Proč má čtyřboká molekula jako methan nulový dipólový moment?
On 18 února, 2021 by adminStudoval jsem chemické vazby, když jsem si všiml něčeho zvláštního.
Říkáme sloučeniny jako $ \ ce {CCl4} $ a $ \ ce {CH4} $ mají čtyřbokou geometrii (což je 3D struktura), ale když mluvíme o jejich dipólové momenty, říkáme, že nemají dipólový moment. Dáme důvod, že protože atomy H jsou proti sobě (tedy za předpokladu, že se jedná o 2D strukturu), ruší své vazebné momenty.
Ale proč? Na začátku jsme viděli, že se jedná o 3D struktury, přičemž jeden H je nahoře a další 3 dole, přičemž vazebný dipólový moment směřuje z každého H směrem k C. Z tohoto důvodu složka vazebného momentu 3 dolů H atomy podél linie horního atomu H by způsobily čistý vzestupný moment vazby, který se nerovná nule.
Ale rozhodně se mýlím, protože tyto hodnoty byly vědecky vypočítány. Může tedy někdo, prosím, poukázat na to, kde se v mém chápání mýlím?
Komentáře
- Ďábel ‚ s advocate addon question: Nemá jeden krystalický kousek metanu také žádný dipólový moment? 😉
- @Karl Na základě vaší velmi užitečné odpovědi na další otázku od uhoh, udělám divoký odhad: dielektrická relaxační spektroskopie? 😉
- @EdV No, některé látky mají konečný dipólový moment v terminálním režimu (- > nulová frekvence). Další slovo pro frekvenčně závislý dipólový moment je komplexní permitivita . 😉 Váš odhad může říct odpověď …
- Vlastně si ‚ nejsem 100% jistý, zda odpověď na moje otázka je “ samozřejmě ne, hloupá, ruší to “ nebo “ očividně hloupý „. Pokud by to někdo vysvětlil, hodil bych ‚ do publika 100pt odměnu.
Odpovědět
Karstenova odpověď je vynikající, ale zde je obrázek, který ukazuje použitou matematiku:
Centrální atom (zelený) je ve středu krychle, další čtyři atomy (fialový) jsou ve střídavých vrcholech a geometrie by měla mít jasno.
Alternativně, pokud orientujete molekulu tak, aby jeden periferní (fialový) atom byl přímo „nad“ centrálním (zeleným) atomem, pak každý z ostatních tří atomů je pouze $ 1 – \ theta $ ( $ \ cca 70,52877940 ^ \ circ $ ) mimo přímý“ pod „centrálním atomem, takže každý přispívá $ \ cos (1 – \ theta) $ krát vazebný dipól. Toto je sestupná složka vazebního dipólu od jednoho z nižších atomů.
Ale $ \ cos (1 – \ theta) = 1/3 $ , takže toto je jednoduše (dluhopisový dipól) / 3 a existují tři těchto nižších atomů, takže tři složky směřující dolů přesně vyvažují jednu složku směřující nahoru.
Komentáře
- Pěkné zpracování postavy a geometrie. Jsem ‚ tak šťastný, že někdo vlastně chce znát matematiku!
- Pokud dáte uhlík na počátek (0 0 0) a vodíky na (1 1 1), (1 -1 -1), (-1 1 -1) a (-1 -1 1), je také snadné vidět, že dipólové momenty se sčítají až k nule (odpovídá orientaci 4 v mé odpovědi) .
- Skutečně! S ohledem na vaši vynikající odpověď jsem to trochu zdráhal zveřejnit. Ale postavu jsem udělal před lety a myslel jsem si, že by to mohlo být užitečné. Kostka také přímo souvisí s vaší první postavou a symetrie je jasná: dvě stejné vzestupné složky se rovnají dvěma stejným sestupným složkám.
- @andselisk Myslím, že existuje rovnováha mezi odpovědí na skutečnou otázku a otázku to mělo být požádáno. Existují také případy, kdy obecné pravidlo nevymaže mylnou představu OP – v tomto případě vypadal methan “ nevyvážený “ když jedno pouto směřuje přímo nahoru. Ve své odpovědi jsem začal argumentem symetrie, ale nezmínil jsem symetrii inverze. Vážím si vašeho komentáře a vhledu a myslím, že existuje prostor pro ještě jednu odpověď a mnoho dalších otázek (např. Je centrum inverze nutné a dostatečné k tomu, aby dipólový okamžik zmizel?)
