Molekülbaukasten: Moleküle online in 3D bauen

Im Molekülbaukasten verbindest du Atome an ihren einzelnen Elektronen. Daraus folgt alles Weitere: welche Bindungen entstehen, welche räumliche Form das Molekül annimmt und welcher Stoff aus solchen Molekülen besteht. Die Begriffe sind die des Chemieunterrichts, von der Elektronenpaarbindung über das EPA-Modell bis zur Valenzstrichformel.

Elektronenpaarbindung: Bindungen aus einzelnen Elektronen

Im Baukasten bringt jedes Atom seine Außenelektronen mit, gezeichnet wie in der Lewis-Schreibweise: ein Kohlenstoffatom mit vier einzelnen Elektronen, ein Sauerstoffatom mit zwei einzelnen Elektronen und zwei freien Elektronenpaaren, ein Wasserstoffatom mit einem einzelnen Elektron. In diesem Baukasten entsteht eine Bindung zwischen zwei Atomen nur, wenn beide noch ein einzelnes Elektron haben; sie verbraucht von beiden je eines. Aus den beiden Elektronen wird ein gemeinsames Elektronenpaar, eine Elektronenpaarbindung, auch Atombindung oder kovalente Bindung genannt. Eine Doppelbindung sind zwei gemeinsame Paare, eine Dreifachbindung drei. Die Oktettregel ist eine Faustregel: Im Molekül hat ein Atom außer Wasserstoff meist acht Elektronen um sich. Atome der 2. Periode haben nie mehr als acht.

Räumlicher Bau nach dem EPA-Modell

Die Elektronenpaare um ein Atom, gebundene wie freie, stoßen sich ab und weichen sich so weit wie möglich aus; daher der Name Elektronenpaarabstoßungsmodell, kurz EPA-Modell. Eine Doppel- oder Dreifachbindung zählt dabei als eine Richtung. Zwei Richtungen ergeben gestreckt, drei flach und vier tetraedrisch. Freie Elektronenpaare beanspruchen mehr Raum als Bindungen und drücken die Winkel zusammen: Ohne freies Paar beträgt der Winkel im Methanmolekül gemessen 109,5°, mit einem im Ammoniakmolekül 106,7°, mit zweien im Wassermolekül 104,5°. So entsteht beim Bauen an jedem Atom von selbst die Form, die das EPA-Modell vorhersagt. Erkennt der Baukasten ein Molekül mit Messwerten, nimmt es zusätzlich seine gemessenen Bindungswinkel und Bindungslängen an.

Kugel-Stab-Modell, Kalottenmodell und Valenzstrichformel

Was du auf der Bühne siehst, ist ein Molekülmodell, und es trägt sein Etikett. Das Kugel-Stab-Modell mit Außenelektronen zeigt, welche Atome verbunden sind, in welchen Winkeln, und die Außenelektronen als Punkte. Es zeigt nicht die wahre Größe der Atome. Bindungen sind keine Stäbe, sondern gemeinsame Elektronenpaare; Elektronen sitzen nicht als Punkte am Atom. Das Kalottenmodell zeigt ungefähr den Raum, den das Molekül einnimmt, aber nicht die Bindungen. Die Valenzstrichformel zeigt Bindungen und freie Elektronenpaare als Striche, aber nicht den räumlichen Bau. Auch die Farben sind Vereinbarung, denn Atome haben keine Farbe.

Teilchen und Stoff

Ein Wassermolekül ist ein Teilchen; Wasser ist ein Stoff aus unvorstellbar vielen davon. Wassermoleküle sind aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen aufgebaut. Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, gehört zum Stoff und nicht zum einzelnen Teilchen; der Zustand hängt von den Kräften zwischen den Teilchen, von Temperatur und Druck ab. Deshalb zeigt die Bühne das Teilchen und die Stoffkarte die Eigenschaften des Stoffs.

Woher die Werte stammen

Gemessene Bindungswinkel und Bindungslängen stammen aus der Datenbank NIST CCCBDB, Schmelz- und Siedetemperaturen und die Einstufung der Gefahren vor allem aus PubChem; alle Quellen stehen unten. Ohne Messwert nennt der Baukasten nur die Grundform und den Idealwinkel des EPA-Modells, nie eine Zahl, die aus dem 3D-Bild gelesen wäre. Bei Stoffen, an denen ein Schulmodell an seine Grenze kommt, sagt er es: Das Schwefelwasserstoffmolekül sollte nach dem EPA-Modell ähnlich gewinkelt sein wie das Wassermolekül, gemessen sind aber 92,1°. Seine Stoffkarte trägt deshalb die Marke „Modellgrenze“.

Aufgaben und Sammlung

Zehn Aufgaben führen vom Wassermolekül über das Ammoniak- und das Methanmolekül bis zu Isomeren, also Stoffen mit gleicher Summenformel und verschieden gebauten Molekülen. Wer lieber frei baut, findet die Aufgaben jederzeit unter „Aufgaben“. Die Sammlung hat Plätze für 45 Stoffe, nach Familien geordnet; baust du das Modell eines Stoffs aus dem Katalog, kommt der Stoff hinzu. Erli, das kleine Maskottchen, gibt Hinweise im passenden Moment und lässt sich in den Einstellungen ausblenden. Es gibt keine Punktwertung und keinen Zeitdruck.