DE102018001323A1

DE102018001323A1 - Molekülmodellbausystem und Verbindungsmechanismus eines solchen Molekülmodellbausystems

Info

Publication number: DE102018001323A1
Application number: DE102018001323.6A
Authority: DE
Inventors: M. Peter Mettenleiter; Ernst Pöhlmann
Original assignee: Mekruphy Naturwissenschaftliche Experimentiergeraete GmbH; Mekruphy Naturwissenschaftliche Experimentiergerate GmbH
Current assignee: Mekruphy Naturwissenschaftliche Experimentiergeraete GmbH; Mekruphy Naturwissenschaftliche Experimentiergerate GmbH
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: DE102018001323B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Molekülmodellbausystem (1) umfassend: wenigstens zwei Modelleinheiten (3a, b), die jeweils wenigstens einen Modelleinheitsverbindungsabschnitt (5) aufweisen, wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), die jeweils einen ersten (9) und einen zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitt (11) aufweisen, wobei die Modelleinheitsverbindungsabschnitte (5) zur lösbaren Verbindung mit den ersten Verbindungselementverbindungsabschnitten (9) vorgesehen sind, gekennzeichnet, über wenigstens ein Kopplungselement (17) zur Kopplung der wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), wobei das Kopplungselement (17) wenigstens zwei Kopplungselementverbindungsabschnitte (19a, b) aufweist, die jeweils zur lösbaren Verbindung mit den zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten (11) vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft auch einen Verbindungsmechanismus eines Molekülmodellbausystems (1) umfassend: wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), die jeweils einen ersten und einen zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitt (9, 11) aufweisen, gekennzeichnet, über wenigstens ein Kopplungselement (17) zur Kopplung der wenigstens zwei Verbindungselemente (7a,b, c), wobei das Kopplungselement (17) wenigstens zwei Kopplungselementverbindungsabschnitte (19a, b) aufweist, die jeweils zur lösbaren Verbindung mit den zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten (11) vorgesehen sind. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Verbindungsmechanismus zur modellhaften Darstellung von Elektronenpaarbindungen in einem Molekülmodellbausystem (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Molekülmodellbausystem, insbesondere für naturwissenschaftliche Experimente, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft auch einen Verbindungsmechanismus eines solchen Molekülmodellbausystems sowie die Verwendung eines solchen Verbindungsmechanismus zur modellhaften Darstellung von Elektronenpaarbindungen in einem Molekülmodellbausystem.
In diesen Unterlagen beziehen sich Lagebezeichnungen, wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „links“, „rechts“ etc. stets auf die Sicht eines Betrachters, der ein vor ihm angeordnetes Molekülmodellbausystem bzw. einen Verbindungsmechanismus eines solchen Molekülmodellbausystems betrachtet.
Stand der Technik
Im Chemie- und Physikunterricht spielen Moleküle eine wichtige Rolle, denn mit ihnen kann der Aufbau der Stoffe und der Ablauf chemischer Reaktionen veranschaulicht und erklärt werden. Von großer Wichtigkeit für das Verständnis der oft komplexen Bindungsmechanismen innerhalb der Moleküle oder auch einzelner Atome ist dabei die Darstellung der räumlichen Struktur der Moleküle und der verschiedenen Bindungstypen, wie van-der-Waals-, Wasserstoffbrücken- oder Elektronenpaarbindungen.
Eine didaktisch wertvolle Möglichkeit den Aufbau und die Mechanismen dahinter nahezubringen stellen 3-dimensionale Molekülmodelle dar. An Hand dieser kann der Lernende die Geometrie und Struktur, aber eben auch die Bindungsmechanismen selbst, anschaulich begreifen. Um die Möglichkeiten solcher Modelle flexibler und interaktiver zu gestalten wurden Molekülmodellbausysteme entwickelt, die es dem Anwender erlauben selbstständig Moleküle zusammenzusetzen - vom zweiatomigen Modell bis hin zu Gittern und Polymeren.
Molekülmodellbausysteme insbesondere für naturwissenschaftliche Experimente, sowie chemische Experimentiersysteme - auch als Experimentierkästen bzw. Experimentiersätze bezeichnet - sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt.
Molekülmodellbausysteme sind zur Durchführung naturwissenschaftlicher Experimente vorgesehen und insbesondere dazu, Molekülstrukturen nachzubilden, um das Verständnis komplexer chemischer Verbindung zu erleichtern. Überwiegend Schulen, aber auch Universitäten, Hochschulen und Privatpersonen verwenden bekannte Molekülmodellbausysteme. Diese dienen zur Veranschaulichung von physikalischen, chemischen oder anderen naturwissenschaftlichen Grundlagen und Gesetzen.
Bspw. zeigt die US 2,140,103 ein Valenzmodell zur Darstellung von chemischen Reaktionen. Die US 6,508,652 B1 zeigt Molekularmodelle mit einem komplexen Aufbau. Die US 2008/0305465 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Darstellung von Atomstrukturen.
