Simulationsprogramme

Informationen zur Installation

1. Installation von "SimChemistry", das hier verfügbar ist: http://www.simchemistry.co.uk/download.html (die Software läuft auch unter Linux mit Hilfe von Wine, für Mac kenne ich mich nicht aus, ob es eine Möglichkeit gibt diese ältere WindowsSoftware laufen zu lassen)
2. Installation von "Molecular Workbench". Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

• eine Installation per Webstart, die bei der Ausführung eine Online-Verbindung benötigt. Sonst läuft das Programm nicht! http://mw.concord.org/modeler/download.html
• Download eine Offline-Version, bei der alles Material enthalten ist http://mw.concord.org/modeler/cd.zip

(Da es sich um Java-Software handelt benötigen Sie eine aktuelle Java-Version! Die Software sollte dann auf allen üblichen Betriebssystemen laufen)

Kurze Vorstellung der zwei Programme

• SimChemistry

alt, überschaubar, recht einfach zu bedienen

• Molekular Workbench

neu, viele Fähigkeiten und schwer in Gänze beherrschbar, viele fertige Materialien die durchaus leicht modifzierbar sind.

Mehr zu den einzelnen Programmen jeweils auf den Unterseiten.

SimChemistry

Aufgabe 1a Starten Sie SimChemistry und erstellen unter Beachtung der Vereinfachten Anleitung unter dieser Box eine Simulation zum Teilchenmodell. Es sollte eine Art Teilchen und eine Art Wand definiert werden (siehe unten Teilchen-Eigenschaften). Dies geschieht im Menü "Object" im Unterpunkt "New type of" Molecule = Teilchen ... ändern Sie eventuell die Farbe und lassen den Rest. Alle Einstellungen können nachträglich verändert werden. Wall = Wand ... ändern Sie eventuell die Strickdicke und lassen den Rest. Zeichnen Sie nun (im Menü "Object"-"Draw") einen Kasten aus vier Linien und zeichnen einige der Teilchen in den Kasten. Starten Sie die Simulation, wie in der Vereinfachten Anleitung beschrieben ist.

Vereinfachte Anleitung

Diese Anleitung wird sehr kurz gehalten. Bitte orientieren Sie sich vorher, um die Menüs zu kennen, da die Menüs und die einzelnen Befehle nicht immer explizit genannt werden.

Wir gehen davon aus, dass Sie eine einfache Simulation ohne Skripting erstellen wollen.

1. Schalten Sie den Skript-Editor sofort nach dem Öffnen einer leeren Datei aus. Dazu muss der Knopf mit dem roten Punkt deaktiviert werden. Speichern Sie die Datei auch gleich danach ab.
2. Nutzen Sie nicht den "Zurücksetzen-Knopf" in der Steuerleiste, denn der ist für Skript gesteuerte Simulationen gedacht. Wenn Sie ihn benutzen und kein Skript verwendet haben, wird die vorhandene Zeichnung gelöscht. Ist das der Fall, unbedingt die Datei schließen und nicht vorher speichern. Öffnen Sie die Datei noch einmal, um immerhin den alten Zustand wieder zu haben. Sichern Sie deshalb regelmäßig, zur Sicherheit auch in mehreren Dateien.
3. Definieren Sie alle benötigten Moleküle, Wände usw. Natürlich können weitere später definiert werden.
4. Zeichnen Sie die Wände und die benötigten Moleküle und speichern Sie mindestens einmal ab.
5. Legen Sie die Interaktionen zwischen den Objekten fest. Dies man man im Menü "Object" unter dem Befehl "Interactions" bestimmen. Man wählt zwei Objekte aus (auch zweimal die gleichen) und bestimmt die Art der Interaktion. Siehe auch unten: "Lennard-Jones-Potential".
6. Bevor Sie mit dem Knopf die Simulation starten: nicht vergessen, dass nach der Simulation nicht der Zurücksetzen-Knopf verwendet wird.
7. Nach dem Stoppen der Simulation muss die benutzte Datei geschlossen und neu geladen werden. Dann hat man wieder den Zustand, wie zu Beginn.
8. Falls Sie Änderungen in der Zeichnung vornehmen, denken Sie unbedingt daran, mindestens einmal vor der Benutzung, also vor dem Start der Simulation, zu speichern. Ausnahme: Die Position der Teilchen wird sowieso keine Rolle spielen.

Tipp 1: Eine Datei kann mehrfach geöffnet werden. So kann man eine Simulation schnell mehrfach hintereinander ausführen.

