Stäbchenmodell

Definition und Zweck

Das Stäbchenmodell, auch Gittermodell genannt, ist eine dreidimensionale Darstellungsart für Molekülstrukturen. Es zeigt vor allem die kovalenten Atombindungen als Stäbe. Für rein ionische Verbindungen gibt es ein entsprechendes Gittermodell.

Das Modell ist wichtig, weil es den räumlichen Aufbau von Molekülen anschaulich macht. Besonders gut lassen sich stereochemische Aspekte darstellen, also die räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül. Auch intramolekulare Vorgänge wie Torsion und Rotation, also Drehbewegungen innerhalb eines Moleküls, können sichtbar gemacht werden.

Abgrenzung zu anderen Modellen

Das Stäbchenmodell unterscheidet sich von mehreren anderen Darstellungsarten chemischer Strukturen. Beim Strichmodell werden Bindungen nur als dünne Linien gezeigt. Beim Kugel-Stab-Modell erscheinen zusätzlich die Atome als Kugeln. Beim Kalottenmodell wird die Raumerfüllung der Atome stärker betont, also wie viel Platz die Atome im Raum einnehmen. Für große Proteine gibt es außerdem das Bändermodell.

Im Unterschied zur Skelettformel werden im Stäbchenmodell immer alle Atome dargestellt. In der Skelettformel werden Wasserstoffatome normalerweise weggelassen.

Darstellung und Eigenschaften

Stäbchenmodelle können reale oder virtuelle Modelle sein. Reale Modelle bestehen zum Beispiel aus zusammengesteckten Plastik- oder Metallröhrchen oder aus Federelementen. Es gibt dafür Bausätze unterschiedlicher Qualität. Virtuelle Modelle können als perspektivische Bilder am Monitor dargestellt werden; bei bekannten Koordinaten lassen sie sich mit einem speziellen Bildbetrachter beliebig drehen. Auch Stereobilder sind möglich.

Im Stäbchenmodell werden Atombindungen meist als gerade Verbindungen zwischen den Mittelpunkten der Atome dargestellt. Bindungswinkel und Bindungslängen sollen im Idealfall maßstabsgerecht den berechneten oder gemessenen Verhältnissen entsprechen. Mehrfachbindungen werden selten direkt als solche kenntlich gemacht. Weil die Raumerfüllung der Atome nicht dargestellt wird, erlaubt das Stäbchenmodell im Vergleich zum Kalottenmodell einen besseren Blick in das Innere größerer Moleküle.

Eine Spezialform des Stäbchenmodells war das Dreiding-Stereomodell. Die Farbgebung der Atome erfolgt wie beim Kalottenmodell nach dem CPK-Modell.

Historische Entwicklung

Das Kugel-Stab-Modell wurde im 19. Jahrhundert von August Wilhelm von Hofmann entwickelt. Er stellte es erstmals am 7. April 1865 bei einer Veranstaltung der Londoner Royal Institution, einem Friday Evening Discourse, vor. Zur Demonstration verwendete er Krocketbälle, in die Metallstäbe eingeschraubt waren. Hofmann nannte diese Darstellungsweise zunächst glyptic formulæ, ungefähr „plastische Formeln“.

In der chemischen Forschung wurde das Kugel-Stab-Modell erstmals 1867 bei der Entwicklung einer Struktur für Mesitylen durch August Kekulé angewandt. Besondere historische Bedeutung erhielt das Stäbchenmodell bei der Ausarbeitung der räumlichen Struktur der DNA: James Watson und Francis Crick schlugen 1956 die Doppelhelix-Struktur vor und verwendeten dabei ein Stäbchenmodell.

Das allgemeine Konzept, chemische Strukturen als makroskopische Modelle darzustellen, wurde später zu einem wichtigen Grundstein für die Visualisierung molekularer Modellierung mithilfe von Computerdarstellungen.