Michael Weigend und Robert Wieczorek

Modellieren, Präsentieren und Auswerten

3D-Molekülmodelle, Modellieren, Präsentieren, Modellvorstellungen, chemische Bindungen, Partialladungen
Ausschnitt aus einer vereinfacht dargestellten Nylonfaser mit farblich hinterlegten Partialladungen, © Michael Weigend

Michael Weigend und Robert Wieczorek

3D-Molekülmodelle mit Avogadro gestalten

Im Sinne der Leitlinie Stoff-Struktur-Eigenschaft springen unsere Schülerinnen und Schüler in jeder Chemiestunde vielfach zwischen der Ebene der makroskopischen Phänomene und der Ebene der submikroskopischen strukturellen Gegebenheiten. Der Mittler, der diese beiden Ebenen im Erkenntnisprozess verbindet, ist das Modell [1]. Neben althergebrachten materiellen Modellen sind digitale Molekülmodelle Lernenden hierfür eine große Chance. Sie verfügen über eine größere Variabilität und Detailtiefe in der Darstellungsform und sind, digitale Endgeräte vorausgesetzt, für die Lernenden im schulischen und besonders heimischen Umfeld leicht verfügbar.
In der Schule etablierte Formeleditoren sind zum Beispiel der „Labor und Formelmaker (https://www.klett.de/produkt/isbn/978-3-12-079006-8) oder aber auch die kostenfrei nutzbare Software „ChemSketch der Firma ACD/Labs (https://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/index.php). Eine äußerst interessante Alternative hierfür stellt Avogadro dar (https://avogadro.cc/).
Was ist Avogadro?
Avogadro ist ein Open Source Formeleditor auf der Basis der Programmiersprache Python. Im Gegensatz zu anderen Formeleditoren legt Avogadro den Fokus nicht auf Lewis-Valenzstrichformeln und Reaktionsgleichungen, sondern auf das Erstellen und Betrachten von möglichst exakten 3-D-Moleküldarstellungen. Hierzu ist das Programm in der Lage, Elektronendichteverteilungen zu berechnen und Raumstrukturen mittels Kraftfeldrechnungen zu optimieren. Die Software ist für Windows, Linux und MacOSX verfügbar und kann über die Avogadro-Webseite kostenlos heruntergeladen werden. Die Plugin-Architektur erlaubt es Softwareentwicklern, eigene Module zu entwerfen und mit Avogadro zu verbinden.
Erste Artikel zum Einsatz im Unterricht und den damit verbundenen Lerneffekten finden sich in der englischsprachigen Fachliteratur [2, 3].
Die Benutzungsoberfläche von Avogadro
Die Benutzungsoberfläche von Avogadro ist englischsprachig und zum großen Teil selbsterklärend. Wie bei den meisten Editoren befindet sich am oberen Rand eine Menüleiste für die Pull-down-Menüs mit Standardfunktionen. Darunter ist eine Werkzeugleiste mit Schaltflächen. Nach dem Anklicken eines Werkzeugs wechselt Avogadro in einen Arbeitsmodus, in dem Mausaktionen bestimmte Wirkungen haben. Wenn Sie mit der Maus ein Werkzeugsymbol berühren (ohne zu klicken), erscheint eine Box mit Informationen, die die Wirkung von Mausereignissen dieses Werkzeugs erklären. Am linken Rand werden Dialogboxen für Einstellungen (Settings) angezeigt. Sie können ein- und ausgeblendet werden. Der Hauptteil des Anwendungsfensters ist die Arbeitsfläche („View genannt), auf der Molekülmodelle entwickelt und angezeigt werden (Abb.1 ).
Mit gegebenen Modellen arbeiten
Es sollen Unterrichtsaktivitäten beschrieben werden, in denen das Suchen nach Informationen und die Anwendung von Avogadro-Funktionen zur Erkundung gegebener Modelle im Vordergrund stehen.
Molekülmodelle aus Datenbanken einfügen
In vielen Unterrichtssituationen wird aufgrund der zur Verfügung stehenden Zeit Avogadro nicht zum Erstellen von Molekülmodellen, sondern eher als Betrachtungssoftware für in Datenbanken hinterlegte Strukturen genutzt. Hierzu ist Avogadro über die Funktion „Fetch by chemical name, nach der Eingabe des englischen Molekülnamens, in der Lage, ein vorgefertigtes Molekül aus der Datenbank des amerikanischen National Cancer Instituts zu laden. Hier stehen circa 250.000 Verbindungen zur Verfügung. Analog können über die Funktion „Fetch from PDB …“ Proteine aus der RCS-Proteindatenbank (beinhaltet circa 160.000 Makromoleküle) importiert werden. Hierzu ist die vierstellige Protein-ID nötig. Aber auch Avogadro selbst verfügt über eine integrierte, recht umfangreiche Bibliothek an Molekülfragmenten und Bausteinen für Makromoleküle (Abb.2 ).
Vorgegebene Molekülmodelle im Raum betrachten
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aus: Unterricht Chemie Nr. 177 / 178

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