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2D-/3D-Modell zur Transformationen zwischen 2D-Formelschreibweise und 3D-Modell

Die gedankliche Transformation zweidimensionaler Lewis-Formeln in dreidimensionale Molekülstrukturen stellt Lernende teils vor größere Herausforderungen. Das von uns entwickelte 2D-/3D-Transformationsmodell ermöglicht es Lernenden, die Dreidimensionalität einfacher organischer Moleküle und deren Transformation in bzw. aus zweidimensionalen Lewis-Formeln zu erfassen und diese nachzuvollziehen. Die Modelle bestehen aus kugel- und eiförmigen Bauteilen, welche freie Elektronenpaare und Bindungselektronenpaare repräsentieren. Die räumliche Ausdehnung der Elektronenpaare und deren Verbindung über ein elastisches Gummiband ist dabei so gewählt, dass dreidimensionale Tetraeder entstehen. Der Raumanspruch der kugelförmigen, nichtbindenden Elektronenpaare ist etwas größer als der der eiförmigen, bindenden Elektronenpaare. Damit lassen sich z. B. die vom Ideal-Tetraeder abweichenden Bindungswinkel und -längen im Wasser-Molekül besser abbilden. Da die Bauteile elastisch miteinander verbunden sind, lassen sie sich durch Plattdrücken in eine der Lewis-Formelschreibweise entsprechende 2D-Form überführen. Hierbei stehen sie unter Spannung und klappen beim Loslassen wieder in ihre 3D-Form. Dies erlaubt es Lernenden, ein dreidimensionales Molekül in eine zweidimensionale, der Lewis-Formel entsprechende Form (bzw. vice versa) zu bringen und den Transformationsprozess zu analysieren. Die dabei erfühlbare Spannung der 2D-Form lässt sich als energetisch höher liegender Zustand des Moleküls deuten.

Ein Satz der von uns entwickelten Modelle besteht aus den Molekülen HF, H₂O, NH₃ und CH₄. Über ein zusätzliches Bauteil für Elektronenpaarbindungen zwischen C und R (für R ungleich H) lassen sich auch größere Moleküle wie CH₃OH herstellen.

Durch die vollständige haptische Erfahrbarkeit eignet sich das Modell für inklusive Settings mit blinden, sehbeeinträchtigten und sehenden Lernenden. Eine genaue Beschreibung des Modells finden Sie in unserem Beitrag: P. Lindenstruth, N. Gruber, N. Graulich, M. Schween, Von 2D zu 3D und zurück – Dreidimensionalität von Molekülen modellieren, NiU-Chemie 2019, 30/162, 28–32.

Herstellung des 2D-/3D-Transformationsmodells

Die Druckdateien für das 2D-/3D-Modell können im direkt druckbaren stl-Format heruntergeladen werden. Die Bauanleitung samt der Liste der benötigten Bauteile steht ebenfalls als pdf-Dokument zum Download bereit. 

Für den Druck des Modells kann jeder herkömmliche 3D-Drucker verwendet werden, der das gleichzeitige Drucken mit zwei verschiedenen Filamenten ermöglicht (dual-extrusion). Wir verwenden zum Druck des Modells z. B. einen Ultimaker 3. Als Druckfilament setzen wir farbige PLA-Filamente (schwarz für die jeweiligen Bindungen, weiß für freie Elektronenpaare und H-Atome) und als Stützfilament wasserlösliches PVA-Filament ein. Letzteres ist für den Druck von Vorteil, da die Druckqualität der Bauteile dadurch verbessert wird. Der Druck ist jedoch auch ohne wasserlösliches Stützfilament und über einen single-extrusion-Drucker möglich, erfordert dann jedoch weitere Entgratungsarbeiten. Für den Druck schlagen wir eine Auflösung von 0.1 mm Schichthöhe und 0.4 mm Schichtbreite vor, andere Auflösungen sind hier jedoch ebenfalls einsetzbar. Für die Füllung des Druckes ist ein Wert von 5% ausreichend. Die fertigen Drucke werden in ein warmes Wasserbad gelegt, um das PVA-Stützfilament zu entfernen. Wenn notwendig, wird der Druck mit einem scharfen Messer entgratet und die gedruckten Löcher für die Aufnahme der Zentralkugel bzw. der unten beschriebenen Erweiterungen mit einem Bohrer auf 4 mm erweitert. Dies kann notwendig werden, da das gedruckte Loch durch den Verzug des Druckmaterials meist etwas kleiner ausfällt. Die zu druckenden Bestandteile sowie weitere benötigte Bauteile für die Herstellung eines Prozessmodells sind in der pdf-Anleitung aufgelistet. Für den Aufbau des Prozessmodells drucken Sie bitte alle Bauteile wie in der Anleitung angegeben aus und folgen den dort erläuterten Schritten.

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