Как сделать кластер по химии
Обновлено: 06.07.2024
Переходные металлы образуют очень интересные соединения, в которых вместе со связями между атомами металла и лигандами (M - L) существуют связи непосредственно между атомами металла (M - M). Сейчас такие соединения известны практически для всех d-элементов, особенно для тяжелых.
Особый интерес представляют соединения d-элементов, в структурах которых образование прочных связей M - M вызывает возникновение так называемых кластеров (cluster).
Понятие "кластер" в настоящее время широко распространено в науке. В неорганической химии создано новое научное направление – химия кластерных соединений. Термин "кластер" (cluster – рой, пучoк, скопление, группа) появился в научной литературе в 1937 г. в работах Дж. Е. Майера. Он обозначал этим термином группу атомов или молекул, выделяемую в газе по определенным формальным признакам. По предложению Ф. Коттона кластерами стали называть химические соединения, содержащие несколько связанных друг с другом атомов металла, окруженных лигандами. Такие образования могут существовать достаточно долго и участвовать в химических реакциях в качестве самостоятельных единиц.
Разные исследователи считают кластерами различные группировки.
Так, в расплавах под кластерами подразумевают непостоянные ассоциаты одинаковых или сходных частиц.
В химии твердого тела под кластерами понимают блоки, формирующие структуру вещества (иногда состоящие из атомов разных элементов).
Многие исследователи относят к кластерам все системы из агрегатов, содержащих несколько атомов металлов: металлоцепи и циклы, металлокаркасы, а другие – только соединения металлокаркасного типа, образующие трехмерную систему из атомов металла, соединенных связями металл-металл с существенной делокализацией электронов в металлополиэдре. Такими соединениями являются соединения переходных металлов: оксиды элементов в низших степенях окисления, галогениды и карбонилы.
Иными словами, кластером называют группировку из нескольких связанных друг с другом атомов металла (M2, M3, M4, M5, M6, M7) в окружении лигандов.
Химия кластерных соединений, обладающих специфическими свойствами, в последнее время интенсивно развивается. В настоящее время кластеры обнаружены в соединениях различного типа. Наиболее характерны кластерные структуры для
- галогенидов, оксидов, сульфидов, карбонилов переходных металлов,
- а также для таких соединений, где лигандами являются производные фосфина PR3, карбоксилатные анионы [O2CR], нитрозильная группа NO, циклопентадиенил C5H5 и другие частицы.
- в виде квазиизолированных фрагментов в молекулярных кристаллах [Os6(CO)17], [Mo2(CH3COO)4];
- в виде структурных фрагментов, соединенных друг с другом мостиковыми лигандами,в координационных кристаллах (Mo6Cl8 в Mo6Cl12, Nb6Cl12 в Nb6Cl14);
Стереохимия кластеров очень разнообразна, и часто центральный атом имеет высокое координационные число. Так, координационное число атомов молибдена в кластерном хлориде Mo6Cl12 равно 9.
Кластеры возникают в формально низковалентных соединениях d-элементов при условии, что только часть валентных электронов каждого атома металла занята в связях с лигандами, остальные же валентные электроны образуют связи M - M.
Например, в кластерном хлориде Mo6Cl12 из 36 валентных электронов 6 атомов молибдена (Mo здесь формально двухвалентен) только 12 участвуют в образовании связей с атомами хлора, а 24 электрона образуют 12 двухцентровых двухэлектронных связей M - M в октаэдрическом кластере Mo6.
В карбонильном кластере Ir4(CO)12 из 36 валентных электронов 4 атомов формально нульвалентного иридия в связях с лигандами участвуют 24, а 12 электронов и образуют 6 двухцентровых двухэлектронных связей.
В тетраэдрическом хлоридном кластере [Re2Cl8] 2 - из 14 электронов формально трехвалентного рения и двух электронов, принадлежащих аниону в целом (то есть из 16 электронов) 8 реализуют связи с лигандами, а остальные 8 участвуют в образовании очень прочной, четверной по своей плотности (s + p1 +p2 + d) двухцентровой связи M - M.
Кластеры обычно образуются в соединениях тех переходных металлов, которые имеют высокие энергии атомизации. Этим объясняется то, что кластеры более характерны для 4d- и 5d-элементов, занимающих места в средней части декад: Nb, Ta, Mo, W, Te, Re, Ru, Os, Rh, Ir, a не для 3d-элементов. Наибольшей способностью к образованию кластеров с самыми разнообразными лигандами обладает молибден.
В настоящее время известно более 1000 различных кластерных соединений. Образование их зависит от термодинамических, кинетических факторов. Хорошо разработанных методов их синтеза пока нет.
