DEFINICIÓN

Monóxido de carbono (IV) (dióxido de carbono) en condiciones normales, es un gas incoloro, más pesado que el aire, térmicamente estable, y cuando se comprime y se enfría, se convierte fácilmente en un estado líquido y sólido ("hielo seco").

La estructura de la molécula se muestra en la fig. 1. Densidad - 1.997 g / l. Poco soluble en agua, reaccionando parcialmente con ella. Muestra propiedades ácidas. Es restaurado por metales activos, hidrógeno y carbono.

Arroz. 1. La estructura de la molécula de dióxido de carbono.

La fórmula bruta del dióxido de carbono es CO 2 . Como es sabido, la masa molecular de una molécula es igual a la suma de las masas atómicas relativas de los átomos que componen la molécula (los valores de las masas atómicas relativas tomados de la Tabla Periódica de DI Mendeleev se redondean a números enteros ).

Mr(CO 2 ) = Ar(C) + 2×Ar(O);

Señor(CO 2) \u003d 12 + 2 × 16 \u003d 12 + 32 \u003d 44.

DEFINICIÓN

Masa molar (M) es la masa de 1 mol de una sustancia.

Es fácil demostrar que los valores numéricos de la masa molar M y la masa molecular relativa M r son iguales, sin embargo, el primer valor tiene la dimensión [M] = g/mol, y el segundo es adimensional:

METRO = N UN × m (1 moléculas) = ​​N UN × METRO r × 1 a.m.u. = (NA × 1 amu) × METRO r = × METRO r .

Esto significa que la masa molar del dióxido de carbono es 44 g/mol.

La masa molar de una sustancia en estado gaseoso se puede determinar utilizando el concepto de su volumen molar. Para hacer esto, encuentre el volumen ocupado en condiciones normales por cierta masa de una sustancia dada, y luego calcule la masa de 22.4 litros de esta sustancia en las mismas condiciones.

Para lograr este objetivo (cálculo de la masa molar), es posible utilizar la ecuación de estado de un gas ideal (la ecuación de Mendeleev-Clapeyron):

donde p es la presión del gas (Pa), V es el volumen del gas (m 3), m es la masa de la sustancia (g), M es la masa molar de la sustancia (g/mol), T es la temperatura absoluta (K), R es la constante universal de los gases igual a 8.314 J / (mol × K).

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1

Ejercicio	Haz una fórmula para combinar cobre con oxígeno si la relación de las masas de los elementos es m (Cu) : m (O) = 4: 1.
Solución	Encontremos las masas molares de cobre y oxígeno (los valores de las masas atómicas relativas tomadas de la Tabla Periódica de D.I. Mendeleev se redondearán a números enteros). Se sabe que M = Mr, lo que significa M(Cu) = 64 g/mol y M(O) = 16 g/mol. n (Cu) = m (Cu) / M (Cu); n (Cu) \u003d 4 / 64 \u003d 0.0625 mol. n (O) \u003d m (O) / M (O); n (O) \u003d 1/16 \u003d 0.0625 mol. Encuentre la relación molar: n(Cu) :n(O) = 0,0625: 0,0625 = 1:1, aquellos. la fórmula para combinar cobre con oxígeno es CuO. Es óxido de cobre (II).
Respuesta	CuO

EJEMPLO 2

Ejercicio	Haga una fórmula para el compuesto de hierro con azufre si la relación de las masas de los elementos es m (Fe): m (S) \u003d 7: 4.
Solución	Para saber en qué relación se encuentran los elementos químicos en la composición de una molécula, es necesario encontrar su cantidad de sustancia. Se sabe que para encontrar la cantidad de una sustancia, se debe usar la fórmula: Encontremos las masas molares de hierro y azufre (los valores de las masas atómicas relativas tomadas de la Tabla Periódica de D.I. Mendeleev se redondearán a números enteros). Se sabe que M = Mr, lo que significa que M(S) = 32 g/mol y M(Fe) = 56 g/mol. Entonces, la cantidad de sustancia de estos elementos es igual a: n(S) = m(S) / M(S); n (S) \u003d 4 / 32 \u003d 0,125 mol. n (Fe) = m (Fe) / M (Fe); n (Fe) \u003d 7 / 56 \u003d 0,125 mol. Encuentre la relación molar: n(Fe):n(S) = 0,125: 0,125 = 1:1, aquellos. la fórmula para combinar cobre con oxígeno es FeS. Es sulfuro de hierro (II).
Respuesta	FeS

