Molekulares elektrostatisches Potenzial und Orbitale

Darstellung von Molekülen mit Hilfe von JSmol

Moleküloberflächen  wie die MEP-Oberfläche (Molekulares Elektrostatisches Potenzial) oder Molekülorbitale können von JSmol nur dann abgebildet werden, wenn sie vorher von einem speziellen Programm wie beispielsweise "Spartan" von der Firma Wavefunction berechnet wurden. Dieses Programm kostet für universitäre Einrichtungen $1300, was für den Privatgebrauch eine finanzielle Hürde darstellt. Die extern berechneten Oberflächen können dann von JSmol ausgelesen und dargestellt werden.

Molekulares Elektrostatisches Potenzial (MEP)

Das MEP zeigt eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Orten an. Das bedeutet, dass an einem Punkt im Raum die Energie bestimmt wird, die auf eine positive Einheitsladung wirkt, wenn sie aus dem unendlichen an diesen Punkt gebracht wird. Vereinfacht gesagt, wird bestimmt, wie "wohl" sich eine positive Ladung an diesem Punkt fühlt.

Bereiche, in denen sich Elektronen im Überschuss befinden, werden rot dargestellt, wohingegen Bereiche mit Elektronenmangel blau gefärbt sind. Das bedeutet, dass in den roten Bereichen das MEP stark negativ ist und sich positive Ladungen dort "wohl" fühlen. In bauen Bereichen hingegen ist das MEP positiv, positive Ladungen fühlen sich hier weniger "wohl".

Angezeigt werden kann das MEP entweder über das JSmol Menü oder mit folgendem Befehl:

"isosurface COLORSCHEME bgyor, isosurface resolutin 6 SOLVENT color range all map mep;"

Auch diese Oberfläche kann mit den im vorhergehenden Kapitel besprochenen Befehlen "translucent" und "opaque" lichtdurchlässig bzw. lichtundurchlässig gemacht werden.

Auf der Beispielseite stellt JSmol die MEP-Oberfläche für ein Benzolmolekül dar.

Molekülorbitale

Molekülorbitale können von JSmol ebenfalls nur dann dargestellt werden, wenn sie vorher von einem Programm berechnet worden und in der Datei gespeichert sind. Jedem Molekülorbital wird dabei eine Nummer zugeordnet. Angezeigt werden können sie ebenfalls über  den Unterpunkt Oberflächen im JSmol Menü. Der Wert in Klammern hinter dem Eintrag "Molekülorbital" gibt die Gesamtanzahl der Molekülorbitale an, die dargestellt werden können.

Das Skriptkommando  zur Darstellung von Molekülorbitalen lautet:

"mo Nummer;"

Die Nummer entspricht der Nummer des Molekülorbitals, das angezeigt werden soll. Mit

"mo 1;"

wird beispielsweise das Molekülorbital Nummer 1 angezeigt. Mit "2" entsprechend das mit der Nummer 2. Gleichzeitig erscheint im JSmol Fenster ein kleiner Informationstext, der Auskunft über die Anzahl der MO's und deren Energie gibt. Mit dem Parameter "off" werden die Orbitaldarstellungen ausgeschaltet.

Einschlägige Molekülorbitale wie "HOMO" (highest occupied molecular orbital) und "LUMO" (lowest unoccupied molecular orbital) können direkt angewählt werden. Anstelle der Atomnummer muss dann entweder "HOMO" oder "LUMO" geschrieben werden.

Mit den Befehlen

"mo NEXT;"

oder

"mo PREV"

wird jeweils das nächste beziehungsweise das vorhergehende Molekülorbital angezeigt.

Die Farbe der Orbitalle kann ebenfalls mit dem Befehl

"mo color Farbe1 Farbe2"

beliebig verändert werden. Die erste Farbangabe wirkt auf Orbitale, deren Wellenfunktion negativ ist, die zweite Farbangabe auf Orbitale deren Wellenfunktion positiv ist. Angegeben werden kann die Farbe wieder mit "red", "green", "blue" oder als Hexadezimale in der Form [xABCDEF]. Wird nur eine Farbe angegeben, so werden alle Orbitale in der angegeben Farbe angezeigt.

Standardmäßig werden die Orbitale als Drahtgitter abgebildet. Die Befehle

"mo fill" und "mo nofill"

füllen die Drahtgitter mit Farbe aus, oder entfernen sie wieder.

Mit

"mo mesh" und "mo nomesh"

kann die Drahtgitter-Darstellung an- beziehungsweise ausgeschaltet werden.

Alle Befehle können auf der Beispielseite betrachtet werden.

MEP-Oberflächen und Molekülorbitale einiger Moleküle

Auf der Homepage der Didaktik der Chemie findet sich eine Auswahl an Molekülen, für die die MEP-Oberflächendaten sowie einige Molekülorbitale berechnet wurden.

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.06.14