Molekulární magnetická stavebnice

Ústav učitelství a humanitních věd, VŠCHT Praha
Žáci spolu s učitelem sestaví stavebnici kalotových modelů, kterou následně budou využívat při výuce organické chemie.
Medium
Medium-term
10–14 yrs
Verified by Prusa Team
Suitable printers: Prusa MINI / MINI+Prusa MK3/S/S+
2
79
0
1184
updated September 22, 2021

Summary

PDF
Žáci spolu s učitelem sestaví stavebnici kalotových modelů, kterou následně budou využívat při výuce organické chemie.

The focus of the target group

Díky modulovému charakteru je tato stavebnice vhodná jako výuková pomůcka jak pro poslední dva ročníky základních škol, kde je chemie vyučována, tak především pak pro střední školy, na kterých je výuka chemie součástí jejich ŠVP, jako jsou gymnázia, průmyslové školy a učiliště a odborné školy s povinou výukou chemie. Své použití, ale najde tato pomůcka i na některých vysokých školách a při mimoškolním vzdělávání např. Na přírodovědných kroužcích.

Vzhledem k vyžadované preciznosti a jisté manuální zručnosti při sestavování je samotný tisk a postprodukční úpravy vhodné realizovat se staršími žáky až na středních školách, nebo s předem vytipovaným okruhem žáků na druhém stupni ZŠ, kteří již dříve prokázali svoji zručnost. Práce každopádně měla vzhledem k použití acetonu či sekundového lepidla vždy probíhat pod dohledem vyučujícího.

Necessary knowledge and skills

Úlohu zvládne úspěšně samostatně realizovat mírně pokročilý žák. V případě asistence vyučujícího je však její realizace možná i u poučených začátečníků. Žáci budou při práci vycházet z již připravených polotovarů modelů exportovaných z programu Fusion 360. Pro úspěšnou realizaci by žáci měli být schopni zvládnout přípravu tiskového souboru a následný tisk na 3D tiskárně. Při kompletaci musí být žáci schopni odstranění podpěr pomocí kleští či pinzety a přesného a čistého lepení pomocí acetonu a/nebo vteřinového lepidla. Ke správnému sestavení by také měli bezpečně chápat princip fungování magnetů a umět odhadnout průběh magnetických siločar pro různé směry magnetizace. Sestavení modelu je středně náročné na dobrý zrak a jemnou motoriku a může být proto příliš náročné pro fyzicky či smyslově hendikepované žáky. 

Project objectives

Žáci mají z hodin chemie díky běžně rozšířeným tyčinkovým modelů snahu si představovat molekuly jako izolované kuličky propojené na d si při výrobě molekulárního modelu osvojí základní vlastnosti organických molekul, jako je vliv atomu prvku a jeho hybridizace na objem v prostoru, jeho vazebnost, a především pak délky, úhly vazeb a jejich volnou či omezenou otáčivost kolem osy a sterickou náročnost. Díky možnému porovnání s běžnějšími tyčinkovými modely pochopí také rozdíl mezi realitou a modelem, kdy model je schopen vždy zprostředkovat pouze některé vlastnosti reality.

Ke konstrukci modelu je zvoleno propojení pomocí magnetů, které zabraňuje nejčastějšímu mechanickému poškození modelů zlomením jejich spojů a zároveň modeluje funkční vlastnosti reálné chemické vazby jako je omezená otáčivost nebo pokles působící síly s rostoucí vzdáleností atomů. 

Faktickým výsledkem práce studentů je stavebnice kalotových modelů použitelný při výuce organické chemie. Jak během samotného výkladu nové látky, tak i při procvičování, nebo při vizualizaci organických reakcí při laboratorních cvičeních.

