Метод моделирования в химии - ABCD42.RU

Метод моделирования в химии

Метод моделирования на уроках химии
статья по химии (10 класс)

В статье рассказывается об использовании метода моделирования на уроках химии

Скачать:

Вложение Размер
Выступление на научно -практической конференции 56 КБ

Предварительный просмотр:

«Моделирование как метод познания на уроках химии».

Секция «Современные образовательные технологии на уроках естественно- математического цикла».

Учитель химии Енилина Светлана Николаевна, ГБОУ СОШ №16

Одно из направлений работы школы в настоящее время состоит в модернизации содержания образования, адекватного потребностям общества. Основное внимание в этой работе уделено профилизации обучения.

Профильное обучение рассматривается как средство дифференциации и индивидуализации обучения. Переход к профильному обучению преследует несколько целей. Среди них – обеспечение углубленного изучения отдельных предметов, обеспечение преемственности между общим и профессиональным образованием, а также более эффективная подготовка выпускников школы к освоению программ высшего профессионального образования. Очень важны для достижения высоких результатов инновации. Главным показателем инновации является прогрессивное начало в развитии школы. Поэтому инновации в системе образования могут внести изменения в организацию учебно-познавательного процесса.

Мой инновационный опыт методической работы заключается в выборе метода обучения — моделирование, где в качестве средства педагогического процесса выбрано моделирование молекул веществ. Несомненно, данное нововведение является единичным, модификацией известного, видоизменением уже принятого. Источником идеи обновления послужило творчество и интуиция, педагогический опыт, как путь проб и ошибок.

Как с помощью метода моделирования повысить теоретический уровень знаний по курсу неорганической и органической химии.

раскрыть значение метода моделирования, ознакомить с методами моделирования при изучении химии.

  • формирование устойчивого интереса к учебному предмету химия;
  • формирование умения работать по предложенным инструкциям;
  • формирование умения творчески подходить к решению задачи;
  • формирование умения довести решение задачи до работающей модели;
  • формирование умения излагать мысли в четкой логической последовательности, находить ответы на вопросы путем логических рассуждений, созданий моделей.
  • формирование умения работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.
  • подготовка к ОГЭ и ЕГЭ.

Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Модель – это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

Метод моделирования способствует изучению темы более быстрыми темпами.

Облегчает самостоятельное выполнение заданий творческого характера.

Обеспечивает динамичность подачи информации, что позволяет снижать перегрузку учащихся.

Позволяет фиксировать моменты целостности изучаемых объектов химии, как в условном, так и в абстрактном виде.

В химии моделирование занимает одно из ведущих мест, потому что непосредственное наблюдение внутреннего мира веществ невозможно.

Модель позволяет выделить наиболее существенные стороны объекта, обратить на них особое внимание. Например, при рассмотрении моделей строения молекул предельных углеводородов акцент делается на тетраэдрическое строение атома углерода. Модели можно использовать для проблемного изложения. Например, выяснив вопрос о тетраэдрическом строении молекулы метана, можно будет поставить перед учащимися проблему о пространственном строении его гомологов.

В процессе моделирования ученику необходимо проделывать логические операции – сравнение и аналогию, анализ и синтез, систематизацию и обобщение. В основе выполнения моделей лежат умственные действия. Составление моделей способствует у ученика развитию мотивационной сферы, интеллекта, способности контролировать и управлять своей учебно-познавательной деятельностью.

В процессе моделирования у обучающихся успешно формируется предметная химическая компетентность. Компетентность заключается в развитии представлений о том, что окружающий мир состоит из веществ, которые характеризуются определенной структурой, свойствами и применением веществ, в формировании химического мышления, умения анализировать явления окружающего мира в химических терминах, способности говорить и думать на химическом языке.

В процессе обучения химии я использую различные модели: знаковые (молекулярные и структурные формулы, символы элементов, уравнения реакций);

шаростержневые модели молекул, кристаллических решеток;

модели гибридных облаков с помощью воздушных шаров;

компьютерное информационное моделирование;

При изготовлении моделей используется пластелин, мягкая глина, соленое тесто, деревянные палочки. В неорганической химии метод моделирования применяю при изучении тем «методы изучения химии», «классификация веществ», «виды кристаллических решеток», «виды химической связи», «аллотропные соединения»

Так как органические вещества – это соединения элемента углерода, то шар будет символизировать атом углерода, а стержень – химические связи между атомами в молекуле. Шары должны быть разных цветов. Для атомов углерода используем например белый цвет, по аналогии окраски шариков в шаростержневых моделях. Если потребуется показать наличие заместителя, например, атом галогена или функциональную группу, необходимо применить шарику другого цвета: для атома галогена – зелёный цвет, для функциональной гидроксогруппы – красный, аминогруппы – синий. Так как моделирование рассчитано только на изображение углеродного скелета молекулы вещества, атомы водорода показывать не обязательно (на усмотрение учителя).