Bekannte Molekülmodellbausysteme verwenden oftmals Steckverbindungen zur Kopplung von Atommodellen bei denen wenigstens teilweise stabförmige Verbindungselemente in komplementäre Ausnehmungen von oftmals kugelförmigen Atommodellen eingesteckt werden. Dies führt zu starren Verbindungen der miteinander gekoppelten Atommodelle und Darstellungsmöglichkeiten eines Molekülmodells im dreidimensionalen Raum sind dadurch limitiert.
Auch ist das Molymod System der Firma Spiring Enterprises Limited bekannt. Dieses Molekülmodell beruht auf einem bereits in den Siebziger Jahren zum Patent angemeldeten System. Diesbezüglich ist die DE 2 137 868 der Firma Spiring Enterprises Limited bekannt, die einen Molekülmodell-Baukasten offenbart. Dieser dient dazu Atome verschiedenster Art und entsprechende Valenzbindungen zwischen diesen Atomen darzustellen, um verschiedene Molekülstrukturen abzubilden. Die Atommodelle sind als Kugelmodelle mit seitlichen Abflachungen vorgesehen, in denen jeweils eine Vertiefung oder Bohrung vorgesehen ist. Die Valenzbindungen werden über starre oder flexible Verbindungselemente dargestellt. Diese umfassen an ihren Enden jeweils Zapfen, die in die Bohrungen der Atome eingesetzt werden. Die Zapfen schließen an einem Flansch als Querschnittsvergrößerung an, der die Eintauchtiefe der Zapfen in den jeweiligen Atommodellen begrenzt.
Aus der WO 2013/079610 A1 der Firma Toytomics ist ein Molekülbaukasten insbesondere zur Darstellung eines Valenzelektronenmodells bekannt. Elektronenpaarbindungen zwischen Atomgrundkörpern werden durch Elektronenpaar-Verbindungselemente zwischen Atomgrundkörper dargestellt. Die Verbindungselemente sind überwiegend fest mit den Atomgrundkörpern verbunden. Eine Kopplung zweier Verbindungselemente erfolgt überwiegend über Steckverbindungen. Die Verbindungselemente umfassen dazu jeweils einen mehrfach geschlitzten Endabschnitt in den ein komplementär dazu ausgebildeter ebenso mehrfach geschlitzter Endabschnitt einsetzbar ist. Die Schlitze definieren feste Winkelabschnitte zum Positionieren der Endabschnitte. Die Atomgrundkörper können so in durch die Winkelabschnitte fest vorgegebenen Schritten gegeneinander verdreht werden.
Insgesamt haben bekannte Molekülmodellbausysteme oftmals einen komplizierten Aufbau und die dazu verwendeten Einzelteile sind schwer bedienbar oder die Zahl der möglichen Anordnungen von Atom- bzw. Molekülmodellen und Verbindungstypen zueinander ist begrenzt. Insbesondere bei dreidimensionalen Darstellungen mangelt es oftmals an Flexibilität um Bindungen zwischen Atomen modellhaft realistisch abzubilden.
Aufgabe und Lösung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Molekülmodellbausystem und einen verbesserten Verbindungsmechanismus eines solchen Molekülmodellbausystems bereitzustellen, um obige Nachteile zu überwinden, mindestens aber zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Das eingangs genannte Molekülbausystem zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Kopplungselement zur Kopplung der wenigstens zwei Verbindungselemente vorgesehen ist, wobei das Kopplungselement wenigstens zwei Kopplungselementverbindungsabschnitte aufweist, die jeweils zur lösbaren Verbindung mit den zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten vorgesehen sind.
Der eingangs genannte Verbindungsmechanismus eines Molekülmodellbausystems zeichnet sich durch ein solches Kopplungselement aus.
Auch ist erfindungsgemäß die Verwendung eines solchen Verbindungsmechanismus zur modellhaften Darstellung von Elektronenpaarbindungen in einem Molekülmodellbausystem vorgesehen.
Modelleinheiten im Sinne der Erfindung meint beispielsweise ein einzelnes Atommodell, bspw. in Kugelform, oder aber auch eine Molekülstruktur, die aus wenigstens zwei miteinander verbundenen Atommodellen besteht.
Modelleinheitsverbindungsabschnitt im Sinne der Erfindung meint einen in oder an der Modelleinheit, also in dem Atom oder Molekül vorgesehenen Verbindungsabschnitt, der zur Verbindung mit den wenigstens zwei Verbindungselementen vorgesehen ist.