Pero si las moléculas de los mismos átomos difieren tanto, ¡qué variedad debe haber entre las moléculas de diferentes átomos! Miremos nuevamente en el aire, ¿tal vez encontremos esas moléculas allí también? ¡Por supuesto que lo haremos!
¿Sabes qué moléculas exhalas en el aire? (Por supuesto, no solo usted, todas las personas y todos los animales). Moléculas de su viejo amigo: ¡dióxido de carbono! Las burbujas de dióxido de carbono hormiguean agradablemente en la lengua cuando bebe agua con gas o limonada. Los pedazos de hielo seco que se colocan en cajas de helado también están hechos de tales moléculas; El hielo seco es dióxido de carbono sólido.
En una molécula de dióxido de carbono, dos átomos de oxígeno están unidos por lados opuestos a un átomo de carbono. "Carbono" significa "el que da a luz al carbón". Pero el carbono da a luz a algo más que carbón. Cuando dibuja con un lápiz simple, quedan pequeñas escamas de grafito en el papel, que también consisten en átomos de carbono. El diamante y el hollín común están "hechos" de ellos. Nuevamente los mismos átomos, ¡y sustancias completamente diferentes!
Cuando los átomos de carbono se combinan no solo entre sí, sino también con átomos "extraños", ¡entonces nacen tantas sustancias diferentes que es difícil contarlas! Especialmente, muchas sustancias nacen cuando los átomos de carbono se combinan con átomos del gas más liviano del mundo: hidrógeno.Todas estas sustancias reciben un nombre común: hidrocarburos, pero cada hidrocarburo tiene su propio nombre.
El más simple de los hidrocarburos se menciona en los versos que conoces: "Pero tenemos gas en nuestro apartamento, ¡esto es todo!" El nombre del gas que se quema en la cocina es metano. La molécula de metano tiene un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno. En la llama de un quemador de cocina, las moléculas de metano se destruyen, un átomo de carbono se combina con dos átomos de oxígeno y se obtiene la ya familiar molécula de dióxido de carbono. Los átomos de hidrógeno también se combinan con los átomos de oxígeno y, como resultado, ¡se obtienen moléculas de la sustancia más importante y necesaria del mundo!
Las moléculas de esta sustancia también están en el aire, hay muchas allí. Por cierto, hasta cierto punto también estás involucrado en esto, porque exhalas estas moléculas en el aire junto con las moléculas de dióxido de carbono. ¿Qué es esta sustancia? Si no lo adivinó, respire en el vaso frío, y aquí está frente a usted: ¡agua!

Interesante:
La molécula es tan pequeña que si alineáramos cien millones de moléculas de agua una tras otra, toda esta línea cabría fácilmente entre dos reglas adyacentes en su cuaderno. Pero los científicos aún lograron descubrir cómo se ve una molécula de agua. Aquí está su retrato. Cierto, ¡parece la cabeza de un cachorro de oso Winnie the Pooh! ¡Mira cómo aguzaste las orejas! Por supuesto, estos no son oídos, sino dos átomos de hidrógeno unidos a la "cabeza": el átomo de oxígeno. Pero las bromas son bromas, pero en realidad, ¿estas "orejas en la parte superior" tienen algo que ver con las extraordinarias propiedades del agua?

Universidad Politécnica Estatal de San Petersburgo

Instituto de Matemática Aplicada y Mecánica
Departamento de Mecánica Teórica

MOLÉCULA DE DIÓXIDO DE CARBONO

proyecto de curso

Dirección de formación de licenciatura: 010800 Mecánica y modelado matemático

Grupo 23604/1

Gerente de proyecto:

Admitido a la defensa:

San Petersburgo

Capítulo 1 Dinámica molecular 3

1.2 Pares de potenciales 5

1.2.1 Potencial de Morse. 5

1.2.2 Potencial de Lennard-Jones. 6

1.2.3 Comparación de los potenciales de Morse y Lennard-Jones 7

1.2.4 Gráficos de comparación de potenciales y fuerzas. 7

1.2.5 Conclusión 9

1.2 Molécula de dióxido de carbono 9

Capítulo 2 Programa de escritura 10

2.1 Requisitos del programa 10

2.2 Código de programa. once

2.2.1 Variables. once

2.2.2 Función de creación de partículas 12

2.2.3 Función física 14

2.2.4 Función potencia 18

2.3 Selección de parámetros óptimos 19

Resultados del trabajo 20

Lista de referencias 21

Introducción y planteamiento del problema.

Modelar moléculas, incluso las más simples, es una tarea difícil. Para modelarlos, es necesario usar potenciales de muchas partículas, pero su programación también es una tarea muy difícil. Surge la pregunta de si es posible encontrar una manera más fácil de modelar las moléculas más simples.

