ จะยังคงอยู่บนกระดาษ - พวกมันยังประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนด้วย เพชรและเขม่าธรรมดาถูก "สร้าง" จากพวกมัน อะตอมเดียวกันอีกครั้ง - และสารที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง!
เมื่ออะตอมของคาร์บอนรวมกันไม่เพียงแต่รวมกันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอะตอม "ต่างประเทศ" ด้วย สารต่างๆ จึงถือกำเนิดขึ้นจนนับได้ยาก! โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารจำนวนมากเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนรวมกับอะตอมของก๊าซที่เบาที่สุดในโลก - ไฮโดรเจน สารทั้งหมดเหล่านี้เรียกว่าชื่อสามัญ - ไฮโดรคาร์บอน แต่ไฮโดรคาร์บอนแต่ละชนิดมีชื่อเป็นของตัวเอง
มีการพูดถึงไฮโดรคาร์บอนที่ง่ายที่สุดในข้อที่คุณทราบ: “แต่เรามีก๊าซในอพาร์ตเมนต์ของเรา - นี่แหละ!” ชื่อของก๊าซที่เผาไหม้ในครัวคือมีเทน โมเลกุลมีเทนมีอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอมและอะตอมของไฮโดรเจนสี่อะตอม ในเปลวไฟของเตาในครัว โมเลกุลมีเทนถูกทำลาย อะตอมของคาร์บอนรวมกับออกซิเจนสองอะตอม และคุณจะได้โมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ที่คุ้นเคยอยู่แล้ว อะตอมของไฮโดรเจนยังรวมกับอะตอมของออกซิเจนและด้วยเหตุนี้จึงได้โมเลกุลของสารที่สำคัญและจำเป็นที่สุดในโลก!
โมเลกุลของสารนี้ยังอยู่ในอากาศ - มีจำนวนมากอยู่ที่นั่น อย่างไรก็ตาม คุณยังมีส่วนร่วมในเรื่องนี้ในระดับหนึ่ง เพราะคุณหายใจเอาโมเลกุลเหล่านี้ไปในอากาศพร้อมกับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ สารนี้คืออะไร? ถ้าคุณไม่เดา ให้หายใจเอาแก้วเย็นๆ แล้วน้ำอยู่ตรงหน้าคุณ!

น่าสนใจ:
โมเลกุลมีขนาดเล็กมากจนถ้าเราเรียงโมเลกุลของน้ำหนึ่งร้อยล้านโมเลกุลทีละเส้น เส้นทั้งหมดนี้จะพอดีระหว่างไม้บรรทัดสองตัวที่อยู่ติดกันในสมุดบันทึกของคุณ แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังค้นพบว่าโมเลกุลของน้ำเป็นอย่างไร นี่คือรูปของเธอ จริงอยู่มันดูเหมือนหัวลูกหมีวินนี่เดอะพูห์! ดูสิว่าคุณหูหนวกแค่ไหน! แน่นอนว่านี่ไม่ใช่หู แต่เป็นอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอมที่ติดอยู่กับ "หัว" - อะตอมออกซิเจน แต่เรื่องตลกก็เป็นเรื่องตลก แต่จริงๆ แล้ว "การอุดหู" เหล่านี้เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติพิเศษของน้ำหรือไม่?