Mô phỏng Hóa học

Bảng tuần hoàn 36 nguyên tố đầu tô màu/kích thước theo bán kính nguyên tử, độ âm điện Pauling, năng lượng ion hoá thứ nhất hoặc tính kim loại – phi kim. Bấm một nguyên tố để xem số liệu thật và đồ thị biến đổi theo chu kì hoặc theo nhóm; kết luận xu hướng hiện ngay bên dưới.

Ba chuyên đề học tập của Hoá học 11 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Phân bón: chọn loại phân và lượng bón cho một hecta, xem hàm lượng nguyên tố dinh dưỡng thực tế, cây lớn lên và năng suất tăng theo đường cong rồi chững lại, bón thừa gây phú dưỡng nguồn nước. Trải nghiệm hoá học hữu cơ: phản ứng ester hoá CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O đạt cân bằng với K = 4, đổi tỉ lệ mol ancol/acid để thấy hiệu suất thay đổi. Dầu mỏ: tháp chưng cất phân đoạn với nhiệt độ theo chiều cao, thành phần và ứng dụng từng phân đoạn.

Chế độ dạng ion: kéo thanh pH từ 0 đến 14, công thức của amino acid đổi ngay theo — dạng cation ở môi trường acid, ion lưỡng cực ở gần điểm đẳng điện, anion ở môi trường base; thanh tỉ lệ các dạng và điện tích trung bình tính từ pKa thật, đồng thời phân tử dịch chuyển về cực âm hay cực dương trong điện trường và đứng yên đúng tại pI. Chế độ peptide: chọn số gốc rồi bấm Chạy để các amino acid nối lại bằng liên kết –CO–NH–, mỗi liên kết giải phóng một phân tử nước.

Chế độ ester hoá: carboxylic acid và alcohol gặp nhau trong ống nghiệm có H₂SO₄ đặc xúc tác, phân tử ester và nước hình thành rồi phản ứng dừng lại ở cân bằng; đổi tỉ lệ mol alcohol : acid thì hiệu suất tính lại theo hằng số cân bằng K = 4 và thanh hiệu suất chạy theo. Chế độ tráng bạc: đun nhẹ hợp chất carbonyl với thuốc thử Tollens, aldehyde tạo lớp bạc sáng bám thành ống nghiệm còn ketone thì không, kèm phương trình và khối lượng Ag thu được.

Đo pH của các dung dịch quen thuộc, pha loãng bằng nước. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Bình phản ứng chứa các phân tử N₂ và H₂; khi chạy, chúng va chạm và chuyển dần thành NH₃ cho tới khi đạt cân bằng. Kéo áp suất, nhiệt độ, tỉ lệ mol H₂ : N₂ và bật/tắt xúc tác sắt để thấy hiệu suất cân bằng và tốc độ đạt cân bằng thay đổi đúng theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: tăng áp suất hoặc hạ nhiệt độ thì hiệu suất tăng, nhưng hạ nhiệt độ lại làm phản ứng chậm đi. Đồ thị hiệu suất theo áp suất vẽ tại nhiệt độ đang chọn.

Thanh sắt tiếp xúc với kim loại khác trong dung dịch NaCl, nước cất, acid loãng hoặc không khí khô: kim loại có thế điện cực nhỏ hơn là cực âm bị ăn mòn, electron chuyển sang cực dương nơi O₂ (hoặc H⁺) bị khử, gỉ sắt tích tụ. Đồ thị khối lượng kim loại mất đi theo thời gian giữ lại lần chạy trước để so sánh: gắn Zn thì Fe được bảo vệ (Zn tan thay), gắn Cu thì Fe bị ăn mòn nhanh hơn, môi trường điện li mạnh và có O₂ làm ăn mòn nhanh.

Chế độ màu ngọn lửa: đưa mẫu muối của Li, Na, K, Ca, Sr hay Ba vào ngọn lửa đèn khí, ngọn lửa nhuộm đúng màu đặc trưng và vạch phát xạ hiện đúng vị trí bước sóng trên dải quang phổ. Chế độ nước cứng: cốc nước chứa ion Ca²⁺, Mg²⁺ cùng HCO₃⁻ hoặc SO₄²⁻; chọn cách làm mềm (đun sôi, Na₂CO₃, Ca(OH)₂ vừa đủ, trao đổi ion) rồi bấm Chạy để thấy kết tủa tạo thành, số ion giảm và độ cứng tính lại bằng mmol/L.

Các phân tử monomer có liên kết đôi C=C (ethylene, propylene, vinyl chloride, tetrafluoroethylene, styrene) chuyển động tự do; khi trùng hợp, liên kết π mở ra và từng monomer nối vào đầu mạch đang lớn. Học sinh đếm số mắt xích n, thấy phương trình n CH₂=CHX → (–CH₂–CHX–)n, khối lượng phân tử polymer M = n·M(monomer) và tên polymer tương ứng; có thể chạm vào monomer để nối thủ công.

Chế độ xà phòng hoá: phân tử chất béo gồm khung glycerol và ba gốc acid béo bị ion OH⁻ cắt ở ba liên kết ester, tách thành ba phân tử muối xà phòng và một phân tử glycerol; tốc độ tăng rõ khi nâng nhiệt độ, kèm phương trình và khối lượng xà phòng thu được từ 1 mol chất béo. Chế độ giặt: giọt dầu bám trên vải, các phân tử xà phòng quay đuôi kị nước vào dầu và đầu ưa nước ra ngoài, tạo mixen rồi kéo giọt dầu rời khỏi vải.

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.