Die Verbindungselementverbindungsabschnitte sowie die Modelleinheitsverbindungsabschnitte sind für eine sichere Verbindung in ihren Außen- bzw. Innenabmessungen komplementär zueinander vorgesehen und können über jede geeignete kraft- und/oder formschlüssige Verbindung miteinander realisiert werden. Beispielsweise können hier Steckverbindungen, Gewindeverbindungen, Magnetverbindungen, Haftverbindungen, Presspassung und/oder Formpassungen etc. vorgesehen sein. Letztlich können hier geeignete Verbindungsmechanismen verwendet werden, die eine lösbare Verbindung zwischen den Modelleinheitsverbindungsabschnitten sowie den Verbindungselementverbindungsabschnitten ermöglichen.
Die Verbindungselemente können insbesondere rohrartig und/oder stangenförmig ausgebildet sein. Geeignete Außengeometrien der Außenoberflächen, bspw. Abflachungen, Stufen, Kanten oder Ähnliches können an den Verbindungselementen vorgesehen sein, und verbessern ggf. die Greifbarkeit der einzelnen Verbindungselemente. Sofern das jeweilige Verbindungselement eine Stufe oder einen Anschlag aufweist, lässt sich mit einfachen Mitteln eine definierte Anschlagsposition und damit eine definierte Einbausituation bzw. Anbauposition des jeweiligen Verbindungselements an der jeweiligen Modelleinheit bereitstellen.
Kopplungselement im Sinne der Erfindung umfasst jedes Koppelelement, das zur Kopplung der wenigstens zwei Verbindungselemente, insbesondere deren zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten vorgesehen ist. Vorteilhaft ist das Kopplungselement als ein separates Element vorgesehen, dient also als eine Art Adapter oder Zwischenstück zwischen zwei Verbindungselementen.
Jede geeignete kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung kann zwischen den zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten und dem Kopplungselement vorgesehen sein, beispielsweise eine Schnapp-, Rast-, Dreh- und/oder Steckverbindung, die jeweils zur lösbaren Verbindung zwischen Kopplungselement und den beiden oder wenigstens einem Verbindungselementverbindungsabschnitt dienen. Auch Kombinationen der einzelnen Verbindungsarten bspw. einer Dreh- und Schnapp- oder Rastverbindung an einem Kopplungsverbindungsabschnitt und/oder am zweiten Kopplungsverbindungsabschnitt sind möglich. Bevorzugt handelt es sich um ein Schnappverbindung, die eine sichere Verbindung bereitstellt, die auch einfach zu lösen ist.
Insgesamt wird so ein einfacher Molekülmodellaufbau ermöglicht, bei dem die einzelnen Bestandteile insbesondere nur in definierten Ausgestaltungen miteinander verbindbar sind. Vorteilhaft lässt sich so dass Risiko einer Fehlbedienung vermeiden und unterschiedliche chemische Bindungstypen durch unterschiedliche Ausgestaltungen darstellen. Je mehr Modelleinheitsverbindungsabschnitte in der jeweiligen Modelleinheit vorgesehen sind, desto komplexere Molekülstrukturen lassen sich realisieren bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau der Molekülstruktur. Die Anzahl der Modelleinheitsverbindungsabschnitte ist durch die chemischen Eigenschaften des jeweiligen Atoms bzw. dessen Atommodells in bekannter Weise vorgegeben.
Die einzelnen Elemente des Molekülbausystems können aus geeigneten Materialien hergestellt sein, insbesondere aus robusten und hochwertigen Materialien, da diese eine lange Lebensdauer aufweisen, und insbesondere für Schülerexperimentiersysteme gut geeignet sind. Beispielsweise können hochwertige Spritzgussmaterialien vorgesehen sein, da sich so die einzelnen Bestandteile fertigungstechnisch einfach herstellen lassen.
Auch die Modelleinheiten lassen sich aus hochwertigen und/oder bruchfesten Kunststoffen herstellen, da sich dort mit einfachen Mitteln die Modelleinheitsverbindungsabschnitte bei der Herstellung ausbilden lassen.
Vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Molekülmodellbausystem Bindungsverhältnisse, insbesondere Elektronenpaarbindungen in chemischen Molekülen darstellen. Auch können Schüler durch eigene Erfahrungen naturwissenschaftliche Zusammenhänge verstehen und in ihren Erfahrungsschatz einordnen.
Der erste und/oder zweite Kopplungselementverbindungsabschnitt kann in unterschiedlichen geeigneten Geometrien vorgesehen sein. Dabei können sich auch die Kopplungselementverbindungsabschnitte voneinander unterscheiden, wobei beispielsweise der erste Kopplungselementverbindungsabschnitt als Steckverbindungsabschnitt und der zweite Kopplungselementverbindungsabschnitt beispielsweise als Gewindeverbindungsabschnitt vorgesehen sein kann.
Bevorzugt sind der erste und/oder der zweite Kopplungselementverbindungsabschnitt jeweils wenigstens teilweise kugelförmig ausgebildet.
