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MOLEKULMODELLE UND ATOMKALOTTEN UND FUHRUNGSSTIFTE ZU IHREM AUFBAU
Es sind bereits zahlreiche Ausführungsformen von Molekulmodellen bekannt, die für
die verschiedensten Zwecke dienen können. Durch eine bekannte Ausführungsform werden
Kristallgitter dargestellt; andere Molekülmodelle zeigen die räumlichen Verhältnisse
und die Beweglichkeit der Moleküle. Unter diesen Molekülmodellen gibt es solche,
die nur das Gerüst der Valenzwinkel darstellen, z. B. Dreiding-Modelle, und solche
die auch die Größe und die Gestalt der am Aufbau der Moleküle beteiligten Atome
erkennen lassen (Kalotten-Modelle).
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Bei den bekannten Kalotten-Modellen wird die Verbindung der Atome
untereinander, die fest und beweglich (im Sinne von Rotation um die Verbindungsachse)
zugleich sein soll, z.B.
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durch Gumminocken oder durch Druckknöpfe bewirkt. Diese bekannten
Kupplungsarten haben sich bei den kleinen Molerillen, wie sie in der klassischen
Organischen Chemie zur Darstellung kommen, im allgemeinen recht gut bewährt; beim
Aufbau und bei der Handhabung von Modellen der Makromolekularen Chemie ergeben sich
aber ernsthafte Schwierigkeiten; die oft aus mehreren hundert bis tausend Atomen
bestehenden Makromolekülmodelle brechen meist schon während des Aufbaus wieder auseinander,
weil die üblichen Kupplungen versagen.
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Man hilft sich dann in der Regel eo, dass man die Modelle an Stativen
befestigt. Dadurch geht aber ein großer Vorteil der Kalottenmodelle verloren, weil
man die Beweglichkeit und die Möglichkeiten der Gestaltänderung der Moleküle nicht
mehr demonstrieren kann. Auch die Verwendung von sehr starken Druckknöpfen bringt
keine Lösung des Problems, weil dadurch der Aufbau und Abbau der Modelle zu sehr
erschwert wird.
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Gegenstand dieser Erfindung sind Molekülmodello und Atoakalotten und
Führungsstifte, die sich zu Molekülmodellen für Moleküle von beliebiger Größe verbinden
lassen, bei denen als Kupplungselemente Führung stifte mit Druckknöpfen an den Enden
der FUhrungsstifte tnd entsprech.ndeiFührungen mit zum Druckknopf passenden Federn
verwendet werden, wobei die Kupplungselemente so angeordnet sind, dass die Druckknöpfe
und die Federn in eingekuppelten Zustand im Zentralbereich des Kalottenkörpers liegen.
Unter Zentralbereich wird hierbei der Bereich ii Inneren, vorzugsweise im Mittelpunkt
und in der Nähe des Mittelpunktes, des Kalottenkörpers im Gegensatz zu den Randzonen
des Kalottenkörpers verstanden.
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Die für den Aufbau der erfindungsgemäßen Molek(llmodelle verwendeten
Atomkalotten haben je nach Element, z.B. Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel, Chlor,
Wasserstoff u.dgl., verschiedene Gestalt, sind aber stets im wesentlichen Stegs
mente von Kugeln oder in einigen Fällen auch von Ellipsoiden mit einer oder mehreren
ebenen Flächen, wie sie durch Abtrennen von mehr oder weniger großen Kugelkappen
entstehen.
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Mit diesen meist kreisförmigen ebenen Flächen grenzen die Atomkalotten
aneinander. Dementsprechend sind die Führungen für die Führungsstifte in der Mitte
dieser ebenen Kreisflächen so angebracht, dass ste senkrecht zu diesen Flächen zur
Kalottenmitte einführen, ohne wesentlich über die ebene Fläche hinauszuragen. Im
allgemeinen wird man als Führungen kleine Metallröhrchen mit einem Durchmesser von
etwa 2 bis 5 mm verwenden, an derem inneren Ende die Feder zum Festhalten des Druckknopfes
befestigt ist. Die Führungen können in der Weise hergestellt werden, dass man zunächst
eine entsprechende Bohrung senkrecht zur Kontaktfläche ins Innere der Kalotten führt
und dann die Metallröhrchen, z.B. Stahlröhrchen, mit der Feder einführt. Das ist
natürlich nur dann möglich, wenn das Federsystem nicht größer ist als der Durchmesser
der Bohrung. Sonst muß der Kalottenkörper in zwei Hälften hergestellt werden, die
dann nach Anbringung der Führung mit Feder zusammengeklebt oder in anderer Weise
vereinigt werden.
