Je atom uhlíku v molekule oxidu uhličitého částečně pozitivní?
On 3 února, 2021 by adminMěl jsem otázku o nepolárních molekulách, které mají symetrické dipólové vektory.
Pojďme $ \ ce {C = O} $ táhne opačným způsobem . Můj učitel říká, že to způsobí, že všechny atomy v $ \ ce {CO2} $ budou stejně nabité, protože nesmí existovat žádná čistá „síla“.
Nicméně s tím nesouhlasím. Intuitivně se zdá, že atomy kyslíku odtáhnou elektronovou hustotu od centrálního atomu uhlíku a učiní atom uhlíku mírně pozitivním a atomy kyslíku mírně negativním, například:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Tento proces by měl učinit atom uhlíku mírně pozitivním a atomy kyslíku mírně negativním. Pokud jsem však měl pravdu, tak proč neříkáme, že $ \ ce {CO2} $ má dipól (dochází k oddělení náboje)? Možná mohu mít nesprávnou definici dipólu.
Komentáře
- Může vám pomoci vyhledat definici „čtyřpólu“
- Viz Quadrupole molekuly
- Nepolární je pravděpodobně nesprávné pojmenování. Konkrétně to znamená “ nedipolární „. Neznamená to ‚, že rozdělení náboje je ve skutečnosti konstantní.
- Tam ‚ sa rozdíl mezi molekulou ‚ s celkovým dipólem a místními dipóly / vazebnými dipóly v molekule. Molekula s úplně nepolárními vazbami nemůže mít celkový molekulární dipól. To však neznamená , že molekuly s polárními vazbami musí mít celkový molekulární dipól – mít vazebné dipóly je nezbytnost ry, ale nedostatečná podmínka. $ \ ce {CO2} $ je případ molekuly s vazebnými dipóly, které se přesně vylučují a nezanechávají žádný celkový dipól molekuly. Jak však již bylo řečeno, $ \ ce {CO2} $ má čtyřpólový moment.
- @JohnHon Don ‚ t zapomeňte na odpověď!
Odpověď
Máte pravdu v předpokladu, že atom uhlíku v $ \ ce {CO2} $ má částečný kladný náboj. Je to proto, že atomy kyslíku jsou mnohem elektronegativní, takže odtahují elektrony od atomu uhlíku. To však molekula je stále nepolární. Důvodem je to, že když nakreslíme dipólový moment, musíme vzít v úvahu všechny vazby. Vezměte například vodu:
V této molekule existují dvě vazby, každá s vlastním dipólem. Ty se ale ruší jako všechny ostatní vektory, takže vy se svislým síťovým dipólem. Dipóly v oxidu uhličitém se ruší podobným způsobem; vzájemně se však ruší úplně, protože vazba je lineární, ne t ohnuté jako ve vodě:
Tím se vytvoří nulový síťový dipól, čímž se molekula stane nepolární.
Komentáře
- To je správné a můžeme to skutečně otestovat. Nahraďte jedno z O za S, abyste rozbili symetrii. Nyní je směr dipólu O = C přesně opačný ke směru dipólu C = S, ale magnitudy nejsou si rovni, takže dostaneme čistý dipólový moment (0,65 D, podle en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- ale pokud je uhlík pozitivní, pak jistě může částečně záporný kyslík jiné molekuly CO2 vytvořit dipólovou dipólovou vazbu s C?
- Stále to poněkud ovlivňuje vlastnosti sloučeniny, protože podporuje molekuly se skládají v rozloženém vzoru, ale technicky je to stále nepolární, protože neexistuje způsob, jak by jiná molekula mohla sladit ‚ vlastní dipól na stejné ose jako původní dipól molekuly ‚. ‚ je nepolární, protože ‚ nelze říci, že jedna celá strana molekuly je pozitivnější / negativnější než celá druhá strana
- Přemýšlejte o tom tímto způsobem; Pokud jste nakreslili dokonalý kruh kolem celé molekuly a potom nakreslili čáru od okraje kruhu, přes střed molekuly, na opačnou stranu kruhu, pak pokud je molekula nepolární, pak bez ohledu na to, jak nakreslete čáru, jeden koncový bod čáry nebude mít jiný náboj než druhý koncový bod. Linka na ní může překonat několik různých poplatků, ale to na tom ‚ nezáleží.Takto víme, že ‚ není síťový dipól. Pokud to zkusíte s vodou, nejsilnější rozdíl v nábojích koncového bodu je podél dipólu.
