Wie kann man mit einem Molekülbaukasten den Aufbau der Natur erforschen?

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Ich habe für diesen Artikel ein Rezensionsexemplar des Orbit-Molekülbaukastens (Profi-Set) erhalten. Es besteht kein Interessenkonflikt hinsichtlich des Inhalts in diesem Beitrag und dessen Publikation. Der Artikel enthält ausserdem Affiliate-Links aus dem Amazon-Partnerprogramm (gekennzeichnet mit (*) – (*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie etwas für meine Arbeit ein.

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In Keinsteins Kiste erkläre ich viele Phänomene mit Stoffteilchen, die auch für jüngere oder mit wenig Grundkenntnissen ausgestattete Chemiebegeisterte verständlich sind. Früher oder später wird dabei aber die Frage laut, wie diese Teilchen denn eigentlich aussehen. Schliesslich hört oder liest jeder irgendwann einmal von Atomen und Molekülen.

Die Chemie beschäftigt sich tatsächlich damit, wie sich Atome, die “zweitkleinsten” Materie-Bausteine der Chemiker , zu Molekülen und anderen Strukturen zusammenfügen lassen (die kleinsten Teilchen, die in der Chemie eine Rolle spielen, sind Elektronen – die Kernteilchen sind eher Sache der Physiker). Dazu gibt es einen Haufen Mathematik und Regeln, die zu verschiedenen Modellen führen – und ganze Bücher füllen.

Schon als Jugendliche habe ich mich für diese Regeln interessiert und nach diesen bzw. nach Augenmass mein erstes Buckminster-Fulleren aus Wattekugeln und Zahnstochern zusammengebastelt.

Für Chemiebegeisterte, die ohne langwieriges Büffeln Moleküle erforschen wollen, gibt es Molekülbaukästen – da sind die Regeln in den Bausteinen schon drin. Wie zum Beispiel im Orbit-System vom Verlag Wiley-VCH (*Affiliate-Link!*).

Was enthält ein Molekülbaukasten?

Ein Molekülbaukasten funktioniert ganz ähnlich wie Lego-Bausteine – nur dass er statt bunten Modell-“Ziegelsteinen” farbige Modelle für Atomrümpfe enthält. Diese Atomrümpfe haben – ganz wie Legosteine – vorspringende Noppen, mit deren Hilfe die Atome miteinander verbunden werden können. Das Besondere am Molekülbaukasten – ganz speziell beim Orbit-System – ist, dass diese Noppen genau so angeordnet sind, wie die Regeln der Chemie es vorsehen. Die Winkel zwischen von einem Atom ausgehenden Bindungen sind also genau vorgegeben, sodass man sich als Molekül-Baumeister darum keine Gedanken machen muss!

Was bedeuten die Farben der Atomrümpfe?

Die Chemiker haben sich auf feste Farben für wichtige Atomsorten geeinigt, die sich in nahezu allen Modellen und Baukastensystemen wiederfinden. Hier ist eine Übersicht über die wichtigsten Atomrümpfe mit der regelgerechten Anzahl Bindungen im Profi-Set von Orbit:

Liste der Atom-Rümpfe im standardisierten Farbcode

Da es sich um ein Profi-Set handelt, finden Profis darin eine ganze Reihe weiterer Varianten mit zusätzlichen oder weniger Bindungsnoppen, mit denen nichtbindende Elektronenpaare dargestellt bzw. weggelassen oder Komplexverbindungen gebaut werden können.

Wie verbindet man die Atome zu Molekülen

Die Orbit-Baukästen enthalten passgenaue Kunststoffröhren, die über die Noppen der Atomrümpfe geschoben werden können. Eine solche Kunststoffröhre ist ein Modell für ein Elektronenpaar, das sich zwei Atome teilen, wenn sie eine Bindung bilden. Die Orbit-Kästen enthalten drei Sorten Kunststoffröhren, die für die selbe Sorte Elektronenpaar stehen und nur ihrem Einsatz im Modell angepasst sind:

Bindungs-Röhrchen im Orbit Molekülbaukasten

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Laut der Inhaltsliste in der Dokumentation sollte (nicht nur) das Profi-Set “normale” Bindungen ein drei Längen enthalten. Leider fehlen in meinem Rezensionsexemplar die kurzen und sehr langen Bindungen komplett, sodass mir die massstabsgetreue Darstellung unterschiedlicher Bindungslängen (Doppelbindungen sind z.B. kürzer als Einfachbindungen!) und die farbige Hervorhebung von Komplexbindungen nicht möglich sind!

