Les gens ont deviné depuis très longtemps que les substances sont constituées de minuscules particules individuelles ; c'est ce qu'a déclaré le scientifique grec Démocrite il y a environ 2 500 ans.

Mais si dans l'Antiquité les scientifiques supposaient seulement que les substances étaient constituées de particules individuelles, alors au début du 20e siècle, l'existence de telles particules a été prouvée par la science. Les particules qui composent de nombreuses substances sont appelées molécules 1.

Une molécule d'une substance est la plus petite particule de cette substance. La plus petite particule d'eau est une molécule d'eau, la plus petite particule de sucre est une molécule de sucre, etc.

Quelles sont les tailles des molécules ?

On sait qu'un morceau de sucre peut être broyé en très petits grains et qu'un grain de blé peut être moulu en farine. L'huile, se répandant sur l'eau, forme un film dont l'épaisseur est 40 000 fois inférieure à celle d'un cheveu humain. Mais un grain de farine et l’épaisseur d’un film d’huile contiennent non pas une, mais plusieurs molécules. Cela signifie que la taille des molécules de ces substances est encore plus petite que la taille d'un grain de farine et l'épaisseur du film. La comparaison suivante peut être faite : une molécule est autant de fois plus petite qu’une pomme de taille moyenne que la pomme est plus petite que le globe.

Les molécules de différentes substances diffèrent par leur taille, mais elles sont toutes très petites. Des instruments modernes - les microscopes électroniques - ont permis de voir et de photographier les plus grosses molécules (voir planche en couleurs II). Ces photographies confirment encore une fois l'existence de molécules.

Les molécules étant très petites, chaque corps en contient un grand nombre. 1 cm 3 d'air contient un tel nombre de molécules que si vous additionnez le même nombre de grains de sable, vous obtiendrez une montagne qui recouvrira une grande usine.

Dans la nature, tous les corps diffèrent les uns des autres, au moins d'une certaine manière. Il n’y a pas deux personnes qui aient le même visage. Parmi les feuilles qui poussent sur le même arbre, il n’y en a pas deux exactement identiques. Même dans tout un tas de sable, nous ne trouverons pas de grains de sable identiques. Des millions de billes pour roulements sont fabriquées en usine selon un échantillon, de même taille. Mais si vous mesurez les boules avec plus de précision que lors du traitement, vous pouvez être sûr qu'il n'y en a pas deux identiques parmi elles.

Les molécules d’une même substance diffèrent-elles les unes des autres ?

1. Molécule est un mot latin signifiant « petite masse ».

Des expériences nombreuses et complexes ont montré que les molécules d’une même substance sont identiques. Chaque substance pure est constituée de molécules identiques qui lui sont propres. C'est un fait étonnant. Il est impossible, par exemple, de distinguer l'eau obtenue à partir de jus ou de lait de l'eau obtenue par distillation de l'eau de mer, puisque les molécules de l'eau sont les mêmes et qu'aucune autre substance n'est constituée des mêmes molécules.

Bien que les molécules soient de très petites particules de matière, elles sont également divisibles. Les particules qui composent les molécules sont appelées atomes.

Par exemple, une molécule d’oxygène est constituée de deux atomes identiques. Une molécule d'eau est composée de trois atomes : un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. La figure 14 montre deux molécules d'eau. Cette représentation schématique des molécules est acceptée en science ; elle correspond aux propriétés des molécules étudiées dans des expériences physiques et est appelée modèle moléculaire.

Lorsque deux molécules d’eau sont divisées, quatre atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygène sont obtenus. Tous les deux atomes d'hydrogène se combinent pour former une molécule d'hydrogène, et chaque atome d'oxygène en une molécule d'oxygène, comme le montre schématiquement la figure 15.

Les atomes ne sont pas non plus des particules indivisibles ; ils sont constitués de particules plus petites appelées particules élémentaires.

Des questions. 1. Comment s’appellent les particules qui composent les substances ? 2. De quelles observations découle-t-il que les tailles des molécules sont petites ? 3. Que savez-vous de la taille des molécules ? 4. Que savez-vous de la composition de la molécule d’eau ? 5. Quelles expériences et quels raisonnements montrent que toutes les molécules d’eau sont identiques ?

Exercice. Comme vous le savez, des gouttes d’un liquide huileux se répandent à la surface de l’eau, formant une fine pellicule. Pourquoi l’huile cesse-t-elle de se répandre à partir d’une certaine épaisseur de film ?

Exercice. Fabriquez des modèles de deux molécules d'eau à partir de pâte à modeler colorée. Utilisez ensuite ces molécules pour créer des modèles de molécules d’oxygène et d’hydrogène.

