Поделки по химии своими руками молекулы

Молекулы из пластилина. Пошаговый урок лепки.

Сегодня мы проведем урок не только лепки, но и химии, и слепим модели молекул из пластилина. Пластилиновые шарики можно представить, как атомы, а показать структурные связи помогут обычные спички или зубочистки. Таким методом могут пользоваться учителя при объяснении нового материала по химии, родители – при проверке и изучении домашнего задания и сами дети, интересующиеся предметом. Более легкого и доступного способа создать наглядный материал для мысленной визуализации микрообъектов, пожалуй, не найти.
Здесь представлены представители мира органической и неорганической химии в качестве примера. По аналогии с ними могут быть выполнены и другие структуры, главное – разбираться во всем этом многообразии.

Материалы для работы:

1. Подготовьте пластилин для лепки шарообразных атомов, из которых будут складываться молекулы, а также спички – для представления связей между ними. Естественно, лучше показывать атомы разного сорта другим цветом, чтобы было понятнее представить себе конкретный объект микромира.

2. Чтобы сделать шарики, отщипните необходимое количество порций пластилина, разомните в руках и скатайте фигурки в ладонях. Для лепки органических молекул углеводородов можно использовать красные шарики большего размера – это будет углерод, и синие меньшего – водород.

3. Чтобы слепить молекулу метана, вставьте в красный шарик четыре спички так, чтобы они были устремлены к вершинам тетраэдра.

4. Наденьте на свободные концы спичек синие шарики. Молекула природного газа готова.

5. Подготовьте две одинаковых молекулы, чтобы объяснить ребенку, как можно получить молекулу следующего представителя углеводородов – этана.

6. Соедините две модели, убрав одну спичку и два синих шарика. Этан готов.

7. Далее продолжите увлекательное занятие и объясните, как происходит образование кратной связи. Уберите два синих шарика, а связь между углеродами сделайте двойной. Подобным образом можно слепить все необходимые для занятия молекулы углеводородов.

8. Такой же способ подойдет и для лепки молекул неорганического мира. Осуществить задуманное помогут те же пластилиновые шарики.

9. Возьмите центральный атом углерода – красный шарик. Вставьте в него по две спички, задавая линейную форму молекулы, на свободные концы спичек прикрепите два синих шарика, которые в данном случае олицетворяют атомы кислорода. Таким образом, мы имеем молекулу углекислого газа линейного строения.

10. Вода – это полярная жидкость, а ее молекулы представляют собой угловые образования. Они состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Угловое строение задает неподеленная пара электронов на центральном атоме. Ее тоже можно изобразить в виде двух зеленых точек.

Вот такие увлекательные творческие уроки обязательно нужно практиковать с детьми. Ученики любого возраста заинтересуются химией, будут лучше понимать предмет, если в процессе изучения им предоставить наглядное пособие, выполненное своими руками.

Источник

Творческий урок по химии для детей – структура молекулы воды

Не нужно бояться сложных терминов и непонятных явлений, которые изучает фундаментальная наука химия. Стоит только присмотреться к окружающему миру, заметить некоторые процессы, которые происходят вокруг нас. Образованные люди знают, что все окружающие нас предметы, вода, воздух, да и мы сами, состоят из молекул, а те, в свою очередь, состоят из атомов. Даже с маленькими детьми можно проводить обучающие беседы и творческие уроки, которые смогут привить любовь к интересным наукам.

Рассмотрите с малышами структуру молекулы воды. Уникальную модель можно сделать своими руками из обычного пластилина и спичек. На простых примерах удастся показать 3 агрегатных состояния и форму диполя.

Модель Томсона

Первую модель строения атома придумал английский физик Джозеф Джон Томсон (удостоенный Нобелевской премии за открытие электрона). В конечном счёте она оказалась неверной, но сыграла важную роль, будучи стимулом последующих экспериментальных исследований Резерфорда. Физики называли модель Томсона «пудинг с изюмом».

Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 1).

Рис. 1. Модель атома Томсона

Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны). Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона. Например, для некоторых химических элементов были подобраны формулы, хорошо описывающие их спектры, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали.