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3 Spiele und Herausforderungen mit einem Molekülbaukasten

1.) Wett-Bauen nach Anleitung

Variante für Anfänger:

Die Faltblatt-Dokumentation zum Orbit-Molekülbaukasten enthält Fotografien von vielen Molekülmodellen. Die allermeisten könnt ihr mit einem Profi-Set nachbauen. Wer kann in vorgegebener Zeit die meisten Molekülmodelle nachbauen? Wenn ihr vermeiden möchtet, dass euch die Bauteile ausgehen: Macht von jedem fertigen Molekül ein Beweis-Foto (z.B. mit dem Handy) und nehmt es bei Bedarf wieder auseinander.

Variante für Fortgeschrittene:

In Chemiebüchern oder im Internet findet ihr unzählige sogenannte “Strich-” oder “Lewis-“Formeln für Moleküle. Schreibt solche Formeln auf kleine Karteikarten, die ihr stapeln könnt (fertigt dabei für jeden Mitspieler einen gleichartigen Stapel an).

Die Buchstaben in den Strichformeln stehen für die jeweiligen Atomrümpfe, ein Strich steht für ein Verbindungsröhrchen (zwei parallele Striche stehen für eine Doppelbindung, die mit den flexiblen Röhrchen dargestellt werden kann).

Wassermolekül: Strichformel und Modell

Ein Wassermolekül aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoff-Atomen: Links die Strichformel (die Bindungen sind besonders lang gezogen, um die Grössenverhältnisse des Modells nachzuempfinden), rechts das Orbit-Modell

Durchmischt jeden Stapel einzeln, dann startet gemeinsam auf ein Zeichen. Wer kann zuerst alle Moleküle seines Stapels nachbauen (macht von jedem fertigen Modell ein Beweisfoto!)? Überprüft eure Modelle bzw. Beweisfotos gemeinsam – ein nicht korrektes Modell bedeutet einen Strafpunkt (vereinbart diesen vorher: Zurückversetzung in der Rangfolge, ein Pfand abgeben,…)!

2.) Challenge: Isomere finden

Ein Beispiel: Baut ein Ethanol-Molekül (wie auf dem Bild). Nehmt das Molekül wieder auseinander und setzt die Atome (und nur die!) und Bindungsröhrchen anders wieder zusammen – zum Beispiel so wie rechts auf dem Bild.

Isomere: Ethanol und Dimethylether

Strichformeln und Modelle: Oben: Ein Ethanol-Molekül,(Ethanol ist der “Alkohol” zum Trinken), Unten: Ein Dimethylether-Molekül, das ihr aus den Atomen des Ethanol-Moleküls bauen könnt (Dimethylether ist ein Lösungsmittel, das sich nicht mit Wasser mischen lässt). Diese beiden Moleküle sind Isomere!

Verschiedene Moleküle, die aus dem gleichen Satz von Atomen bestehen, nennt man Isomere!

Nun zur Challenge:

Baut für jeden Mitspieler das gleiche Molekül – ich empfehle organische Moleküle mit 3 bis 5 Kohlenstoff-Atomen (je mehr Atome das Molekül enthält, desto mehr Isomere sind möglich). Räumt dann alle anderen Bauteile beiseite. Startet auf ein Zeichen gemeinsam und nehmt eure Moleküle auseinander.

Wer findet (in einem vorgegebenen Zeitrahmen) die meisten unterschiedlichen Isomere?

Macht von jedem fertigen Modell ein Beweisfoto, bevor ihr es wieder auseinander nehmt! Und dreht und wendet ein fertiges Modell, um zu prüfen, ob es nicht doch mit einem seiner Vorgänger identisch ist.

Ihr könnt diese Challenge auch allein spielen und euch einen Zeitrahmen vorgeben. Wenn sie euch zu leicht erscheint, nehmt für euer Ausgangs-Molekül zunehmend mehr (Kohlenstoff-)Atome.

3.) “Kreativ-Modus”: Denke dir eigene Moleküle aus

Lasst eurer Kreativität freien Lauf und baut die Atome so zusammen, wie es euch in den Sinn kommt. Der Baukasten gibt dabei die Grundregeln der Chemie vor. Gebt eure Kreationen an einen Mitspieler weiter und lasst ihn eine Strichformel dazu zeichnen. Wer bringt den Kopf seines Partners zum Rauchen?