При анализе накопленных экспериментальных данных обнаружены некоторые закономерности в способности элементов к образованию кластеров:
1. эта способность увеличивается по подгруппе сверху вниз. В этом же направлении увеличивается прочность связи металл-металл;
2. устойчивость цепей из атомов d-металла повышается по мере увеличения атомной массы металла (в отличие от р-элементов, у которых наблюдается обратная зависимость);
3. длинные металлоцепи образуются при определенном чередовании в них атомов d- и р-элементов.
Структура кластеров изменяется в зависимости от числа атомов переходного металла в каркасе. При увеличении размера кластера его структура становится подобной решетке металла. Размер каркаса из 6-8 атомов металла позволяет разместиться внутри него легким атомам или атому другого металла. Крупные кластеры не имеют вакантных пустот, атомы металла упакованы в них как в решетке металла. Кроме того, с увеличением размеров кластера образуется больше связей металл-металл, а лиганды дестабилизируют такой многоядерный комплекс. В ряде случаев структура средних кластеров (4-х -9-и ядерных) аналогична структуре систем бороводородного и карборанового типов.
В случае кластеров нет смысла говорить о координационном числе каждого атома металла в отдельности. Имеет значение общая координация лигандов вокруг металлического остова.
Разделы: Химия
Составление кластера на уроках химии позволяет учащимся свободно и открыто думать по поводу какой-либо темы. Ученик записывает в центре листа ключевое понятие, а от него рисует в разные стороны стрелки-лучи, которые соединяют это слово с другими, от которых лучи расходятся далее и далее.
Кластер использую на самых разных этапах урока, при изучении различных тем курса химии. Например, на стадии вызова – для стимулирования мыслительной деятельности, систематизации имеющейся информации и выявления возможных областей недостаточного знания. На стадии осмысления применяю этот приём для структурирования учебного материала. Кластер позволяет фиксировать фрагменты новой информации. На стадиях рефлексии, т. е. при подведении итогов изучения материала, ученики, группируя понятия в соответствии с индивидуальными представлениями, графически изображают логические связи между ними, что даёт возможность отразить индивидуальные результаты обучения.
Записываю информацию на доске или листе ватмана сначала в том порядке, в каком её предлагают учащиеся, а затем после объяснения материала школьники перестраивают кластер.
Прочитав текст учебника или прослушав объяснение учителя, ученики легко могут построить более логичный кластер (Приложение).
Очевидно, что ценность систематизированного кластера, в котором есть установленные отношения между компонентами, больше, чем ценность кластера, выстроенного беспорядочно.
Размеры кластера могут быть различны. На уроке объём содержания создаваемого учащимися кластера иногда определяю заранее, ограничивая его, например, только областью химии. Вообще же, при создании кластера школьники могут использовать информацию из любых областей знаний, но из-за отсутствия времени не всегда удаётся рассмотреть их предложения. В этих случаях оставляю некоторые вопросы для работы во внеурочное время. Кластер может содержать не более трёх-четырёх элементов. Вместе с тем он может чересчур растянуться в какую-то одну сторону, поэтому важно заранее определить направления его развития.
Кластеры, создаваемые при изучении различных тем курса химии, включают разный объём информации. Крупный кластер обычно содержит совокупность существенной и несущественной информации, которую отдельные учащиеся почерпнули прежде – намеренно или случайно. Для закрепления представленных в кластере идей необходимо предлагать учащимся домашние задания, рассчитанные на интеграцию всех имеющихся сведений, и обращаться к его содержанию на последующих уроках.
Графическое, наглядное представление информации помогает учащимся уяснить структуру понятия, явления, легче воспринимать идеи своих одноклассников и вырабатывать собственные, выделять главное и делать правильные выводы. Использование кластеров позволяет активизировать учащихся на начальном этапе урока и обобщить приобретенные знания в конце его.
Синквейн и кластер как прием технологии развития критического мышления на уроке химии.
статья по химии на тему
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Синквейн и кластер как прием технологии развития критического мышления на уроке химии.
Случайные открытия делают лишь подготовленные умы. Паскаль
Критическое мышление — система мыслительных стратегии и коммуникативных качеств, позволяющих эффективно взаимодействовать с информационной реальностью.
Познавательная технология развития КМ — система учебных стратегий, методов, приемов, направленных на развитие критического мышления у учащихся.
Приемы ТРКМ Чтение с остановками Пометки на полях Эссе Зигзаг Тонкий и толстый вопрос Знаю — > хочу узнать — > узнал Прогноз Кластер Синквейн, хокку Алфавит
Составление синквейна требует от учащихся: А) находить в учебном материале учебные элементы; Б) выражать свое мнение; В) делать заявления. Синквейн — форма своеобразного творчества, осуществляемая по определенным правилам.