Eine wenigstens teilweise kugelförmige Ausbildung ermöglicht eine hohe Beweglichkeits- bzw. Rotationsfähigkeit der Verbindung zwischen den jeweiligen Verbindungselementen und dem Kopplungselement. Insbesondere zur Darstellung von dreidimensionalen Strukturen im Raum, hat sich eine kugelförmige Ausgestaltung der Kopplungselementverbindungsabschnitte als flexibel erwiesen.
Besonders bevorzugt ist das Kopplungselement als Doppelkugelgelenkkörper vorgesehen. Der Doppelkugelgelenkkörper bildet zusammen mit den Verbindungselementen einen Teil eines Doppelgelenks.
Doppelkugelgelenkkörper im Sinne der Erfindung meint dabei eine mehr oder weniger zueinander spiegelsymmetrische oder vollständig spiegelsymmetrische Ausbildung der beiden Kopplungselementverbindungsabschnitte, wobei beide jeweils kugelförmig vorgesehen sind.
Die Rotationsfähigkeiten der Verbindung zwischen Kopplungselement und Verbindungselement erhöhen die Zahl der Freiheitsgrade um Rotationen um beliebige Winkel. Zudem sind auch Winkeleinstellungen zwischen den longitudinalen Achsen der Verbindungselemente möglich.
Die beiden kugelförmigen Abschnitte des Doppelkugelgelenkkörpers können unmittelbar aneinander angrenzen, durch beispielsweise eine Einschnürung voneinander getrennt sein oder aber auch durch ein Verbindungsteil, das beispielsweise rohr- und/oder stab- oder stangenförmig vorgesehen ist, nach Art einer Hantel voneinander beabstandet sein. In Abhängigkeit von der Ausbildung der zum Doppelkugelgelenkkörper bzw. Doppelgelenk komplementären Verbindungselementverbindungsabschnitte lässt sich hier ein hohes Maß an Flexibilität der dreidimensionalen Molekülmodelle bereitstellen. Insbesondere sind die Verbindungselemente im Verhältnis zu den Modelleinheiten drehbar vorgesehen. Vorteilhaft lässt sich so mit einfachen Mitteln ein Verbindungsmechanismus zur modellhaften Darstellung von Elektronenverbindungen in Einfach- und Mehrfachbindungen bei Molekülstrukturen bereitstellen. Aufgrund der nahezu endlosen Rotationsmöglichkeiten, sind hier kaum räumliche Beschränkungen vorgesehen.
Bei einer in Längsrichtung betrachtet längeren Ausbildung des jeweiligen Verbindungselements und Bereitstellen eines entsprechend flexiblen Abschnitts, lassen sich insbesondere die dreidimensionalen Darstellungsmöglichkeiten des Modells im Raum verbessern. Vor allem aber lassen sich Mehrfach-Elektronenpaarbindungen realistisch darstellen.
Das Kopplungselement kann mehrteilig hergestellt sein, bspw. aus zwei miteinander gekoppelten Kugeln, die entweder direkt und/oder über einen stab- oder stangenförmigen Verbindungsabschnitt miteinander gekoppelt sind. Vorzugsweise ist das Kopplungselement einteilig vorgesehen, da dies fertigungstechnisch einfach realisierbar ist, beispielsweise im Spritzgussverfahren.
Die Modelleinheitsverbindungsabschnitte können an oder in der jeweiligen Modelleinheit in entsprechend geeigneten Strukturen vorgesehen sein, beispielsweise als nach außen vorstehender Zapfen, als Ausnehmung, als Bohrung für eine Steckverbindung, als Rastverbindung etc.
Bevorzugt ist der wenigstens eine Modelleinheitsverbindungsabschnitt als ein Gewinde in der jeweiligen Modelleinheit vorgesehen bzw. ausgebildet.
Ein Gewinde kann beispielsweise als ein Metallgewinde in einer Bohrung in der Modelleinheit ausgebildet oder eingesetzt sein. Fertigungstechnisch einfach, kann ein Gewinde auch als Metallbuchse oder auch Kunststoffbuchse oder Gewindemutter in der jeweiligen Modelleinheit bei deren Herstellung, etwa im Spritzgussverfahren, eingespritzt sein.
In einer einfachen Ausgestaltung ist ein einzelner Gewindeabschnitt vorgesehen. Je mehr Gewindeabschnitte im Atommodell vorgesehen sind, desto größer sind die Flexibilität sowie die Darstellungsmöglichkeiten eines Molekülbausystems. Beispielsweise können vier Einspritzmuttern in einem Raumwinkel von 109,5° in der jeweiligen Atomkugel vorgesehen sein, wobei die Modellatome etwa aus ABS hergestellt sein können.
Die einzelnen Modelleinheiten und/oder Verbindungselemente können aus geeignetem Kunststoff hergestellt sein.
