Würde ein H2OH2OH_2O-Molekül tatsächlich wie diese 3D-Darstellung aussehen, wenn wir es sehen könnten?

Als Teil eines Bachelor-Projekts habe ich die Elektronendichte für verschiedene kleine Moleküle wie Wasser und Ammoniak berechnet, und das enttäuschende Ergebnis ist, dass sie alle im Grunde formlose Kleckse mit nur kleinen Erhebungen sind, wo sich die Wasserstoffatome befinden. Am Ende sahen sie so aus wie dein letztes Bild von Wasser:

obwohl selbst dieses Bild die durch die Wasserstoffatome verursachte Erhöhung der Elektronendichte übertreibt. Leider habe ich die Ergebnisse meiner Berechnungen nicht mehr, aber sie wurden 1983 gemacht.

Wenn Sie also das Wassermolekül sehen könnten, fürchte ich, es würde nur wie ein ungefähr kugelförmiger Fuzzy-Klecks aussehen.

Obwohl " ein Bild mehr als tausend Worte sagt ", erfordert es in manchen Fällen noch mehr Worte, um zu erklären, was ein Bild darstellt. Dies ist der Fall bei der grafischen Darstellung von Elektronendichte und Elektronenorbitalen.

Zunächst einmal dürfen die beiden Begriffe nicht verwechselt werden. Die elektronische Gesamtdichte kann gemessen werden, während theoretische Konzepte für Ein-Teilchen-Orbitale dies nicht können. In vielen Visualisierungen elektronischer Zustände in Atomen und Molekülen werden die beiden Größen gemischt. Dennoch sind sie unterschiedlich (Orbitale sind im Allgemeinen komplexe Funktionen, und selbst wenn eine reelle Darstellung ausgewählt wird, tragen sie ein Vorzeichen, während die Dichte, die mit einem quadratischen Modul verbunden ist, per Definition positiv ist).

Auch wenn man sich auf grafische Darstellungen der Elektronendichte beschränkt, ist bei der Interpretation von Bildern wiederum etwas Sorgfalt geboten:

• einige von ihnen sind als rein qualitativ gedacht, während andere aus quantitativen Berechnungen stammen;
• Es gibt viele Möglichkeiten, eine 3D-Dichte grafisch darzustellen. Die im Fall der elektronischen Dichtevisualisierung am häufigsten verwendeten sind: Iso-Dichte-Oberflächendiagramme und Punktwolken, beide mit einigen Vor- und Nachteilen.
• in einigen (meisten) Fällen wird nur die Elektronendichte angezeigt, die einzelnen oder den höchsten Orbitalen entspricht, in anderen (wenigen) Fällen wird die Gesamtdichte angezeigt.

Darüber hinaus kann das Bild, das man von einer Oberfläche mit gleicher Dichte erhalten kann, abhängig vom gewählten Dichtewert, der an sich ein ziemlich willkürlicher Wert ist, stark variieren.

Nach all diesen Worten der Vorsicht sollte ich hinzufügen, dass die wahrscheinlich beste Strategie darin besteht, mehr als eine Visualisierungsmethode zu verwenden, um ein visuelles Verständnis der elektronischen Konfiguration zu erhalten, wobei immer zu berücksichtigen ist, dass die elektronische Dichte eine durchschnittliche Größe ist .

Zu deinen Fragen:

stellt das erste obige Modell tatsächlich die physikalische Anordnung der Kern- und Elektronenwolken eines H2O-Moleküls dar (wie wir es derzeit am besten verstehen)?

Das erste Bild scheint mir ziemlich schwer zu verstehen. Natürlich gibt es keine quantitative Angabe. Aber auch qualitativ gibt es ein paar verdächtige Merkmale: i) diese scharfen Spitzen; ii) eine sehr unphysikalische Kugelform um Sauerstoff herum; iii) das Vorhandensein und die Position von vier tränenartigen Sall Blobs. Als getreue Darstellung der realen Elektronendichte würde ich diesem Bild keine hohe Zuverlässigkeit zusprechen. Es war wahrscheinlich als rein qualitative Darstellung einer Linearkombination von Atomorbitalen ohne Anspruch auf Zusammenhang mit der Elektronendichte des Moleküls gedacht.

Was den symmetrischeren Blob betrifft, der auch von John Rennie gezeigt wird, sieht es vernünftiger aus, aber nur, wenn man die Valenzladungsdichte darstellt. Die tatsächliche Ladungsdichte des Wassermoleküls würde ganz anders aussehen, wenn man bedenkt, dass Sauerstoff mit 8 Elektronen zur Gesamtdichte beiträgt, während jeder Wasserstoff nur mit einem.

Je nach Bedeutung von „wenn wir sehen könnten“. Wenn Kraftmikroskopie als Sehen angesehen werden kann (persönlich denke ich ja, wenn wir ein Bild vernünftigerweise aus beobachteten Daten sortieren können, z. B. Röntgenbeugung oder Elektronenmikroskopie als bekanntere Techniken), dann ist dieses Papier eines von anderen, das über direkte molekulare / atomare berichtet /bond-Bilder:

https://www.nature.com/articles/ncomms8766

Beachten Sie, dass in einem Molekül nicht alle "Teile" gleichermaßen von der AFM-Spitze "gesehen" werden. Beispielsweise können sie räumlich unzugänglich oder mehr/weniger chemisch dazu affin sein. Das Kombinieren verschiedener Ebenen kann Details hervorheben und / oder den Kontrast verbessern, ein bisschen wie die HDR-Technik in der Fotografie, wenn ich eine lose Analogie verwenden kann.

Darüber hinaus kann die Zuordnung bestimmter Merkmale zu bestimmten Orbitalen/Bindungen schließlich durch Vergleich der verschiedenen Bilder und Berechnungen erreicht werden - obwohl und mit den oben genannten Einschränkungen das endgültige Bild das Molekül als Ganzes darstellt.

Genauer gesagt zu Ihrer Antwort: Das Wassermolekül würde wahrscheinlich wie im zweiten Diagramm aussehen. Bis heute erwiesen sich alle molekularen Bilder als verblüffend ähnlich zu dem, was lange vor der Verwendung von Abbildungstechniken skizziert wurde, sondern nur Berechnungen oder sogar basierend auf chemischen Eigenschaften, Reaktionen und Produktbildung ^.

Alle Bilder sind fast überlagerbar mit Orbital- und Ladungsdichteplots sowie mit den Graphen, die als Rahmen dienen und als molekulare Strukturformeln bekannt sind. Letztere waren bereits im 19. Jahrhundert in Gebrauch!

Auf die Frage können wir ein einzelnes Orbital sehen? Natürlich nicht das einzelne Elektron, aber deshalb entstand der Begriff des Orbitals. Letzteres lässt sich zumindest durch die entsprechende Ladungsdichte auf einem gegebenen Diskriminationsniveau, wie in Rechnung s, erkennen.

Vielleicht verhinderten Technik und Reaktivität bisher die Abbildung eines einzelnen H-Atoms, aber im Prinzip konnte eine Abbildung wie für das oben als Beispiel genommene TPDCA-Molekül erhalten werden.

Es wird eine mehr oder weniger unscharfe Sphäre, darauf können wir uns verlassen.

Auch physikalische Eigenschaften spielten eine große Rolle. Beispielsweise legte die Existenz von Enantiomeren eine tetraedrische Geometrie um C-Atome nahe.

bearbeiten , nachdem ich eine im Grunde identische Frage mit wertvollen Antworten gefunden habe. Während die Diskussion über AfM und Röntgendiff. sind bereits in meinem A, dort ist ein Link zu einem spektakulären Ergebnis, das H-Orbital in 3-D rendert!

https://chemistry.stackexchange.com/questions/57784/has-anyone-even-taken-a-picture-of-a-molecule-to-confirm-the-geometry-predicted