Linux dla chemika, cz. 5 - Kalzium

Kalzium - chemiczny scyzoryk

Gdyby jednym zdaniem spróbować opisać program Kalzium należałoby przedstawić go jako elektroniczny układ okresowy pierwiastków (w skrócie UOP). Jednak owo stwierdzenie jest tylko półprawdą. Kalzium, pierwotnie stworzony z myślą o byciu po prostu układem okresowym zawierającym podstawowe informacje o pierwiastkach, rozwinął się w wielozadaniowe narzędzie informacyjne dla chemika, taki chemiczny scyzoryk.

Rys. 1 - Główne okno programu Kalzium

Obecnie, w wersji 2.3, Kalzium składa się z następujących modułów:

• Układu okresowego wraz z dodatkowymi informacjami o każdym z pierwiastków (jest to oczywiście główna część programu);
• Modułu do obliczania masy molowej związków;
• Tablic z frazami ryzyka/bezpieczeństwa, symbolami liter greckich i przedrostkami liczbowymi;
• Tablicy izotopów;
• Edytora molekuł (opartego na bibliotece libavogadro);
• Konwertora plików chemicznych (stanowiącego nakładkę na OpenBabel);
• Modułu do rozwiązywania równań chemicznych metodą algebraiczną;
• Modułu do wykreślania pewnych danych o pierwiastkach (np. elektroujemności jako funkcji liczby atomowej);
• Modułu do eksportu danych o pierwiastkach (w formacie HTML, XML i CSV);
• Słowniczka z podstawowymi terminami chemicznymi (np. co to jest pipeta).

Kalzium jest częścią składową pakietu KDE Edu, tak więc jest dostępny na wszystkie platformy na które są dostępne aplikacje KDE, to jest: GNU/Linux, BSD, Windows i MacOS. Aktualna wersja programu - czyli 2.3 - wchodzi w skład środowiska KDE 4.4.

Rys. 2 - Kalzium jest brylantem w koronie programów edukacyjnych KDE.

UOP...

Tak jak napisałem wcześniej, główną częścią składową programu Kalzium jest układ okresowy.

W odróżnieniu od papierowych wersji układów okresowych, w Kalzium informacje o pierwiastkach nie znajdują się ,,na powierzchni'' układu, ale pojawiają się po kliknięciu na dany pierwiastek. Wróćmy jednak do samego układu. Kalzium pozwala na wiele modyfikacji wyglądu naszego UOP. Możemy wybrać układ tablicy UOP jako: klasyczny (domyślnie ustawiona i najczęściej obecnie używana forma długa wg Wernera), warstwowy (w wersji angielskiej nazwany DZ), tzw. krótki (pokazuje tylko pierwiastki grup głównych; nie jest tożsamy z klasyczną formą krótką wg Mendelejewa) oraz ,,tylko metale przejściowe''.

Mam nadzieję, że może kiedyś w Kalzium znalazłyby się też inne formy układu okresowego, np. stara forma krótka wg Mendelejewa i może nawet jakaś forma spiralna (ale to tylko w ramach ciekawostki -- wieki wychowania kulturowego sprawiły, że przyzwyczajeni jesteśmy do przeszukiwania informacji linia po linii a nie po spirali).

Dalej, możemy spersonalizować zestaw graficzny (np. kolorowanie według grup lub bloków oraz możliwość ustawienia widoku ikon pierwiastków z bardzo ładnymi ikonami - Rys. 1), gradient (np. według elektroujemności, masy atomowej, temperatury wrzenia lub topnienia - dodatkowo na układzie pojawiają się wartości) i numerację grup (nową wg IUPAC lub starą CAS). Pomyślcie tylko, ile kartek papieru musiało by się zmarnować, by pokazać układ okresowy pierwiastków na tyle sposobów! Dodatkowo, korzystając z funkcji dostępnych na panelu bocznym, możemy wejść w jeszcze większą interakcję z naszym układem okresowym. W panelu bocznym znajdują się bowiem zakładki Stan materii i Oś czasu. Manewrując odpowiednimi suwakami możemy sprawdzić w jakich stanach skupienia znajdują się pierwiastki np. w 2000 K, lub też sprawdzić ile pierwiastków było znanych 200 lat temu.

