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3D-Prozessmodell organisch-chemischer Reaktionsprozesse

Das von uns entwickelte 3D-Prozessmodell ermöglicht es Lernenden, die Dynamiken von S_N-Reaktionsverläufen zu modellieren. Das Prozessmodell repräsentiert die strukturellen Veränderungen als einen dynamisch ablaufenden, von Lernenden steuerbaren und direkt verfolgbaren „Reaktionsfilm“ an einem einzigen Modell. Durch die realisierte spezielle Mechanik und die Eigenschaften der Modellbestandteile erzeugt das Modell bei der Verwendung ein direktes, haptisch erfahrbares Feedback. Diese expliziten Informationen können von Lernenden auf den Reaktionsprozess bezogen und zur Bildung und zum Prüfen von Hypothesen über dessen strukturellen und energetischen Verlauf verwendet werden. Dadurch eröffnet das Prozessmodell eine „Kinetik zum Anfassen“. 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, M. Schween, »Kinetik zum Anfassen: Ein neuartiges 3D‐Modell organisch‐chemischer Reaktionsprozesse für inklusive Lehre«, CHEMKON 2021, 28 (2), S. 64–73, https://doi.org/10.1002/ckon.202000049

Reaktionen am 3D-Prozessmodell durchführen

In den folgenden drei Videoausschnitten möchten wir Ihnen die Verwendung des 3D-Prozessmodells vorstellen.

In diesem Videoausschnitt wird der Angriff eines Nucleophils am 3D-Prozessmodell dargestellt.

In diesem Videoausschnitt wird die Rückreaktion einer nucleophilen Substitutionsreaktion am 3D-Prozessmodell dargestellt.

In diesem Videoausschnitt wird der Übergangszustand einer nucleophilen Substitutionsreaktion und dessen Labilität am 3D-Prozessmodell dargestellt.

Herstellung des 3D-Prozessmodells

Die Druckdateien für das 3D-Prozessmodell 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 Zentralkugel, grau für die Reste, grün für Abgangsgruppen, rot für Nucleophile) und als Stützfilament wasserlösliches PVA-Filament ein. Letzteres ist für den Druck der Zentralkugel unabdingbar, da die dort enthaltene Mechanik direkt in die Kugel gedruckt wird. Ohne wasserlösliches Stützfilament lassen sich die für die komplexe Mechanik notwendigen Support-Strukturen nicht aus dem Kugelinneren entfernen. 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 3 mm bzw. 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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