Aujourd'hui, nous donnerons une leçon non seulement de modélisation, mais aussi de chimie, et nous réaliserons des modèles de molécules à partir de pâte à modeler. Les boules de pâte à modeler peuvent être représentées sous forme d'atomes, et des allumettes ou des cure-dents ordinaires aideront à montrer les connexions structurelles. Cette méthode peut être utilisée par les enseignants pour expliquer de nouvelles matières en chimie, par les parents lors de la vérification et de l'étude des devoirs, et par les enfants eux-mêmes qui s'intéressent au sujet. Il n’existe probablement pas de moyen plus simple et plus accessible de créer du matériel visuel pour la visualisation mentale de micro-objets.

Voici des exemples de représentants du monde de la chimie organique et inorganique. Par analogie avec elles, d'autres structures peuvent être réalisées, l'essentiel est de comprendre toute cette diversité.

Matériel de travail :

• pâte à modeler de deux couleurs ou plus;
• formules développées de molécules du manuel (si nécessaire) ;
• des allumettes ou des cure-dents.

1. Préparez de la pâte à modeler pour modéliser des atomes sphériques à partir desquels des molécules seront formées, ainsi que des allumettes pour représenter les liaisons entre eux. Naturellement, il est préférable de montrer les atomes de différents types dans une couleur différente, afin qu'il soit plus clair d'imaginer un objet spécifique du micromonde.

2. Pour faire des boules, pincez le nombre requis de portions de pâte à modeler, pétrissez dans vos mains et roulez en formes dans vos paumes. Pour sculpter des molécules d'hydrocarbures organiques, vous pouvez utiliser des boules rouges plus grosses - ce seront du carbone, et des boules bleues plus petites - de l'hydrogène.

3. Pour former une molécule de méthane, insérez quatre allumettes dans la boule rouge afin qu'elles pointent vers les sommets du tétraèdre.

4. Placez les boules bleues aux extrémités libres des allumettes. La molécule de gaz naturel est prête.

5. Préparez deux molécules identiques pour expliquer à votre enfant comment obtenir la molécule du prochain hydrocarbure, l'éthane.

6. Connectez les deux modèles en retirant une allumette et deux boules bleues. Ethan est prêt.

7. Ensuite, continuez cette activité passionnante et expliquez comment se forme un lien multiple. Retirez les deux boules bleues et doublez la liaison entre les carbones. De la même manière, vous pouvez modeler toutes les molécules d'hydrocarbures nécessaires à la leçon.

8. La même méthode convient pour sculpter des molécules du monde inorganique. Les mêmes boules de pâte à modeler vous aideront à réaliser vos projets.

9. Prenez l’atome de carbone central – la boule rouge. Insérez-y deux allumettes, définissant la forme linéaire de la molécule ; attachez deux boules bleues, qui représentent dans ce cas des atomes d'oxygène, aux extrémités libres des allumettes. Nous avons donc une molécule de dioxyde de carbone de structure linéaire.

10. L'eau est un liquide polaire et ses molécules sont des formations angulaires. Ils sont constitués d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. La structure angulaire est déterminée par la paire d’électrons libres sur l’atome central. Il peut également être représenté par deux points verts.

C’est le genre de leçons créatives passionnantes que vous devriez absolument pratiquer avec vos enfants. Les étudiants de tout âge s'intéresseront à la chimie et comprendront mieux le sujet si, pendant le processus d'apprentissage, ils disposent d'une aide visuelle réalisée par eux-mêmes.

Outre l’observation et l’expérimentation, la modélisation joue un rôle important dans la compréhension du monde naturel et de la chimie.

Nous avons déjà dit que l'un des principaux objectifs de l'observation est de rechercher des modèles dans les résultats des expériences.

Cependant, certaines observations sont peu pratiques voire impossibles à réaliser directement dans la nature. L'environnement naturel est recréé dans des conditions de laboratoire à l'aide d'appareils, d'installations, d'objets spéciaux, c'est-à-dire de modèles (du latin module - mesurer, échantillon). Les modèles copient uniquement les caractéristiques et propriétés les plus importantes d'un objet.

Par exemple, pour étudier le phénomène naturel de la foudre, les scientifiques n’ont pas eu besoin d’attendre un orage. La foudre peut être simulée en cours de physique et dans le laboratoire de l’école. Deux billes métalliques doivent recevoir des charges électriques opposées : positive et négative. Lorsque les boules s'approchent d'une certaine distance, une étincelle saute entre elles - c'est un éclair en miniature. Plus la charge sur les boules est élevée, plus l'étincelle saute tôt à l'approche, plus la foudre artificielle est longue. Un tel éclair est produit à l'aide d'un dispositif spécial appelé machine électrophore (Fig. 33).