Opiszę teraz informację o pierwiastkach, które możemy uzyskać za pomocą Kalzium. Okno informacyjne jest siedmiodzielne, tak jak na Rys. 2. W swojej siedmiodzielności okno owe dzieli się na:

• Przegląd - Podstawowe informacje o danym pierwiastku: nazwa, symbol, liczba atomowa i masowa (jeśli ustawiony jest tryb widoku ikon, to tutaj widoczna jest tylko ikona pierwiastka, najczęściej związana z jego zastosowaniem w technice);
• Model atomu - Graficznie przedstawiona powłokowa struktura atomu;
• Różne - Różne informacje, zazwyczaj: blok, odkrywca i data odkrycia, pochodzenie nazwy;
• Izotopy - Liczby masowe, okres półtrwania i inne informacje o wszystkich izotopach danego pierwiastka;
• Przegląd danych - Temperatury przemian fazowych, konfiguracja elektronowa, różne energie, elektroujemność;
• Dodatkowe informacje - Odnośnik do Wikipedii ;-)
• Widmo - Widmo emisyjne danego pierwiastka (z możliwością ustawienia zakresu długości fali). Czyli coś czego próżno szukać w papierowych układach okresowych.

Warto też dodać, że w Kalzium, tak jak we wszystkich programach KDE4, można zmienić język interfejsu (menu Pomoc -> Zmień język aplikacji). Jest to najprostsza droga, by zobaczyć jak nazywają się pierwiastki np. po francusku, lub w jakimś bardziej egzotycznym języku (oczywiście musimy mieć zainstalowane odpowiednie pakiety językowe KDE).

... i dodatki

Jak wcześniej wspomniałem, Kalzium nie jest tylko elektronicznym układem okresowym pierwiastków, ale zawiera także kilka przydatnych chemikowi innych funkcjonalności. Wśród nich najważniejszymi, według mnie, są: moduł do obliczania masy molowej związków, moduł do rozwiązywania równań chemicznych, tablica izotopów oraz wbudowany edytor molekuł.

Najprostsza sprawa jest z modułem obliczania masy molowej. Z panelu po lewej stronie wybieramy zakładkę Oblicz i wpisujemy w pole formuły wzór związku którego masę molową chcemy obliczyć. Przydatne, gdy do raportu musimy mieć masę molową związku, którego próżno szukać w tablicach chemicznych ;-) Moduł ów ma jedną wadę, a mianowicie nie rozpoznaje hydratów. Można jednak sobie z tym poradzić wpisując w pole formuły np. CuSO4(H2O)5 zamiast CuSO4*5H2O.

Rys. 3 - Rozwiązywanie równań.

Moduł rozwiązywania równań chemicznych (aby go uruchomić należy wybrać z menu Narzędzia -> Rozwiązywanie równań lub tez kliknąć na odpowiednią ikonę na pasku narzędziowym) także jest prosty w użyciu. Wpisujemy po prostu w odpowiednie pole równanie chemiczne ze wszystkimi substratami i produktami oraz symbolami literowymi zamiast nieznanych współczynników (jeśli chcemy to część współczynników możemy podać jako znane) i klikamy przycisk Oblicz. Jeśli równanie nie jest sprzeczne, to otrzymujemy w wyniku rozwiązane równanie ze znanymi współczynnikami, tak jak na Rys. 3.

Tablica izotopów (Rys. 4) zawiera informacje o masach atomowych i czasach półtrwania (o ile są znane) wszystkich izotopów pierwiastków. Można przyczepić się tylko do faktu, że w tablicy brakuje w większości informacji o sposobie rozpadu izotopów.

Rys. 4 - Tablica izotopów.

Rys. 5 - Wbudowany edytor molekuł w Kalzium.

Na koniec chciałbym jeszcze omówić wbudowany w Kalzium trójwymiarowy edytor molekuł. Jest on oparty na bibliotece libavogadro, więc niewiele różni się od programu Avogadro (oczywiście jest uproszczony). Okno edytora molekuł składa się zasadniczo z dwóch części: prawej z obszarem roboczym molekuły, i lewej - panela narzędziowego (Rys. 5).

Oprócz kreacji cząsteczki (należy przełączyć się na zakładkę Modyfikuj), możemy także ją obracać, przesuwać, skalować (po przełączeniu się na zakładkę Obraz) oraz zmierzyć odległości i kąty między atomami (zakładka Mierz). Stworzoną cząsteczkę możemy także zoptymalizować pod kątem geometrii (przycisk Optymalizuj w zakładce Modyfikuj).

Oczywiście istnieje też możliwość wczytania i zapisu plików cząstek zapisanych w popularnych formatach (Kalzium dysponuje też swoją pokazową bazą cząsteczek).

Zakończenie

Mam nadzieję, że niechemicy wybaczą mi, iż tyle rozpisuję się nad jednym programem edukacyjnym, ale uważam że Kalzium wart jest tego opisu. Jako chemik wprawdzie widzę, że wiele funkcjonalności Kalzium dało by się zrobić lepiej, ale do codziennych zastosowań w zupełności wystarczy.

Artykuł ten, mojego autorstwa, został po raz pierwszy zamieszczony w czasopiśmie Dragonia Magazine