Молекула воды

С водой связана вся жизнь человека – от самого зарождения и до смерти. Вода – это одно из самых первых веществ, которое начинает изучать маленький исследователь – в ванне, луже и даже на кухонном столе. Ее уникальные свойства испаряться, замерзать, таять (плавиться) привлекает умы деток постарше.

Но о том, почему так происходит и из чего состоит хорошо известная вода – узнается только в старших классах школы. Однако мы склонны считать, что не стоит ждать пока познавательный интерес к этому уникальному по своим свойствам веществу начнет угасать. Ведь даже старшему дошкольнику доступны к пониманию понятия атом и молекула, тем более если их модели слепить своими собственными руками, опираясь на научные данные (с помощью взрослых).

Подготовительный этап

Перед тем как в домашних условиях сделать химическую завивку, нужно к ней подготовиться. За двадцать дней до мероприятия нельзя локоны красить. Не лишним перед химической завивкой будет провести тест на чувствительность к препаратам. Для этого за ухо следует нанести немного средства и подождать сутки. Если аллергической реакции не последует, то продукт можно использовать и, наоборот, при раздражении и сыпи лучше отказаться от применения препарата.

Перед данным мероприятием следует посмотреть, как будет действовать химический реагент на волосы. Для этого небольшой локон обрабатывают составом для завивки. Если через пару минут прядь будет рваться, то концентрацию раствора снижают вдвое. Процедуру повторяют на другой пряди. Если волосы все равно рвутся, то необходимо отказаться от химической завивки и уделить внимание восстановлению, укреплению шевелюры.

Все средства для данного мероприятия должны соответствовать типу волос. Для длинных коклюшки выбирают большего диаметра, для коротких — меньшего. Обязательно перед завивкой следует оценить состояние волос. Слабые пряди не следует подвергать подобному мероприятию.

Музей неосязаемого

Мир молекул традиционно считается областью, доступной исключительно учёным в силу того, что его ультрамикроскопическая природа неподвластна чувственному восприятию. Подобно Платоновской «Республике», в которой жители аллегорической пещеры судят о реальном мире лишь по теням, отбрасываемым на стены своего обиталища, виртуальный музей «Неосязаемое» представляет собой коллекцию «теней», отбрасываемых из мира молекул на наше повседневное существование.

Кеннет Эвард (Kenneth Eward), смотритель этой галереи, неожиданно увлёкся искусством в процессе научных исследований в области физиологии клетки, и после окончания университета он открыл в Манхеттене свой арт-салон BioGrafx, посвящённый научным достижениям. Виртуальная коллекция Эварда состоит из скульптур молекул и «молекулярных ландшафтов», выполненных в «пустынной» эстетической манере, характерной для фотографов начала XX века. «Законы физики не обязательно действуют в виртуальном мире, что делает возможным творчество, освобождённое от естественных ограничений», — пишет он о своих инсталляциях.

Одна из скульптур в виртуальной VRML-галерее — зелёный флуоресцентный белок (рис. 4) — немного вибрирует, слегка сжимается и расширяется, одновременно говоря зрителю о динамической природе белковых молекул и напоминая медузу — организм, из которого был выделен этот важнейший для современной молекулярной биологии и биоинженерии объект.

Рисунок 4. Зелёный флуоресцентный белок призрачно светится в темноте Это свойство активно используется в генетической инженерии.

Kenneth Eward, 1998, публикуется с разрешения автора

А что есть вокруг атома?

Чтобы понять, как нарисовать атом, следует определить, каков его внешний вид. Электроны, то есть мелкие шары, которые были нарисованы в предыдущем пункте, движутся вокруг протонов, то есть более крупных кругов. Поэтому у них есть своя траектория или путь. Он изображается в виде эллипсов, которые проходят через электроны. Эллипсы — это маршрут мелких частиц.

Эти вытянутые овалы располагают через основной круг, перекрещивая между собой. В среднем могут получиться около трех таких кругов. Если нарисовать окружности так, чтобы они пересекали электроны, сложно, то можно сначала нарисовать эти пути, а уже на них расположить электроны.