Tipp 2: Wenn Schüler selber mit einem Dokument experimentieren sollen, legen Sie eine Sicherheitskopie irgendwo ab, wo sie die Schüler nicht überschreiben können. Wie etwa auch hier auf dem Wiki

Aufgabe 1b Es soll nun ein Schieberegler erstellt werden, mit dem Sie die Temperatur des Systems verändern können, um so unterschiedliche Aggregatzustände zu simulieren. Stellen Sie zunächst von Hand die Temperatur des Systems ein, indem Sie im Menü "Simulation"-"System properties" die Eigenschaften der Umgebung bearbeiten. Setzen Sie die Temperatur auf 500 K und die Graviationskonstante (accelaration due to gravity) auf 1.000.000 . Definieren Sie einen neuen Schieberegler (slider). Zeichnen Sie einen Schieberegler, indem Sie ein Rechteck (in die Breite) aufziehen. Es erscheint nun ein Dialog zum Einrichten des Schiebereglers. Sie können den Titel in Deutsch übersetzen. Der Knopf "Select Quantity to Control" dient der Auswahl möglicher Wert. Die System-Temperatur ist bereits ausgewählt, so dass Sie nichts ändern müssen. Die restlichen Einstellungen können Sie lassen, wie sie sind. Starten Sie nun die Simulation und beobachten, wie der Schieberegler die Geschwindigkeit der Teilchen beeinflusst. Ergänzen Sie eventuell ein paar mehr Teilchen, um deutlicher die typischen Eigenschaften der Teilchen bei verschiedenen Aggregatzustände beobachten zu können.

Aufgabe 1c Wer schnell genug ist, kann zwei weitere Teilchen definieren, die sich alle jeweils untereinander unterschiedlich stark anziehen. Dazu sollten drei in sich abgeschlossene Bereiche durch Wände abgetrennt werden. Um unterschiedliche Siedetemperaturen zu simulieren, können Sie folgende Eigenschaften verändern: Die Gravitationskonstante (je höher sie ist, um so mehr werden schwere Teilchen heruntergezogen). Bei den Teilchen die Masse und die Anziehung. Die Massen kann man bei Erzeugen eines neuen Teilchen verändern oder nachträglich über das Menü "Objects"-"Type Properties". Die Anziehung wird über den Menüeintrag "Interactions" im Menü "Objects" eingestellt. Wählen Sie als zwei Teilchen jeweils das gleiche aus und wählen als Interaktion im Auswahl-Bereich "lennard_jones_int" aus. Sie müssen diese Interaktion aktivieren (erster Knopf) und Konfigurieren (im erscheinenden Dialog oder über den zweiten Knopf). Welche Auswirkung die Werte haben, finden Sie weiter unten auf dieser Seite, im übersetzen Auszug des Handbuch. Hier müssen Sie mit den Werten eventuell etwas probieren, bis Sie Teilchen haben, die Stoffe mit unterschiedlichen Siedetemperaturen darstellen.

Bisher haben wir nur einfaches Teilchenmodell simuliert. Die Teilchen schwirren herum und wenn sie sich treffen, stoßen sie sich wieder ab. Allerdings kann man in SimChemistry auch chemische Reaktion und sogar Gleichgewichtsreaktionen simulieren.

Aufgabe 2a Erstellen Sie eine neue Zeichnung mit drei deutlich unterscheidbaren Teilchen. Es kommt nicht auf die Masse oder die Anziehung an. Für eine Reaktion muss man bei den Interaktionen definieren, aus welchen Teilchen was entsteht. Eventuell wäre es gut, wenn zwei der Teilchen etwa kleiner sind und das dritte größer, damit man den Anschein hat, das die Kombination der zwei kleinen Teilchen das dritte, größere ergibt. Falls Sie die Teilchen schon erstellt haben, ändern Sie die Größe. Gehen Sie in den Dialog zum Einstellen der Interaktion. Dort wählen Sie die zwei kleineren Teilchen aus, verwenden als Art der Interaktion "mol_mol-reactive_int" aus und aktivieren diese. Im nun erscheinenden Dialog muss man angeben, was als Reaktionsprodukt(e) bei dieser Reaktion entstehen soll. Wählen Sie dazu bei "Select product molecule 1" das größere Teilchen aus. "Activation barrier" bestimmt die, für diese Reaktion, notwendige Aktivierungsenergie, die man bei Null lassen kann. Vergessen Sie besonders hier, nicht abzuspeichern. Starten Sie die Simulation und beobachten Sie die Reaktion. ACHTUNG beim Zurücksetzen! Eventuell Datei ohne Speichern verlassen und neu öffnen.

Aufgabe 2b Diese Datei enthält eine fertige Simulation zum Massenwirkungsgesetz bei Gleichgewichtsreaktionen und zum Prinzip von LeChatelier. Benutzen Sie die Simulation wie oben beschrieben und lernen einige Möglichkeiten in SimChemistry kennen. Wie könnte man hier das Massenwirkungsgesetz "beweisen" bzw. verdeutlichen? Diskutieren Sie mit ihrem Nachbarn über die Vorteile dieser Simulation im Vergleich zu statischen Bildern, wie sie in Büchern üblich sind.

