Mô phỏng Liên kết hoá học

Mô hình 3D xoay được của các mạng tinh thể: sodium chloride NaCl (lập phương tâm mặt), kim cương (carbon tứ diện), than chì (các lớp carbon, lực giữa các lớp yếu) và kim loại lập phương tâm khối, tâm mặt. Học sinh chọn cấu trúc, số ô mạng, bật tắt liên kết và cạnh ô; một ô mạng cơ sở được tô sáng và bảng đếm số hạt ở đỉnh, cạnh, mặt, trong ô cho biết mỗi ô chứa bao nhiêu ion hay nguyên tử (NaCl: 4 Na⁺ + 4 Cl⁻).

Mô hình 3D bóng – que xoay được về hình dạng phân tử theo thuyết đẩy cặp electron vỏ hoá trị (VSEPR). Học sinh chọn phân tử (BeCl₂, CO₂, BF₃, SO₂, CH₄, NH₃, H₂O, PCl₅, SF₄, ClF₃, XeF₂, SF₆, BrF₅, XeF₄) hoặc tự chọn số cặp electron liên kết và không liên kết; mô hình hiện các thuỳ cặp không liên kết, cung góc liên kết, công thức AXₙEₘ, tên hình dạng, góc liên kết (109,5° → 107° → 104,5°) và gợi ý phân tử có phân cực hay không.

Hai nguyên tử tiến lại gần nhau: kim loại nhường hẳn electron cho phi kim tạo ion trái dấu hút nhau (liên kết ion), hoặc hai phi kim góp chung cặp electron (liên kết cộng hoá trị, lệch về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn nếu phân cực). Học sinh chọn phân tử, xem hiệu độ âm điện Δχ trên thang 0,4 – 1,7, công thức Lewis và loại liên kết.

Đồ thị nhiệt độ sôi thực của dãy H₂O–H₂S–H₂Se–H₂Te, HF–HCl–HBr–HI, NH₃–PH₃–AsH₃–SbH₃ và CH₄–SiH₄–GeH₄–SnH₄ theo chu kì. Học sinh bật/tắt từng dãy, chạm vào một điểm để xem mô hình phân tử: H₂O, HF, NH₃ có liên kết hydrogen (nét đứt) giữa các phân tử nên sôi cao bất thường so với đường ngoại suy, còn H₂S, HCl, CH₄ chỉ có tương tác van der Waals.

Mô hình 3D xoay được cho thấy orbital 2s và 2p của nguyên tử trung tâm trộn thành các orbital lai hoá sp³ (CH₄, NH₃, H₂O), sp² (C₂H₄, BF₃) và sp (C₂H₂, CO₂), hướng và góc giữa chúng, rồi liên kết σ do xen phủ trục và liên kết π do các orbital p không lai hoá xen phủ bên. Học sinh đi qua ba bước, đếm số liên kết σ và π, theo dõi sơ đồ ô electron và chuyển sang mô hình bóng – que.

Mô hình 3D: học sinh tự gắn liên kết đơn, đôi, ba và cặp electron không liên kết vào nguyên tử trung tâm rồi xem các miền electron tự đẩy nhau tới vị trí xa nhau nhất. Kéo một nguyên tử ra chỗ khác, thả tay để thấy nó trở về; đọc góc liên kết, tên hình học phân tử và hình học electron. Màn Phân tử thật so sánh 13 phân tử (H₂O, CO₂, SO₂, NH₃, CH₄, SF₆…) giữa dạng thực tế và mô hình. Phỏng theo mô phỏng "Molecule Shapes" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Ba màn hình khám phá cực tính phân tử: Hai nguyên tử — đổi độ âm điện χ của A, B để xem điện tích riêng phần δ+/δ−, mũi tên lưỡng cực và loại liên kết theo Δχ đổi theo; bật điện trường hai bản tụ để thấy phân tử phân cực tự quay định hướng. Ba nguyên tử — đổi độ âm điện của A, B (ở giữa), C và kéo đổi góc liên kết A–B–C để thấy hai lưỡng cực liên kết cộng vector thành lưỡng cực phân tử (triệt tiêu khi thẳng hàng và χ(A) = χ(C)). Phân tử thật (3D) — xoay mô hình bóng – que của H₂, HF, H₂O, NH₃, CO₂, HCN, BF₃, CH₄, CH₃F với độ âm điện Pauling, bề mặt thế tĩnh điện hoặc mật độ electron và mũi tên lưỡng cực. Phỏng theo mô phỏng "Molecule Polarity" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Phòng thí nghiệm ảo xác định loại liên kết của chất rắn chưa biết qua tính chất: đun nóng để ước lượng nhiệt độ nóng chảy, thử độ tan trong nước và trong hexane, thử dẫn điện của chất rắn, chất nóng chảy và dung dịch, gõ búa để xem chất dát mỏng được hay giòn. Học sinh ghi bảng tính chất, xếp mỗi chất vào loại chất ion, chất phân tử, kim loại hay chất cộng hoá trị mạng khổng lồ kèm lí do, rồi kiểm tra để xem số liệu thật và hình ảnh các hạt.

Kéo nguyên tử bên phải lại gần hoặc ra xa nguyên tử bên trái (cố định) để xem lực hút, lực đẩy và lực tổng hợp đổi theo khoảng cách; đồ thị thế năng Lennard-Jones hiện điểm tương ứng, đáy đường cong là khoảng cách cân bằng. Chọn cặp Ne–Ne, Ar–Ar, O–O hoặc Tuỳ chỉnh σ, ε rồi thả tay để xem nguyên tử dao động quanh vị trí cân bằng, có thể bật tắt dần do ma sát. Phỏng theo mô phỏng "Atomic Interactions" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Tự vẽ công thức Lewis cho 22 phân tử và ion (H₂O, NH₃, CO₂, CO, O₃, NO₃⁻, SO₄²⁻, ClO₃⁻, PCl₅, SF₆, XeF₄…): chạm liên kết để đổi bậc, chạm nguyên tử để thêm cặp electron riêng; mô phỏng đếm electron hoá trị, kiểm tra quy tắc octet (cho phép octet không đầy đủ của B và octet mở rộng từ chu kì 3) và tính điện tích hình thức FC = V − N − B/2 trên từng nguyên tử để chọn công thức tốt nhất. Chế độ Cộng hưởng vẽ các cấu trúc của CO₃²⁻, NO₃⁻, NO₂⁻, O₃, SCN⁻, benzene và dạng lai; chế độ Liên kết cho – nhận tạo NH₄⁺, H₃O⁺, H₃N→BF₃, Al₂Cl₆; có sơ đồ chấm – chéo.