Моделированию молекул веществ с помощью шаростержневых моделей, способствует формированию понятия «пространственное строение вещества».

Воздушные шары как модели гибридных облаков углеродных атомов применяю для формирования у школьников понятия «электронное строение вещества». Шаростержневые модели молекул позволяют объяснить ученикам расположение атомов в молекуле в пространстве. Данные средства обучения применяю широко в течение всего курса обучения.

Моделирование углеродного скелета молекул веществ можно использовать при объяснении нового материала, при повторении, закреплении пройденного, возможно организовать домашнюю работу по выполнению упражнений. Формы обучения могут быть также различными: работа одного ученика, работа в паре или в малокомплектной группе.

С помощью воздушных шаров, демонстрируя формы s- и p- орбиталей, можно объяснить механизм образования ковалентной связи, способы перекрывания орбиталей, познакомить с длиной химической связи. А также рассмотреть три валентных состояния атома углерода как следствие sp 3 -, sp 2 — и sp-гибридизации .

Классическая теория химического строения даёт возможность судить о порядке соединения атомов в молекулах, позволяет отражать строение в виде структурных формул, по строению предсказывать их свойства. Структурные формулы – основа научного языка органической химии, с их помощью формируются многие химические понятия. Уже с первого урока учащиеся должны уметь составлять молекулярные и структурные формулы веществ, знать причины многообразия органических соединений. Применяя моделирование углеродного скелета молекул веществ, этих требований к уровню подготовки обучающихся можно добиться легко и быстро.

Можно познакомить учащихся, прибегая к моделированию, с четырехвалентностью углерода, свойством его атомов образовывать одинарные и кратные связи.

Учащиеся должны знать о свойстве атомов углерода образовывать прямые, разветвленные и замкнутые цепи .

Следует научить школьников за короткий период писать полные и сокращенные структурные формулы веществ. Часто дети путают число атомов водорода, которые должны быть связаны с тем или иным атомом углерода в молекуле вещества. По числу стерженьков в моделях согласно четырехвалентности углерода, учащиеся прописывают правильное количество водородных атомов в структурной формуле веществ разных классов (алканов, алкенов, алкинов, алкадиенов, циклоалканов и других) на бумаге, и практически не делают ошибок в будущем.

Для закрепления основных положений номенклатуры ИЮПАК как системы названий веществ выполняются различные упражнения. Например: составьте углеродный скелет молекулы любого предельного одноатомного спирта и назовите его или по названию вещества составьте углеродный скелет молекулы.

Формирование понятия изомерии слагается из трех этапов: первый включает выделение существенных признаков понятия и его определение; второй связан с выявлением связи между изомерами и гомологами; третий включает различные формы проявления существенных признаков изомерии при изучении последующих классов органических веществ, а также изомерию между веществами различных классов. В процессе моделирования отрабатываем все признаки понятия изомерии на примере предельных углеводородов: состав – химическое строение – свойства. Строим углеродные скелеты молекул гомологов и рядом изомеров, сравниваем, в тетрадь заносим структурные формулы веществ, делаем выводы. При выполнении упражнений при моделировании указываем существенные признаки структурной изомерии, выясняем характерные черты межклассовой изомерии. При изучении разных классов органических веществ закрепляем данное явление изомерии как одно из причин многообразия веществ.

Моделирование углеродного скелета даёт возможность познакомиться с особенностями классификации веществ одного класса: например, выполнить упражнение по моделированию кумулированного, сопряженного и изолированного алкадиена .

В конце изучения темы «Теория химического строения органических веществ», на уроках обобщения и систематизации знаний учащихся по рассмотрению учебного материала конкретного класса или группы веществ в качестве закрепления изученного применяю метод моделирования, используя шаростержневые модели.

Активные методы обучения и разные формы организации работы помогли подготовить обучающихся к сдаче экзаменов, участию в олимпиадах, подготовке проектов по предмету.

Высокие результаты показывают обучающиеся при сдаче ОГЭ и ЕГЭ.

Имеются призеры олимпиад разных уровней по предмету (Балясников Владимир , Роднова Дарья, Соловьев Николай )

Чем шире используется в учебном процессе модели, тем более глубоки знания учащихся о строении неорганических и органических веществ. У обучающихся повышается теоретический уровень знаний по курсу химии, возрастает абстрактная мыслительная деятельность, расширяется объем и углубляется содержание формируемого понятия, развиваются познавательные способности, самостоятельность.

