¿Se vería realmente una molécula de H2OH2OH_2O como esta representación en 3D si pudiéramos verla?

Modelo cuántico de moléculas de H2O

Estoy tratando de entender mucho mejor los átomos y las moléculas y aprendo visualmente. Encontré la imagen de arriba aquí . Esto intuitivamente tiene sentido para mí porque puedo ver cómo los orbitales electrónicos cambian de una forma esférica a una forma de lágrima después de este proceso:

Modelo 3D de cómo se forma la molécula H20

Ahora, las nubes de electrones de hidrógeno han quedado atrapadas dentro del átomo de oxígeno porque no pueden superar la repulsión de las nubes de electrones de oxígeno externas.

Los protones de hidrógeno expuestos me ayudan a comprender cómo el H2O es una molécula polar porque le dan a las dos "esquinas" de la molécula una carga positiva y al lado opuesto de la molécula una carga negativa, lo que corresponde a este modelo de H2O:

Cargas polares en una molécula de H2O

Mi pregunta es, ¿el primer modelo anterior realmente representa el diseño físico del núcleo y las nubes de electrones de una molécula de H2O (como mejor lo entendemos actualmente)?

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Parece que los orbitales en la primera imagen de arriba pueden estar un poco fuera de la molécula de oxígeno, ya que debería haber dos capas esféricas alrededor del núcleo de oxígeno (1S y 2S) con 2 electrones cada una y luego los otros 4 electrones ocuparían (pero no llenar) las 3 carcasas de doble lágrima 2P en los ejes X, Y y Z (aunque no estoy seguro de por qué un eje de la carcasa 2P es más pequeño que los demás). Pero salvo esa discrepancia percibida, los 4 electrones de valencia existirían en los orbitales 2P en forma de lágrima, ¿correcto? Entonces tendría sentido para mí cómo los orbitales de electrones de hidrógeno podrían quedar atrapados detrás de ellos.

(Usé este diagrama de orbitales de electrones para el oxígeno como referencia:

Orbitales de oxígeno)

Respuesta corta: no. Su primera imagen es bastante engañosa en varios aspectos. No te apegues a eso.
sin verificar más si la representación de los orbitales es correcta, definitivamente respondería no a la pregunta en el título. "Observar" es un acto de medida y, como tal, provocará la reducción del paquete de ondas. Tus electrones, cuando los observes, aparecerán en un lugar preciso; nunca "verás" los orbitales como se muestran aquí. Solo podría recrearlo estadísticamente después de una gran cantidad de observaciones (si su cifra es correcta)
Se informó de la observación directa de los orbitales. Por ejemplo Nature 401 (1999) 49-52
El protón no puede estar tan aislado. El enlace HO es covalente. Entonces, los orbitales electrónicos deben estar presentes cerca de los protones.
No puede ver nubes de electrones u orbitales, por lo que tal vez necesite reformular su pregunta. ¿A qué te refieres con ver una molécula?
@DrSTLakshmikumar Los orbitales electrónicos no se pueden atender. Lo que se puede medir es la densidad de carga electrónica. Para comentarios sobre el artículo de Nature, consulte philsci-archive.pitt.edu/228/1/Orbital_Observed.pdf

Respuestas (3)

Como parte de un proyecto de pregrado, calculé la densidad electrónica de varias moléculas pequeñas como el agua y el amoníaco, y el resultado decepcionante es que todas son básicamente manchas sin forma con solo pequeños bultos donde están los átomos de hidrógeno. Terminaron pareciéndose mucho a tu última imagen de agua:

Agua

aunque incluso esa imagen exagera el aumento en la densidad de electrones causado por los átomos de hidrógeno. Lamentablemente ya no tengo los resultados de mis cálculos, pero luego se hicieron en 1983.

Entonces, si pudieras ver la molécula de agua, me temo que se vería como una mancha difusa más o menos esférica.