- Tato odpověď je skvělým výchozím bodem, protože se zaměřuje na idealistický model $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ kde je to ‚ časově zprůměrováno, ve vakuu jsou oba atomy kyslíku stejného izotopu, tam ‚ Nejsou žádná významná pole atd. Jako jednoduchá informativní idealizace je ‚ skvělá informace představit jako první – je však třeba poznamenat, že tato idealizace je výchozí místo místo úplného popisu. Možná by stálo za zmínku toto omezení, poté směřování k některým dalším odpovědím, které vycházejí z tohoto výchozího bodu.
Odpověď
Ostatní odpovědi odvedly skvělou práci a vysvětlily, proč, i když jsou jeho vazby polární, $ \ ce {CO2} $ postrádá permanentní dipól: molekula “ Symetrie ruší polaritu jejích vazeb.
Ale to není celý příběh. Chtěl bych k tomu přidat velmi zajímavou a ekologicky důležitou charateristiku $ \ ce {CO2} $ – konkrétně to, i když jí chybí trvalá dipól, exibuje přechodné (dynamické) dipóly.
Konkrétně $ \ ce {CO2} $ postrádá dipól pouze tehdy, když dva kyslíky jsou ve stejné vzdálenosti od uhlíku a jsou v souladu s uhlíkem. V symetrickém vibračním režimu $ \ ce {CO2} $ je tato symetrie zachována. Ale $ \ ce {CO2} $ má tři další vibrační režimy: lineární asymetrický vibrační režim a dva ohybové vibrační režimy (kolekce je pěkně zobrazena zde: Je oxid uhličitý IR neaktivní? ).
Proč je to důležité z hlediska životního prostředí? Aby $ \ ce {CO2} $ absorbovalo IR světlo (tj. Aby to byl skleníkový plyn), musí mít dipól. A to přechodně díky těmto asymetrickým vibračním režimům.
Tato animace, kterou přidala Karsten Theis, zobrazuje dipóly dynamicky vytvořené jedním z $ \ ce { Režimy ohýbání CO2} $ (aka “ The Floss „):
[Podle Karstena “ GIF je přes jsmol z molcalc.org, přičemž šipka byla přidána pomocí Camtasia „.]
Komentáře
- Poukazem na to, že na obrázku, který máte, jsou kyslíky stále ve stejné vzdálenosti od uhlíku.
- Mírná úprava, aby bylo jasné – to ‚ to není jen ekvidistance, je to ‚ vektorové zarovnání. BTW, zobrazené vibrace se zdají být jedním z režimů ohybu.
- @gardenhead Díky, máte samozřejmě pravdu. Ross Presser ‚ s úpravy to pěkně vymaže.
- @RossPresser Díky za úpravy, které jsem přijal.
- @KarstenTheis Ah, promiň, já nepochopen, kdo přidal gif. V odpovědi jsem vám připočítal ‚.
Odpovědět
Máte pravdu, uhlík má kladný náboj. Nemůžeme měřit dipól, ale to nic nedokazuje. $ \ ce {CO2} $ však má čtyřpólový moment. Představte si $ \ ce {CO2} $ molekulu orientovanou podél $ x $ -axis a trochu dále podél $ x $ -axis je také $ \ ce {H2O} $ molekula s jeho dipól orientovaný podél osy $ x $ . Jeho dipólový moment interaguje s oběma dipólovými momenty $ \ ce {CO2} $ , ale jeden ze dvou dipólů v $ \ ce {CO2} $ je blíže vodnímu dipólu. Schematicky tedy získáte
H O=C=O O H
Pokud na $ \ ce {CO2} $
Matematicky k tomu dochází, protože prostor je 3D. Síly mezi dvěma náboji klesají o druhou mocninu jejich vzdálenosti.