Los potenciales emparejados son muy adecuados para el modelado porque tienen una forma simple y son fáciles de programar. Pero, ¿cómo se pueden aplicar al modelado molecular? Mi trabajo está dedicado a resolver este problema.

Por lo tanto, la tarea establecida antes de mi proyecto se puede formular de la siguiente manera: modelar una molécula de dióxido de carbono utilizando un par potencial (modelo 2D) y considerar su dinámica molecular más simple.

Capítulo 1 Dinámica molecular

Método clásico de dinámica molecular

El método de la dinámica molecular (método MD) es un método en el que se sigue la evolución temporal de un sistema de átomos o partículas que interactúan mediante la integración de sus ecuaciones de movimiento

Disposiciones básicas:

La mecánica clásica se utiliza para describir el movimiento de átomos o partículas. La ley del movimiento de las partículas se encuentra utilizando la mecánica analítica. Las fuerzas de interacción interatómica se pueden representar en forma de fuerzas potenciales clásicas (como el gradiente de energía potencial del sistema). El conocimiento exacto de las trayectorias de las partículas del sistema durante largos periodos de tiempo no es necesario para obtener resultados de naturaleza macroscópica (termodinámica). Los conjuntos de configuraciones obtenidos en el curso de los cálculos por el método de dinámica molecular se distribuyen de acuerdo con alguna función de distribución estadística, por ejemplo, correspondiente a la distribución microcanónica.

El método de dinámica molecular es aplicable si la longitud de onda de De Broglie de un átomo (o partícula) es mucho menor que la distancia interatómica.

Además, la dinámica molecular clásica no es aplicable a los sistemas de modelado que consisten en átomos ligeros, como el helio o el hidrógeno. Además, a bajas temperaturas, los efectos cuánticos se vuelven decisivos y, para considerar tales sistemas, es necesario utilizar métodos químicos cuánticos. Es necesario que los tiempos en los que se considere el comportamiento del sistema sean mayores que el tiempo de relajación de las magnitudes físicas estudiadas.

El método de la dinámica molecular, desarrollado originalmente en la física teórica, se ha generalizado en la química y, desde la década de 1970, en la bioquímica y la biofísica. Desempeña un papel importante en la determinación de la estructura de una proteína y el perfeccionamiento de sus propiedades si la interacción entre objetos puede describirse mediante un campo de fuerza.

1.2 Pares de potenciales

En mi trabajo utilicé dos potenciales: Lennard-Jones y Morse. Se discutirán a continuación.

1.2.1 Potencial de Morse.

D es la energía de enlace, a es la longitud de enlace, b es un parámetro que caracteriza el ancho del pozo de potencial.

El potencial tiene un parámetro adimensional ba. En ba=6, las interacciones de Morse y Lennard-Jones son cercanas. A medida que ba aumenta, el ancho del pozo de potencial para la interacción de Morse disminuye y la interacción se vuelve más rígida y frágil.

Una disminución en ba conduce a cambios opuestos: el pozo de potencial se expande, la rigidez disminuye.

La fuerza correspondiente al potencial de Morse se calcula mediante la fórmula:

O en forma vectorial:

1.2.2 Potencial de Lennard-Jones.

Potencial de poder emparejado de interacción. Definido por la fórmula:

r es la distancia entre partículas, D es la energía de enlace, a es la longitud de enlace.

El potencial es un caso especial del potencial de Mie y no tiene parámetros adimensionales.

La fuerza de interacción correspondiente al potencial de Lennard-Jones se calcula mediante la fórmula

Para el potencial de Lennard-Jones, la rigidez del enlace, la longitud crítica del enlace y la fuerza del enlace, respectivamente, son

El vector fuerza de interacción está determinado por la fórmula

Esta expresión contiene solo potencias pares de la distancia interatómica r, lo que hace posible no utilizar la operación de extracción de raíces en cálculos numéricos por el método de dinámica de partículas.

1.2.3 Comparación de los potenciales de Morse y Lennard-Jones

Para determinar el potencial, considere cada uno desde un punto de vista funcional.

Ambos potenciales tienen dos términos, uno es responsable de la atracción y el otro de la atracción.