Обучение и закрепление происходит в ходе выполнения задания — составление синквейна. Составляя синквейн, учащиеся реализуют свои способности: — интеллектуальные — творческие — эмоциональные Во время составления синквейна сочетаются три основные системы: — информационная — деятельностная — личностно-ориентированная
Правила написания синквейна 1 строка — существительное (тема) 2 строка — 2 прилагательных (раскрывают тему) 3 строка — 3 глагола (действие к теме) 4 строка — фраза или предложение, цитата, свое мнение к тебе 5 строка — слово-резюме, итог (личное отношение к теме).
Схема Признак Предмет Действие Предложение Слово-вывод Действие Действие Признак
Кластер — систематизирует знание учащимся по теме, проблема это географическая организация учебного материала. В центре ключевое слово или предложение Смысловые умозаключения по теме (слова, словосочетания) Все идеи записываются Классифицируем идеи и понятия соответственно теме.
Кластер можно использовать на различных этапах урок. Стадия вызова — организация мыслительной деятельности. Стадия осмысления — структурирование нового учебного материала. Стадия рефлексии — подведение итога, систематизация знаний по теме. Можно использовать на уроке и как домашнее задание; для индивидуальной, парной, групповой работы.
Составление кластера. Виды кластеров.
Умение учащихся кратко, логично выражать мысли по теме — это умение владеть знаниями по учебной теме. Можно судить о том, что ученик: — знает содержание учебного материала — умеет выделять главное — умеет применять знания для решения новой задачи
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
В настоящее время общество изменило свои приоритеты. Поэтому важно развивать у ребенка умение логически мыслить, принимать решения, работать с информацией. анализировать различные стороны явлений, отб.
Технология развития критического мышления на уроках химии.
В статье рассматриваются основные элементы технологии критического мышления и на примере химии показано использование приёмов данной технологии на уроках.
Технология критического мышления – одна из новых образовательных технологий. Она была предложена в середине 90-х годов XX века американскими психологами Д.Стилом, К. Мередитом и Ч. Темплом. Под термин.
Приводится отчет по работе над темой самообразования.
Главной идеей образования становится идея формирования ключевых компетенций, системы критериев, характеризующих не просто умения, а умения проявляемые в конкретных ситуациях. Информационная функция об.
Кластеры: сущность и методика работы с ними при изучении химии
КЛАСТЕРЫ: СУЩНОСТЬ И МЕТОДИКА РАБОТЫ С НИМИ ПРИ
Составление кластера. Обычно кластер выполняют на отдельном листе. В центре кластера помещают название темы, проблемы, понятия; вокруг располагают суждения: крупные смысловые единицы, отражая их связи с разнообразными аргументами, фактами, примерами. Возможны две формы (условно): кластер в виде круга и в виде полукруга. Если структура кластера предположительно будет круговой (в кластере будет 5 и более смысловых единиц), т.е. линии связей (лучи) расходятся по всем направлениям в разные стороны, то тогда ключевое понятие (заглавный термин) записывают в центре листа, а от него в разные стороны исходят стрелки-лучи (именно стрелки-лучи, отражающие направленность, а не просто черточки! в некоторых случаях это могут быть две стрелки, направленные в противоположные стороны, как знак обратимости), соединяющие это слово с другими, от которых лучи расходятся далее и далее, так происходит образование гроздевидной структуры. Если кластер будет содержать 2-3 смысловые единицы, то он скорее будет напоминать полукруг, тогда начинаем составлять его от верхней кромки листа. Объем информации, содержащейся в кластере, может быть разным, и сама информация может обладать разной степенью значимости (быть более или менее существенной и несущественной). Крупный кластер, как правило, содержит совокупность существенной и несущественной информации, которую составитель (учитель, учащийся) почерпнул ранее – намеренно или случайно, причем, эта информация может быть из любых областей знания, в том числе и гуманитарных. Важно, чтобы содержание кластера позволяло работать с ним как с источником информации и в дальнейшем. Это надо иметь в виду учителю, который использует или намеревается использовать кластеры в своей работе. Интересны и полезны следующие виды работы учащихся с кластерами:
1. Составление нового кластера (в том числе, и по готовому простому или развернутому плану).
2. Составление краткого рассказа по готовому кластеру (с использованием слов, входящих в состав кластера).
3. Составление простого и развернутого плана темы, проблемы, характе- ристики вещества, группы или класса веществ по готовому кластеру.
4. Коррекция готового кластера.
6. Анализ неполного кластера без указания заглавного термина и опре- деление этого термина.
7. Анализ неполного кластера без указания одной или нескольких его смысловых единиц и определение этих единиц.
9. Публичная презентация готового кластера (в том числе, в режиме ограниченного времени).
Организационные формы работы с кластерами:
1. Совместно с учителем на уроке (фронтальная работа при ведущей роли учителя).
2. Индивидуальная или парная работа на практическом занятии (возможно, с последующей публичной презентацией; роль учителя – консультационная или ведущая).
3. В составе малой творческой группы с последующим конкурсом на лучший кластер по заданной учителем теме.
5. Самостоятельно при выполнении домашнего задания.