Odpověď
Předchozí odpovědi mpprogram6771 a MSalters to přibil .Chtěl bych dodat, že $ \ ce {CO2} $ je velmi malá molekula, můžete s trochou úsilí nastavit malou číselnou hodnotu experimentujte s odpovědí na svou vlastní otázku, a dokonce získejte přibližné částečné náboje v každém atomu a dipólový moment celé molekuly pomocí pouze free / open source softwaru.
Nejprve je třeba nainstalovat software pro molekulární modelování váš stroj. Ten, který se mi líbí nejvíce, je Avogadro . Má úžasnou použitelnost a mnoho funkcí pro navrhování a vizualizaci vašich sloučenin. Ghemical byl také dobrý, ale zdá se, že je už roky neudržovaný. Už se mi nedaří, aby fungoval správně.
Ve svém stroji používám Ubuntu MATE 18.04 (varianta GNU / Linux) jako operační systém. Tam jsem schopen nainstalovat Avogadro pomocí jednoduchého příkazu v terminálu:
sudo apt-get install avogadro
S programem Avogadro můžete sestavit $ \ ce {CO2} $ , spojující atom uhlíku a oba atomy kyslíku s dvojnými vazbami. Kromě molekulárního editoru budete potřebovat další software, který dokáže shromáždit data o molekule, kterou jste sestavili, a provést na ní řadu kvantově mechanických výpočtů, aby vám poskytl přibližnou odpověď na vaše otázky.
Existuje kvantová mechanika kvantového softwaru, jak ukazuje tato stránka na Wikipedii. IMHO je bohužel krajina nástrojů free / open source v této oblasti roztříštěná a nejvíce zaostává za Avogadro, pokud jde o použitelnost, zaseknutá v průměrné úrovni uživatelské přívětivosti 80. let (někdy na úrovni kompilace sami) ) a proprietární alternativy mají omezující licence nebo jsou lákavé a drahé, mimo dosah lidí bez institucionální příslušnosti. Academia se svými dobrovolnými nástroji zachází špatně, jak vám někteří skvělí lidé v matematice řeknou, z první ruky . Dříve nebo později to musíme napravit. Ve výpočetní chemii potřebujeme Williama Steina . Jen doufám, že se mu po dokončení úkolu dostane lepšího zacházení.
Přesto z několika balíčků podporovaných vstupním generátorem Avogadro doporučuji Psi4 pro začátečníky. Instalace je stejně snadná jako Avogadro, pokud používáte systém Ubuntu nebo jakoukoli distribuci založenou na Debianu .
sudo apt-get install psi4
Mají dobře zdokumentovaný web a sekci věnovanou vzdělávání s jednoduchými projekty a přátelskými nástěnkami . Verze dostupná v repozitáři Ubuntu je funkční, ale od března 2020 velmi zastaralá, 1.1.5. Pokud to s učením myslíte vážně, doporučuji si ji stáhnout přímo z jejich stránek. Poslední stabilní verze z března 2020 je 1.3.2. Ale kvůli této odpovědi stačí výchozí nastavení úložiště.
Po sestavení molekuly a provedení nějaké předběžné optimalizace geometrie uvnitř Avogadra můžete v nabídce Doplňky → PSI4 . Moje předběžná verze začala takto:
set basis aug-cc-pVDZ molecule { 0 1 C -3.47367 0.73246 0.22361 O -2.43476 1.12414 -0.22175 O -4.51237 0.34053 0.66926 } optimize("B3LYP-D")
Zásuvný modul Avogadro pro Psi4 je velmi základní, takže budeme muset šablonu vyladit ručně. Sada dobrých šablon, které můžete změnit, aby vyhovovaly vašim potřebám, je skvělá věc, když se naučíte používat nový balíček. Měli bychom jich mít víc. Nejdříve ale nejdříve uvidíme, co máme na našem proto-vstupu. Má tři sekce. První sekce specifikuje základní sadu , aug-cc -pVDZ (výpočetní chemici rádi hodují na abecední polévce). Stručně řečeno, základním souborem je porota přizpůsobená sada snadno vypočítatelných matematických funkcí, použitá k emulaci skutečných, těžko vypočítatelných atomových a molekulárních orbitalů, něco jako toto:
Druhá část obsahuje souřadnice x, y, z každého atomu v molekule a také její celkový náboj (v tomto případě 0) a multiplicitu (v tomto případě 1, protože jsou spárovány všechny elektrony). Třetí část říká, jaký druh informací chceme vypočítat z našich počátečních informací, v tomto případě optimální geometrie molekuly (optimalizace) a algoritmického aparátu zvoleného pro její zpracování, v tomto případě B3LYP-D (další porce abecední polévky ), varianta hustota funkční teorie (DFT) .
