Andreas Prams
10.04.2007

Struktomat - Darstellung des VSEPR-Modells

Der Struktomat ist ein interaktives Lernprogramm, das im Rahmen des Jugendsoftwarepreises prämiert wurde. Er soll Schülerinnen und Schülern das Verständnis der Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßung erleichtern.
 

Die Software ermöglicht es, Moleküle als Lewis-Strukturformeln einzugeben, zu speichern und zu laden. Es gibt neben der 2-Elektronen-Regel für Wasserstoff und Helium und der Oktettregel für die anderen Elemente keinerlei Beschränkungen bei der Eingabe der Moleküle. Das bedeutet, dass auch Moleküle gezeichnet werden können, die aus energetischen Gründen nicht existieren. Aus den Strukturformeln kann die Geometrie entsprechend den Regeln des VSEPR-Modells berechnet und als dreidimensionales Kalotten- oder Stabmodell angezeigt werden. Es wird dabei versucht, eine möglichst energiearme Konformation des Moleküls zu erreichen. Die Tendenzen, welche sich aus den Grundregeln des VSEPR-Modells ergeben, werden dabei jedoch nicht berücksichtigt, da eine quantitative Vorhersage der Veränderung der Bindungswinkel nur schwer möglich ist

 

Auszeichnung beim Jugendsoftwarepreis

Das Programm wurde von Andreas Prams, Schüler der 13. Jahrgangsstufe (2006/2007) des Carl-Orff-Gymnasium in Unterschleißheim (Bayern), entwickelt und beim Jugendsoftwarepreis 2006 in der Kategorie "Experimentiersoftware für die Sekundarstufe II" prämiert. Der Schülerwettbewerb zeichnet jährlich von Schülerinnen und Schülern entwickelte Software aus, die naturwissenschaftliche oder mathematische Inhalte anschaulich vermitteln.

Programmfunktionen

2D-Konstruktionsfeld

Das 2D-Konstruktionsfeld ermöglicht die Eingabe von Molekülen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Alle Elemente der Hauptgruppen können dargestellt werden. Auf Nebengruppenelemente wurde verzichtet, da diese nicht notwendigerweise den VSEPR-Regeln folgen und für das Verständnis des VSEPR-Modells und zur Darstellung der meisten Verbindungen nicht benötigt werden. Auf der Arbeitsfläche werden die Moleküle als Lewis-Strukturformeln konstruiert. Atome werden durch ihr chemisches Symbol dargestellt. Freie Elektronenpaare sind als Striche um die Atome herum angeordnet. Punkte neben den Atomen stehen für einzelne freie Elektronen. Bindungen beziehungsweise bindende Elektronenpaare werden durch Striche zwischen den Atomen dargestellt.

 
 

3D-Ansicht

In der 3D-Ansicht (Abb. 2) können per Schieberegler die Größe der Kugeln, welche die Atome darstellen, die Dicke der Bindungen und die Durchsichtigkeit der Ellipsoiden, welche die freien Elektronenpaare symbolisieren, verändert werden. Darüber hinaus sind weitere Funktionen unter den Menüpunkten "Datei" und "Hilfe" verfügbar. Die einzelnen Werkzeuge des Konstruktionsfeldes und der 3D-Ansicht werden in der Programmbeschreibung (siehe Download) ausführlich dargestellt.

 

Einsatzmöglichkeiten

Klasse 9 und 10
Die Software soll Schülerinnen und Schülern der Klasse 9 und 10 ermöglichen, das VSEPR-Modell weitgehend in Freiarbeit zu verstehen und anzuwenden lernen. Dazu kann die Lehrkraft zum Beispiel Verbindungen vorgeben, deren Strukturen von den Lernenden dann selbstständig ermittelt und in den Struktomat eingegeben werden. Durch Vergleich verschiedener Lewis-Formeln und der 3D-Modelle sollen die Schülerinnen und Schüler anschließend versuchen, die Regeln des VSEPR-Modells zu erarbeiten.

Sekundarstufe II
In der gymnasialen Oberstufe eignet sich die Software zur Untersuchung und Erläuterung von Reaktionsmechanismen: Die Lehrkraft kann dazu zum Beispiel die an einer Reaktion beteiligten Moleküle als 3D-Modelle per Beamer projizieren und so veranschaulichen, welches Teilchen bei einer Reaktion warum wo angreift.

Technik

Der Struktomat ist in der Programmiersprache Java geschrieben und kann mithilfe des Plugins Java Runtime Environment (Version 1.5 oder höher) plattformunabhängig ausgeführt werden. Des Weiteren muss Java 3D (Version 1.3.1 oder höher) installiert sein. Neben der Betriebssystemunabhängigkeit ist die relativ leichte Erlernbarkeit und die einfache Speicherverwaltung ein weiterer Vorteil von Java. Darüber hinaus gibt es viele hervorragende Programme, welche die Entwicklung eines eigenen Java-Programms erleichtern, zum Beispiel die freie Entwicklungsumgebung Eclipse, welche auch zum Schreiben des Struktomat verwendet wurde. Mit Java 3D steht überdies eine leistungsstarke und flexible Programmierschnittstelle mit Anbindung an die Hardwarefunktionen von OpenGL und Direct3D zur Verfügung, welche es erlauben, dreidimensionale Grafiken zu zeichnen. Der Struktomat nimmt keine Einträge in die Registrierung vor und hinterlässt keinerlei Dateien im System. Zur Deinstallation genügt das einfache Löschen der entpackten Dateien.

Kurzinformation

TitelStruktomat - Darstellung des VSEPR-Modells
AutorAndreas Prams
Zielgruppeab Klasse 9
Bezugkostenloser Download
Technische Voraussetzungenplattformunabhängig, Java Rauntime Envionment (Version 1.5 oder höher, kostenloser Download) und Java 3D (Version 1.3.1 oder höher, kostenloser Download), 128 MB Arbeitsspeicher, Pentium III, AMD Athlon Thunderbird oder vergleichbarer Prozessor, schnelle Grafikkarte; DirectX (kostenloser Download, auf den meisten Systemen mit Windows-Betriebssystem vorhanden) oder OpenGL-Unterstützung (auf modernen Grafikkarten vorhanden; kostenloser Download bei freenet.de); Bildschirmauflösung 1024 x 768 Pixel; 16 Bit Farbtiefe, 1 MB Speicherplatz auf einer Festplatte

Internetadresse

Download

Facharbeit "Computergestützte Darstellung des VSEPR-Modells"
 

Zusatzinformationen

Jugendsoftwarepreis

VSEPR-Modell

Informationen zum Autor

Andreas Prams leistete nach dem Abitur am Carl-Orff-Gymnasium in Unterschleißheim (Bayern) bis März 2007 in seinem Heimatort Zivildienst und bereitet sich zurzeit (April 2007) auf sein Studium an der TU München vor, welches er ihm Herbst beginnen wird.

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