Практический опыт показывает, что включение кластеров в процесс обучения активизирует учебно-познавательную деятельность учащихся, позволяет им самостоятельно диагностировать уровень имеющихся у них знаний и выявить возможные области недостаточного знания, дает возможность отразить индивидуальные результаты обучения.
Кроме того, все виды и формы работы с кластером способствуют формированию и развитию различных метапредметных умений: анализа, синтеза, систематизации, классификации, обобщения, выявления причинно-следственных связей, перекодирования информации, адекватной работе в паре, группе, самоконтроля, взаимоконтроля, самокоррекции знаний и др.
1. Коттон, Ф. Современная неорганическая химия / Ф. Коттон, Дж. Уил- кинсон. – Ч. 3. – М.: Мир, 1969. – 596 с.
2. Муштавинская, И.В. Технология развития критического мышления на уроке и в системе подготовки учителя: учеб.-метод. пособие / И.В. Муштавинская. – СПб.: КАРО, 2009. – 144 с.
3. Павлищева, А.Ю. Из опыта использования кластеров / А.Ю. Павлищева // Химия в школе. – 2010. – №6. – с. 28–30.
Для дошкольников и учеников 1-11 классов
Рекордно низкий оргвзнос 25 Р.
Описание презентации по отдельным слайдам:
Кластер как один из методов критического мышления Современная система образования ориентирована на формирование у учеников самостоятельного мышления. Критическое мышление является педагогической технологией, стимулирующей интеллектуальное развитие учащихся. Кластер — один из его методов (приемов).
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ использования кластеров систематизация имеющейся информации структурирование учебного материала фиксирование фрагментов новой информации графическое изображение логических связей
К особенностям критического мышления относят наличие трех стадий: вызов, осмысление, рефлексия
Цель приёма: Кластер используется, когда нужно собрать у учеников все идеи или ассоциации связанные с каким-либо понятием (например, с темой урока).
Пример по составлению кластера в химии
Правила оформления кластера на уроке В зависимости от способа организации урока, кластер может быть оформлен на доске, на отдельном листе или в тетради у каждого ученика при выполнении индивидуального задания. Составляя кластер, желательно использовать разноцветные мелки, карандаши, ручки, фломастеры. Это позволит выделить некоторые определенные моменты и нагляднее отобразить общую картину, упрощая процесс систематизации всей информации.
Самостоятельные работы В зависимости от цели урока учитель химии может организовать индивидуальную самостоятельную работу учащихся или коллективную – в виде общего совместного обсуждения. Предметная область не ограничена, использование кластеров возможно при изучении самых разнообразных тем. Составление кластера на уроках химии позволяет учащимся свободно и открыто думать по поводу какой-либо темы. Ученик записывает в центре листа ключевое понятие, а от него рисует в разные стороны стрелки-лучи, которые соединяют это слово с другими, от которых лучи расходятся далее и далее.
Размеры кластера могут быть различны. На уроке объём содержания создаваемого учащимися кластера иногда определяю заранее, ограничивая его, например, только областью химии. Кластер может содержать не более трёх-четырёх элементов. Вместе с тем он может чересчур растянуться в какую-то одну сторону, поэтому важно заранее определить направления его развития.
Пример составления кластера на уроке химии Записываю информацию на доске или листе ватмана сначала в том порядке, в каком её предлагают учащиеся, а затем после объяснения материала школьники перестраивают кластер. Прочитав текст учебника или прослушав объяснение учителя, ученики легко могут построить более логичный кластер
Достоинства и результаты применения приема позволяет охватить большой объем информации; вовлекает всех участников коллектива в обучающий процесс, им это интересно; дети активны и открыты, потому что у них не возникает страха ошибиться, высказать неверное суждение. В ходе данной работы формируются и развиваются следующие умения: ставить вопросы; выделять главное; устанавливать причинно-следственные связи и строить умозаключения; переходить от частностей к общему, понимая проблему в целом; сравнивать и анализировать; проводить аналогии.
Что дает применение метода кластера на уроках химии детям? Графическое, наглядное представление информации помогает учащимся уяснить структуру понятия, явления, легче воспринимать идеи своих одноклассников и вырабатывать собственные, выделять главное и делать правильные выводы. Использование кластеров на уроках химии позволяет повысить мотивацию учащихся, активизировать учащихся на начальном этапе урока и обобщить приобретенные знания в конце его.
Тема урока: Физические свойства металлов Назовите самый распространенный материал на службе у человека?
Самостоятельная работа: Назовите недостающий элемент в схеме кластера по неметаллам и раскройте его.
Почему подростки хотят работать и как подросткам правильно зарабатывать: психологический и юридический аспект
2 – 4 марта 2021г 19:00 (МСК)
Свидетельство каждому участнику
Скидка на курсы для всех участников
Номер материала: ДВ-420872
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
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.