Die Ausgestaltung als Gewindeabschnitt zum Zusammenbau mit entsprechenden Gegengewindeabschnitten an den ersten Verbindungselementverbindungsabschnitten ermöglicht einen einfachen Aufbau, der sich wiederholgenau ausführen lässt. Im Vergleich zu einer Steckverbindung gewährleistet dies einen stabilen Aufbau eines Molekülmodellbausystems und damit ein sicheres Durchführen naturwissenschaftlicher Experimente. Bereits ein geringes Verdrehen der Gewindeabschnitte hält die Verbindungsabschnitte zusammen und den Halter fest.
Bevorzugt ist beim Molekülmodellbausystem wenigstens eine Modelleinheit mit einem Magnetabschnitt vorgesehen.
Bevorzugt ist auch wenigstens ein Verbindungselement mit einem Magnetabschnitt vorgesehen.
Bei den Magnetabschnitten, kann es sich beispielsweise um einen in die jeweilige Modelleinheit oder das Verbindungselement eingesetzten Stabmagneten handeln, und/oder etwa magnetisches Material, das miteingespritzt oder bei der Herstellung eingegossen wurde.
So lassen sich mit einfachen Mitteln Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Atomen darstellen, da sich die jeweiligen Magnetabschnitte der jeweiligen Modelleinheit und des Verbindungselementes einander anziehen und so eine weitere lösbare Kopplung zwischen Verbindungselement und Modelleinheit ermöglichen.
Das jeweilige Verbindungselement kann beispielsweise stabförmig oder konisch vorgesehen sein. Bei einer konischen Ausbildung, ist insbesondere das mit dem Magnetabschnitt vorgesehene Ende abgerundet, um Bindungsmöglichkeiten mit den kugelförmigen Atommodellen zu erleichtern.
Die einzelnen Verbindungselemente können starr und/oder fest ausgebildet sein, was insbesondere eine robuste Ausgestaltung ermöglicht. Vor allem bei in ihrer Längsrichtung kurzen Verbindungsabschnitten hat sich eine relativ starre Ausbildung des Verbindungselements als vorteilhaft erwiesen.
Bevorzugt weist das wenigstens eine Verbindungselement wenigstens einen wenigstens teilweise elastischen Abschnitt auf, der insbesondere zwischen den ersten und zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten vorgesehen sein kann.
Für Mehrfachbindungen sind die Verbindungselemente bzw. Valenzelektronenmodelle länger ausgebildet als bei Einfachbindungen. So lässt sich auch die Stabilität solcher Modelle erhöhen.
Der Verbindungselementverbindungsabschnitt kann beispielsweise als Steck-, Rast- oder sonstiger Verbindungsabschnitt vorgesehen seien. Bevorzugt ist bei wenigstens einem der Verbindungselemente der erste Verbindungselementverbindungsabschnitt als Gewindeabschnitt vorgesehen. Dabei ist der Gewindeabschnitt vorzugsweise komplementär zum Gewindeabschnitt des Modelleinheitsverbindungsabschnittes vorgesehen. Mit einer solchen Gewindeverbindung lassen sich wiederholgenau Verbindungen zwischen der Modelleinheit und dem Verbindungsabschnitt schaffen, die mit einfachen Mitteln wieder lösbar vorgesehen sind.
Bevorzugt ist bei wenigstens einem der Verbindungselemente der zweite Verbindungselementverbindungsabschnitt als zu wenigstens einem der Kopplungselementverbindungsabschnitte komplementär ausgebildete Abschnitt, insbesondere als ein Aufnahmeabschnitt, vorgesehen, der für eine Schnappverbindung vorgesehen sein kann.
Insbesondere in Kombination mit kugelförmig ausgebildeten Kopplungselementverbindungsabschnitten hat sich ein verbreiteter zweiter Verbindungselementverbindungsabschnitt als vorteilhaft erwiesen. Dieser kann beispielsweise zylindrisch vorgesehen sein, um als Aufnahmeabschnitt über den kugelförmigen Abschnitt des Kopplungselementverbindungsabschnitts aufgesetzt zu werden. In seinem Inneren kann der zylindrische Abschnitt in einen halbrunden oder kugelförmig ausgebildeten Endabschnitt übergehen, der komplementär zu den kugelförmig ausgebildeten Kopplungselementverbindungsabschnitten ausgebildet ist.
So lassen sich die Elektronenpaarbindungen zwischen den einzelnen Modelleinheiten in Verbindung mit dem Kopplungselement anschaulich darstellen, da die verbreiterten Enden der jeweiligen Verbindungsabschnitte, die die Valenzelektronen symbolisieren, einfach auf den kugelförmigen Abschnitt des Doppelkugelgelenkkörpers aufgesteckt werden können.