В процессе моделирования у учителя появляется возможность поддержать инициативу своих учеников, стимулировать их к творчеству в познавательной деятельности, которая носит частично-поисковый, поисковый, проблемный и даже исследовательский характер. Поведение учителя заключается в умении поставить учебно-познавательные проблемы так, чтобы вызвать интерес к размышлению, анализу и сравнению известных фактов, событий, явлений; в стимулировании к поиску новых знаний и нестандартных способов решения задач; в поддержке ученика на пути к самостоятельным обобщениям и выводам. Метод моделирования эффективно развивает образное мышление ученика, эмоционально-нравственную сферу его личности, стимулирует к саморефлексии и самопознанию, самораскрытию творческих способностей и ценностного отношения к миру; учит эмоциональному и диалогическому стилю общения с человеком, сотрудничеству и взаимоуважению, признанию его самоценности.

  1. Работа с одарёнными детьми: теория и практика Учебно-методическое пособие Т.Е. Чурекова, доктор педагогических наук, профессор https://goo.gl/ZfIwCN
  2. Общая методика обучения химии в школе. Р.Г. Иванова, Дрофа, М.: 2015г.
  3. Психология одаренности: от теории к практике. Под редакцией Д.В. Ушакова https://goo.gl/rv6Udr
  4. Компетентностный подход как дидактическое условие предпрофильной и профильной подготовки обучающихся. О.С. Габриелян, С.А. Сладков, Дрофа, М.:2016г.
  5. Батороев К.Б. Аналогии и модели в познании. Новосибирск, 2010г.
  6. Берулава Г.А. Развитие естественнонаучного мышления. /Автореф. докт.псих. наук. М.,2010 г.
  7. Буслова М.К. Моделирование в процессе познания (на материалах химии). Наука и техника. Минск. 2000г.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

статья посвящена опыту использования метода моделирования при проведении лабораторных работ по экологии (биологии). Темы работ: «Регуляция численности в популяции на модели «хищник-жертва»; «Закономер.

Моделирование позволяет детям более полно освоить материал и творчески подойти к изучению какой-либо темы.

В современных условиях модернизации процесса обучения метод моделирования выделяется в качестве одного из ведущего средства научного познания. Как правило, то, что моделирует учащийся, лучше восп.

Метод моделирования и использование моделей на уроках географииСовременный урок географии немыслим без наглядного обучения. Н.Н. Баранский, говоря об особенностях географии как учебного предмета, отме.

Для облегчения слепым учащимся ориентации при построении формул на уроках химии я провожу естественнонаучный практикум по моделированию молекул веществ. При конструировании молекул н.

Презентация » Метод моделирования» на уроках химии

Новые аудиокурсы повышения квалификации для педагогов

Слушайте учебный материал в удобное для Вас время в любом месте

откроется в новом окне

Выдаем Удостоверение установленного образца:

Описание презентации по отдельным слайдам:

Метод моделирования на уроках химии.

Под моделированием будем понимать метод научного (или учебного) познания, при котором изучается не непосредственный объект, а его модель, находящаяся с объектом в отношении соответствия, с целью получения новых знаний. В химической науке метод моделирования — один из ведущих в процессе познания ее объектов и явлений.

Актуальность данной работы заключается в том, что при изучении химии пространственное воображение играет большую роль и из-за неразвитости этого компонента учащиеся воспринимают тему «Химическая связь» достаточно тяжело, как следствие этого возникают затруднения при изучении классов веществ неорганической и органической химии, химических реакций.

В настоящее время по технологии моделирования и области применения выделяют такие основные виды моделирования: Информационное моделирование Компьютерное моделирование Математическое моделирование Математико-картографическое моделирование Молекулярное моделирование Цифровое моделирование Логическое моделирование Психологическое моделирование Статистическое моделирование Структурное моделирование Физическое моделирование Имитационное моделирование Эволюционное моделирование Графическое и геометрическое моделирование и др.

Теоретическими основаниями методов моделирования являются следующие дидактические принципы: Принцип научности. Принцип доступности. Принцип наглядности. Принцип системности. Принцип профильности. Принцип практической значимости Принцип интеграции. Принцип деятельности и деловой активности обучаемых Принцип прочности знаний Принцип проблемности в обучении. Принцип развивающего обучения. Принцип воспитывающего обучения. Принцип личностно-ориентированного образования. Принцип гуманизации. Принцип гуманитаризации. Принцип сотрудничества в обучении.

С моделями учащиеся знакомились с детства (игрушки, конструкторы, заводные машины и др.). В школе учащиеся используют глобус – модель Земли, географическую карту – модель поверхности Земли. Им знакомы биологические модели в виде муляжей внутренних органов человека и животных. Математические модели в виде чертежей, систем математических уравнений. В химии используют модели строения атома, вещества, шаростержневые и сферические модели молекул, модели химических производств.