Акмолинская область Бурабайский район поселок Бурабай
химии и биологии
2019-2020 учебный год
Составление кластера на уроках химии и биологии позволяет учащимся свободно и открыто думать по поводу какой-либо темы. Ученик записывает в центре листа ключевое понятие, а от него рисует в разные стороны стрелки-лучи, которые соединяют это слово с другими, от которых лучи расходятся далее и далее.
Кластер использую на самых разных этапах урока, при изучении различных тем курса химии и биологии. Например, на стадии вызова – для стимулирования мыслительной деятельности, систематизации имеющейся информации и выявления возможных областей недостаточного знания. На стадии осмысления применяю этот приём для структурирования учебного материала. Кластер позволяет фиксировать фрагменты новой информации. На стадиях рефлексии, т. е. при подведении итогов изучения материала, ученики, группируя понятия в соответствии с индивидуальными представлениями, графически изображают логические связи между ними, что даёт возможность отразить индивидуальные результаты обучения.
Записываю информацию на доске или листе ватмана сначала в том порядке, в каком её предлагают учащиеся, а затем после объяснения материала школьники перестраивают кластер.
Прочитав текст учебника или прослушав объяснение учителя, ученики легко могут построить более логичный кластер.
Очевидно, что ценность систематизированного кластера, в котором есть установленные отношения между компонентами, больше, чем ценность кластера, выстроенного беспорядочно.
Размеры кластера могут быть различны. На уроке объём содержания создаваемого учащимися кластера иногда определяю заранее, ограничивая его, например, только областью химии и биологии. Вообще же, при создании кластера школьники могут использовать информацию из любых областей знаний, но из-за отсутствия времени не всегда удаётся рассмотреть их предложения. В этих случаях оставляю некоторые вопросы для работы во внеурочное время. Кластер может содержать не более трёх-четырёх элементов. Вместе с тем он может чересчур растянуться в какую-то одну сторону, поэтому важно заранее определить направления его развития.
Кластеры, создаваемые при изучении различных тем курса химии и биологии, включают разный объём информации. Крупный кластер обычно содержит совокупность существенной и несущественной информации, которую отдельные учащиеся почерпнули прежде – намеренно или случайно. Для закрепления представленных в кластере идей необходимо предлагать учащимся домашние задания, рассчитанные на интеграцию всех имеющихся сведений, и обращаться к его содержанию на последующих уроках.
В итоге получается кластер, который графически отображает размышления, определяет информационное поле данной темы.
Применение кластера мною на уроках позволяет мне повысить качество обучения по предмету. В связи с тем, что кластер входит во многие области науки кластер-технологию можно использовать на уроках географии, истории, химии, физики и других предметах.
Графическое, наглядное представление информации помогает учащимся уяснить структуру понятия, явления, легче воспринимать идеи своих одноклассников и вырабатывать собственные, выделять главное и делать правильные выводы. Использование кластеров позволяет активизировать учащихся на начальном этапе урока и обобщить приобретенные знания в конце его.
Эти исследования, захватывающие все глубже строение и превращение объектов химии (в особенности недоступный прежде мир короткоживущих форм и состояний), приводят к пониманию того, что кластеры - не экзотика, а весьма общая форма (или состояние) вещества.
Свидетельство злободневности темы - появление не только многих сотен и даже тысяч статей, более или менее частных, но и попытки ее общего обзора.
2. Частицы в кластере
Естественно спросить, каковы нижняя и верхняя границы числа частиц в кластере? Ответ на первую половину вопроса очевиден: минимальное число членов, образующих группу, равно двум. Верхняя граница, напротив, размыта и неотчетлива. Но ясно, что она должна находиться в той области, где добавление еще одного члена уже не изменяет свойств кластера: в этой области и заканчивается переход из количества в качество. Ниже мы увидим, что эта граница не вполне однозначна, но практически большая часть изменений, существенных для химика, заканчивается при ~103 частицах в группе.
Разнообразие типов кластеров определяется возможностью сочетания различных сред и способов стабилизации с множеством вариантов построения тела кластера из частиц той или иной природы.
Таково разнообразие наших объектов.
3. Методы исследования
В принципе для исследования свойств и поведения кластеров различных типов могут быть использованы решительно все методы, какими пользуется химия вообще. Однако пригодность и степень эффективности того или иного из них критическим образом зависят от устойчивости исследуемых кластеров; естественно, что к устойчивым системам применимы более многочисленные и более разнообразные по принципам методы наблюдений и измерений. Кроме того, имеет значение, находятся кластеры в равновесии со средой или нет: в первом случае концентрация их постоянна во времени, хотя и мала для короткоживущих объединений, неравновесные же группы частиц приходится специально создавать.
При работе с прочно стабилизированными или хотя бы с равновесными кластерами их приготовление и исследование легко могут быть разделены во времени и пространстве.
