Darstellung der Ladungsverteilung auf Moleküloberflächen
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Darstellung
negativ (δ−)positiv (δ+)
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Moleküloberfläche und Ladungsverteilung
Die Moleküloberfläche
Die Elektronen eines Moleküls bilden eine Elektronenwolke, die nicht überall gleich dicht ist. Zwischen den Atomkernen ist die Elektronendichte erhöht, weil sich dort die bindenden Elektronenpaare befinden; auch im Bereich der freien Elektronenpaare ist sie erhöht. Nach außen hin nimmt die Elektronendichte fließend ab.
Wo ist die Grenze eines Moleküls? Ein Molekül hat keine scharfe Grenze – deshalb definiert man in Simulationen denjenigen Bereich als Moleküloberfläche, in dem die Elektronendichte überall denselben Wert hat (hier 0,002 e·a0−3). Diese Elektronendichteoberfläche sagt: Nach der Berechnung ist das Molekül hier zu Ende. So lassen sich Form und ungefähre Größe des Moleküls darstellen. Dies entspricht der van-der-Waals-Oberfläche – dem ungefähren Bereich, an dem ein anderes Molekül beim Annähern „abgestoßen wird“. Auf der gesamten dargestellten Oberfläche ist die Elektronendichte gleich – deshalb wird sie einfarbig dargestellt (Button: „ohne Ladung“).
Das elektrostatische Potential und die Ladungscodierung
Warum werden Bereiche der Moleküloberfläche farbig dargestellt, obwohl an jedem Punkt der Oberfläche die Elektronendichte identisch ist?
Die Farbcodes (Rot, Blau, Grün) zeigen nicht die Elektronendichte an diesem Punkt, sondern das Molekulare Elektrostatische Potential (MEP). Das Potential an einem Punkt der Hülle wird nicht nur von den Elektronen erzeugt, die genau auf dieser Hülle sitzen. Es ist die Summe aller Ladungen im gesamten Molekül, die auf diesen äußeren Punkt wirken. Dazu gehören:
1. alle Atomkerne (positive Ladungen) im Inneren des Moleküls,
2. die gesamte Elektronenwolke (negative Ladungen) – also auch die Elektronen, die tief im Inneren in den Bindungen sitzen.
Ein Punkt auf der Moleküloberfläche „spürt“ das Kraftfeld des gesamten Moleküls:
Blauer Bereich: Sitzt die Hülle knapp vor einem Wasserstoffkern, dessen Elektron zum Nachbaratom (z. B. einem Sauerstoff-Atom) gezogen wurde, „schaut“ der positive Atomkern quasi durch die dünne Elektronenhülle hindurch. Das Potential ist dort positiv (blau). Roter Bereich: Sitzt die Hülle nahe an einem Sauerstoff-Atom mit freien Elektronenpaaren, schirmen diese Elektronen den positiven Kern ab und beherrschen das Feld. Das Potential ist dort negativ (rot).
Die Farben sind also Codes für Ladungen („ladungscodiert“) und verdeutlichen die Ladungsverteilung und damit die Polaritäten im Bereich der Molekülhülle.
So löst sich ein scheinbarer Widerspruch auf: Die Elektronendichte ist auf der ganzen Hülle gleich, das Potential kann jedoch unterschiedlich sein. Die Farbwahl ist eine Vereinbarung zur Darstellung, keine echte Farbe des Moleküls. In diesem Viewer stehen zwei Farbcodes für die Ladungscodierung zur Auswahl.
Wozu dienen Darstellungen der Ladungscodierung?
An der Farbverteilung erkennt man, wie ein Molekül mit anderen zusammenwirkt: Ein positiver (blauer) Bereich des einen Moleküls zieht einen negativen (roten) Bereich des anderen an. So entstehen zum Beispiel Wasserstoffbrücken, und so lässt sich verstehen, warum sich manche Stoffe gut in Wasser lösen.
Polare Bindung, unpolares Molekül
Beim Kohlenstoffdioxid-Molekül siehst du rote Sauerstoff-Enden und einen blauen Bereich in der Mitte: Die einzelnen Bindungen sind polar, das linear gebaute Molekül als Ganzes ist aber unpolar. Molekülteile mit sehr kleinem Ladungsunterschied (z. B. im Schwefelwasserstoff-Molekül, H2S, oder Phosphan-Molekül, PH3) sind nur schwach gefärbt, weil ihre Bindungen kaum polar sind.
Molekülionen
Eine echte Ladung wirkt sich sehr stark auf große Bereiche der Molekülhülle aus. Deshalb ist die Hülle des Hydrogencarbonat-Ions fast durchgehend rot dargestellt. Warum sieht man keine positive Polarisierung am Kohlenstoff-Atom? Weil der Viewer keine Schnitte durch das Molekül zeigt, sondern nur die Ladungsverteilung auf der Oberfläche – und dort sind die negativen Effekte dominant. (Mesomerie-Effekte sind mitberechnet, auch wenn die Kugel-Stab-Darstellung immer nur eine Grenzstruktur zeigt.)
Wie erzeugt der Viewer die Darstellungen?
Die Oberflächen sind selbst berechnet mit dem Open-Source-Programm PySCF (Hartree-Fock-Verfahren, Basissatz 6-31G*). Dargestellt ist die Fläche gleicher Elektronendichte bei 0,002 e·a0−3 (van-der-Waals-Fläche), eingefärbt nach dem elektrostatischen Potential.