В данной работе мы будем использовать такой вид моделирования, как молекулярное моделирование. В процессе моделирования ученику необходимо проделывать логические операции – сравнение и аналогию, анализ и синтез, систематизацию и обобщение. В основе выполнения моделей лежат умственные действия. Составление моделей способствует у ученика развитию мотивационной сферы, интеллекта, способности контролировать и управлять своей учебно-познавательной деятельностью. В этом и есть смысл личностно- ориентированного подхода в образовательном процессе.

Комплекты лабораторного оборудования “Моделирование молекул” позволяют организовать естественнонаучный практикум по моделированию молекул веществ в курсе химии. Наборы предназначены для индивидуальной работы учащихся или работы в малых группах. Молекулярные модели наглядно демонстрируют стехиометрическую валентность и пространственное расположение атомов, входящих в молекулы. С помощью данного комплекта можно смоделировать молекулы веществ разных классов, рассмотреть явление гомологии и изомерии, прояснить механизмы многих химических реакций, познакомить с валентными состояниями атома углерода, облегчить выведение структурных формул, как в неорганической, так и в органической химии.

Задача 1. Построить модель молекулы метана по молекулярной формуле CH4. Если соединить атомы углерода мысленно друг с другом, то какую фигуру мы получим?

Задача 2.Построить модель гомологов метана. Как будет выглядеть в пространстве этан, пропан. Они должны сделать вывод о зигзагообразном строении молекулы. Возможно образование конформаций?

Задача 3. По построенной модели в тетрадях на плоскости написать сокращенную структурную формулу пропана.

Задача 4. Постройте модель молекулы пропена по формуле С3H6. Возникает проблема: не хватает 2 атомов водорода, значит образуется еще одна химическая связь между двумя атомами С кроме сигма связи.

Задача 5. Построить молекулу изомера пентана. Написать структурную формулу в тетрадь и назвать в соответствии с ИЮПАК.

Задача 6. Построить молекулу пентина. Почему нельзя расположить радикал при атомах углерода по обе стороны от тройной связи?

Задача 7. Построить молекулу, которой есть вторичный, третичный и четвертичный атом углерода.

Задача8. Соберите углеродный скелет вещества, в молекулах которого есть атом углерода в sp3, sp2, sp -гибридном состоянии Или покажите углеродный скелет молекулы вещества, в которой все атомы углерода находятся в sp3, sp2, sp -гибридном состоянии

Задача 9. Составьте углеродный скелет молекулы любого предельного одноатомного спирта и назовите его или по названию вещества составьте углеродный скелет молекулы.

Задача 10. Постройте молекулу этилена. Как в пространстве располагаются атомы. Молекула какая. Если атом углерода образует 3 химические связи с атомами водорода, то валентный угол равен.

В процессе моделирования у учителя появляется возможность поддержать инициативу своих учеников, стимулировать их к творчеству в познавательной деятельности, которая носит частично-поисковый, поисковый, проблемный и даже исследовательский характер. Поведение учителя заключается в умении поставить учебно-познавательные проблемы так, чтобы вызвать интерес к размышлению, анализу и сравнению известных фактов, событий, явлений; в стимулировании к поиску новых знаний и нестандартных способов решения задач; в поддержке ученика на пути к самостоятельным обобщениям и выводам.

Метод моделирования эффективно развивает образное мышление ученика, эмоционально-нравственную сферу его личности, стимулирует к саморефлексии и самопознанию, самораскрытию творческих способностей и ценностного отношения к миру; учит эмоциональному и диалогическому стилю общения с человеком, сотрудничеству и взаимоуважению, признанию его самоценности.

Спасибо за внимание!

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс профессиональной переподготовки

Химия: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс профессиональной переподготовки

Биология и химия: теория и методика преподавания в образовательной организации

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

  • Васильчук Любовь ВениаминовнаНаписать 3069 10.05.2017

Номер материала: ДБ-451347

  • Химия
  • 10 класс
  • Презентации
    10.05.2017 8193
    10.05.2017 2991
    10.05.2017 19367
    10.05.2017 1989
    09.05.2017 1133
    09.05.2017 1756
    09.05.2017 921

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

В пяти регионах России протестируют новую систему оплаты труда педагогов

Время чтения: 2 минуты

Большинство учителей считают, что поступить на бюджет без репетитора не получится

Время чтения: 1 минута

В украинском университете открылся первый в мире факультет TikTok

Время чтения: 1 минута

ЕГЭ в 2022 году может пройти в допандемийном формате

Время чтения: 1 минута

В Минпросвещения рассказали о системе оценок по физкультуре в школах

Время чтения: 0 минут

Учитель математики из Казани вышел в финал Международной премии для учителей

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Современная химия: компьютер вместо колбы

В 2013 году Нобелевский комитет, определяя лауреатов премии за исследования в области химии, из числа многих достойных претендентов выбрал ученых, занимающихся компьютерным моделированием сложных химических систем. Эта работа совмещает в себе достижения химии, классической и квантовой физики и математического моделирования.

