SimChemistry

aus ZUM-Wiki, dem Wiki für Lehr- und Lerninhalte auf ZUM.de
Wechseln zu: Navigation, Suche
Kurzinfo
Vorlage:Kurzinfo Software

SimChemistry ist ein einfaches Windows-Programm, das zwar schon einige Jahre auf dem Buckel hat, zu dem es aber lange keine ähnlich leistungsfähige kostenlose Alternative gab. Nur die Java-Software Molecular Workbench bietet das gleiche und einiges mehr, was es aber auch komplizierter macht.

Unter Linux läuft das Programm dank wineWikipedia-logo.png recht zuverlässig. Während unter Ubuntu das Programm durch Aufruf der Exe-Datei (nach dem Entpacken) direkt und fehlerfrei funktioniert, zeigt sich unter Suse Linux ein Fehler bei der Darstellung der Farben.

Inhaltsverzeichnis

Funktionen

Auf der Homepage heißt es zu dem Programm:

SimChemistry für Windows ermöglicht es Ihnen, auf dem PC System von mikroskopischen physikalischen Systemen zu erstellen und ausführen zu lassen. Es gibt einige fertige Demo-Simulationen, die zeigen, wie man sich anhand des Verhaltens auf molekularer Ebene die makroskopisch Phänomene erklären kann. Sie können eine beliebige Anzahl von Teilchen, mit ihren eigenen Massen, Radien und Farben verwenden und angeben, wie jedes Paar von Teilchen miteinander interagieren sollen. Sei es als harte Billard-Kugel-Kollisionen oder mit Lennard-Jones Wechselwirkungen, bei denen der Benutzer die Bedingungen genau festlegen kann. Beobachten Sie das Verhalten von Festkörpern, Flüssigkeiten, Gase und Gemischen. Üben sie Druck auf ein System aus, indem sie einen beweglichen Kolben einbauen, messen Sie alle Arten von Werten (Anzahl, Temperatur, Druck, ...) mit einem frei definierbaren Monitor und lassen sie die Werte in x-y-Graphen anzeigen. Durch die Veränderung der Bedingungen mit Hilfe von Schiebreglern kann, sehen welchen Einfluss die Bedingungen haben.

http://www.wartnaby.org/chemistry/index.html

Investiert man ein wenig Zeit, hat man enorme Möglichkeiten endlich einmal die "Dinge" so zu zeigen, wie man es sonst nicht dynamisch zeigen kann, falls man nicht glücklicherweise eine fertige Demonstration hat. Einsatzmöglichkeiten gibt es sicherlich viele. Denkbar wären:

  • Teilchenmodell:
    • Auswirkung der Temperatur auf Teilchenabstand und damit das Volumen und die Aggregatzustände.
    • Auswirkung von Druck auf den Teilchenabstand.
    • Brown'sche Molekular-Bewegung.
  • Gleichgewichtsreaktionen: Man kann die Bildungsenthalpien definieren und dadurch deutlich zeigen, wie sich Temperatur- und Druckänderung auf dei Gleichgewichtslage auswirken.

Das Programm bietet auch einen Skripting-Recorder, mit dem man animierte Dateien erstellen kann, bei denen zum Beispiel mit Text nicht zur etwas erklärt, sondern auch gleich demonstriert werden kann.

Um die Möglichkeiten des Programms kennen zu lernen, kann nach dem Starten des Programms die Datei "tour.scw" aufrufen, in der in einer Simulation vieles vorgestellt wird.

Aus dem Handbuch

Teilchen-Eigenschaften

Beim Erstellen eines neuen Teilchen-Types, über den Befehl New Type of - molecule im Menü Object, 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 erstellet 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 Bedinungen 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.

W-Logo.gif 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:

Lennard-Jones.png
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 Tielchen kommen, desto größer wird die Abstoßung. sie geht sogar gegen unendlich, wenn die Entfernung der Teilchen Null wird. Mit dem Energie-Cuttoff 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.

wall_mol_default = Wand-Teilchen-Interaktion

...

Beispiele

  • Vergleich von verschiedenen Siedetemperaturen: Im Film wird die Simulation gefilmt. Es wurde die Gravitation so eingestellt, dass die Teilchen sich unten sammeln. Bei den drei Arten von Teilchen gibt es vor allem Unterschiede in dem Wert "Tiefe der Potentialmulde" und damit der gegenseitigen Anziehung. Bei Raumtemperatur hat so man drei verschiedene Aggregatzustände. Mit einem Schieberegler kann man dann die Systemtemperatur verändern und sieht die Unterschiede bei den drei Stoffen. Während der Stoff mit der mittleren Siedetemperatur bei Temperaturerhöhung schnell gasförmig wird, erreicht der Stoff mit den blauen Teilchen, die sich am stärksten anziehen, gerade mal einen flüssigen Zustand.
  • Aufgabe für Schüler zur Berechnung des Massenwirkungskonstante bei einer vorgegebenen fiktiven Gleichgewichtsreaktion. Man startet die Simulation, wenn nur die zwei Ausgangsstoffe vorliegen und kann beobachten, wie die Reaktion stattfindet. Es wird deutlich, dass ein Gleichgewicht nicht statisch ist, man kann ungefähr die Massenwirkungskonstante berechnen, da die Teilchen gezählt werden und man kann die Auswirkung einer Temperaturänderung simulieren und damit auf Le Chatelie eingehen. Die Anzahl wird auch als Graph dargestellt.

Anleitungen neben dem Handbuch

Im Programm ist eine Hilfe-Datei enthalten. Daneben gibt es Dokumente, dir in die Bedienung einführen.

Fertige Simulationen