- @andselisk Jednoduše řečeno že “ centrosymmetrické molekuly mají nulový dipólový moment “ by pravděpodobně vyprodukovala odpověď “ ale proč? “ z OP. Pokud by “ viděl “ to, co je pravda, bez jakékoli pomoci, otázka konkrétní geometrie by nikdy nebyla položena.Ve skutečnosti otázka “ co přesně znamená centrosymmetrický význam “ není sama o sobě hloupá otázka.
Odpověď
Orientace 1
Zvažte níže orientaci metanu. Částečné kladné náboje jsou rovnoměrně rozloženy kolem centrálního atomu. Při srovnání levé a pravé strany molekuly se horní horní a pravá horní část navzájem ruší a další dva jsou uprostřed s uhlíkem. Při srovnání horní a spodní strany molekuly se dvě horní vodíkové polohy ruší dvěma spodními vodíkovými pozicemi. Při srovnání přední a zadní strany molekuly se spodní přední a spodní zadní poloha vodíku navzájem ruší a další dvě jsou v rovině papíru.
U polární molekuly je pozitivní částečné náboje musí být odděleny od záporných ve směru (podél celkového dipólového momentu, kterým je vektor). Zde jsou kladné částečné náboje na vnější straně a záporné částečné náboje na vnitřní straně.
Pokud máte rádi vektory , můžete také říci dva vrcholové dipólové momenty sečteny směřují přímo vzhůru, zatímco dva spodní dipólové momenty sečtou bod přímo dolů. Pokud tyto dva body spočítáte, získáte čistý dipól nula.
Pokud máte rádi argumenty symetrie , podél rovin HCH je šest zrcadlových rovin (zleva-zprava a zepředu-zezadu je dobře vidět), takže nemůže existovat dipól. Argument je následující: Pokud by byl dipólový moment, pro příklad zleva doprava a aplikuji rovinu zrcadla zleva doprava, muselo by se změnit směr, ale molekula je stále stejná. Kvůli tomuto rozporu musí být dipólový moment v tomto směru nulový. Stejný argument platí pro trojnásobnou a dvojnásobnou osu v molekule.
Orientace 2
Z tohoto důvodu by složka vazebného momentu 3 dolů směřujících atomů H podél linie horního atomu H způsobila čistý vzestupný vazebný moment, který by nebyl stejný na 0.
Horní atom H je přímo vzhůru, zatímco dow n atomů H jde pod úhlem, přičemž složka dolů je 1/3 délky vazby. V této orientaci se tedy také ruší, ale je těžší uvěřit.
Orientace 3
V této orientaci ( používá se pro Fisherovy projekce v chemii cukru), můžete pěkně vidět symetrii, stejně tak jeden nahoru, jeden dolů; jeden vlevo, jeden vpravo; dvě přední, dvě zadní.
Orientace 4
Možná můj oblíbený: dva nahoru, dva dolů, dva doleva, dva doprava , dvě přední, dvě zadní – to je symetrické.
Odpověď
„Na začátku jsme viděli, že [molekuly metanu] jsou 3D struktury, přičemž jeden H je nahoře a další 3 dole, přičemž vazebný dipólový moment směřuje z každého H směrem k C. Z tohoto důvodu je složka vazebného momentu 3 dolů H atomů podél linie horního Atom H by způsobil čistý vzestupný moment vazby, který se nerovná nule. „
Co se tedy stane, když molekulu otočíte tak, aby jedna z ostatní atomy H jsou nyní nahoře?
Nezapomeňte, že čtyřstěn je symetrický, takže při pohledu z některého ze čtyř rohů vypadá stejně. Pokud by tedy čtyřboká molekula metanu měla nenulový dipólový moment směřující k jednomu z vodíků, musela by podle symetrie také mít stejný dipólový moment směřující k všem z nich. Ale pak by to nebyl dipól, ale oktupól – dipól může podle definice ukazovat pouze jedním směrem.
Komentáře
- Pěkný argument symetrie! To by se dalo zobecnit na “ každá molekula s centrosymmetrií má dipólový moment nula „, ale důkaz se do tohoto okraje nevejde (@andselisk)
- Je však symetrie dokonalá? Co když vezmeme v úvahu drobné odchylky (pomyšlení na otočení)?
Napsat komentář