Мартин Карплус, гражданин Австрии и США, родился в Вене в 1930 году. После аншлюса Австрии гитлеровской Германией он вместе с матерью и братом Робертом (будущим известным физиком) покинул страну. Через Швейцарию семья добралась до США, где Мартин Карплус учился в Гарварде и Калифорнийском технологическом институте. В дальнейшем ученый работал в Оксфорде, Иллинойском, Колумбийском и Гарвардском университетах. В данный момент Мартин Карплус занимает должности профессора в Гарварде и университете Страсбурга.

Второй лауреат Майкл Левитт (Michael Levitt), уроженец южноафриканской Претории. Родившийся в 1947 году, он самый младший из трех лауреатов. Учился Левитт в Королевском колледже в Лондоне, затем в Кембридже. Работал в Лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета, Институте имени Вейцмана. В данный момент Майкл Левитт – профессор в Медицинской школе Стэнфордского университета.

Арье Варшель (Arieh Warshel) родился в 1940 году в кибуце в Британской подмандатной территории Палестины, которая через восемь лет после его рождения стала независимым государством Израиль. Учился в Технионе в Хайфе, а затем писал диссертацию в Институте имени Вейцмана в Реховоте. Затем работал в Гарварде, Институте имени Вейцмана и в Кембридже, а с 1976 года работает в Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе.

Всех троих ученых объединяет интерес к вычислительной и структурной биохимии, то есть к определению структуры молекул сложных химических веществ. Если когда-то химикам для демонстрации структуры молекул было достаточно шариков и стержней, то теперь, чтобы, например, представить структуру молекулы необходимо компьютерное моделирование. Моделирование помогает не только представить себе строение вещества, моделируется также и ход химических реакций. В современной биологии наряду с терминами in vivo и in vitro уже используется выражение in silico, которое обозначает компьютерное моделирование процесса.

Молекулы белков могут состоять из нескольких тысяч аминокислот, а также включать в себя другие компоненты. За счет водородных связей цепочки аминокислот образуют спирали или слои – вторичную структуру белка. Спирали сворачиваются в «клубки», образуя третичную структуру. При этом следует понимать, что «клубки» образуются не случайным образом, а имеют характерную для каждого белка форму. Объединение нескольких «клубков» – это четвертичная структура белка, например, молекула человеческого гемоглобина состоит из четырех таких «клубков». Современные компьютерные программы предсказывают по последовательности аминокислот (первичной структуре), какова будет вторичная и третичная структура белковой молекулы. Полностью задача предсказания третичной структуры белка по данной последовательности аминокислот не решена, слишком больших вычислительных мощностей она требует. Но уже смоделированы структуры многих белковых молекул. В создании таких программ принимал активное участие один из нынешних лауреатов – Майкл Левитт.

Однако представить структуру молекулы – не единственная цель ученого. Важно понять, как пойдет химическая реакция. Проводя реакцию в пробирке, ученый может оценить лишь начальную и конечную стадии процесса. К тому же исследователь, которому нужно, например, подобрать лекарство, которое ингибировало бы определенную химическую реакцию в организме, должен перебрать тысячи веществ, чтобы найти то, которое обеспечивает нужный эффект. Это долго, дорого, трудоемко. Конечно, такому исследователю хочется, чтобы большую часть работы за него сделал компьютер, смоделировавший ход всех этих реакций и отобравший в результате из тысяч претендентов молекулы с подходящими свойствами. Именно эту задачу начали решать в 1970-е годы сегодняшние нобелевские лауреаты.

Но здесь начинаются свои сложности. Можно построить модель хода реакций, исходя из классической ньютоновской физики. Но точность такого моделирования оказывается недостаточной. Атомы и электроны всё-таки не упругие шарики, наделенные электрическим зарядом. В химических реакциях нельзя не учитывать квантовые эффекты. Но переходя к моделированию с учетом квантовой физики, мы быстро обнаруживаем, что компьютер не справляется. Можно смоделировать лишь очень простые реакции. Слишком большие объемы расчетов, вычислительных мощностей не хватает. Пожалуй, главной заслугой Карплуса, Левитта и Варшеля стало то, что они нашли способ совместить классическую и квантовую физику в компьютерном моделировании химических реакций. Например, квантовая динамика используется при моделировании поведения реакционного центра белковой молекулы, а для других ее частей достаточно классической механики. В наши дни компьютерное моделирование структуры веществ и хода реакций активно используется в фармакологии при поиске новых лекарств.