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Besonders einfach ist die Anbringung der Führung immer dann, wenn
die Kalotten durch Gießen, Spritzgießen oder Schauen, z.B. von Kunststoffen, mit
Hilfe einer Negativform hergestellt werden. Man kann bei diesem Verfahren, das man
in der Praxis daher bevorzugen wird, einfach die als Führung dienenden Metallröhrchen
mit den Federn in die Form einlegen, so daß sie von dem eingespritzten oder geschäumten
Material fest umhellt werden.
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Die Länge der Führungen richtet sich nach der Größe der Atomkalotten.
Wählt man als Maß für die Größe der Kalotten den Durchmesser der zugehörigen Kugeln,
so haben diese Kugeln üblicherweise Durchmesser zwischen 15 und 50 ppm, bezogen
auf das Modell für das Atom des Kohlenstoff. Während man kleinere Molekülmodelle
schon wegen der mit der Anfertigung verbundenen Schwierigkeiten kaum oder nur für
spezielle Verwendungszwecke herstellen wird, lassen sich größere Modelle der erfindungsgemäßen
Art relativ leicht herstellen und bieten besonders bei der Verwendung im Unterricht
Vorteile.
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In der Regel wird man die Führungen so lang machen, wie es der verfügbare
Platz im Inneren der Kalottenkörper zuläßt.
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Sie sollten mindestens 3 mm lang sein, vorzugsweise aber 5 bis 20
mm, bei größeren Modellen entsprechend größer. Mit zunehmender Länge nimmt die Festigkeit
der Kupplungen zu.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Heranziehung der Abbildungen
in den beiden Figuren näher erläutert. Bei diesen Abbildungen zeigen Figur 1 einen
Querschnitt durch zwei Kalottenkörper mit jeweils einer dargestellten Führung und
durch einen Führungsstift Figur 2 einen Querschnitt durch zwei Kalottenkörper, die
beide eine Führung und einen fest eingebetteten Führungsstift besitzen.
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In diesen Figuren sind die Kupplungselemente bestehend aus den Führungsstiften
(1) mit Druckknöpfen (2) an den Enden der Kupplungsstifte zu erkennen. Die entsprechenden
Führungen (3) mit zu den Druckknöpfen passenden Federn sind so in den Kalottenkörpern
(5) angeordnet, dass die Druckknöpfe (2) und die Federn (4) im eingekuppelten Zustand
im Zentralbereich des Kalottenkörpers (5) liegen.
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Bei Molekülmodellen für makromolekulare Stoffe mit kettenförmiger
Struktur sollten, die am Zusammenhalt der MolekUlkette beteiligten Atommodelle mindestens
zwei Kupplungsstellen haben. Dieses kann man dadurch erreichen, dass die Atommodelle
zwei Führungen (3) mit Feder (4) nach der in Abbildung 1 gezeigten Art besitzen,
wodurch sich unter Verwendung von losen Führungsstiften (1) die einzelnen Atommodelle
untereinander zu einer Kette verbinden lassen. Bei einer anderen Ausführungsform,
die die Abbildung 2 zeigt, ist in den einzelnen Atommodellen neben einer Führung
(3) mit Feder (4) noch ein mit einem Ende fest eingebetteter Führungsstift (6) vorhanden.
Derartige Modelle von einzelnen
Atomen lassen sich in besonders
einfacher Weise zu einer Kette verbinden, da ihr Zusammenbau besonders leicht erfolgt
und man keine Werkzeuge dafür benötigt.
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Seitengruppen oder Atome, die sich seitlich an der Kette befinden,
sind meist keinen großen Belastungen ausgesetzt und können daher auch mit gewöhnlichen
Druckknöpfen befestigt werden, wenn man es nicht überhaupt vorzieht, sie an die
Atome der Molekülkette anzukleben.
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Die Feder kann im einfachsten Falle aus einer kleinen Einbeulung am
Ende des metallischen Führungsröhrchens bestehen.
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Das Röhrchen erleidet dann beim Durchdrücken des zum Druckknopf ausgebildeten
Endes des Führungsstiftes an der Stelle der Einbeulung eine elastische Deformation
und hält auf diese Weise den Führungsstift fest. Normalerweise wird es jedoch vorteilhafter
sein, wenn die Feder die bei Druckknöpfen allgemein übliche Form eines gebogenen
Stahldrahtes hat, der in einer geeigneten Fassung gehalten ist.