Теперь можно подтереть все карандашные наброски, выделить четкой линией то, что должно остаться, а сам атом раскрасить.

В общем смысле рисунок атома – это сборище маленьких кругов, кружащих вокруг центра из более крупных шаров. Это и есть наш атом, и теперь все знают, как нарисовать его. Раскрасить его можно так, как душе угодно!

Историческая справка

Понятие об атомарной структуре материи восходит к античности — их приписывают философу Демокриту, рассуждавшему об организации всего сущего. Однако внимание научного мира заострилось на проблеме строения вещества уже в средние века, когда Иоганн Кеплер размышлял о проблемах симметрии снежинок и симметричной же упаковке сферических объектов (задаче, известной также как 18-я проблема Гильберта, которая получила решение лишь недавно [1]). В начале 19 века Джон Дальтон уже говорил об атомах как о реальных частицах разной массы и размера, а ближе к середине столетия австрийский учёный Йозеф Лошмидт изображал различные молекулы в виде набора соприкасающихся окружностей. Создание первой пространственной модели молекулы (это был метан) приписывается Августу Вильгельму Хофману, однако важнейшая концепция химической науки — стереохимия — была заложена Якобом Хендриком Вант-Гоффом, обратившим внимание на тетраэдрическое строение электронной оболочки атома углерода в метане. Развитие химии и рентгеновской кристаллографии привело к важнейшим открытиям в биологии XX века — установлению пространственной структуры молекул ДНК и белков, — и задача адекватного представления структуры биологических молекул, особенно сложных, встала весьма остро. Были разработаны «конструкторы» для сборки молекулярных моделей (некоторые из них до сих пор являются отраслевым стандартом), а одновременное развитие вычислительной техники и компьютерных дисплеев привело появлению программ, направленных на визуализацию и изучение биомолекул [2].

Несмотря на невиданный прогресс в области молекулярной графики, произошедший за последние 10–20 лет, «физические» модели молекул не утратили своей значимости. Эдгар Мейер, один из «персонажей» этого рассказа, хорошо подметил некоторую ущербность компьютерной графики: «Моё первое знакомство c биомолекулами научило меня благоговению перед Природой на молекулярном уровне. Компьютерная графика, хотя и привлекает своей цветной динамичностью, неспособна полностью передать всей трёхмерной прелести молекул».
Таблица 1. Хронология развития моделей молекул.

Розочки из апельсина — декор и ароматизатор

Из кожуры апельсина получаются отличные розочки которые можно использовать для декора и натурального ароматизатора для дома.

Готовые розы, а также сушеные дольки апельсина, лимона можно сложить вот в такую вазочку (нашлась в кладовке у бабушки — чуть не выбросили)))

Для того чтобы аромат был ярче, берем эфирное масло лимона — и капаем несколько капель на розочки в вазе. И красота — запах держится около 3 недель, когда выветрится — повторяем процедуру.

Для того чтобы сделать розы из апельсина своими руками необходимо:

α-спираль для Полинга

Эстетический заряд, содержащийся в изображениях и скульптурах молекул, оказался настолько значительным, что в некоторых колледжах изящных искусств уже защищают диссертации по этой теме. Вот что пишет Джулиан Восс-Андре (Julian Voss-Andreae) в аннотации к своей работе под названием «Скульптуры белков»: «Я представляю новый взгляд на основу всего живого, создавая скульптуры белковых молекул. Более важным, чем буквальное копирование молекулы со всей возможной подробностью, мне представляется найти базовый принцип существования этой молекулы и выявить в нём художественное начало. В основе моего метода изготовления скульптур лежит аналогия между угловым соединением конструкционных элементов и сворачиванием белка. Я ощущаю, что нахожусь ближе к истине, когда использую алгоритмы, применяемые самой природой, нежели когда я просто копирую внешний вид молекулы. Мою работу можно назвать алгоритмичной, поскольку я рассчитываю необходимые для построения скульптуры разрезы из данных о структуре белка, используя собственную компьютерную программу. Однако кроме детерминистической стороны, в моей работе присутствует равная ей по величине иррациональность, которая превращает научные модели в объекты искусства. Мои скульптуры дают почувствовать субмикроскопический мир, обычно постижимый только с помощью интеллекта».