Еще одно важное преимущество компьютерного моделирования реакций состоит в том, что порой только оно дает нам возможность узнать, что происходит на промежуточных этапах реакции. Например, как вещества взаимодействуют с катализатором. Многие реакции происходят настолько молниеносно, что узнать детали их хода или вовсе невозможно, или можно лишь с помощью косвенных и неточных методов.

Арье Варшель и Мартин Карплус начали работать над компьютерным моделированием химических реакций в 1970-е годы. Первая созданная ими программа определяла структуру лишь сравнительно простых плоских молекул. Уже в этой программе сочеталось использование классической и квантовой физики. Для атомных ядер и σ-электронных орбиталей использовалась ньютоновская физика, для π-электронных орбиталей – квантовая. В 1976 году Варшель и Левитт показали, что можно научить программу по формальным признакам разделять электроны, которые включены в классическую модель, и электроны, описанные при помощи квантовой химической модели. Они построили модель, описывающую, как фермент лизоцим расщепляет гликозиды. Также в те годы Левитт и Варшель описали третичную структуру белка апротипина.

Как расчитать биомолекулу

Новость о присуждении Нобелевской премии по химии прокомментировали для Полит.ру российские ученые. Беседовала Наталия Демина.

Владимир Польшаков, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории магнитной томографии и спектроскопии Факультета фундаментальной медицины МГУ.

Как бы вы описали научный вклад Мартина Карплуса, Майкла Левитта и Арье Варшеля?

Трое нынешних лауреатов внесли значительный вклад в развитие методов расчета сложных молекул, прежде всего, биомолекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты. Такие молекулы также являются химическими соединениями, но очень крупными. Это те молекулярные машины, которые определяют жизнь любой живой клетки. Премия присуждена, в основном, за теоретические разработки.

Все трое внесли значительный вклад в развитие методов моделирования структуры, динамики и функций биомолекул, включая методы молекулярной динамики, квантовой химии и комбинацию методов квантовой механики с классическими расчетными подходами. Эти методы позволяют, например, моделировать ход ферментативных реакций, в которых участвует белок-фермент, механизм сворачивания небольших биополимеров, поведение биомолекул в растворе и т.д. Благодаря работам Нобелевских лауреатов, методы расчета сложных молекул фактически стали инструментарием, который позволяет понять, как функционирует биомолекула – крупное химическое образование или даже комплекс нескольких биомолекул.

Кроме того, Мартин Карплус в своих ранних работах внес ценный вклад в развитие методологии спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для расчета структуры молекул. Знаменитое уравнение Карплуса связывает т.н. вицинальные константы спин-спинового взаимодействия – параметры, которые мы можем измерить экспериментально из спектра ЯМР, c дидральными углами, т.е. геометрическими параметрами, характеризующими взаимное расположение атомов в молекуле. И это важный кирпичик для определения структур молекул, включая и такие крупные, как белки или нуклеиновые кислоты.

Но я полагаю, что Мартину Карплусу дали Нобелевку не столько за это, сколько за его последующие работы по созданию методов моделирования структуры крупных биомолекул и молекулярных систем. Потому что все трое, а именно он, а также Майкл Левитт и Арье Варшель сделали много именно в этом направлении.

Можно ли сказать, что эта премия – на стыке математики и химии?

Да, более того – на стыке химии, физики, биологии и математики.

Вы удивились, что премию получили именно эти трое?

Да нет, это активно работающие в науке ученые.

Когда мы общались с биологами о премии по медицине, то прозвучало мнение, что Нобелевский комитет дает премию ученым, чьи имена уже не на слуху и чей научный вклад уже давно в учебниках…

Мартин Карплус, например, сделал свои фундаментальные открытия в области ЯМР в конце 1950-х – начале 1960-х годов. И уравнение Карплуса уже стало нарицательным, его, вероятно, многие даже не ассоциирует с конкретным человеком. Но после этого Мартин много работал в области расчета и моделирования структуры и динамики биомолекул. Он и до настоящего времени является активно работающим в науке человеком. Так, в 2012 -2013 годах им опубликовано несколько работ, в том числе посвященных анализу механизма функционирования макромолекулярных комплексов расчетными методами.

Другой вопрос: я на 100% не убежден, что премию нужно было вручать именно этим трем исследователям. Есть много других выдающихся ученых, работающих в этой области, но это уже выбор Нобелевского комитета.

Есть ли в России ученые, которые работают по этой теме на мировом уровне?