Aufgabe 3b Simulieren Sie in SimChemistry eine der folgenden typischen Reaktionen in der Schule: Schwefel reagiert mit Kupfer zu Kupfersulfid. Hier könnte man verschiedene Siedetemperaturen der zwei Stoffe einsetzen, so das der Schwefel gasförmig wird, wenn man erhitzt (z.B. mit einem Schieberegler) und beim Zusammentreffen (bei ausreichend Aktivierung = Aktierungsenergie einstellen!) einen dritten Stoff entstehen lassen, der ebenfalls fest ist. Das Verbrennen eines Stoffes. Der gasförmige Sauerstoff könnte mit einem Feststoff reagieren. Hier könnte man die unterschiedlichen Beobachtungen erklären, die bei der Überprüfung des Gesetz von der Erhaltung der Masse möglich sind (Gewichtsabnahme/Gewichtszunahme). Ein hohe Aktivierungsenergie wäre sinnvoll.

Inhalte aus dem englischen Handbuch zum Teil übersetzt

Hier ist ein Teil des Handbuch übersetzt worden, das im Programm enthalten ist. Man erreicht es über das Hilfe-Menü. Dabei ging es vor allem um die Übersetzung der Fachbegriffe, die wenig geläufig sind und verwendete Abkürzungen, die nicht immer ganz klar sind.

Teilchen-Eigenschaften

Beim Erstellen eines neuen Teilchen-Typs, im Menü Object über den Befehl New Type of - molecule , kann man folgendes einstellen:

• Namen ... erscheint meist nicht und kann deshalb beliebig verwendet werden. Es bietet sich neben dem Namen auch die Symbolschreibweise an, wenn man Reaktionen simulieren will.
• Radius ... dabei wird der Radius in Abhängigkeit von der, für die Simulation eingestellten Größe der Fläche, verwendet. Ja nach Maß der Fläche, können die Teilchen unterschiedlich groß erscheinen.
• Masse ... einfach die Molmasse berechnen.
• Bildungsenthalpie ... Quelle: Hier kann man Stoffen und deren Eigenschaften suchen.
• Farbe von Rand und Fläche ... vor allem wenn die Teilchen sehr klein sind, sollte man deutlich unterschiedliche Farben verwenden.

TIPP: Man erstellt sich die unterschiedlichen Teilchen am besten gleich am Anfang, muss aber nicht alles genau eintragen. Alle Eigenschaften kann man auch nachträglich ändern.

System-Eigenschaften

Im Menü Simulation unter System-Properties kann man die Bedingungen einstellen die auf dem 2-dimensionalen Simulationsbereich herrschen.

• System-Temperatur in Kelvin ... diese Temperatur ist später auch mit einem Schieberegler veränderbar, so dass man nicht in den Dialog gehen muss.

Interaktionen

Man kann festlegen, die Teilchen aufeinander reagieren (bzw. auf die Wände), wenn sie zusammentreffen. Es gibt zur Auswahl:

• null
• mol_mol_hard_int
• mol_mol_reactive_int
• lennard_jones_int
• wall_mol_default

null

Keine Interaktion findet statt. Die Teilchen fliegen durch die anderen direkt hindurch, oder auch durch Wände und Kolben. Auch können ihre Eigenschaften nicht von einem Monitor überwacht werden.

mol_mol_hard_int

Bei einem Aufeinandertreffen findet, ähnlich wie bei Billardbällen, eine elastische Kollision statt, wobei die kinetische Energie erhalten bleibt.

mol_mol_reactive_int

Eine Variante von mol_mol_hard_int bei der Teilchen miteinander zu anderen Teilchen reagieren können.

In den Einstellungen kann man festlegen welches andere Teilchen aus der Reaktion der zwei aufeinandertreffenden Teilchen entstehen kann. Die Aktivierungsenergie (activation barrier) gibt die kinetische Energie an, die mindestens vorhanden sein muss, damit eine Reaktion stattfindet. Einrechnen muss man dann noch die bei der Teilchen eingestellte Bildungsenthalpie, woraus sich auch ergibt, ob eine Reaktion exotherm oder endotherm abläuft. Hat man zwei Produkte, so kann daraus direkt die Rückreaktion definiert werden (Setup reverse reaction automatically).