El potencial de Morse contiene un exponente negativo, una de las funciones decrecientes más rápidas. Permítanme recordarles que el exponente tiene la forma del término responsable de la repulsión y del término responsable de la atracción.

ventajas:

El potencial de Lennard Jones, a su vez, contiene una función de potencia de la forma

Donde n = 6 para el término responsable de la atracción y n = 12 para el término responsable de la repulsión.

ventajas:

no se requiere operación de raíz cuadrada, ya que las potencias son uniformes en la programación Aumento y caída más suaves en comparación con el potencial Morse

1.2.4 Gráficos de comparación de potenciales y fuerzas.

1.2.5 Conclusión

De estos gráficos, se puede sacar 1 conclusión: el potencial de Morse es más flexible, por lo tanto, es más adecuado para mis necesidades, porque es necesario describir las interacciones entre tres partículas, y esto requerirá 3 tipos de potencial:

Por la interacción entre oxígeno y carbono (es lo mismo para cada oxígeno en la molécula) Por la interacción entre oxígenos en la molécula de dióxido de carbono (llamémoslo estabilizador) Por la interacción entre partículas de diferentes moléculas

Por lo tanto, en el futuro usaré solo el potencial de Morse y omitiré el nombre.

1.2 Molécula de dióxido de carbono

El dióxido de carbono (dióxido de carbono) es un gas inodoro e incoloro. La molécula de dióxido de carbono tiene una estructura lineal y enlaces polares covalentes, aunque la molécula en sí no es polar. Momento dipolar = 0.

grados centígrados para fines de siglo y si no aumenta la entrada de carbono en el suelo. De acuerdo con los datos obtenidos, los investigadores concluyen que para compensar las emisiones dióxido de carbono gas del suelo, es necesario aumentar la cantidad de biomasa forestal entre dos y tres veces, y no entre un 70 y un 80 %, como se dijo anteriormente. El estudio fue realizado por el Instituto de Medio Ambiente de Finlandia,...

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dióxido de carbono gas dióxido de carbono gas

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De la Universidad de Pensilvania (EEUU) en un artículo publicado en Nano Letters. Gran cantidad dióxido de carbono gas Los científicos creen que el , emitido a la atmósfera por la industria y el transporte, causa el calentamiento global. Se discuten muchos métodos... y platino. La instalación ensamblada con este nanomaterial permitió, bajo la influencia de la luz solar, transformar la mezcla dióxido de carbono gas y vapor de agua en metano, etano y propano 20 veces más eficiente que con...

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El objetivo es estimular la actividad fotosintética de algas y fitoplancton, o la inyección de CO2 licuado bajo tierra. Conversión dióxido de carbono gas en hidrocarburos usando nanopartículas de dióxido de titanio ya ha sido propuesto por científicos como otro método para resolver... cobre y platino. La instalación ensamblada con este nanomaterial permitió, bajo la influencia de la luz solar, transformar la mezcla dióxido de carbono gas y vapor de agua en metano, etano y propano 20 veces más eficientes que los catalizadores convencionales...

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Estados Unidos, cuyas palabras cita el servicio de prensa de esta institución científica. Los científicos llamaron la atención sobre el hecho de que la absorción de las plantas dióxido de carbono gas y la evaporación del agua de la superficie de sus hojas se produce a través de los mismos poros, llamados estomas. Esto es... demasiado CO2 en el aire, las hojas del estoma se estrechan, probablemente para limitar la cantidad de entrada dióxido de carbono gas utilizado por las plantas para el crecimiento. Esto conduce a una ralentización de la evaporación y a una disminución de la eficacia del "natural...

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Los cristales se desarrollaron utilizando un método simple que se basa en tres productos químicos disponibles. Natural gas a menudo contiene carbónico gas y otras impurezas que reducen la eficiencia de este combustible. Las industrias necesitan un material que elimine carbónico gas. El material ideal debe ser asequible, selectivo y de gran capacidad y que pueda recargarse. Materia recargable...

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Y concluyeron que resulta que los hombres anualmente “tiran” dos toneladas a la atmósfera. dióxido de carbono gas más que mujeres. Los investigadores explican esto por el hecho de que los hombres usan un automóvil con más frecuencia y, en consecuencia ... las diferencias de sexo, los autores del estudio sugieren, por lo tanto, una forma ligeramente diferente de determinar las fuentes. dióxido de carbono gas(uno de gases que inciden en el calentamiento global) y, en particular, hábitos de consumo e ingresos que no se tienen en cuenta en el oficial...

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En formaciones geológicas carboníferas en Luisiana. Los investigadores encontraron que las bacterias generalizadas que usan carbónico gas y el carbón como alimento, en presencia de agua, además pueden procesar CO2 y liberar metano en... investigadores, para que este proceso funcione, microorganismos que procesan CO2 en metano, además de dióxido de carbono gas y el carbón necesitan nutrientes adicionales: hidrógeno, sales de ácido acético y, lo que es más importante, ...