Да, у нас есть много работающих на мировом уровне исследователей, но все они не столько развивают методики, которые получили признание Нобелевского комитета, сколько их используют для решения конкретных научных проблем. Можно, например, назвать Романа Ефремова из Института биоорганической химии РАН, который является специалистом в области расчета сложных биомолекул и молекулярных комплексов, включая, например, биологические мембраны.

Как разрабатываются такие методики, заслужившие признание Нобелевского комитета? Насколько они включают в себя программирование?

Конечно, для развития этих подходов необходимо было и программирование, но премию дали не за создание конкретных программ, а за концептуальные разработки, за создание принципов расчета. А дальше, конечно, чтобы эти концепции воплотились в жизнь, работали и программисты. Кроме того, нужна работа вычислительных машин, в том числе суперкомпьютеров, потому что такие расчеты требуют очень интенсивных вычислений.

Артем Оганов — Ph.D. в кристаллографии University College London, доктор наук (Habilitation) Швейцарского федерального политехнического института в Лозанне, профессор Университета штата Нью-Йорк, адъюнкт-профессор МГУ:

Как бы вы оценили научный вклад трех лауреатов?

Они создали программы и методы для моделирования биомолекул – белков, ДНК. Это дало возможность моделировать биохимические реакции, действие ферментов, динамику белков и т.д. В этом – ключ к пониманию болезней и действия лекарств на молекулярном уровне. На мой взгляд, премия – вполне заслуженная премия.

Получается, что за такими исследованиями в области компьютерной химии, моделирования сложных молекул – будущее?

Да, за ними будущее.

Знакомы ли вы с кем-то из лауреатов?

Я немного знаком с Мартином Карплусом.

В.И. Польшаков из МГУ сказал, что он на 100% не может уверенно сказать, что выбор именно этих троих правилен, что в этой области работают много выдающихся коллег. На ваш взгляд, что предопределило выбор в пользу именно этих трех ученых?

Они очень давно этим занимаются, стояли у истоков, написали те программы, которыми пользуются чуть ли не все ученые в этой области. Вообще, выделение лауреатов всегда сопряжено с условностями и даже субъективностью.

Моделирование.

Урок 5. Химия. Вводный курс. 7 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Моделирование.»

В 1870 г. английское Адмиралтейство спустило на воду новый броненосец «Кэптен». Корабль вышел в море и перевернулся. Он погиб вместе со всеми находящимися на нём людьми. Это было совершенно неожиданно для всех, кроме английского учёного-кораблестроителя В. Рида, который предварительно провёл исследования, создав модель броненосца, и установил, что корабль опрокинется даже при небольшом волнении. Но учёному, проделывающему, как казалось тогда, несерьёзные опыты с «игрушкой», не поверили лорды из Адмиралтейства. И случилось непоправимое…

При изучении химии, кроме наблюдения и эксперимента, используют моделирование. Почему именно моделирование? Некоторые наблюдения невозможно проводить в природе, поэтому воссоздают естественную среду в лабораторных условиях с помощью приборов, установок, предметов, то есть так называемых моделей. От латинского modulus означает «мера», «образец».

Моделирование – это исследование каких-либо реально существующих предметов, явлений и конструируемых объектов путём построения и изучения моделей.

С понятием «модель» мы сталкиваемся с детства. Например, танк, самолёт, солдатик, кукла. Играя с этими предметами, вы представляли, что это настоящая боевая техника, настоящие солдаты, настоящий человечек. На самом деле это всего лишь модели реально существующих объектов.

Для того, чтобы изучить молнию, не обязательно ждать грозы, можно молнию смоделировать на уроке. Для этого нужно двум металлическим шарам сообщить противоположные электрические заряды, то есть отрицательный и положительный. Если эти шарики приблизить на определённое расстояние, то между ними проскакивает искра, то есть молния в миниатюре. Чем большим будет заряд на шариках, тем раньше появится искра и длиннее будет молния.

Такое явление можно смоделировать благодаря прибору, который называется электрофорной машиной. Изучение этой модели позволило учёным сделать вывод, что природная молния – это электрический разряд между двумя грозовыми облаками или между облаком и землёй.

Например, в процессе сварки используется процесс превращения электрической энергии в тепловую.

Все естественные науки использую свои модели, которые позволяют представить себе явление или объект.

Например, в географии самой распространённой моделью является глобус. Он является миниатюрным отображением нашей планеты. С помощью глобуса мы можем определить расположение морей и океанов, континентов, стран и гор. Ещё одной географической моделью является географическая карта. Она представляет собой изображение земной поверхности на листе бумаги.

В биологии тоже используют всевозможные модели. Например, муляжи различных органов человека, таких как глаз, мозг, сердце, скелет человека, модель цветка, модель ДНК.