Insgesamt sind das erfindungsgemäße Molekülmodellbausystem und der Verbindungsmechanismus eines solchen Molekülmodellbausystems im Vergleich zum bekannten Stand der Technik flexibel in der Handhabung und insbesondere für Schüler ausgelegt. Mit dem Molekülbausystem lassen sich Valenzelektronen, freie Elektronenpaare, Bindungen, intermolekulare Kräfte und chemische Reaktionen auf einfache Weise anschaulich darstellen und insbesondere für Schüler begreifbar machen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1a-d schematische Darstellungen von Elektronenpaarbindungen am Beispiel von Wasserstoff (H), Chlor (Cl), Chlorwasserstoff (HCl), Wasserstoffmolekül H₂ und Chlormolekül Ch;
2a, b schematische, perspektivische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verbindungsmechanismus bei Montage und im zusammengesetzten Zustand;
3 eine Längsschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Verbindungsmechanismus im zusammengesetzten Zustand;
4 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Modelleinheit;
5 perspektivische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform einer Modelleinheit;
6 perspektivische Darstellungen einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements;
7 perspektivische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselementes;
8 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kopplungselementes;
9 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Molekülverbindung des erfindungsgemäßen Molekülmodellbausystems an Hand eines Wasserstoffmoleküls (H₂);
10 perspektivische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform eines Verbindungselementes mit einem magnetischen Abschnitt;
11 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Molekülverbindung des erfindungsgemäßen Molekülbausystems anhand eines Wassermoleküls (H₂O);
12 eine perspektivische Darstellung zweier über eine Wasserstoffbrückenbindung miteinander verbundener Wassermoleküle (H₂O) aus 11;
13 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Molekülverbindung des erfindungsgemäßen Molekülbausystems anhand eines Chlormoleküls (Cl₂);
14 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Molekülverbindung des erfindungsgemäßen Molekülbausystems anhand eines Kohlendioxidmoleküls (CO₂); und
15 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Molekülverbindung des erfindungsgemäßen Molekülbausystems anhand eines Kohlenwasserstoffmoleküls (CH)₂.

Der Aufbau und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Molekülmodellbausystems werden zunächst anhand der 1 bis 3 erläutert.
1a bis 1d zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen von Atomen und Molekülen, wobei letztere durch die Elektronenpaarbindung zusammengehalten sind. Die Elektronenpaarbindungen werden auch als kovalente Bindungen bezeichnet. Die miteinander verbundenen Atome bilden schematisch ein jeweils in den 1b bis 1d eingekreist dargestelltes Einbinden des Elektronenpaars (sogenannte Einfachbindung). Die 1b bis 1d zeigen beispielhaft HCL, H₂ und Cl₂ Moleküle.
2a und b zeigen jeweils schematisch den erfindungsgemäßen Verbindungsmechanismus 4 beim Zusammensetzen und im zusammengesetzten Zustand; 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung des Verbindungsmechanismus 4.
Der Verbindungsmechanismus 4 umfasst im Wesentlichen zwei Verbindungselemente 7, die über ein Kopplungselement in Form eines Doppelkugelgelenkkörpers 17 miteinander verbindbar sind.
Die Verbindungselemente 7 umfassen jeweils einen ersten Verbindungselementverbindungsabschnitt in Form eines Gewindes 9, der über einen etwa stabförmigen Abschnitt 13, gestuft in einer Verbreiterung eines zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitt 11 mündet. Der Verbindungselementverbindungsabschnitt ist als Aufnahme 15 vorgesehen und in etwa zylindrisch ausgestaltet. Er umfasst in seinem Inneren eine zylindrische Aufnahme 16, deren innere Abmessungen etwa komplementär zu jeweils den äußeren Abmessungen einer der beiden Kugelabschnitte 19a, 19b des Doppelkugelgelenkkörpers 17 vorgesehen ist.
Die Verbindungselemente 7 stellen Modellvalenzelektronen dar. Der Doppelkugelgelenkkörper 17 und die beiden zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitte 11 des Verbindungsmechanismus 4 symbolisieren die Elektronenpaarbindung als Modell eines bindenden Elektronenpaars.
3 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch das Funktionsmodell des bindenden Elektronenpaars. Das untere Verbindungselement 7a entspricht den Verbindungselementen 7a aus 2a, b. Das obere Verbindungselement 7b zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verbindungselements, bei dem der stabförmige Bereich 13 einen elastischen Abschnitt 23 umfasst, der den stabförmigen Abschnitt 13 mit der Aufnahme 15 verbindet.
Beim Verbindungselement 7b geht der stabförmige Abschnitt 13 konisch verjüngt in den elastischen Abschnitt 23 über und weitet sich an seinem des Aufnahmeabschnitts 15 zugewandten Ende wieder auf. Der elastische Abschnitt 23 kann unterschiedliche geeignete Längen aufweisen, je nachdem, welches Molekülmodell dargestellt werden soll und welche Entfernungen durch das Modell zu überbrücken sind.