Nhỏ từng giọt HCl hoặc NaOH vào hai cốc: nước cất và dung dịch đệm (CH₃COOH/CH₃COO⁻, NH₄⁺/NH₃, H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻ hoặc hệ đệm carbonate của máu) rồi so sánh pH. Kính phóng to và thanh lượng chất cho thấy dạng acid và dạng base của hệ đệm chuyển hoá cho nhau, công thức Henderson–Hasselbalch pH = pKa + lg([A⁻]/[HA]) và lúc hệ đệm hết khả năng đệm.

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⁻).

Chọn ethanol (bậc I), propan-2-ol (bậc II), 2-methylpropan-2-ol (bậc III) hoặc phenol: mô phỏng vẽ công thức cấu tạo, tô đậm nhóm –OH và tự đếm số nguyên tử carbon gắn vào carbon mang nhóm –OH để xác định bậc. Chọn tác nhân (Na, CuO đun nóng, H₂SO₄ đặc, nước bromine, dung dịch NaOH) rồi bấm Chạy: ống nghiệm hiện đúng hiện tượng — bọt khí H₂, kết tủa trắng 2,4,6-tribromophenol, chất rắn Cu đỏ, hoặc không phản ứng — kèm phương trình và điều kiện nhiệt độ.

Bảng tuần hoàn tương tác: bấm vào một ô để đọc số hiệu, cấu hình electron, vị trí chu kì – nhóm và khối s/p/d. Có thể tô màu theo khối nguyên tố hoặc theo kim loại – phi kim – khí hiếm để thấy vì sao nguyên tố được xếp vào đúng ô đó.

Bắn electron vào nguyên tử hydrogen và so sánh dự đoán của các mô hình Thomson, Rutherford, Bohr và mô hình hiện đại. Học sinh quan sát vạch quang phổ phát ra khi electron chuyển giữa các mức năng lượng. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Chọn cặp nguyên tử rồi kéo chúng lại gần nhau để xem lực hút, lực đẩy và đồ thị thế năng theo khoảng cách. Học sinh tìm khoảng cách cân bằng và so sánh độ mạnh tương tác giữa các cặp nguyên tử khác nhau. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Nhỏ dung dịch AgNO₃ vào các dung dịch NaF, NaCl, NaBr, NaI. Mô phỏng hiện đúng màu kết tủa (AgCl trắng, AgBr vàng nhạt, AgI vàng, F⁻ không kết tủa) và cho thử tiếp bằng NH₃ dư – chỉ AgCl tan, đây chính là cách phân biệt bốn ion trong phòng thí nghiệm.

Đo pH của nước chanh, nước ngọt, máu, nước xà phòng và nhiều dung dịch quen thuộc bằng máy đo pH và giấy chỉ thị. Pha loãng bằng nước hoặc đổi thể tích để thấy pH thay đổi, chuyển sang chế độ hiện số mol H₃O⁺ và OH⁻ để liên hệ pH với nồng độ ion. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Chọn F₂, Cl₂, Br₂ hay I₂ rồi kéo nhiệt độ: bình chứa hiện đúng màu và đúng trạng thái của đơn chất theo nhiệt độ nóng chảy – nhiệt độ sôi thật. Bấm Chạy phản ứng để cho halogen tác dụng với Fe nung đỏ, với H₂ hoặc với dung dịch NaCl, NaBr, NaI: mô phỏng cho biết phản ứng có xảy ra không, cần điều kiện gì, hiện phương trình hoá học và màu dung dịch sau phản ứng. Học sinh thấy tính oxi hoá giảm dần F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂ và halogen mạnh đẩy halogen yếu ra khỏi muối.

Điện phân dung dịch CuSO₄, NaCl hoặc Na₂SO₄ bằng điện cực than chì. Mô phỏng cho thấy chất nào thực sự bị điện phân ở mỗi điện cực (Cu bám vào catode, khí H₂/O₂/Cl₂ thoát ra) và tính khối lượng – thể tích sản phẩm theo định luật Faraday m = A·I·t/(n·F).

Chế độ pin: hai điện cực kim loại trong dung dịch muối của chúng nối bằng cầu muối; electron chạy trên dây từ cực âm (kim loại có E° nhỏ hơn, bị oxi hoá, tan dần) sang cực dương (ion kim loại bị khử, bám thêm); vôn kế hiện sức điện động chuẩn E°pin = E°(+) − E°(−) tính từ bảng thế điện cực chuẩn. Chế độ điện phân: nguồn một chiều đẩy electron tới cathode, ion di chuyển về hai cực, sinh Cu, H₂, O₂, Cl₂, Na tuỳ dung dịch; khối lượng sản phẩm tính theo m = M·I·t/(n·F).

Ba bộ dụng cụ quen thuộc trong một mô phỏng. Chưng cất: đun hỗn hợp lỏng, nhiệt kế dừng lại đúng nhiệt độ sôi của cấu tử dễ bay hơi, hơi ngưng tụ trong ống sinh hàn và chảy vào bình hứng. Chiết: lắc phễu chiết, chất tan chuyển từ lớp nước sang lớp dung môi hữu cơ theo hệ số phân bố, rồi mở khoá tách lớp. Sắc kí lớp mỏng: dung môi dâng lên bản mỏng kéo các vệt màu đi với tốc độ khác nhau theo độ phân cực, mô phỏng tính ngay hệ số lưu giữ Rf.

Chọn acid hoặc base mạnh, yếu rồi đổi nồng độ và hằng số phân li để thấy tỉ lệ phân tử, ion trong dung dịch. Học sinh dùng máy đo pH, giấy quỳ và bóng đèn dẫn điện để so sánh độ mạnh yếu của từng dung dịch. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.