scheLM TdE (Tanz der Elektronen)
Ausgangssituation
Die Mesomerie ist ein zentraler Begriff zum Verständnis der Chemie im Allgemeinen und der organischen Chemie im Speziellen. Mit Hilfe der Mesomerie kann erklärt werden, warum einige Spezies eine spezielle Stabilität besitzen. Die Stabilität von chemischen Spezies hat wiederum Einfluss auf die Eigenschaften und die Reaktivität von Molekülen.
Zu den beeinflussten Eigenschaften gehören so grundlegende Charakteristika wie die Säurestärke. Essigsäure ist eine 100 milliardenfach stärkere Säure als Ethanol (Alkohol). Dieser Effekt beruht zu kleinen Teilen auf induktiven Effekten (die hier nicht diskutiert werden), zum größeren Teil auf mesomeren Effekten. Im Acetaldehyd, der entsteht, wenn wir Alkohol verstoffwechseln, ist der Effekt noch stärker. Die Säurestärke steigt um das 1035-fache (eine 1 mit 35 Nullen) gegenüber Ethan. Daher besitzt Acetaldehyd eine eigene, sehr spezielle Reaktivität.
Auch in vielen anderen Systemen führt die Mesomerie zu einer reduzierten, gesteigerten oder anderen Reaktivität. Daher ist das Verständnis des Konzepts der Mesomerie von herausragender Bedeutung.
Säuren sind Stoffe, die Protonen (H+-Ionen) abgeben. Aus der Essigsäure entsteht dann das Acetat-Anion. Dieses ist aufgrund der Mesomerie sehr stabil und bildet sich leicht. In Abb. 2 ist das Acetat-Anion in zwei mesomeren Grenzstrukturen gezeigt. In dieser Darstellung ist jeder Strich ein Elektronenpaar. Die beiden mesomeren Grenzstrukturen gehen durch das Umklappen oder Verschieben von Elektronenpaaren auseinander hervor. Wenn Sie dies hier nicht nachvollziehen können, dann sind Sie die Zielgruppe unseres Lernmoduls scheLM TdE.
Zielgruppe und Zielsetzung
Wie oben erläutert ist die Mesomerie ein grundlegendes Konzept in der Chemie. Es ist für alle Studierenden der Chemie, egal ob im Hauptfach (Biochemie, Chemie, Wirtschaftschemie), oder im Nebenfach (Biologie, Informatik, Mathematik, Naturwissenschaften) essentiell. Leider ist das Konzept für den Anfänger oft nur schwer zugänglich.
Daher möchten wir dieses Konzept durch den intelligenten Einsatz digitaler Medien zukünftig besser vermitteln.
Umsetzung
Das Konzept der Mesomerie beinhaltet das Umklappen oder Verschieben von Elektronenpaaren. Dieses kann man am besten mit dem Verhalten einer Tür vergleichen. Eine Schiebetür (verschieben) verdeckt die Türöffnung (geschlossene Tür), oder hängt neben der Türöffnung (offene Tür). Sie wurde um eine Position verschoben. Eine herkömmliche Tür (umklappen) verdeckt die Türöffnung genauso, wenn die Tür geschlossenen ist. Wenn ich die Tür vollständig öffne (180°), dann hängt sie (fast) in der gleichen Position, wie eine Schiebetür. Für die beiden möglichen Positionen der Tür, ist es eigentlich egal, ob es sich um eine Schiebetür oder eine herkömmliche Tür handelt.
Ähnlich ist es bei der Mesomerie. Wir interessieren uns nur für die beiden Zustände am Anfang und am Ende, nicht für den Weg. Umklappen und Verschieben sind zwei unterschiedliche Modelle für den gleichen Prozess.
Sowohl beim Umklappen, als auch beim Verschieben handelt es sich um dynamische Prozesse – Bewegungen. Diese lassen sich nur schlecht mit Worten und Bildern beschreiben.
Filme sind dagegen ideal geeignet, um dynamische Prozesse darzustellen. Daher haben wir Filme produziert, die diese dynamischen Prozesse animieren. Gleichzeitig wird der Prozess Schritt für Schritt erklärt.Auf einer Startseite geben wir noch einmal eine kurze Einführung in das Konzept der Mesomerie. Welche theoretischen Grundlagen stehen dahinter, warum führen mesomere Grenzstrukturen zu einer Stabilisierung, usw. Dieser Text ist durch passende Abbildungen ergänzt. Nach dieser kurzen Einleitung, werden die mesomeren Grenzstrukturen in drei unabhängigen Modulen mit unterschiedlicher Komplexität im Detail gezeigt.
Jedes der drei Lernmodule beginnt mit einem kurzen einleitenden Text, der noch einmal den Bezug zur Startseite herstellt. Darunter befindet sich die Animation. Diese zeigt zunächst jeweils den Prozess des Umklappens der Elektronen. Jede dieser Animationen enthält eine kurze Einleitung (Intro), die erklärt, wie die Animation aufgebaut ist, und worauf die Studierenden achten sollen. Diese Intro ist in allen Filmen identisch. Um die Studierenden nicht mit der immer gleichen Einleitung zu langweilen, gibt es während der Einleitung einen „Skip Intro“-Button.
In der Kontrollleiste sieht man zusätzlich die Zeit, die das Video schon läuft, sowie die verbleibende Zeit. Dies soll den Studierenden einen Einblick in den verbleibenden Zeitaufwand erlauben.
Wenn das Video beendet ist, erscheint anstelle des Videos ein Dialog. Dieser erlaubt den Neustart des Videos sowie den Wechsel vom ersten zum zweiten Video (verschieben), oderumgekehrt. Das jeweils andere Video wurde im Video schon erwähnt und angekündigt. Zusätzlich gibt es Querverweise zu scheLM TV und der Mediathek der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Alle unsere Filme liegen auf der Mediathek der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Zusätzlich sind sie auf scheLM TV strukturiert und in die Mediathek verlinkt.
Unterhalb des Films befindet sich noch ein Merksatz. Dieser fasst noch einmal eine wichtige Erkenntnis zusammen.
Ergebnisse
Die Produktion solcher Animationen ist mit einem extremen Aufwand verbunden, wenn man eine gute Qualität erreichen möchte. Dieser Aufwand ist aber berechtigt.
Gerade der Einsatz dieser Animationen in der Präsenzlehre zeigt, dass sich der Aufwand gelohnt hat. Studierende, die mit dem Konzept des Verschiebens und Umklappens der Elektronen Probleme haben, gewinnen binnen weniger Sekunden, in denen das Umklappen oder Verschieben animiert wird, ein tieferes Verständnis.