Белки увлекли Джулиана, когда он был ещё студентом-физиком; после того, как он перешёл на факультет искусств, они стали основным его источником вдохновения. Изучая трёхмерный дизайн, он решил выбрать их как центральный объект для своих работ. Его методика заключается в том, чтобы, разрезая погонный материал (такой как металлические балки или древесину) практически без отходов, соединять его заново, создавая уникальные формы, навеянные структурами белковых молекул. Именно безотходность делает его методику близкой к феномену сворачивания белка, считает Джулиан. Написанная им самим компьютерная программа позволяет рассчитать геометрические параметры разрезов, которые необходимо сделать в исходном материале, чтобы, будучи собранным заново, бездушный материал преобразился в уникальное произведение искусства. Так, например, один из его экспонатов — «Высокая еловая α-спираль» — создан из цельного девятиметрового ствола дугласовой пихты. Небольшие ошибки, накапливающиеся от разреза к разрезу, а также органическая природа строительного материала приводят к тому, что вместо безжизненной геометрической формы получается единственная в своём роде скульптура (рис. 5). Сам Джулиан считает, что некоторая непредсказуемость результата в данном случае — один из краеугольных камней его творчества.

Несколько лет назад Восс-Андре представилась уникальная возможность сконструировать мемориал одному из самых известных химиков мира — Лайнусу Полингу, единственному человеку на свете, дважды единолично награждённому Нобелевской премией [6]. Джулиану предложили соорудить памятный постамент возле домика в Портланде (штат Орегон США), где Лайнус провёл детство (сейчас там Центр науки, мира и здравоохранения имени Полинга). Для скульптуры была использована массивная шестиметровая стальная балка, которая после серии из 15 разрезов плазменной горелкой и сварочных работ преобразовалась… в трёхметровую α-спираль, посвящённую памяти великого учёного и миротворца (рис. 6).

Рисунок 5. α-спираль — один из основных «мотивов» пространственной укладки белковых молекул

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

Рисунок 6. α-спираль служит мемориалом Лайнусу Полингу — одному из величайших химиков мира. Нобелевская премия по химии 1954 года вручена Полингу «за исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединений». В 1962 году Полинг снова получает «Нобелевку» — за борьбу против использования ядерного вооружения и против военных действий как средства решения интернациональных конфликтов.

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

«Всё, что претендует на то, чтобы быть искусством, является им», — гласит одно из расхожих определений. Однако Джулиан, недаром скрупулезно изучавший искусства, не останавливается на этом тезисе. По его убеждению, художник обязательно должен преображать объект, с которым он работает, привнося в него что-то новое, чего там раньше не было. Богатый набор взаимосвязанных ассоциаций и интерпретаций, — вот что отличает подлинное искусство от бездушной модели. Конструктивизм, составляющий «физическую» основу творчества Восс-Андре, не является главной его частью, так же как и отрисовка реалистического изображения не является сутью шедевров художника-голландца Яна Вермеера, пользовавшегося в работе камерой обскурой.

В скульптуре «Светособирающий комплекс» (рис. 7) Джулиан провёл необычный эксперимент со светом. Скульптура состоит из 850 частей — так много субъединиц содержится в этой «молекулярной линзе», акцептирующей кванты света в зелёных растениях и передающей их на фотосистемы, вырабатывающие питательные вещества для растения и кислород для всей планеты. По замыслу скульптора, этот экспонат демонстрируется в небольшой затемнённой комнате, а в центре его должна стоять свеча. Свет, струящийся при этом через промежутки между отдельными «молекулами», напоминает нам о роли растений на Земле, а отбрасываемые на стены пляшущие тени и сами напоминают растительные заросли…

Рисунок 7. В светособирающих комплексах — «антеннах» фотосинтеза — сосредоточено до 90% хлорофилла

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

Базовая покраска

Существует два основных способа покраски моделей, это покраска кистью и покраска аэрографом. Покраска аэрографом дает более качественный результат, однако требует приобретения достаточно дорогого оборудования, а это не всегда это доступно, особенно для юных моделистов. Кисть требует гораздо меньших расходов, но добиться приемлемого результата, на мой взгляд, сложнее.

