Molekül
Zwei Darstellungen je Molekül – Schnitt durch die Molekülebene, direkt vergleichbar
Diese Darstellung zeigt die Elektronendichteverteilung in einer Schnittebene durch das Molekül. Rot bedeutet hohe Elektronendichte, blau geringe Elektronendichte. Die Atomkerne sind zwar positiv geladen, aber trotzdem – oder besser gesagt gerade deswegen – ist die Elektronendichte an den Atomkernen viele tausendmal höher als außen (deshalb verwendet man eine logarithmische Skala). Je mehr Protonen ein Atom besitzt, desto höher ist die Elektronendichte um den Atomkern – vergleiche dazu das Sauerstoff- und das Wasserstoffatom.
Isodichte-Linien funktionieren vom Prinzip her wie Höhenlinien auf einer Landkarte. Hier zeigen sie Zonen gleicher Elektronendichte an bzw. grenzen Zonen unterschiedlicher Elektronendichte voneinander ab. Genau zwischen den Atomkernen ist die Elektronendichte zwar deutlich niedriger als direkt am Atomkern, aber dennoch erkennbar erhöht (Elektronenpaarbindungen). Dies erkennt man auch an der Farbskala.
Die Elektronendichte kann experimentell ermittelt werden: Bei der Röntgenstrukturanalyse werden Röntgenstrahlen an den Elektronen gestreut, und aus dem Beugungsbild rekonstruiert man genau solche Dichtekarten.
Sie sagt nichts über „positiv“ oder „negativ“ aus, da der Einfluss der positiven Atomkerne hier nicht direkt betrachtet wird. Sie beantwortet nur die Frage „Wo befinden sich die Elektronen?“ – nicht „Wie wirkt die Ladung nach außen?“.
Die Potentialkarte zeigt nicht die Dichte der Elektronen, sondern ihre Ladungswirkung. Darum sehen beide Karten desselben Moleküls unterschiedlich aus. In der Dichtekarte sind alle Atomkerne rot, da sich um die winzigen Atomkerne herum sehr viele Elektronen befinden. In der Potentialkarte ist es nur dort rot, wo die Elektronen fern vom Kern überwiegen, z. B. an freien Elektronenpaaren. Nahe am Kern wirkt sich das positive Potential des Atomkerns viel stärker aus.
Im 3D-Viewer wird die Elektronendichte primär benutzt, um die äußere Hülle des Moleküls festzulegen (die Kontaktfläche für andere Moleküle). Zusätzlich kann mit der Ladungscodierung so eingefärbt werden, dass man sieht, ob eher positives oder negatives elektrostatisches Potential aus dem Inneren auf die Atomhülle einwirkt.
Ein Molekül besteht aus positiven Atomkernen und negativen Elektronen. Jeder dieser Ladungsträger erzeugt – ganz nach dem Coulomb-Prinzip – ein elektrisches Feld bzw. ein elektrisches Potential im umgebenden Raum. An jedem Punkt im Molekül ist das Potential das Ergebnis dieser Einflüsse. Eine Potential-Konturkarte zeigt mit einem Farbcode das elektrostatische Potential aller Punkte in einer Schnittebene durch das Molekül. Rot bedeutet negatives Potential, blau positives Potential.
Die dünnen schwarzen Linien sind Isopotenziallinien (Linien gleichen elektrischen Potentials). Die dicke schwarze Linie ist die Nulllinie; sie grenzt Bereiche mit positivem Potential von Bereichen mit negativem Potential ab.
Im Bereich um die Atomkerne ist das Potential immer positiv, denn dort dominiert die positive Kernladung (obwohl die Elektronendichte in diesem Bereich auch sehr hoch ist). Negativ (rot) wird es erst weiter außen, wo Elektronen ohne Kern in der Nähe überwiegen.
Stell dir ein kleines positives Ladungsteilchen vor: In den roten Bereichen wird es angezogen, aus den blauen wird es abgestoßen. Für Reaktionen heißt das: Rot zieht Positives an – ein Proton (H+), ein Kation (ein Elektrophil); genau dort, z. B. an den freien Elektronenpaaren, greift ein Proton an. Blau ist elektronenarm und zieht eher negative Teilchen (Nucleophile) an.
Alle Karten nutzen denselben Maßstab. Dadurch kannst du Moleküle direkt vergleichen: stark polare Moleküle (z. B. Wasser) zeigen kräftigere Farben, schwach polare (z. B. Dihydrogensulfid) blassere. Ionen sind als Ganzes geladen – ein Anion zum Beispiel ist außerhalb des Einflussbereiches der Atomkerne durchgehend rot, ohne Nulllinie.
Die Elektronendichtekarte zeigt nur, wo die Elektronen als negative Ladungsträger sich befinden. Die Potentialkarte dagegen bezieht auch den Einfluss der positiven Protonen mit ein und zeigt, wie die Ladung auf ein anderes geladenes Teilchen wirken kann.
Im 3D-Viewer wird die Elektronendichte primär benutzt, um die äußere Hülle des Moleküls festzulegen (die Kontaktfläche für andere Moleküle). Aber er zeigt mit den Farben der Ladungscodierung ebenfalls das elektrische Potential auf der äußeren Hülle des Moleküls. Das ist ideal, um zu sehen, was ein Reaktionspartner „spürt“, der sich dem Molekül von außen nähert. Diese 2D-Konturkarte dagegen schneidet mitten durch das Molekül.