Philipp Lindenstruth, Nadine Gruber, Nicole Graulich und Michael Schween

Von 2D zu 3D und zurück

Molekülmodelle, Atombindung
Selbst gebautes Molekülmodell, © Michael Schween

Philipp Lindenstruth, Nadine Gruber, Nicole Graulich und Michael Schween

Dreidimensionalität von Molekülen modellieren

Chemische Strukturen und Prozesse bestehen bzw. verlaufen stets im dreidimensionalen Raum. Gesättigte organische Verbindungen vom einfachsten Molekül Methan bis hin zu komplexen verzweigten Strukturen bestehen aus einfachen dreidimensionalen „Baueinheiten. Determinierend für die geometrische Umgebung sp3-hybridisierter Zentren in organischen und anorganischen Molekülen und damit Ursache für die Dreidimensionalität ist die Elektronenpaarwechselwirkung zwischen bindenden bzw. nicht-bindenden Elektronenpaaren, welche immer den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen. Die jeweils daraus resultierende Geometrie der Moleküle lässt sich über das Elektronenpaar-Abstoßungskonzept (VSEPR-Konzept) ableiten. Vom tetraedrischen Methan als grundlegender „Baueinheit organischer Verbindungen gelangt man über die gedankliche Verknüpfung mit weiteren sp3-hybridisierten Atomen wie C, N und O zu immer größeren Molekülen, die jedoch immer auf derselben geometrischen Baueinheit basieren.
Von der Ionen- zur Atombindung
Durch die in der Sekundarstufe I stattfindende Einführung der im Gegensatz zur ionischen Bindung räumlich gerichteten kovalenten Bindung entsteht der Bedarf an geeigneten Modellen, um dieses Gerichtet-Sein von Bindungen und die dadurch entstehende räumliche Ausrichtung der betrachteten Moleküle verstehen zu können. Die symbolische Darstellung dieser Räumlichkeit erfolgt innerhalb der Lewis-Formelschreibweise anhand von Konventionen, wie z.B. der Keilstrich-Schreibweise. Oft bleibt eine explizite Darstellung räumlicher Informationen jedoch aus pragmatischen Gründen im Unterricht aus oder es werden ungenaue Darstellungen verwendet, die räumliche Informationen nicht explizit enthalten. Die damit nun nicht mehr explizit in den Formeln dargestellten räumlichen Informationen müssen sich die Lernenden über gedankliche Visualisierungen eigenständig erschließen. Diese Überführung zweidimensionaler Lewis-Strukturen in ein mentales dreidimensionales Modell der Struktur ist allerdings kognitiv sehr anspruchsvoll und stellt hohe Anforderungen an das räumliche Vorstellungsvermögen [1 – 3]. Für im Umgang mit solchen Modellen erfahrene Personen ist dies besser lösbar, da sie auf bereits entwickelte mentale Modelle für diesen Überführungsprozess zurückgreifen können. Lernende sind hier jedoch häufig überfordert und verfolgen daher meist heuristische Problemlösestrategien, die zum Erschließen eines tieferen Verständnisses der Räumlichkeit chemischer Strukturen und Prozesse nicht zielführend sind [2].
Das Verständnis dreidimensionaler Strukturen fördern
Um Lernende beim Aufbau mentaler Modelle der Räumlichkeit kovalenter Verbindungen zu unterstützen, bedarf es geeigneter Hilfen und Übungen, wie z.B. das Arbeiten mit 3D-Molekülmodellen [1, 2]. Besonders Lernende mit geringem visuell-räumlichen Vorstellungsvermögen scheinen vom expliziten Üben und Übertragen der verschiedenen Darstellungen zu profitieren [4]. Der Abgleich zwischen einer 2D- und einer 3D-Darstellung erfordert von den Lernenden, verschiedene Informationen in Beziehung zu setzen, wie z.B. verkürzte Linien, relative Größen verschiedener Teile des Moleküls, Darstellungen von Bindungswinkeln und das Ausmaß, in dem Überschneidungen auftreten. Um den kognitiven Anforderungen bei der Übersetzung zwischen 2D-Lewis-Strukturen und räumlichen Keilstrich-Strukturen im Chemieunterricht zu begegnen, sollten Lernende die Arbeit mit Modellen und Strukturrepräsentationen einüben, z.B. durch den Wechsel zwischen verschiedenen 2D-Darstellungen mit bzw. ohne 3D-Informationen (Keilstrich-Formeln) oder zwischen 2D-Repräsentationen und 3D-Modellen.
Zur 3D-Visualisierung von Molekülgeometrien gibt es bisher die Praktiken, das Elektronenpaar-Abstoßungsmodell mit Hilfe von starren Kalottenmodellen darzustellen oder aber mit verknoteten...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 171 / 2019

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Zeitschrift "Unterricht Chemie" Premium-Beitrag Praxis Schuljahr 8-10