Termin „model” stosowany jest w wielu odmiennych znaczeniach. W nauczaniu chemii modelami przywykło się przede wszystkim nazywać:
- pomniejszone kopie aparatury i urządzeń chemicznych,
- przedmioty przedstawiające budowę siatek krystalicznych cząsteczek związków chemicznych itp.
Ze względu na przydatność modeli w dydaktyce Nagel [1972] wyróżnia klasyfikację opartą na wewnętrznej naturze modelu:
MODELE
RZECZOWE
IKONICZNE SYMPTOMATYCZNE
ZNAKOWE LOGICZNE
GEOMETRYCZNE FORMALNE
ALGEBRAICZNE
ODTWARZAJĄCE CECHY ODTWARZAJĄCE DYNAMIKĘ
Rys. 1. Klasyfikacja modeli wg Nagela
Popularne w Polsce w nauczaniu chemii modele szkieletowe (Dreidinga), czaszowe oraz styczne należą niewątpliwie modeli rzeczowych, ikonicznych odtwarzających niektóre cechy indywiduów chemicznych. Modele te pozwalają na wizualizację z dostatecznie dużą dokładnością następujące wielkości charakterystyczne dla modeli budowy materii [Platts, 1968]:
- odległości międzyjądrowe;
- kąty utworzone przez wiązania;
- promienie van der Waals’a;
- promienie kowalencyjne.
Powyższe funkcje spełniają też tzw. modele balonowe bardzo popularne na zachodzie Europy i w Stanach Zjednoczonych [Pollara, 1951], [Hoogenboom, 1962], [Jones, 1965], [Jones & Bentley, 1961], [Roberts & Traynham, 1976], [Gillespie, 1992]. Ponieważ modele te są prawie nie używane w Polsce zostaną omówione szerzej. Do tworzenia modeli tego typu używa się zwykłych balonów lub „długich” [Eckhardt & Karim, 2001], [Niac, 1978]. Ponieważ w modelach tych wiązanie jest częścią balonu z którego powstaje cząsteczka jest ono sprężyste – co bardziej oddaje jego naturalny charakter niż sztywne pręciki z innych modeli. Główną zaletą takich modeli jest prostota obsługi, ale także bliższe rzeczywistości niż w innych modele, przedstawienie cząsteczek, ponieważ atomy w cząsteczkach nie wyglądają jak kule (tak jak ma to miejsce gdy są w stanie wolnym). Modele balonowe mają również tę zaletę, że kąty pomiędzy poszczególnymi wiązaniami nie wynikają z gotowych już prefabrykatów z których uczniowie budują model cząsteczki, ale tworzą się one automatycznie przy samodzielnym montażu modelu przez uczniów (kąty te odpowiadają wersji modelu VESPR [Gillespie & Nyholm, 1957], [Gillespie, 1970; 1972; 1974]).
Tworzenie modeli cząsteczek z balonów jest bardzo proste. Balony, nie w pełni wypełnione powietrzem, zamykamy a następnie tworzymy ‘wiązanie’ skręcając balon we właściwym miejscu – tworząc na nim mały balonik. Następnie balonik odciągamy nieco od reszty balonu i owijamy taśmą klejącą (o szerokości ok. 2 mm) w celu uniknięcia przepływu powietrza między balonikiem i resztą balonu. Na jednym długim balonie tworzymy tyle baloników ile do budowy danej cząsteczki jest niezbędne.
Rys. 2. przykładowe wydłużone balony wykorzystywane do budowy modeli.
Rysunki 2-10 za [Niac, 2008] - http://lejpt.academicdirect.org/A12/175_192.pdf dostęp 23.12.2010.
Baloniki na obu końcach łańcucha przedstawiają chmurę pary elektronów wiązania C-H (z jądrem wodoru będącym wewnątrz chmury elektronowej). Natomiast baloniki wewnątrz łańcucha przedstawiają pary wiązań C-C (lub inne). Można w przybliżeniu przyjąć, że rdzenie atomowe, atomów biorących udział w tworzeniu tych wiązań są w miejscu skrzyżowania baloników - widać więc, że leżą poza chmurą elektronów wiążących.
Modelowanie cząsteczek powstaje przez nałożenie dwóch rdzeni atomowych, czyli poprzez skręcenie dwóch ciągów baloników. Poniższy rysunek przedstawia jak połączyć ciągi baloników w celu kształtowania niektórych modeli cząsteczkowych.
Rys. 3. Montaż niektórych modeli cząsteczek organicznych. Różne tekstury odpowiadają osobnym balonom (każda linia – to jeden balon).
Rys. 4. Balonowy model metanu - CH4. Kąty pomiędzy orbitalami powstają samoistnie podczas budowy modelu. Model ten może również obrazować cząsteczkę wody lub amoniaku – ukazując orbitale z elektronami nie wiążącymi (różnicę między orbitalami wiążącymi a niewiążącymi można ukazać np. poprzez różny sposób nadmuchania balonów.
Rys. 5. Balonowy model C2H6 (ale może też to być model metyloaminy, metanolu, nadtlenku wodoru);
Modele balonowe ukazują także izomerią konformacyjną.
Rys. 6. Na balonowym modelu propanu wyraźnie widoczne jest załamanie łańcucha.