Změnil jsem generovanou šablonu Avogadro takto:
memory 4 Gb set basis aug-cc-pVTZ molecule { 0 1 C -3.47367 0.73246 0.22361 O -2.43476 1.12414 -0.22175 O -4.51237 0.34053 0.66926 } optimize("B3LYP-D") E, wfn = energy("B3LYP-D", return_wfn=True) oeprop(wfn, "MULLIKEN_CHARGES", "DIPOLE", title = "CO2 B3LYP-D")
Volitelně jsem zvýšil systémovou paměť na 4 GB, což je výchozí nastavení systému, protože moje zařízení má dostatečné množství paměti.Jelikož je molekula malá a dopad na běh bude pravděpodobně přijatelný, změnil jsem také předchozí základní sadu, aug-cc-pVDZ, na jednu podrobnější, aug-cc-pVTZ. Také byla přidána část požadující Psi4, aby vrátil vlnovou funkci (wfn) objektu pro systém, kromě jeho energie (E). Nakonec jsem podle pokynů k příručce Psi4 zde přidal část požadující naše zajímavé informace, odhadované dílčí náboje na každém atomu, dané Mullikenova analýza a odhadovaný dipólový moment na $ \ ce {CO2} $ molekula.
Nyní můžeme uložit textový soubor s našimi vstupními daty a spustit Psi4 v terminálu:
psi4 carbon_dioxide.in
Po nějaké době Psi4 dokončí běh a vrátí své výsledky do výstupního souboru s názvem carbon_dioxide.out , který obsahuje obrovské množství informací. Sekce, která se více zajímá o vaši otázku, je však hned na konci:
Properties computed using the CO2 B3LYP-D density matrix Nuclear Dipole Moment: (a.u.) X: -0.0000 Y: 0.0000 Z: 0.0000 Electronic Dipole Moment: (a.u.) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: -0.0000 Dipole Moment: (a.u.) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: -0.0000 Total: 0.0000 Dipole Moment: (Debye) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: -0.0001 Total: 0.0001 Mulliken Charges: (a.u.) Center Symbol Alpha Beta Spin Total 1 C 2.80993 2.80993 0.00000 0.38015 2 O 4.09503 4.09503 0.00000 -0.19006 3 O 4.09504 4.09504 0.00000 -0.19008 Total alpha = 11.00000, Total beta = 11.00000, Total charge = 0.00000 *** Psi4 exiting successfully. Buy a developer a beer!
Výsledky přesně naznačují situaci, kterou jste intuitivně předpověděli, přičemž oba atomy kyslíku táhnou elektron hustota od centrálního atomu uhlíku a atom uhlíku se stává mírně kladným a atomy kyslíku mírně záporným. Ve skutečnosti jsme byli schopni použít počítač jako jakési silové brnění pro mysl.
Zpočátku mohla vaše intuice poskytnout pouze vágní vedení ve směru přenosu elektronové hustoty, z kyslíku na uhlík. Nyní to můžeme potvrdit a rozšířit naši intuici o numerické odhady, průměrnou ztrátu 0,38 elektronů v atomu uhlíku a průměrný zisk 0,19 elektronů v každém atomu kyslíku. Úžasné.
Navzdory oddělení nábojů výsledky našeho malého numerického experimentu také ukazují na téměř nulový dipólový moment, jak vidíme. Neříká nám to výslovně proč. Ale naše geometrická intuice naznačuje cestu ven. Jelikož existují dva atomy kyslíku, účinek oddělení náboje na oba se může zrušit. Výstup Psi4 to potvrzuje, protože částečný náboj na každém kyslíku atom je stejný na čtyři desetinná místa a oba zaujímají protilehlé polohy v lineární geometrii.