Для получения стабилизированных кластеров чаще всего используют процессы образования новой фазы: эти процессы буквально останавливают в их зародыше, фиксируя тем или иным способом возникающие группы частиц.
Своеобразными носителями для металлических кластеров стали в последние годы матрицы из твердых газов, на которых конденсируют пары металлов. Это важный и обещающий способ контролируемой стабилизации небольших металлических кластеров и вместе с тем способ синтеза не обычных кластерных соединений. Используя матрицы из твердой окиси углерода, получили, например, Ni2CO и Ni4CO, а на матрицах из твердого кислорода - Rh2(O2)n (л=1-4) и Rhs(O2)n, (m=2 или 6).
Для исследования стабилизированных кластеров применяют те же методы, что и в физической химии вообще, чаще других - спектральные (особенно в дальней инфракрасной области) и радиоспектроскопические, прежде всего методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Техника исследований кластеров приобретает своеобразие тогда, когда объекты являются неравновесными и короткоживущими. В таких исследованиях - они относятся главным образом к кластерам в газовой среде - экспериментальные устройства включают в себя сопряженные узлы генерации, выделения (если нужно) и собственно исследования кластеров.
Неравновесные кластеры в газовой среде получают путем адиабатического расширения пара в устройствах различных типов. Наибольший стаж имеет камера Вильсона (система с поршневым расширением). Много позже были созданы методы работы с потоками, расширяющимися в сверхзвуковых соплах; сюда же можно отнести и технику молекулярных пучков.
Кстати сказать, пучки кластеров дейтерия или трития предложено вводить в горячую плазму при управляемом термоядерном синтезе. Эффективность такого способа подачи топлива определяется значительно большей плотностью вещества в кластерных пучках по сравнению с молекулярными. Этот проект - главная цель фундаментальных исследований кластеров, которые ведутся в одной из крупных лабораторий ФРГ в Карлсруэ.
Заряженные кластеры в газовой среде генерируют посредством электрического разряда или (ныне все чаще) путем воздействия ионизирующих излучений. Различные излучения используют для создания заряженных кластеров и в газах, и в. конденсированных средах. Ионная бомбардировка поверхности твердых тел позволяет получать также и заряженные, и нейтральные кластеры в паровой фазе обычно в сверхравновесных концентрациях.
Для характеристики ионных кластеров в газах масс-спектрометрия также весьма эффективна, но здесь распространен и другой метод-измерение подвижности ионов. В 70-х годах для исследования свободных кластеров, возникающих в сверхзвуковых газовых струях, был применен метод дифракции электронов; удалось регистрировать дифракционную картину от кластеров аргона из ~50 атомов с возрастом ~2-10~4 с.
Перспективна и оптическая спектроскопия кластерных пучков: их низкая температура сильно упрощает картину спектра и делает возможным его анализ.
В исследованиях поверхностных кластеров эффективна автоионная микроскопия и фотоэлектронная спектроскопия.
В последнее время приобретают значение новые спектроскопические методы изучения вещества - измерения рентгено- и фотоэлектронных спектров, но в исследованиях свободных кластеров их еще не применяли, тем более что анализ полученных данных здесь сложен и неоднозначен. По-видимому, наиболее информативными станут комплексные методы, сочетающие масс-спектрометрию, в особенности времяпролетную масс-спектрометрию высокого разрешения, со спектральными методами разных диапазонов частот. В частности, большой интерес представляет лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния света. Этот метод эффективен для измерения низких частот колебаний, характерных для связей между частицами в кластерах. Еще важнее, что он может обеспечить весьма быструю, до времен порядка 10~8 с, регистрацию спектров, а значит, исследование короткоживущих кластеров.
Вторая большая категория методов исследования - расчетно-теоретическая.
Ценность машинных методов тем выше, чем труднее объект для прямого экспериментального изучения; таковы в особенности свободные кластеры из нескольких десятков частиц.
Ныне распространен метод молекулярной динамики и метод Монте-Карло.
Сущность метода молекулярной динамики заключается в машинном решении уравнений движения системы из заданного числа частиц. Уравнения движения Ньютона связывают между собой координаты, скорость и энергию частицы; их интегрирование дает координаты и скорости всех частиц кластера в функции от времени. Свойства кластера находят, усредняя эти данные. Применение метода Монте-Карло опирается на эргодическую гипотезу статистической механики о возможности представления временной последовательности случайных конфигураций динамической системы мгновенным состоянием статистического ансамбля. В соответствии с этим принцип расчета состоит в усреднении по ансамблю случайных конфигураций, вероятность каждой из которых зависит от ее энергии экспоненциально.
Общим для обоих методов является вопрос о потенциале UN, описывающем взаимодействие N частиц в кластере. Вообще говоря, этот потенциал есть функция Хх. X;. Xv, где X; - ряд чисел, описывающих положение центра и ориентацию t'-й молекулы. Достаточно обоснованной является аппроксимация UN суммой потенциальных энергий парных взаимодействий X,).