Auch ist aus der Querschnittsdarstellung ersichtlich, dass die zylindrische Aufnahme 16 im Aufnahmeabschnitt 15 in ihren Inneren in einen kugelförmigen Abschnitt 21 übergeht, der in etwa komplementär zu den Kugelabschnitten 19a, b vorgesehen ist.
4 und 5 zeigen jeweils zwei Ausführungsformen einer Modelleinheit 3a, 3b, die jeweils ein Atom darstellen. In 4 ist ein Schwefelatom gezeigt und in 5 ein Wasserstoffatom. Die Farbwahl der Atommodelle orientiert sich an internationalen Standards und Übereinkünften: Wasserstoff: weiß, Kohlenstoff: schwarz, Stickstoff: blau, Sauerstoff: rot, Schwefel: gelb, Halogene: grün und Substituenten für verschieden Moleküle: grau.
Das Schwefelatommodell 3a umfasst vier Gewindeabschnitte 5, die im Raumwinkel von 109,5° als Einspritzmuttern in dem Modell eingespritzt sind. In 4 sind nur drei Einspritzmuttern gezeigt und die vierte ist verdeckt.
Das Wasserstoffatom aus 5 umfasst eine Einspritzmutter 5 mit Gewinde und auf der der Einspritzmutter 5 gegenüberliegenden Seite ist ein im Inneren des Wasserstoffatommodells ein dort eingebrachter Stabmagnet 25 vorgesehen. Dieser schließt mit seinem äußeren Ende an der äußeren Oberfläche bzw. dem Außenradius des Wasserstoffatoms 3b in etwa bündig ab.
6 zeigt zwei perspektivische Detaildarstellungen der ersten Ausführungsform des Verbindungselementes 7a, das als Modell eines „kurzen“ Valenzelektrons dargestellt ist. Die Kanten am Aufnahmeabschnitt 15 des zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitts 11 sind abgerundet. Der Schraubgewindeabschnitt des ersten Verbindungselementverbindungsabschnitts 9 ist in das Verbindungselement 7a eingespritzt bzw. bei der Spritzgussherstellung eingesetzt.
7 zeigt zwei perspektivische Detaildarstellungen der zweiten Ausführungsform des Verbindungselementes 7b. Der stabförmige Abschnitt 13 ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform länger ausgebildet ist, verjüngt sich konisch und geht in einen elastischen Abschnitt 23 über, der sich wiederum an seinem gegenüberliegenden Ende zum zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitt 11 hin aufweitet. Diese Variante stellt also ein „langes“ Modell-Valenzelektron bereit, das längere räumliche Distanzen überwinden kann und überwiegend bei Mehrfachbindungen eingesetzt wird (vgl. auch 14 und 15).
8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines einstückigen Doppelkugelgelenkkörpers 17 mit seinen beiden kugelförmigen Abschnitten 19a, b. Die Abmessungen der Außenkontur bzw. Außengeometrie der Kugelabschnitte 19a, b, ist komplementär zu der zylindrischen Aufnahme 16 und dem kugelförmigem Abschnitt 21 der zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitte 11 ausgebildet. Die beiden Kugelabschnitte 19a, 19b sind durch eine Einschnürung 20 räumlich voneinander abgegrenzt.
9 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Wasserstoffmoleküls (H₂). Die Wasserstoffmodelleinheiten bzw. Atommodelle 3b sind jeweils über die erste Ausführungsform des Verbindungselements 7a als Valenzelektron miteinander gekoppelt und bilden so einen erfindungsgemäßen Verbindungsmechanismus 4. Dabei umgreifen die Aufnahmen 15 jeweils den Doppelkugelgelenkkörper 17 fast vollständig.
10 zeigt zwei perspektivische Darstellungen eines weiteren Verbindungselements 7c zur Darstellung von freien Elektronenpaare. Das Verbindungselement 7c unterscheidet sich von den ersten beiden Verbindungselementen 7a und b dadurch, dass es einen kegelartigen Aufbau aufweist, der an seinem ersten Verbindungselementverbindungsabschnitt ein Gewinde 9 umfasst, das zur lösbaren Verbindung mit jeweils einem Verbindungsabschnitt 5 der jeweiligen Modelleinheit 3a, b vorgesehen ist. An seinem gegenüberliegenden Ende weitet sich das Verbindungselement 7c konisch auf und ist an seiner Oberseite abgerundet. Im Innern ist ein Stabmagnet 31 eingesetzt ist, der mit seinem äußeren Ende in etwa bündig mit der Oberfläche 33 des Verbindungselements 7c abschließt. Der Stabmagnet 31 dient zur schematischen Darstellung von Wasserstoffbrückenbindungen bei Kopplung des Verbindungselements 7c mit dem Magnet 25 der Modelleinheit 3b.
Gelangt das Ende des Stabmagneten 31 bzw. das Verbindungselement 7c mit beispielsweise der Modelleinheit 3b eines Wasserstoffatoms und dem dort vorgesehenen Stabmagnetende 25 zusammen, lassen sich so aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte Wasserstoffbrückenbindungen darstellen (vgl. 12).
