Mô phỏng Hóa học

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

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

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

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

Chọn glucose, fructose, saccharose, tinh bột hay cellulose: mô phỏng vẽ số mắt xích vòng tương ứng (một vòng, hai vòng nối nhau hay mạch dài) và cho biết chất đó thuộc loại monosaccharide, disaccharide hay polysaccharide. Chọn thuốc thử (dung dịch iodine, Cu(OH)₂, thuốc thử Tollens, dung dịch H₂SO₄ loãng đun nóng) rồi bấm Chạy để thấy đúng hiện tượng: màu xanh tím, dung dịch xanh lam, gương bạc, hoặc mạch bị cắt thành glucose. Sau khi thuỷ phân, có thể thử lại thuốc thử khác để thấy kết quả đổi hẳn.

Ba chuyên đề học tập của Hoá học 12 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Cơ chế phản ứng hữu cơ: mô phỏng từng giai đoạn của phản ứng thế SN2, SN1 và phản ứng cộng electrophile vào alkene kèm giản đồ năng lượng có năng lượng hoạt hoá và trạng thái trung gian. Trải nghiệm thực hành hoá học vô cơ: chuẩn độ dung dịch HCl bằng NaOH, buret nhỏ từng giọt, đường cong pH dựng dần và phenolphthalein đổi màu ở điểm tương đương. Phức chất: thêm phối tử vào ion kim loại để tạo phức, xem số phối trí, dạng hình học và màu dung dịch thay đổi.

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

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

Cốc dung dịch chứa phức aqua của ion kim loại chuyển tiếp (Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Fe³⁺, Cr³⁺) với màu thật của nó. Kéo thanh nồng độ phối tử (NH₃, Cl⁻ đặc, SCN⁻ hay OH⁻) để phối tử thay dần phân tử nước trong cầu nội: màu dung dịch chuyển sang màu của phức mới, mô hình 3D quay được hiện đúng dạng bát diện, tứ diện hay vuông phẳng, kèm công thức phức và số phối trí.

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

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

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