Si entiendo OP correctamente, quiere diseccionar esa nube de electrones en componentes individuales para los diferentes electrones. Lo cual es, por supuesto, imposible; los detalles están aquí .
Si bien esto puede ser imposible cuando se sondea desde el exterior, ¿qué obtendríamos si sondeáramos/calculáramos la densidad de carga en el plano HOH? Supongo que tendríamos algunos baches notables allí...
@Ruslan Calculé la densidad de electrones en el plano HOH e incluso entonces solo hubo pequeños baches debido a los átomos de hidrógeno. Tenga en cuenta que cada átomo de H aporta solo 1 electrón de 10 en total, y los electrones están deslocalizados sobre el enlace OH. Muy cerca del protón obtienes un pico en la densidad electrónica, pero no lo verías desde fuera de la molécula. Realmente es solo una gota.
Esto es fascinante gracias. Entonces, la conclusión que estoy sacando es que realmente no puedes "sentir" las formas orbitales reales (esféricas, en forma de lágrima/cacahuate/globo) de los electrones alrededor del átomo, por lo que nunca se "vería" como la primera imagen de mi correo. Sin embargo, ahora me pregunto si las fuerzas, no las formas, son precisas en la primera imagen que publiqué. ¿Es cierto que el electrón de hidrógeno (o las nubes de electrones) realmente quedan "atrapados" detrás del electrón de oxígeno (o las nubes de electrones) después de que se forma una molécula de agua? Si la respuesta es sí, eso al menos me daría una idea de cómo funcionan las cosas.

Aunque " una imagen vale más que mil palabras ", en algunos casos explicar lo que representa una imagen requiere aún más palabras. Este es el caso de la representación gráfica de la densidad electrónica y los orbitales electrónicos.

En primer lugar, los dos conceptos no deben confundirse. La densidad electrónica total puede medirse, mientras que los conceptos teóricos de los orbitales de una partícula no pueden. En muchas visualizaciones de estados electrónicos en átomos y moléculas, las dos cantidades se mezclan. Aún así, son diferentes (los orbitales son funciones complejas en general, e incluso si se selecciona una representación real, llevan un signo, mientras que la densidad, al estar conectada a un módulo cuadrado, es positiva por definición).

Incluso si uno limita la atención a las representaciones gráficas de la densidad electrónica, nuevamente se requiere cierto cuidado para interpretar las imágenes:

  • algunos de ellos están pensados ​​como puramente cualitativos, mientras que otros provienen de cálculos cuantitativos;
  • hay muchas formas de representar gráficamente una densidad 3D. Los más comunes utilizados en el caso de la visualización de densidad electrónica son: gráficos de superficie de isodensidad y nubes de puntos, ambos con algunos pros y contras.
  • en algunos (la mayoría de los) casos, solo se muestra la densidad de electrones correspondiente a los orbitales individuales o más altos, en otros (pocos) casos, se muestra la densidad total.

Además, la imagen que se puede obtener de una superficie de isodensidad puede variar mucho según el valor de densidad elegido, que es intrínsecamente un valor bastante arbitrario.

Después de todas estas palabras de precaución, debo agregar que probablemente la mejor estrategia es usar más de un método de visualización para obtener una comprensión visual de la configuración electrónica, siempre teniendo en cuenta que la densidad electrónica es una cantidad promedio .

Acerca de sus preguntas:

¿El primer modelo anterior realmente representa el diseño físico del núcleo y las nubes de electrones de una molécula de H2O (como mejor lo entendemos actualmente)?

La primera imagen me parece bastante difícil de entender. Por supuesto, no hay una indicación cuantitativa. Pero incluso cualitativamente, hay algunas características sospechosas: i) esas puntas afiladas; ii) una forma esférica muy poco física alrededor del oxígeno; iii) la presencia y la posición de cuatro manchas sall en forma de lágrimas. No asignaría un alto grado de confiabilidad a esta imagen como una representación fiel de la densidad electrónica real. Probablemente fue pensado como una representación puramente cualitativa de una combinación lineal de orbitales atómicos sin ningún reclamo de conexión con la densidad electrónica de la molécula.

En cuanto a la mancha más simétrica que también muestra John Rennie, parece más razonable, pero solo si uno representa la densidad de carga de valencia. La densidad de carga real de la molécula de agua parecería muy diferente, teniendo en cuenta que el oxígeno contribuye a la densidad total con 8 electrones, mientras que cada hidrógeno con uno solo.

Gracias por la información. Es útil saber que probablemente no haya una forma real de "visualizar" átomos y moléculas utilizando un modelo en particular sin perder algunos conceptos clave.