Man beachte, dass man nur Reaktionen definieren kann, bei der ein oder zwei Produkte entstehen. Ebenso kann keine Zerfallsreaktion definiert werden.

lennard_jones_int = Lennard-Jones-Interaktionen

Das Lennard-Jones-Potential (nach John Lennard-Jones) wird in der physikalischen Chemie und in der Atom- und Molekülphysik verwendet. Es nähert die Wechselwirkung zwischen ungeladenen, nicht chemisch aneinander gebundenen Atomen an. Lennard-Jones-Potential, Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, 2.9.2011 - Der Text ist unter der Lizenz „Creative Commons Attribution/Share Alike“ verfügbar; zusätzliche Bedingungen können anwendbar sein. Siehe die Nutzungsbedingungen für Einzelheiten. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Mehr Erklärungen findet man im englischen ChemWiki. Im Gegensatz zu mol_mol_hard_int gibt es keine eindeutige Entfernung, bei der die Abstoßung stattfindet. Genauer wird dies durch die vier Werte definiert, die man angeben kann.

Folgendes kann man in SimChemistry einstellen:

Equilibrium Separation = Gleichgewichtszustand in nm

Dies ist der Abstand zwischen zwei isolierten Molekülen, bei dem das Minimum an potentieller Energie vorliegt. Wenn die Moleküle in dieser Entfernung voneinander entfernt ruhig stehen würden, werden sie so bleiben, weil keine Kraft auf beiden ausgeübt wird. Dieser Wert ist anfangs auf die Summe der Radien der Teilchen eingestellt, für die Sie die Interaktion festlegen.

Potential Well Depth = „Tiefe“ der Potentialmulde (kJ/mol)

Dieser Wert gibt an, die stark die Anziehung der Teilchen im Zustand des Gleichgewichts ist. 1 kJ/mol ist ziemlich schwach, 10 kJ/mol ist ziemlich stark und 50 kJ/mol ist sehr stark.

Cutoff Distance = "Cutoff-Distanz" des Potentials (nm)

Damit wird die Entfernung bezeichnet, ab der Atome nicht mehr in die Berechnung des Potentials einbezogen werden, um die Berechnungen zu vereinfachen. Die Wirkung des Potentials wird quasi abgeschnitten.

Cutoff Potential Energy = "Energie-Cutoff"(kJ/mol)

Je näher sich die Teilchen kommen, desto größer wird die Abstoßung. Sie geht sogar gegen unendlich, wenn die Entfernung der Teilchen Null wird. Mit dem Energie-Cutoff wird dieser Wert begrenzt. Ein großer Wert, wie zum Beispiel 300 kJ/mol ist gut.

Zusammengefasst vereinfachen die beiden "Cutoff"-Werte die Berechnungen, indem theoretisch vorhandene Kräfte nicht beachtet werden, während die anderen zwei Werte die Stärke der Anziehung definieren.

Molecular Workbench

Aufgabe 1 Starten Sie Molecular Workbench und erkunden die fertigen Materialien. Sie sind sortiert nach zwei Bereichen: Featured Models - Modell Library ... enthält viele einzelne Seiten mit fertigen Simulationen Featured Activities - Activity Center ... enthält Lernumgebungen, die zu einem Thema mehrere Seiten mit Informationen aber auch Interaktive Abfragen u.ä. enthalten.

Aufgabe 2 Ein fertiges Modell habe ich benutzt und es etwas umgestaltet. Das Material für die Schüler ist auf dieser Seite zu finden: Simulationsexperiment zum Rutherfordschen Streuversuch mit MW Probieren Sie Anleitung für die Schüler aus. Sie finden alle notwendigen Informationen auf dem Schüler-Arbeitsblatt.

Aufgabe 3 Sie sollen nun vorhandenes Material bearbeiten, damit Sie sehen, dass man nicht alles neu erschaffen muss. In der "Model Library", im Abschnitt "Chemistry" finden Sie die Unterseite "Interactinos and motion" und dort das Arbeitsblatt "Rutherfords experiment". Probieren Sie die Funktion des Arbeitsblattes aus. Speichern Sie die Datei auf ihrer Festplatte und klicken "Edit" an, um die Datei bearbeiten zu können. Löschen Sie den englischen Text und ersetzen ihn durch eine kurze deutsche Information. Zeichnen Sie ein Rechteck in die Simulationsbox (Werkzeug nutzen!) und färben Sie es gelb. Dazu muss man sehr genau auf die Linie zielen und rechts drauf klicken. Im erscheinenden Kontextmenü klicken Sie auf "Properties" und ändern die Füllfarbe. Platzieren Sie das Rechteck über den Atomen, damit man die Atome nicht sieht, trotzdem aber eine Streuung stattfindet. Speichern Sie das Arbeitsblatt ab. Dabei müssen sie beachten, dass Sie zwei Dateien abspeichern müssen. die erste (die cml-Datei) enthält den Text und alles rund um die Simulationsbox. die zweite (die mml-Datei) enthält die Informationen zur Simulationsbox. Hinweis: Haben Sie zwei Simulationsboxen auf einer Seite, müssen zwei solche Dateien abgespeichert werden. So kann man auch Simulationsboxen von anderen Seiten auf einer Seite zusammen verwenden.