Required equipment

Hardware, software, nástroje, součástky:

  • PLA filamenty různých barev. Doporučené (zvykové) barvy atomů: uhlík/benzen – černá, vodík – bílá, kyslík – červená, dusík – modrá, síra – žlutá, halogen - zelená
  • Aceton technický (5 ml) v uzavíratelné lahvičce + štěteček nebo vatová tyčinka k nanášení
  • Sekundové lepidlo tekuté
  • Pinzeta nebo kombinované kleště s úzkou čelistí k odstranění podpěr
  • Malé kladívko nebo nářadí s dřevěnou rukojetí ke korekci osazení magnetů 

     
  • Neodymové magnety:
    • Kotoučový magnet Ø 5 mm, výška 5 mm, neodymový, – poniklovaný povrch
      https://www.unimagnet.cz/kt-05-05-n_z320/?&utm_source=notification&utm_medium=email&utm_campaign=order_create
    • Kotoučový magnet Ø 5 mm, výška 5 mm, neodymový – PTFE povrch (volitelně)
      https://www.unimagnet.cz/kt-05-05-t_z387/?&utm_source=notification&utm_medium=email&utm_campaign=order_create
    • Tyčový magnet Ø 4 mm, výška 10 mm, neodymový  
      DIAMETRÁLNĚ MAGNETIZOVANÝ!
      https://www.unimagnet.cz/t-04-10-dn-diametral_z759/?&utm_source=notification&utm_medium=email&utm_campaign=order_create
       

Potřebné soubory a dokumenty (seznam příloh)

Modely stl:

  • Vodík 
  • Uhlík sp3
  • Uhlík sp2
  • Uhlík sp1
  • Dusík
  • Kyslík dvojná vazba
  • Kyslík
  • Síra
  • Halogen
  • Benzen

Project time schedule

Odhadovaný čas přípravy modelu:

Seznámení se s modelem a předtisková příprava zvolených součástí stavebnice 

30 minut

 

Orientační časy tisku vybraných součástí:

 

  • Model atomu uhlíku (sp3, sp2, sp1), atom kyslíku (jednoduchá vazba, dvojná vazba) a atom dusíku: 
    2 hodiny 10 min při VV 0,20 mm a 15 % infill, resp 2 hodiny 50 min pro VV 0,15 mm a 15 % infill

 

  • Model atomu vodíku (1 polokoule s podpěrami): 
    30 minut při VV 0,15 mm a 15 % infill. (Tisk s nižšími detaily nedoporučuji.)

 

  • Model atomu síry: 
    3 hodiny 30 min při VV 0,20 mm a 15 % infill, resp 4 hodiny 30 min při VV 0,15 mm a 15 % infill

 

  • Model atomu halogenu: 
    4 hodiny při VV 0,20 mm a 15 % infill, resp 5 hodin 20 min při VV 0,15 mm a 15 % infill

 

  • Model molekuly benzenu (s podpěrami):
    11 hodin při VV 0,20 mm a 15 % infill, resp 14 hodin při VV 0,15 mm a 15 % infill


     

Odstranění podpěr a začištění:
(Pro atom vodíku a molekulu benzenu) – 5 minut

 

Orientace magnetu podle správné polarizace a jeho vložení/přilepení

Cca 2-3 minuty na každý magnet.

 

Orientace polokoulí modelu a jejich slepení

5 minut příprava před lepením, 2 minuty na každý slepený atom.

 


Orientační celkový čas tisku pro komponenty modelu molekuly acetonu (C3H6O): 11 hodin 40 minut + 120 minut na předtiskovou a potiskovou úpravu.

(2x uhlík sp3, 1x uhlík sp2, 1x kyslík dvojná vazba, 6x vodík) 

 

Orientační celkový čas tisku pro komponenty modelu molekuly styrenu (C8H8): 19 hodin 20 minut 
+ 120 minut na předtiskovou a potiskovou úpravu.

(1x benzen, 2x uhlík sp2, 8x vodík) 

 

Workflow

Návod na tisk a kompletaci modelu + metodickou příručku učitele najdete v přiložených souborech

Authors

RNDr. Jan Havlík, Ph.D,  Stavebnice je volně inspirována souborem demonstračních modelů molekul vyrobených v roce 1987 v TJ Tatran Děvín Bratislava

Model origin

The author hasn't provided the model origin yet.

License