Riz. 33.
Machine électrophore

L'étude du modèle a permis aux scientifiques de déterminer que la foudre naturelle est une décharge électrique géante entre deux nuages ​​​​d'orage ou entre les nuages ​​et le sol. Cependant, un vrai scientifique s'efforce de trouver une application pratique à chaque phénomène étudié. Plus la foudre électrique est puissante, plus sa température est élevée. Mais la conversion de l’énergie électrique en chaleur peut être utilisée, par exemple, pour souder et couper des métaux. C'est ainsi qu'est apparu le procédé de soudage électrique, familier à tous les étudiants aujourd'hui (Fig. 34).

Riz. 34.
Le phénomène naturel de la foudre peut être simulé en laboratoire

La modélisation en physique est particulièrement largement utilisée. Dans les cours sur ce sujet, vous vous familiariserez avec une variété de modèles qui vous aideront à étudier les phénomènes électriques et magnétiques, les schémas de mouvement des corps et les phénomènes optiques.

Chaque science naturelle utilise ses propres modèles qui permettent d'imaginer visuellement un phénomène ou un objet naturel réel.

Le modèle géographique le plus célèbre est le globe (Fig. 35, a) - une image miniature en trois dimensions de notre planète, avec laquelle vous pouvez étudier l'emplacement des continents et des océans, des pays et des continents, des montagnes et des mers. Si une image de la surface de la Terre est appliquée sur une feuille de papier plate, un tel modèle est appelé carte géographique (Fig. 35, b).

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Les modèles géographiques les plus connus : a - globe ; b - carte

Les modèles sont largement utilisés dans l’étude de la biologie. Il suffit de mentionner, par exemple, des modèles - mannequins d'organes humains, etc. (Fig. 36).

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Modèles biologiques : a - œil ; b - cerveau

La modélisation n’est pas moins importante en chimie. Classiquement, les modèles chimiques peuvent être divisés en deux groupes : objectifs et symboliques, ou symboliques (Schéma 1).

Des modèles de sujets d'atomes, de molécules, de cristaux et d'installations industrielles chimiques sont utilisés pour plus de clarté.

Vous avez probablement vu une photo d'un modèle d'atome qui ressemble à la structure du système solaire (Fig. 37).

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Modèle de structure atomique

Pour modéliser les molécules de substances chimiques, des modèles boule-et-bâton ou tridimensionnels sont utilisés. Ils sont assemblés à partir de boules symbolisant des atomes individuels. La différence est que dans les modèles boule-bâton, les atomes de la boule sont situés à une certaine distance les uns des autres et sont fixés les uns aux autres par des tiges. Par exemple, des modèles boule-bâton et tridimensionnels de molécules d'eau sont présentés à la figure 38.

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Modèles d'une molécule d'eau : a - boule et tige ; b - volumétrique

Les modèles de cristaux ressemblent à des modèles de molécules en forme de boule et de bâton, cependant, ils ne représentent pas les molécules individuelles d'une substance, mais montrent la disposition relative des particules d'une substance dans un état cristallin (Fig. 39).

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Modèle en cristal de cuivre

Cependant, le plus souvent, les chimistes utilisent des modèles iconiques ou symboliques plutôt que des modèles thématiques. Ce sont des symboles chimiques, des formules chimiques, des équations de réactions chimiques.

Vous commencerez à apprendre le langage chimique des signes et des formules dans la prochaine leçon.

Questions et tâches

1. Qu'est-ce qu'un modèle ? la modélisation?
2. Donnez des exemples de : a) modèles géographiques ; b) modèles physiques ; c) modèles biologiques.
3. Quels modèles sont utilisés en chimie ?
4. Fabriquez des modèles en forme de boule et de bâton et en trois dimensions de molécules d'eau à partir de pâte à modeler. Quelle forme ont ces molécules ?
5. Notez la formule de la fleur crucifère si vous avez étudié cette famille de plantes en cours de biologie. Cette formule peut-elle être qualifiée de modèle ?
6. Écrivez une équation pour calculer la vitesse d’un corps si le chemin et le temps qu’il met pour parcourir le corps sont connus. Cette équation peut-elle être appelée un modèle ?

De nombreux écoliers n'aiment pas la chimie et la considèrent comme une matière ennuyeuse. Beaucoup de gens trouvent ce sujet difficile. Mais l'étudier peut être intéressant et éducatif si vous abordez le processus de manière créative et montrez tout clairement.

Nous vous proposons un guide détaillé pour sculpter des molécules à partir de pâte à modeler.

Avant de fabriquer des molécules, nous devons décider à l’avance quelles formules chimiques nous utiliserons. Dans notre cas, il s'agit de l'éthane, de l'éthylène, du méthylène. Nous aurons besoin de : de la pâte à modeler de couleurs contrastées (dans notre cas, rouge et bleu) et de la pâte à modeler verte, des allumettes (cure-dents).