Формы и параметры потенциала Utj могут быть различными; часто заменяют X;, X] просто на межмолекулярное расстояние rtj. Наиболее популярны (в силу простоты и удобства) потенциалы Леннарда-Джонса (обычно т=6, п=12) и потенциал Морзе. В случае многоатомных частиц, образующих кластер, выражения усложняются, так как необходим учет ориентации. Так, для молекул воды предложено несколько потенциальных функций; одной из наиболее простых и удачных является потенциал U (X;, Xj^Ut (rtJ) + S (rti) UEL (Х„ X,-), (4) где UEL - потенциал взаимодействия двух массивов заряда (отражающих распределение зарядов в молекуле воды), который учитывает водородные связи между молекулами. Все эти формулы являются эмпирическими; их параметры определяют по свойствам соответствующих веществ.
Методы молекулярной динамики и Монте-Карло дают сведения прежде всего о термодинамических характеристиках кластеров, а отчасти и об эволюции структуры (взаимного расположения частиц) кластера во времени.
Более глубокий уровень детализации связан с применением квантовой механики.
Методы расчета кластеров были созданы в ходе развития теории химической связи; долгое время (до конца 60-х годов) объектами приложения этих методов были не кластеры, а обыкновенные молекулы. К квантовомеханическим расчетам кластеров приступили специалисты, шедшие с двух сторон: одни занимались многоядерными металлоорганическими неорганическими комплексами, другие исследовали кластеры в качестве моделей твердого тела.
В обоих случаях кластеры первоначально были вспомогательной моделью, переходной к изучаемой, но постепенно выяснилась общность этих объектов.
Квантовомеханические расчеты кластеров дают для химика результаты двоякого рода. Во-первых, они позволяют судить об энергетике кластеров, о зависимости энергетических характеристик от расположения атомов. (Заметим еще раз, что ныне от подобных расчетов ожидают прежде всего выяснения тенденций, характера зависимости, а не абсолютных значений тех или иных величин. Правда, результаты новейших расчетов позволяют надеяться и на большее.) Такие зависимости можно сопоставлять с результатами вычислений методами молекулярной динамики и Монте-Карло, использующими те или иные эмпирические потенциалы взаимодействий между атомами. Таким образом можно получить сравнительное представление о возможностях разных расчетных методов. Работы в этом направлении уже начаты; найдено качественное согласие выводов о наиболее устойчивой структуре 13-атомных металлических кластеров.
Во-вторых, квантовомеханические расчеты дают результаты, так сказать, незаменимые, относящиеся к электронному строению кластеров. Здесь опять-таки наибольший интерес представляет тенденция - как изменяется электронная структура объекта при переходе от одиночного атома (молекулы) к кластеру, а затем к микроскопическому кристаллу.
Объектами большинства квантовохимических исследований остаются простые кластеры, образованные атомами металлов и отчасти других элементов. Рекордными являются работы по расчету 40-50-атомных кластеров. Недавно проведены также некоторые работы, относящиеся и к более сложным веществам (фтористому водороду, хлористому бериллию и др.). Начаты исследования ионов, а также сольватированных электронов.
Многочисленны расчетные квантовохимические исследования, которые имеют своим объектом кластеры не как самостоятельные объекты, а как упрощенные модели твердого тела или его поверхности.
4. Образование кластеров
К явлениям образования кластеров в фазовых переходах близки уже упоминавшиеся предпереходные явления; здесь до возникновения новой фазы дело не доходит, и кластеры остаются как бы несостоявшимися фазами. Они-то и были названы гетерофазными флюктуациями, поскольку они находятся в динамическом равновесии с материнской фазой, т.е. непрерывно возникают и распадаются.
Все сказанное относится и к поверхностным кластерам: они могут возникать и при гетерогенном зарождении новой фазы, и просто при адсорбции, образованием новой фазы не сопровождающейся, В качестве примера приведем малоизвестный случай металлических кластеров - продуктов взаимодействия твердых поверхностей с растворами металлов (наиболее известный пример подобных растворов- серебряная вода). В объеме раствора металлические кластеры не обнаруживаются; они возникают и стабилизируются только благодаря адсорбции на поверхности. Весьма интересно, что они способны к обратимой дегидратации (вообще десольватации), что доказано по спектрам поглощения этих систем.
Образование кластеров путем дезагрегации больших коллективов частиц возможно при испарении конденсированных фаз, а также при растворении твердых веществ в жидкостях и плотных газах. Эти процессы также связаны с возникновением новых фаз, но менее плотных, чем исходная. Кластеры и в этом случае могут быть либо промежуточными формами на пути образования новой фазы, либо гетерофазными флюктуациями, характеризующими предпереходное состояние.