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Die Führungsstifte mit Druckknopf bestehen in der Regel aus Metall,
vorzugsweise Stahl; sie können jedoch auch aus anderen harten und festen Werkstoffen,
wie Kunststoffen, z.B.
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PolyAmiden, Polycarbonaten oder Polyphenyläthern gefertigt werden.
Die Länge der Führungsröhrchen (3) im Inneren der Kalotte ist der Länge der Führungsstifte
(1) angepaßt, so dass sich jeweils die zusammengehörigen Flächen der Atomkalotten
im eingekoppelten Zustand gerade berühren oder sich in geringem Abstand gegenüberstehen.
Die Enge des Kontaktes bestimmt die Leichtigkeit, mit der sich die Kalotten um ihre
Verbindungsachse drehen und kann durch die Länge des Führungsstiftes im Verhältnis
zur Länge der Führung nach Wunsch eingestellt werden.
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Wegen der bei den meisten Atombindungen gegebenen sogenannten freien
Drehbarkeit sollen Führung und Führungsstifte zweckmäßigerweise einen kreisförmigen
Querschnitt haben, damit auch im Modell die Atome um ihre Verbindungsachse gedreht
werden können. Lediglich in solchen Fällen, in denen keine freie Drehbarkeit gegeben
ist, z.B. bei C=C -Doppelbindungen, ist ein nicht kreisförmiger, z.B. sechseckiger
oder viereckiger Querschnitt der Führung angebracht, aber nicht unbedingt notwendig,
da man die freie Drehbarkeit in solchen Fällen auch auf andere Weise unterbinden
kann, indem man z.B.
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zwei C-Atome mit Doppelbindung fest zusammenklebt und diese Kombination
wie e i n e Atomkalotte behandelt.
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Als Material für de Kalottenkörper (5) eignen sich fast alle Werkstoffe,
z.B. Holz, Metall oder Kunststoffe. Da die Modelle der verschiedenen Atome durch
verschiedene Farben gekennzeichnet werden und Kunststoffe in beliebigen Farben zu
haben sind, während Holz und Metalle nach der Formgebung mit einem Farblack überzogen
werden müssen, sind Kunststoffe das bevorzugte Material zur Herstellung der Kalotten.
Je nach Art der Beanspruchung kann man sie aus verschiedenen Kunststoffen herstellen,
so z.B. aus Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polyamiden, Polycarbonaten
oder verschiedenen Gießharzen. Die Fertigung kann zwar auch durch spanabhebende
Bearbeitung erfolgen, doch wird man anderen, billigeren Verfahren in der Regel den
Vorzug geben. Welche Verfahren im einzelnen verwendet werden, richtet sich nach
dem Werkstoff, Gießharze werden in Formen gegossen und härten langsam aus, Thermoplaste
wie Polyäthylen oder Polystyrol werden im Spritzguß verarbeitet. Die Führungen (3)
und gegebenenfalls, wenn man gemäß Figur 2 vorgeht, auch die Führungsstifte, werden
vor dem Gieß- oder Spritzgußvorgang in die Form eingelegt, so dass man sogleich
die fertigen erfindungsgemäßen Kalottenmodelle erhält, wobei man sowohl einzelne
Atommodelle als auch Modelle von Gruppen aus mehreren Atomen herstellen kann.
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Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Kalottenkörper (5)
aus Schaumstoffen, wie z.B. Schaumpolystyrol oder Polyurethanschaumstoffen herzustellen.
Beim Schaumpolystyrol, das unter der Bezeichnung Styropo im Handel ist, kann man
bei der Herstellung folgendermaßen vorgehen: Die Formen, in die die Kupplungselemente,
also die Führungen (3) und gegebenenfalls Führungsstifte (6) eingelegt werden, werden
mit ungeschäumtem oder nur leicht vorgeschäumteterial gefüllt. Nach Verschließen
der Formen werden sie einige Minuten, z.B. durch Eintauchen in heißes Wasser,mit
eingeblasenem Wasserdampf oder in einem Wärmeschrank erhitzt. Ähnlich einfach gestaltet
sich der Fertigungsvorgang bei der Verwendung von Polyurethanschaumstoffen.
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Bei Verwendung von Schaumstoffen erhält man Kalotten mit besonders
geringem Gewicht, die sich deshalb gerade für die Anfertigung von Makromolekülmodellen
ganz besonders gut eignen. Sie sind leicht zu handhaben und ihre Kupplungen werden
weniger belastet als bei Modellen aus spezifisch schweren Materialien.