В физике мы также используем различные модели: модель вращения Земли вокруг Солнца, модель двигателя внутреннего сгорания, схему электрической цепи и так далее.

Математическими моделями являются: модель многоугольников и даже график функции, чертёж, математическая формула.

Модели широко распространены и в химии. Здесь все модели можно разделить на две группы: предметные и знаковые, или символьные.

К предметным моделям относят, например, модели атомов, молекул, кристаллов, модели химических и промышленных аппаратов и установок.

К знаковым, или символьным, моделям относят: символы элементов, формулы веществ, уравнения реакций.

Так, модель атома напоминает строение Солнечной системы.

Для моделирования молекул используют шаростержневые или объёмные модели. Эти модели собирают из шариков, каждый шарик символизирует атом. В шаростержневых моделях атомы располагаются на некотором расстоянии друг от друга, в отличие от объёмных моделей.

Модели кристаллов показывают взаимное расположение частиц в кристалле. Здесь так же, как и в шаростержневых моделях, частицы находятся на некотором расстоянии друг от друга.

Моделирование химических процессов

Моделирование (лат. modus — мера, образ, способ) издавна применялось в научном познании. Например, возникновение представлений Демокрита и Эпикура об атомах, их форме, и способах соединения, об атомных вихрях и ливнях, объяснения физических свойств различных веществ с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, сцеп ленных между собой. Эти представления являются прообразами современных моделей, отражающих ядерно-электронное строение атома. В науке Нового времени первоначально применялись различные механические модели. Постепенно метод моделирования стал приобретать все большее распространение, проникая во все отрасли научного знания. XX век принес методу моделирования новые успехи, связанные с расцветом кибернетики.

Моделирование на современном этапе приобрело значение общенаучного метода. Его особенностью является то, что для изучения объекта используется опосредующее звено — объект-заместитель. Исходный объект исследования при моделировании называется оригиналом, объект-заместитель — моделью.

По мнению большинства выдающихся химиков, в том числе лауреата нобелевской премии Г. Сиборга, теоретическое моделирование является основным методом познания в химии. Сущность химических явлений скрыта от непосредственного наблюдения исследователя, поэтому познание осуществляют путем построения модели невидимого объекта по косвенным данным.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключаются научные методы познания вещества?

2. Раскройте роль эксперимента и теории в химии

3. Для чего проводится моделирование химических процессов?

Раздел 1. Общая и неорганическая химия

Тема 1.1 Основные понятия и законы химии

Перечень изучаемых вопросов:

1.Вещество. Атом. Молекула. Химический элемент. Аллотропия. Простые и сложные вещества. 2.Качественный и количественный состав веществ. Химические знаки и формулы.

3.Относительные атомная и молекулярная массы. Количество вещества.

4.Стехиометрия. Закон сохранения массы веществ. Закон постоянства состава веществ молекулярной структуры. Закон Авогадро и следствия из него.

Вещество. Атом. Молекула. Химический элемент. Аллотропия. Простые и сложные вещества.

Химия —наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.

Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется. Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.

Вещество –один из видов материи, который характеризуется массой покоя. Это совокупность атомов, ионов или молекул, состоящих из одного или нескольких химических элементов.

Вещества:

· Чистые(химические соединения) — НСl, NaCl, H2SO4.

· Смеси веществ –молоко, природная вода, руда, песок, воздух

Химические соединения:

· Простые (состоят из атомов одного вида) — H2, O2, F2, J2, и др.

· Сложные(молекулы состоят из различных элементов) – H2O, NaCl, CuO, NaNO3.

Молекулы— это мельчайшие частицы вещества, состав которых и химические свойства такие же, как у данного вещества.

Атомы —это мельчайшие химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы. Атом – мельчайшая частица химического элемента.

Химический элемент –это атомы одного и того же вида.

Например: все атомы водорода – это элемент водород; Н – химический знак (символ)

Основоположником современного атомно-молекулярного учения о строении веществ является выдающийся русский учёный М.В. Ломоносов. Учение создано в 1741 году.

Сущность учения состоит в том, что:

· Все вещества состоят из молекул.

· Молекулы состоят из атомов.

· Молекулы и атомы находятся в постоянном непрерывном движении, чем объясняются физические и химические явления.

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

Заряд ядра — положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.

Изотопы — химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

Химическая формула— это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс — цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.

Аллотропия— явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам. Простые вещества- молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.

Cложные вещества— молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.

Все вещества постоянно подвергаются всевозможным изменениям называемым явлениями.

Явления:

· Физические(изменение агрегатного состояния) – помол пшеницы, плавка металла, испарение воды.

· Химические(изменение состава и свойств вещества) – выпечка хлеба из муки, скисание молока.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: