Могла бы молекула H2OH2OH_2O выглядеть как это трехмерное представление, если бы мы могли ее увидеть?

В рамках студенческого проекта я вычислил плотность электронов для различных малых молекул, таких как вода и аммиак, и неутешительный результат состоит в том, что все они в основном представляют собой бесформенные капли с небольшими выпуклостями там, где находятся атомы водорода. В итоге они стали очень похожи на вашу последнюю фотографию воды:

хотя даже эта картина преувеличивает скачок электронной плотности, вызванный атомами водорода. К сожалению, у меня больше нет результатов моих расчетов, но тогда они были сделаны в 1983 году.

Так что, если бы вы могли видеть молекулу воды, я боюсь, что она выглядела бы просто сферическим нечетким пятном.

Хотя « картинка стоит тысячи слов », в некоторых случаях для объяснения того, что она представляет, требуется еще больше слов. Это относится к графическому представлению электронной плотности и электронных орбиталей.

Во-первых, не следует путать эти два понятия. Полная электронная плотность может быть измерена, в то время как теоретические концепции одночастичных орбиталей не могут быть измерены. Во многих визуализациях электронных состояний в атомах и молекулах эти две величины смешиваются. Тем не менее они разные (орбитали вообще сложные функции, и даже если выбрано вещественное представление, они несут знак, а плотность, будучи связана с квадратным модулем, положительна по определению).

Даже если ограничиться графическими изображениями электронной плотности, опять же требуется некоторая осторожность при интерпретации изображений:

• некоторые из них задуманы как чисто качественные, тогда как другие исходят из количественных расчетов;
• существует множество способов графического представления трехмерной плотности. Наиболее часто используемые в случае визуализации электронной плотности: графики поверхности изоплотности и облака точек, как с некоторыми плюсами, так и с минусами.
• в некоторых (большинстве) случаев показана только электронная плотность, соответствующая одиночным или высшим орбиталям, в других (несколько) случаях показана полная плотность.

Кроме того, изображение, которое можно получить с поверхности изоплотности, может сильно различаться в зависимости от выбранного значения плотности, которое по своей сути является совершенно произвольным значением.

После всех этих предостережений я должен добавить, что, возможно, наилучшей стратегией является использование более чем одного метода визуализации, чтобы получить визуальное представление об электронной конфигурации, всегда помня о том, что электронная плотность является средней величиной .

О ваших вопросах:

действительно ли первая приведенная выше модель представляет физическое расположение ядер и электронных облаков молекулы H2O (насколько мы понимаем ее в настоящее время)?

Первая картинка кажется мне довольно сложной для понимания. Конечно, количественных указаний нет. Но даже качественно есть несколько подозрительных особенностей: i) эти острые точки; ii) очень нефизическая сферическая форма вокруг кислорода; iii) наличие и положение четырех капелек слезовидной формы. Я бы не стал придавать этой картине высокой степени достоверности как точному представлению реальной электронной плотности. Вероятно, это было задумано как чисто качественное представление линейной комбинации атомных орбиталей без какой-либо претензии на связь с электронной плотностью молекулы.

Что касается более симметричного сгустка, показанного также Джоном Ренни, он выглядит более разумным, но только если представлять плотность валентного заряда. Реальная плотность заряда молекулы воды будет выглядеть совсем иначе, если принять во внимание, что кислород вносит вклад в общую плотность с 8 электронами, а каждый водород только с одним.

В зависимости от значения «если бы мы могли видеть». Если силовую микроскопию можно рассматривать как зрение (лично я думаю, что да, если мы можем разумно отделить изображение от наблюдаемых данных, например, рентгеновская дифракция или электронная микроскопия как более известные методы), то эта статья является одной из других, в которых сообщается о прямом молекулярном/атомном анализе. /облигации изображения:

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

Обратите внимание, что в молекуле не все «части» одинаково «видны» иглой АСМ. Например, они могут быть пространственно недоступными или более/менее химически сродными ему. Комбинирование разных слоев может выявить детали и/или повысить контраст, что немного похоже на технику HDR в фотографии, если я могу использовать свободную аналогию.

Более того, приписывание определенных характеристик конкретным орбиталям/связям в конечном итоге может быть достигнуто путем сравнения различных изображений и расчетов, хотя и с ограничениями, упомянутыми выше, окончательная картина изображает молекулу как единое целое.

Более конкретно к вашему ответу: молекула воды, скорее всего, будет выглядеть, как на втором графике. На сегодняшний день все молекулярные картины оказались поразительно похожими на то, что рисовалось задолго до того, как применялись какие-либо методы визуализации, а только расчеты или даже основанные на химических свойствах, реакциях и образовании продуктов ^.

Все изображения практически накладываются на графики орбитальной и зарядовой плотности, а также на графики, которые служат каркасом и известны как молекулярные структурные формулы. Последние были в ходу уже в 19 веке!

На вопрос, можем ли мы увидеть одну орбиталь? Конечно, не один электрон, но именно поэтому появилось понятие орбитали. Последний действительно можно увидеть, по крайней мере, через соответствующую плотность заряда на некотором заданном дискриминационном уровне, как в расчете s.

Возможно, технические особенности и реакционная способность помешали датировать изображение одного атома H, но в принципе можно было получить изображение, как для молекулы TPDCA, взятой в качестве примера выше.

Это будет более-менее размытая сфера — в этом можно быть уверенным.

Большую роль играли и физические свойства. Например, существование энантиомеров предполагало тетраэдрическую геометрию вокруг атомов C.

изменить после того, как я нашел в основном идентичный вопрос с ценными ответами. При обсуждении а.м. и рентгеновской диф. уже есть в моем А, там есть ссылка на впечатляющие результаты рендеринга орбиты Н в 3-D!

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