Przy dłuższych łańcuchach węglowych na modelach balonowych można przedstawić uczniom konformacje planarne (antipleriplanarna i synperiplanarną) jak i klinarne (antyklinarną i synklinalną).
Za pomocą modeli balonowych możliwe jest też ukazanie węglowodorów cyklicznych – w sposób naturalny ukazuje się wtedy napięcie przy cyklowęglowodorach o mniejszej liczbie atomów węgla w łańcuchu. Modele balonowe ukazują także konformacje pierścienia (krzesełkowa i łódkową).
100
Rys. 7. Balonowy model cyklobutanu; przed skręcaniem końców, aby zamknąć pierścień; gotowy model;
widok „od góry” pierścienia.
Modele balonowe pozwalają także na ukazanie wiązania podwójnego,
Rys. 8. Balonowy model etenu (ale również tlenu, formaldehydu i di boranu).
Oraz izomerii cis i trans.
Rys. 9. Cis- i trans-2-buten (C4H8).
Jednak wydaje się, że modele bardziej skomplikowanych cząsteczek są mało czytelne.
Rys. 10. Balonowy model adamantanu, C10H16 i jego wzór kreskowy.
Balonowe modele mogą również przedstawiać tylko orbitale molekularne lub ich hybrydy.
Rys. 11. Balonowe modele orbitali hybrydyzowanych [za - Principles of Chemistry: The Molecular Science Autorzy John W. Moore,Conrad L. Stanitski,Peter C. Jurs]
Można również za pomocą modeli balonowych przedstawiać siatki krystaliczne substancji lub wewnętrzną budowę bardziej skomplikowanych cząsteczek np.:
- diamentu, - grafitu, i fullerenu,
- faujasytu (minerału z rodziny krzemianów, zaliczanego do grupy zeolitów),
- związków metalo-organicznych np.: [Fe4(n5-C5H5)4(μ3-CO)4] (atomy żelaza znajdują się na rogach zielonego czworościanu, kolorem pomarańczowym zaznaczony jest cyklopentadienyl, czarno-czerwone elementy to CO;
- helisy dna
.
Rys. 12. Modele balonowe diamentu [za: http://www.balloonmolecules.com/Html/Galerie_vor.htm - dostęp 25.12.20010]
Rys. 13. Modele balonowe grafitu i fulleren [za: http://www.balloonmolecules.com/Html/Galerie_vor.htm - dostęp 25.12.20010]
Rys. 14. Modele balonowe faujasytu [za: http://www.balloonmolecules.com/Html/Galerie_vor.htm - dostęp 25.12.20010]
Rys. 15. Model balonowy związku metaloorganicznego [za: http://www.balloonmolecules.com/Html/
Galerie_vor.htm - dostęp 25.12.20010]
Rys. 16. Model balonowy helisy DNA [za: http://www.balloonmolecules.com/Html/Galerie_vor.htm - dostęp 25.12.20010]
Podsumowując można powiedzie, że materialne modele balonowe cząsteczek spełniają specjalną rolę w edukacji chemicznej, gdyż są nie tylko wizualizacją w trzech wymiarach cząsteczek, ale również można ich dotknąć, obrócić i badać ze wszystkich stron. Ponadto, napięcia powstające w wiązaniach mogą być odczuwalne przez uczniów przy montażu modeli, z podwójnym wiązaniem lub związków cyklicznych o krótkich łańcuchach węglowych. Dlatego też wykorzystanie tego modelu w demonstracji lub ćwiczeń laboratoryjnych w klasie powinno być zalecane w szkołach.
Rysunkowa instrukcja zbudowania cząsteczki fullerenu:
Rys. 17. Budowanie modelu fulleren z balonów [za: http://www.ballonmolekuele.de/Html/Fulleren.htm - dostęp 23.12.2010]
Literatura:
Eckhardt R., Karim, A. (2001): Molekülmodelle - aus Luft gebaut. Nachrichten aus der Chemie , s. 478-480.
Gillespie R. (1972): Molecular Geometry. London: Van Nostrand Reinhold.
Gillespie R. (1992): Multiple Bonds and the VSEPR Model. J. Chem. Educ. , s. 116.
Gillespie R. (1974): The Defense of the V.S.E.P.R. Model. J. Chem. Educ. , strony 367-370 .
Gillespie R., Nyholm, R. (1957): VSEPR Theory. Q. Rev. Chem. Soc., s. 339.
Hoogenboom B. (1962): Three-dimensional models of atomic orbitals. J. Chem. Educ., s. 40-41.
Jones H. (1965, 2): Molecular Shapes and the Balloon Analogy. Educ. Chem., s. 25-31.
Jones H., Bentley R. (1961, 438): Electron Pair Repulsions, a Mechanical Analogy. Proc. Chem Soc., s. 438-442.
Nagel E. (1972): Struktura nauki. Warszawa: PWN.
Niac G. (2008): Ballonet String Model of Molecules. Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, s. 175-192.
Niac G. (1978): Balloon Models for Organic Molecules. J. Chem. Educ. , str. 303.
Platts C. (1968): Structure models in chemistry teaching. School Science Review , strony 289-297.
Pollara F. (1951): note in Proceedings of the Pacific Southwest Association of Chemistry Teachers. J. Chem.
Educ. , str. 607.
Roberts R., Traynham, J. (1976): Molecular Geometry: as easy as Blowing up Balloons. J. Chem. Educ. , strony 233-234.