1. Roulez 4 boules d'un diamètre d'environ 2 cm (atomes de carbone) en pâte à modeler rouge. Roulez ensuite 8 boules plus petites en pâte à modeler bleue, d'environ un centimètre de diamètre (atomes d'hydrogène).

2. Prenez 1 boule rouge et insérez-y 4 allumettes (ou cure-dents) comme indiqué sur l'image.

3. Prenez 4 boules bleues et placez-les sur les extrémités libres des allumettes insérées dans la boule rouge. Le résultat est une molécule de gaz naturel.

4. Répétez l'étape n°3 et obtenez deux molécules pour la substance chimique suivante.

5. Les molécules fabriquées doivent être reliées les unes aux autres avec une allumette afin de former une molécule d'éthane.

6. Vous pouvez également créer une molécule avec une double liaison : l'éthylène. Pour ce faire, de chaque molécule obtenue à l'étape n°3, sortez 1 allumette avec une boule bleue dessus et reliez les pièces entre elles avec deux allumettes.

7. Prenez une boule rouge et 2 bleues et reliez-les ensemble avec deux allumettes pour obtenir une chaîne : bleue – 2 allumettes – rouge – 2 allumettes – bleue. Nous avons une autre molécule avec une double liaison : le méthylène.

8. Prenez les boules restantes : rouge et 2 bleues et reliez-les avec des allumettes comme indiqué sur la figure. Ensuite, nous roulons 2 petites boules de pâte à modeler verte et les attachons à notre molécule. Nous avons une molécule avec deux électrons chargés négativement.

Étudier la chimie deviendra plus intéressant et votre enfant développera un intérêt pour le sujet.

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Choisissez un type de bonbon. Pour réaliser des brins latéraux de groupes sucre et phosphate, utilisez des bandes creuses de réglisse noire et rouge. Pour les bases azotées, utilisez des oursons gommeux de quatre couleurs différentes.

• Quel que soit le bonbon que vous utilisez, il doit être suffisamment mou pour être percé avec un cure-dent.
• Si vous avez des guimauves colorées sous la main, elles constituent une excellente alternative aux oursons gommeux.

Préparez le matériel restant. Prenez la ficelle et les cure-dents que vous utilisez pour créer le modèle. La corde devra être coupée en morceaux d'environ 30 centimètres de long, mais vous pouvez les allonger ou les raccourcir, en fonction de la longueur du modèle d'ADN que vous choisissez.

• Pour créer une double hélice, utilisez deux morceaux de ficelle de même longueur.
• Assurez-vous d'avoir au moins 10 à 12 cure-dents, même si vous en aurez peut-être besoin d'un peu plus ou moins - encore une fois en fonction de la taille de votre modèle.

Hachez la réglisse. Vous accrocherez la réglisse en alternant sa couleur, la longueur des morceaux doit être de 2,5 centimètres.

Triez les oursons gommeux par paires. Dans le brin d'ADN, la cytosine et la guanine (C et G), ainsi que la thymine et l'adénine (T et A), sont situées par paires. Choisissez quatre oursons gommeux de couleurs différentes pour représenter différentes bases azotées.

• Peu importe dans quel ordre se trouve la paire C-G ou G-C, l'essentiel est que la paire contienne exactement ces bases.
• Ne l'associez pas à des couleurs dépareillées. Par exemple, vous ne pouvez pas combiner T-G ou A-C.
• Le choix des couleurs peut être complètement arbitraire, cela dépend entièrement des préférences personnelles.

Suspendez la réglisse. Prenez deux morceaux de ficelle et attachez-les chacun en bas pour éviter que la réglisse ne glisse. Enfilez ensuite des morceaux de réglisse de couleurs alternées sur la ficelle à travers les vides centraux.

• Les deux couleurs de réglisse symbolisent le sucre et le phosphate, qui forment les brins de la double hélice.
• Choisissez une couleur pour être le sucre, vos oursons gommeux s'attacheront à cette couleur de réglisse.
• Assurez-vous que les morceaux de réglisse sont dans le même ordre sur les deux brins. Si vous les mettez côte à côte, les couleurs des deux fils doivent correspondre.
• Faites un autre nœud aux deux extrémités de la corde immédiatement après avoir fini d'enfiler la réglisse.

Fixez les oursons gommeux à l'aide de cure-dents. Une fois que vous avez jumelé tous les ours, créant les groupes C-G et T-A, utilisez un cure-dent et attachez un ours de chaque groupe aux deux extrémités des cure-dents.

• Poussez les oursons gommeux sur le cure-dent de manière à ce qu'au moins un demi-pouce de la partie pointue du cure-dent dépasse.
• Vous pourriez vous retrouver avec plus de certaines paires que d’autres. Le nombre de paires dans l’ADN réel détermine les différences et les changements dans les gènes qu’elles forment.