Existuje podobná molekula, ale bez možnosti zrušení oddělení náboje, $ \ ce {CO} $ , oxid uhelnatý s jediným kyslíkem. Pro srovnání jsem pro něj vytvořil ekvivalentní vstupní soubor.
memory 4 Gb set basis aug-cc-pVTZ molecule { 0 1 C -3.99710 1.44942 0.00000 O -2.86898 1.44942 0.00000 } optimize("B3LYP-D") E, wfn = energy("B3LYP-D", return_wfn=True) oeprop(wfn, "MULLIKEN_CHARGES", "DIPOLE", title = "CO B3LYP-D")
A spustil jsem ho.
psi4 carbon_monoxide.in
Výsledky opět poukazují na určitou míru oddělení náboje.
Properties computed using the CO B3LYP-D density matrix Nuclear Dipole Moment: (a.u.) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: 0.0023 Electronic Dipole Moment: (a.u.) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: 0.0348 Dipole Moment: (a.u.) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: 0.0371 Total: 0.0371 Dipole Moment: (Debye) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: 0.0944 Total: 0.0944 Mulliken Charges: (a.u.) Center Symbol Alpha Beta Spin Total 1 C 2.95397 2.95397 0.00000 0.09206 2 O 4.04603 4.04603 0.00000 -0.09206 Total alpha = 7.00000, Total beta = 7.00000, Total charge = 0.00000 *** Psi4 exiting successfully. Buy a developer a beer!
Ale tentokrát byl dipól nenulový, s odhadovanou hodnotou kolem 0,094 debye. Článek Wikipedie o oxidu uhelnatém nám dává naměřenou hodnotu 0,122 debye. Dostali jsme tedy odhad o 23% nižší než skutečná hodnota. Rozdíl může vzniknout buď jako vnitřní omezení našeho modelu (věc vědy vs. inženýrství), nebo proto, že jsem někde tápal buď ve vstupu, který jsem dal Psi4, nebo v mých předpokladech k řešení problému (vždy velmi pravděpodobné).
Bylo by zajímavé zkontrolovat literaturu v předmětu, pokud byste chtěli jít hlouběji. Kontrast ve výsledcích mezi $ \ ce {CO2} $ a $ \ ce {CO} $ jasně ukazují na vzájemné zrušení a vysvětlují nedostatek dipólu v $ \ ce {CO2} $ .
Komentáře
- Páni! vynaložili jste na to spoustu úsilí! To ‚ je jednoznačný souhlas!
- Tento víkend si to pečlivě projdu. Před pěti lety jsem se zeptal Jak mohu vypočítat distribuci náboje molekuly vody? a začal jsem se snažit přijít na to, jak spustit PyQuante , ale pak jsem si uvědomil, že ‚ budu muset mnohem více číst, než ‚ pochopím, co Dělal jsem.
- To je opravdu působivé. Chci to zkusit. Moc vám děkujeme za vaši snahu!
Odpověď
Můj učitel říká, že to způsobí, že všechny atomy v CO2 budou stejně nabité, protože tam nesmí být žádná „síla“.
Nemyslím si, že další odpovědi vysvětlily, proč to není správné. Pokud máte sadu tříbodových poplatků uspořádaných jako $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , pak je snadné ukázat, že všechny síly se zruší, když $ q / Q = -1 / 4 $ . Nemůže to však být fyzická situace, a to ze dvou důvodů. (1) Čistý náboj $ 2Q + q $ není nenulový, pokud $ q = Q = 0 $ . (2) Rovnováha je nestabilní.
Takže na základě tohoto argumentu používajícího Coulombův zákon a Newtonovu mechaniku by měl váš učitel ve skutečnosti pravdu, že poplatky nemohou být nenulové. I v případě $ q = Q = 0 $ však rovnováha není stabilní. V tomto případě vůbec neexistuje vazebná síla, takže atomy ve skutečnosti je CO2 vázán.
Obecně jednoduše neočekáváme, že budeme schopni vysvětlit stabilitu hmoty pomocí klasické fyziky a elektrostatických sil. Existuje věta s názvem Earnshawova věta , která ukazuje, že je to nemožné. K vysvětlení stability hmoty je zapotřebí kvantová fyzika.
Napsat komentář