Dependiendo del significado de "si pudiéramos ver". Si la microscopía de fuerza se puede considerar como ver (personalmente, creo que sí, si podemos clasificar razonablemente una imagen a partir de los datos observados, por ejemplo, la difracción de rayos X o la microscopía electrónica como técnicas más conocidas), entonces este artículo es uno entre otros que informan directamente molecular/atómica. /imágenes de bonos:

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

izquierda: imagen AFM de una molécula de PTCDA adsorbida en silicio

Tenga en cuenta que en una molécula no todas las "partes" son igualmente "vistas" por la punta AFM. Por ejemplo, pueden ser espacialmente inaccesibles o más o menos químicamente afines a él. La combinación de diferentes capas puede resaltar detalles y/o mejorar el contraste, un poco como la técnica HDR en fotografía si puedo usar una analogía suelta.

Además, la asignación de características específicas a orbitales/enlaces específicos puede lograrse eventualmente comparando las diversas imágenes y cálculos, aunque y con los límites mencionados anteriormente, la imagen final representa la molécula como un todo.

Más específicamente a su respuesta: la molécula de agua probablemente se vería como en la segunda gráfica. Hasta la fecha, todas las imágenes moleculares resultaron ser sorprendentemente similares a lo que se dibujó mucho antes de usar cualquier técnica de imagen, pero solo cálculos o incluso en base a propiedades químicas, reacciones y formación de productos ^.

Todas las imágenes son casi superponibles a los diagramas orbitales y de densidad de carga, así como a los gráficos que sirven de marco y se conocen como fórmulas estructurales moleculares. ¡Estos últimos ya estaban en uso en el siglo XIX!

A la pregunta ¿podemos ver un solo orbital? No el electrón individual, por supuesto, pero es por eso que surgió la noción de orbital. De hecho, este último se puede ver al menos a través de su densidad de carga correspondiente en algún nivel discriminatorio dado, como en el cálculo s.

Quizás los tecnicismos y la reactividad impidieron hasta la fecha la formación de imágenes de un solo átomo de H pero, en principio, se podría obtener una imagen como para la molécula TPDCA tomada como ejemplo anterior.

Será una esfera más o menos borrosa, podemos estar seguros de eso.

^las propiedades físicas también jugaron un papel importante. Por ejemplo, la existencia de enantiómeros sugirió una geometría tetraédrica alrededor de los átomos de carbono.

editar después de encontrar una pregunta básicamente idéntica con respuestas valiosas. Mientras que la discusión de afm y diff de rayos X. ya están en mi A, ¡hay un enlace a un resultado espectacular que representa el orbital H en 3-D!

https://chemistry.stackexchange.com/questions/57784/ha-alguien-ha-tomado-una-foto-de-una-molecula-para-confirmar-la-geometria-predicha

Incluso a través de su densidad de carga correspondiente, mirar un solo orbital no parece ser teóricamente sólido ni factible experimentalmente.
@GiorgioP. ¿Cuál sería el mismo tipo de imagen de un átomo de H o la de H2 adsorbido en silicio? Es la representación más física de lo que trazarías imponiendo un valor umbral mientras que en este caso los detalles experimentales servirían. Los orbitales vacíos quieren jugar mucho papel sin mucha discusión teórica.
Los casos de H o H 2 son excepcionales ya que solo hay un orbital de valencia. Pero, en general, ¿cómo podría seleccionar las contribuciones de un orbital particular a la densidad electrónica total?
Este es el tipo de cosas que esperaba ver en una molécula de agua. Gracias por compartir. Supongo que lo mejor que podemos "ver" son solo manchas, pero es interesante ver esas manchas y saber que realmente puedes ver sus formas y posiciones. La otra imagen en ese mismo artículo de Nature de una molécula de dianhídrido de perilentetracarboxílico (PTCDA) es igual de fascinante para mí. Gracias.
@BarrettNashville me alegro de que haya ayudado. Cosas de ese tipo son las mejores imágenes de átomos y moléculas que tenemos. Considere aceptar la respuesta si no vienen mejores.
@GiorgioP. No soy tan especialista en AfM ni en cálculo cuántico. El espíritu que trato de transmitir se resume en su último comentario. La punta todavía siente lo que es más profundo, sin embargo, la configuración puede discriminar en parte. Y eso es ciertamente cierto para numerosos enlaces orbitales. Yo diría que es en el cálculo que se hacen aproximaciones más estrictas. El voladizo se siente lo que más se acerca a un "aspecto molecular".
¿Se vería realmente una molécula de H2OH2OH_2O como esta representación en 3D si pudiéramos verla?
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