Процессы образования кластеров могут быть классифицированы и иначе - по тому, равновесной или неравновесной является система, в которой кластеры возникают и существуют. Такое деление имеет смысл именно при рассмотрении систем в целом; оно позволяет увидеть физико-химические причины, обусловливающие возникновение кластеров в обоих этих случаях.
Несколько иначе выглядит ситуация в неравновесных системах. Здесь кластеры образуются (и исчезают) в качестве некоторых переходных форм на пути системы из одного состояния в другое, точнее, может быть, кластеры сами представляют собой этот путь эволюции системы. Равновесия множества кластеров со средой уже нет, а ход процесса на определенном этапе обусловливается именно межкластерными взаимодействиями.
5. Кинетика образования кластеров
Капитальную важность имеют вопросы механизма и кинетики образования кластеров, но вопросы эти почти не изучены. Например, совершенно не ясен механизм агрегации мономерных частиц в кластер. Рассматривая реакции поштучного присоединения мономерных частиц к растущему кластеру и особенно соединения двух кластеров в третий, нужно найти ответ на вопрос, как формируются стабильные конфигурации: в частности, при построении кластеров из атомов видны легкие переходы 1-2-3-4-5, поскольку присоединение каждого следующего атома не требует нарушения стабильной конфигурации (треугольник переходит в тетраэдр, а тетраэдр - в тригональную бипирамиду). Однако дальнейший рост невозможен без затрат на перестройку исходной структуры. Как может происходить такая перестройка - вопрос, который пока лишь поставлен. Не исключено и то, что рост идет через неравновесные конфигурации, а равновесные возникают в результате релаксации свободного кластера.
По существу, то же самое относится и к образованию кластеров путем дезагрегации сплошной фазы: эти процессы изучены еще хуже, и механизмы их ждут своих исследователей.
6. Строение и свойства кластеров
Несколько примеров структур стабилизированных атомных кластеров представлено на. Еще больше усложняется структура стабилизированных кластеров, тело которых образовано двумя и более компонентами. Характерные примеры дают различные полимерные ионы - от анионов изо- и гетерополикислот до полимерных катионов гидроксокомплексов.
Структура (в смысле возможного расположения частиц безотносительно к способу стабилизации) может быть троякого рода: цепочечной, т. е. линейной, или, точнее, одномерной (цепочка частиц может быть изогнутой, зигзагообразной и т. д.), сетчатой, или двумерной, и наконец, трехмерной, когда частицы, формирующие кластер, образуют сферу или многогранник.
И так задачка по органической химии!!
Дополнительно известно, что Х2 - гетероароматическое соединение соединение с суммой зарядов 0.
А Х3 - образуется в результате циклоприсоединения, а также содержит в своем составе 4 цикла и кеталь и не содержит двойных СС связей.
Кластеры и другая химия запись закреплена
Фёдор Клюев
Кластеры и другая химия запись закреплена
Публикуем решение задачи от Григория! Извиняемся за задержку!
Благодарим всех за присланные решения.
Q - пиперидин
С - пиридин
Показать полностью.
Х - СаС2
Y - KCN
X1 - C2H2
Y1 - HCN
X3 - C2H4I2
X4 - C2H4
A - I2
Z - Sm
Z1- SmI2
Z2 - SmI2*5THF
Кластеры и другая химия запись закреплена
Кластеры и другая химия запись закреплена
Кластеры и другая химия запись закреплена
Задача от Григория Данилова
Решения пишите в комментарии!
ИЗВЕСТНЫЙ КАТАЛИЗАТОР
Юный химик решил получить соединение Q, которое он планировал использовать как катализатор в одной из самых известных органических конденсаций. Для этого ему необходимо было получить С - предшественник Q. Для синтеза C химик взял смесь солей Х и Y и прилил к ним концентрированный раствор НСl.
Показать полностью. В результате юный химик наблюдал бурное выделение газов - Х1 и Y1. Дополнительно известно, что Х - двухэлементная соль, структурную формулу которой можно по ошибке нарисовать в виде треугольника. Также из Х в промышленности получали газ Х1. Y раньше использовали в качестве отравы для крыс. После получения газов Х1 и Y1, юный химик в нужном соотношении внес их в реактор, добавив кобальтоцен в качестве катализатора, получив С. Для дальнейших превращений юному химику понадобился восстановитель. Он взял темно-коричневую жидкость Х3 и смешал с металлом Z. В результате выделился газ Х4 (дигидропроизводное Х1) и образовалось твердое зеленое вещество Z1. Дополнительно известно, что Х3 - трехэлементное соединение и не может быть получено реакцией Х4 и простым веществом А, ввиду его низкой реакционной способности. Далее Z1 растворили в THF, получив темно-синий раствор Z2, с массовой долей Z - 19,6%. На конечной стадии синтеза юный химик смешал С с Z2 и H2O, получив Q.
Читайте также: