Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.06.19

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5 Formel-Editoren

5.1 Beschreibung

Wir unterscheiden zwei Arten von Formel-Editoren:

  1. Software für mathematische Formelschreibweisen; sie ist häufig als Tool bei Office-Anwendungen enthalten und findet in der Chemie gelegentlich Anwendung (chemisches Rechnen oder Kernchemie).
  2. Spezifische Software für Chemiker zum zeichnen kovalenter Molekülformeln wird häufig eingesetzt und sollte schon von Lernenden zum Einstieg in die organische Chemie in Grundzügen beherrscht werden.

5.2 Formel-Editoren für mathematische Anwendungen in Office 2013 (und höher)

Microsoft Office verfügt über ein Tool, mit dem sich in der Chemie

  • mathematische Schreibweisen (mehrfache Brüche, Wurzel, Matritzen usw.) sowie
  • die vollständige Symboldarstellung von Teilchen realisieren lassen.

Auf spezifisch mathematische Schreibweisen wird nicht näher eingegangen (ist trivial, liebe Mathematiker ;).

Übung 1: Ziel ist es, die vollständige Symbolschreibweise des Kohlenstoffisotops 12-C in der anionischen Form korrekt darzustellen.

  1. Öffnen Sie PowerPoint 2013. Entfernen Sie im neuen Dokument alle vorgegebenen Textfenster (nicht Titelfeld).
  2. Registerkarte Einfügen, Menü Formel (Symbol π). Es erscheint ein Feld mit der Aufforderung "Geben Sie hier eine Formel ein, gleichzeitig die zusätzlichen Menüs Zeichentools und Formeltools.
  3. In Formeltools, Entwurf klappen Sie Hoch/Tief auf und wählen Sie links tiefgestellt-hochgestellt. Das Format erscheint in einem Textfeld, aber ziemlich klein. Stört noch nicht: Sie können es über Ansicht, Zoom vergrößern.
  4. Geben Sie die Massenzahl, die Ordnungszahl und das Symbol ein.
  5. Nun fehlt noch die Ionenladung und die Teilchenzahl. Dies geht leider nur mit einem Trick: fügen Sie hinter das Symbol nochmal Hoch/Tief links tiefgestellt-hochgestellt ein. Tragen Sie 4- als Ladung und (1 wäre zu leicht) als Teilchenzahl das Unendlich-Zeichen ein. Sie finden es im Symbole-Fenster, Bereich Grundlegende Mathematik. Das leer bleibende größere Feld rechts soll nicht weiter stören, es wird nicht gedruckt.
  6. Hinweis 1: Erstmalig finden Sie im Bereich Symbole, Teil Pfeile, den Gleichgewichtspfeil ("Harpune nach rechts über Harpune nach links").
    Hinweis 2: Sie können erstmals auch Pfeile mit Reaktionsbedingungen schreiben: wählen Sie Operator, Pfeil nach rechts unten und geben Sie in das Feld 1000°C ein.
  7. Nun könnte man die Größe anpassen, falls nötig: gesamtes Feld markieren, dann Schriftgröße anpassen.
  8. Schriftart ändern ist etwas komplizierter: gewünschten Formelbereich innen im Formelfeld markieren, Formeltools, Entwurf, im Menü Tools den Punkt abc Normaler Text wählen (der Eintrag färbt sich um). Dann über Register Start wie gewohnt Schriftart und -größe ändern, z.B. auf die Schriftart Ihres sonstigen Textes.

Das gerade erstellte Objekt lässt sich

  • als gif-Folie speichern, zurecht schneiden und als Bild in HTML-Dokumente einbinden;
  • mit weiteren Objekten zu Kerngleichungen o.ä. kombinieren; achten Sie dabei auf gleiche Endgrößen nach dem Ziehen, am besten über das Einstellen gleicher Höhen über re Maustaste, Größe und Position, in % oder cm.

5.3 alt Formel-Editoren für mathematische Anwendungen: das Tool Microsoft Formel-Editor 3.0 (bis Office 2010)

Microsoft Office verfügt über ein Tool, mit dem sich in der Chemie

  • mathematische Schreibweisen (mehrfache Brüche, Wurzel, Matritzen usw.) sowie
  • die vollständige Symboldarstellung von Teilchen realisieren lassen.

Auf mathematische Schreibweisen wird nicht näher eingegangen.

Übung 1: Ziel ist es, die vollständige Symbolschreibweise des Kohlenstoffisotops 12-C in der anionischen Form korrekt darzustellen.

  1. Öffnen Sie PowerPoint. Entfernen Sie im neuen Dokument die vorgegebenen Textfenster.
  2. Registerkarte Einfügen, Menü Text, Objekt, neu erstellen angeklickt lassen, Microsoft Formel-Editor 3.0 wählen. Sollten Sie in der Auswahl keine solche Option finden, muss der Editor auf Ihrem System nachinstalliert werden.
  3. Dort erst Schriftart anpassen: Formatvorlage, Definieren... Schriftarten, z.B. Arial, für Text, Funktion, Variable, Matrix/Vektor und Zahl einstellen. Häkchen bei Variable kursiv heraus nehmen. OK.
  4. Vorlagen für Hoch- und Tiefstellungen (Mauszeiger über den Gruppen stehen lassen, dann tauchen die Bezeichnungen auf) anklicken und das graue Symbol mit zwei schwarzen Feldern links (oben und unten) auswählen. Es erscheinen zwei gestrichelt umrandete Felder auf der Arbeitsfläche des Editors.
  5. Oben "12" (Massenzahl), unten "6" (Ordnungszahl) eintragen.
  6. Hinter die Zahlen klicken und "C" eingeben.
  7. Vorlagen für Hoch- und Tiefstellungen anklicken und das graue Symbol mit zwei schwarzen Feldern rechts auswählen. Es erscheinen zwei gestrichelt umrandete Felder rechts neben dem Symbol "C".
  8. Oben "4-" (Ladungszahl), unten "1" (Teilchenzahl, hier eigentlich überflüssig) eintragen.
  9. Datei, beenden und zurückkehren zu... In der PowerPoint-Datei erscheint ein Objekt im Rahmen. Dabei handelt es sich um das Ergebnis im Vektor-Format, d.h. Sie können das Feld ohne Qualitätsverlust beliebig groß ziehen.

Das gerade erstellte Objekt lässt sich

  • als gif-Folie speichern, zurecht schneiden und als Bild in HTML-Dokumente einbinden;
  • mit weiteren Objekten zu Kerngleichungen o.ä. kombinieren; achten Sie dabei auf gleiche Endgrößen nach dem Ziehen, am besten über das Einstellen gleicher Höhen über re Maustaste, Objekt formatieren, Größe, in % oder cm.

5.4 Strukturformel-Editoren

Für kovalente Moleküle gibt es eine Reihe von Formel-Editoren speziell für Chemiker:


Abb. 1: Aktuelle Marktlage Formel-Editoren, Stand 06/19

Jedes der erwähnten Programme bietet spezifische Sonderfunktionen, die hier nur beispielhaft gelistet werden sollen:

  • 2D- in 3D-Formeln konvertieren,
  • Formeln nach IUPAC benennen,
  • Formeln aus IUPAC-Namen konstruieren,
  • Experimentalaufbauten zeichnen,
  • NMR-, MS- und/oder IR-Spektren vorhersagen,
  • Formeln von gescannten Vorlagen erkennen...

Exkurs: Begriffe rund um chemische Formeln.

Elementarformel: gibt die Art und das Zahlenverhältnis von Atomen in einer Verbindung an. Bsp.: NaCl, CaCl2, CH2O (Glucose!). Synonym: Verhältnisformel.

Molekülformel: gibt die Art und die Anzahl von Atomen in einer Verbindung an. Bsp.: C6H12O6 (Glucose), C2H6O (Ethanol). Synonym, Gebrauch aber nicht empfohlen: Summenformel. Gebräuchlich ist auch die rationelle Formel: H3C-COOH. Hier sind die Atome so gruppiert, dass man funktionelle Gruppen erkennt.

Konstitutionsformel: gibt die Verknüpfungsart (Konstitution) von Atomen im Molekül an, ohne jedoch die vollständige Struktur des Moleküls aufzuzeigen. Sie sollte von der Strukturformel unterschieden werden.


Konstitutionsformel für Ethansäure (Essigsäure).

Strukturformeln vermitteln in zweidimensionaler Darstellung Informationen, die über diejenigen der Konstitutionsformeln hinausgehen, z.B.  Verknüpfungen, die sich nicht mit Konstitutionsformeln darstellen lassen, spezielle Bindungsarten oder die räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppen.


Strukturformel für Ethansäure mit der Doppelbindung in der Carbonylgruppe und der sp3-Umgebung des Methyl-C-Atoms.

Darstellungsvarianten: Elektronenformel, Valenzstrichformel, Skelettformel, 3D-Formel. Der Begriff 3D-Formel kommt in den DIN-Normen und IUPAC-Veröffentlichungen nicht vor. Wir bezeichnen damit Formeldarstellungen, die:

  • die exakte, statisch-räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppen wiedergeben und
  • es dem Betrachter ermöglichen, das Molekül von mehreren Seiten zu betrachten.

Genau genommen ist die Darstellung nur pseudo-3D, da auf zweidimensionalem Bildschirm nur ein 3D-Eindruck vermittelt wird.

Gängige Darstellungsformate sind: pdb (protein data base, älter und eher für große Moleküle wie Proteine gedacht) und JMOL (neuer, sehr vielseitig).

 
Essigsäure im pdb-Format, Kugel-Stäbchen-Darstellung (Plugin nötig).

Beispiele für JMOL-Darstellungen mit Hilfe von Java finden Sie hier.

Zusammenfassung Formelarten:

Es folgen die Übungen 2 bis 5.

Download der Folien als PowerPoint-Datei

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de