11 zeigt eine Modelldarstellung eines Wassermoleküls (H₂O) bei dem die beiden Wasserstoffatome 3b über Elektronenpaarbindungen, dargestellt über die Verbindungsmechanismen 4, jeweils mit dem Sauerstoffmolekül gekoppelt sind. Die beiden weiteren Verbindungselemente 7c symbolisieren freie Elektronenpaare.
12 zeigt ein Modell zweier Wassermoleküle (H₂O), die über eine Wasserstoffbrückenbindung miteinander gekoppelt sind. Die Wassermoleküle 3b sind über das Ende des Stabmagnets 25 der Atommodelleinheit 3b und das Ende des Stabmagnets 31 des zweiten Verbindungselements 7c miteinander gekoppelt.
13, 14 und 15 zeigen weitere Beispiele für Molekülmodellsysteme. 13 zeigt ein Chlormolekül (Cl₂), 14 zeigt ein Kohlendioxidmolekül (CO₂) und 15 ein Kohlenwasserstoffmolekül (CH)₂. Mit den jeweiligen Einfach- und Mehrfachbindungen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2140103 [0008]
US 6508652 B1 [0008]
US 2008/0305465 A1 [0008]
DE 2137868 [0010]
WO 2013/079610 A1 [0011]

Claims

Molekülmodellbausystem (1) umfassend: wenigstens zwei Modelleinheiten (3a, b), die jeweils wenigstens einen Modelleinheitsverbindungsabschnitt (5) aufweisen, wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), die jeweils einen ersten (9) und einen zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitt (11) aufweisen, wobei die Modelleinheitsverbindungsabschnitte (5) zur lösbaren Verbindung mit den ersten Verbindungselementverbindungsabschnitten (9) vorgesehen sind, gekennzeichnet, über wenigstens ein Kopplungselement (17) zur Kopplung der wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), wobei das Kopplungselement (17) wenigstens zwei Kopplungselementverbindungsabschnitte (19a, b) aufweist, die jeweils zur lösbaren Verbindung mit den zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten (11) vorgesehen sind.
Molekülmodellbausystem (1) nach Anspruch 1, bei dem der erste und/oder der zweite Kopplungselementverbindungsabschnitt (19a, b) jeweils wenigstens teilweise kugelförmig ausgebildet sind.
Molekülmodellbausystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kopplungselement (17) als Doppelkugelgelenkkörper vorgesehen ist.
Molekülmodellbausystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Modelleinheitsverbindungsabschnitt (5) als Gewinde in der jeweiligen Modelleinheit (3a, b) vorgesehen ist.
Molekülmodellbausystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Modelleinheit (3a, b) mit einem Magnetabschnitt (25) vorgesehen ist.
Molekülmodellbausystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Verbindungselement (7a, b, c) mit einem Magnetabschnitt (31) vorgesehen ist.
Molekülmodellbausystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das wenigsten eine Verbindungselement (7a, b, c) einen wenigstens teilweise elastischen Abschnitt (23) aufweist, der insbesondere zwischen den ersten und zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten (9, 11) vorgesehen ist.
Molekülmodellbausystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei wenigsten einem der Verbindungselemente (7a, b, c) der erste Verbindungselementverbindungsabschnitt (9, 11) als Gewindeabschnitt vorgesehen ist.
Molekülmodellbausystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei wenigsten einem der Verbindungselemente (7a, b, c) der zweite Verbindungselementverbindungsabschnitt (11) als zu wenigstens einem der Kopplungselementverbindungsabschnitte (19a, b) komplementär ausgebildeter Abschnitt, insbesondere als ein Aufnahmeabschnitt, vorgesehen ist.
Verbindungsmechanismus eines Molekülmodellbausystems (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), die jeweils einen ersten und einen zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitt (9, 11) aufweisen, gekennzeichnet, über wenigstens ein Kopplungselement (17) zur Kopplung der wenigstens zwei Verbindungselemente (7a, b, c), wobei das Kopplungselement (17) wenigstens zwei Kopplungselementverbindungsabschnitte (19a, b) aufweist, die jeweils zur lösbaren Verbindung mit den zweiten Verbindungselementverbindungsabschnitten (11) vorgesehen sind.
Verbindungsmechanismus nach Anspruch 10, bei dem der erste und/oder der zweite Kopplungselementverbindungsabschnitt (19a, b) jeweils wenigstens teilweise kugelförmig ausgebildet sind.
Verbindungsmechanismus nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Kopplungselement (17) als Doppelkugelgelenkkörper vorgesehen ist.
Verwendung eines Verbindungsmechanismus nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zur modellhaften Darstellung von Elektronenpaarbindungen in einem Molekülmodellbausystem (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9.