Für Fortgeschrittene, die die IUPAC-Namensregeln oder/und die Trivialnamen vieler Verbindungen kennen: Lasst euren Partner einen Namen für eure Kreationen bzw. die Strichformel dazu nennen.

Kleiner Bonus zum Advent

Wenn schon immer mal chemiker-mässigen Baumschmuck haben wolltet, könnt ihr den Orbit-Baukasten auch ein wenig “zweckentfremden”: Die Löcher in manchen Atomrümpfen, die eigentich zur Ergänzung weiterer (Komplex-)Bindungen gedacht sind, eignen sich wunderbar dafür, einen Faden hindurch zu ziehen. So könnt ihr eure Modelle ganz einfach an den Weihnachtsbaum oder Adventsstrauch hängen und die kleinen Kunstwerke aus der Natur in besinnlichen Stunden ganz in Ruhe betrachten.

Norbornan als Weihnachtsschmuck

Ein Orbit-Modell am Bindfaden als Adventsschmuck (es handelt sich um das Norbornan-Molekül, das auf dem Cover des Baukastens abgebildet ist – ich habe es für das Bild gedreht)

Achtet nur darauf, dass die Kunststoffteile nicht über einer Kerze zu hängen kommen – die Hitze der Flamme würde den Kunststoff zerstören!

Übersicht über alle im Baukasten enthaltenen Teile

In der Dokumentation sind alle im Profi-Set und ebenso die im günstigeren Basis-Set enthaltenen Teile aufgelistet:

Alle Teile im Orbit-Baukasten

Ich habe nachgezählt: 2 Atomrümpfe sind in meinem Exemplar zu viel – dafür fehlen leider alle Bindungen mit 2 cm bzw. 5 cm Länge (ausser den flexiblen “Bananen-Bindungen”). Für die vorgestellen Spiele werden diese aber nicht zwingend benötigt.

Fazit

Die Orbit-Baukästen sind nicht neu – ich habe schon vor rund 20 Jahren damit gebaut, nachdem mir die Wattekugeln nicht mehr genug waren. Die lassen sich nämlich nur einmal gut verbauen. Damals waren die Atomrümpfe allerdings noch kleiner, die Bindungsröhrchen filigraner. Die heutigen Bauteile sind damit leichter zu handhaben und fühlen sich robuster an. Die “extra dicken” Röhrchen für drehbare Bindungen machen Hoffnung, dass genau solche Bindungen mit der neuen Generation weniger schnell “ausleihern” als früher. Auch die Sortierbox – wenngleich knapp dimensioniert – ist ein grosser Gewinn gegenüber früheren Verpackungen.

Für alte Molekülbau-Hasen wichtig: Durch den Grössenunterschied sind die Orbit-Baukästen der neuen Generation nicht mit allen älteren Generationen kompatibel! In sofern hoffe ich als Didaktikerin, dass künftig auch für die neue Generation Spezialkits zur Ergänzung für grössere organische Moleküle und Ionengitter erscheinen.

Und noch mehr hoffe ich, dass die Sets, die in den Verkauf gelangen, anders als mein Rezensions-Exemplar vollständig sind! Dann nämlich sind die Orbit-Kästen für Schüler, Studenten und ihre Lehrer ein präzises Hilfsmittel, um die oft sehr abstrakten Gegenstände der Chemie – Moleküle und andere Atom-Gemeinschaften – greifbar und erlebbar zu machen.

Wenn ihr euch einen Orbit-Baukasten der neuen Generation anschafft oder schon einen besitzt, freue ich mich sehr über eure Erfahrungen in Sachen Vollständigkeit – und werde auch selbst die Augen nach Kundenrezensionen offen halten. Wenn ich mehr weiss, lasse ich es euch hier wissen!

Wo ihr einen Molekülbaukasten kaufen könnt

Wenn ihr nun Lust zum Bauen, Spielen und Erforschen habt, könnt ihr die Kästen übrigens hier bestellen – und mir so eine kleine Beteiligung daran zukommen lassen, ohne dass es euch mehr kostet:

*Es folgt ein Affiliate-Link! (falls nicht sichtbar, schaltet einfach für Keinsteins Kiste euren Ad-Blocker aus!)*

Ich wünsche euch viel Spass beim Bauen und Spielen!

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