Но в своей работе моделисты используют оба способа, поэтому освоить кисть крайне важно и необходимо. Краску для покраски кистью, как уже говорилось выше, лучше всего покупать ту которая указана производителем. Если в Вашем регионе данная марка отсутствует, можно подобрать аналог. Консультанты в любом магазине с удовольствием окажут Вам помощь.

Для начинающих советую использовать акриловые краски на водной основе (Tamiya, Gunze Sangyo и др.). Они не имеют резкого запаха и проще отмываются. Необходимо обратить внимание, что есть краски которые производителем сразу подготовлены для использования в аэрографе, например Vallejo серии Model Air. Я такие краски под кисть не рекомендую (слишком жидкие). В базовую покраску также можно включить выкраску камуфляжа, прешейдинг (затемнение углублений и впадин на модели), высветление (выделение более светлым тоном базового цвета выступающих частей модели).

После покраски необходимо дать модели просохнуть 24 часа.

Трёхмерное прототипирование

Первые модели структуры белков конструировали из большого числа шариков, проволочек, втулок, винтиков и других деталей [2]. Они были очень громоздки, хрупки и требовали огромного времени и усердия для изготовления, даже при условии использования специальных «конструкторов» — наборов стандартных деталей для сборки. В настоящее время компьютеры почти полностью заменили такие конструкторы, но ведь иметь возможность взглянуть на модель молекулы не только на компьютерном экране, но и «в реале» означает лучше понять её функцию и оценить красоту!

Одним из современных методов производства «твёрдых» моделей молекул (про «конструкторы» мы тут подробно говорить не будем, потому что про них уже достаточно было сказано ранее [2]) является трёхмерное прототипирование — способ изготовления объёмных макетов любых объектов, используемый, в частности, в промышленном дизайне. Изготовление моделей производится на автоматизированных установках (в том числе управляемых через интернет), входными данными для которых является CAD-файл или файл с координатами атомов белка в общепринятом формате pdb. Одна из компаний, предлагающих изготовить «твёрдую» модель белка — 3D Molecular Designs, — располагает целым арсеналом технологий прототипирования: стереолитография, избирательное спекание лазером, производство посредством ламинирования, моделирование путём последовательного наплавления и трёхмерная печать. Последняя технология аналогична обычной струйной печати с той лишь принципиальной разницей, что вместо чернил такой принтер использует специальные полимеризующиеся композиты вроде гипса или смолы, и печать объекта происходит слой за слоем, пока модель не будет готова. Трёхмерная печать лидирует среди других технологий прототипирования по скорости (хотя несколько проигрывает в качестве) и, кроме того, она единственная, которая позволяет печатать цветные объёкты (за счёт использования разноцветных «чернил»). Модели, полученные с помощью других технологий, необходимо после изготовления дополнительно красить, ведь специфическая окраска атомов очень важна для «макетов» молекул.

Учёные отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет в собственных руках подержать молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосому, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией — а ведь это один из самых важных аспектов молекулярной биологии!

Русские идут в 3D

Visual science
Не следует думать, что вопросы визуального представления молекул и наукоёмкого материала вообще занимают умы исключительно зарубежных учёных. Московская компания Visual science предлагает свои услуги по созданию научных иллюстраций, трёхмерных моделей биологических объектов, мультимедийных презентаций и пластиковых моделей биомолекул и других медико-биологических объектов (изготавливаемых с помощью технологии трёхмерной печати). Среди своих целей компания называет:

1. грамотную и наглядную подачу научной информации с использованием современных технологий;
2. создание профессиональных иллюстраций и схем для образовательных материалов и учебников;
3. иллюстрирование научно-популярных публикаций без фактических ошибок, которыми изобилуют современные издания.