Onko hiilidioksidimolekyylin hiiliatomi osittain positiivinen?
On helmikuu 3, 2021 by adminMinulla oli kysymys ei-polaarisista molekyyleistä, joissa on symmetriset dipolivektorit.
Otetaan ”s” $ \ ce {CO2} $ esimerkkinä. Jokainen $ \ ce {C = O} $ joukkovelkakirjalaina vetää päinvastoin Opettajani sanoo, että tämä saa kaikki $ \ ce {CO2} $ -atomit latautumaan yhtä suuresti, koska verkkoa ”ei saa olla”.
Olen kuitenkin eri mieltä. Intuitiivisesti näyttää siltä, että happiatomit vetävät elektronitiheyden pois hiiliatomista ja tekisivät hiiliatomista hiukan positiivisen ja happiatomit hieman negatiivisen, kuten näin:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Tämän prosessin pitäisi tehdä hiiliatomista hieman positiivinen ja happiatomista hieman negatiivinen. Jos kuitenkin olin oikeassa, niin miksi emme sano, että $ \ ce {CO2} $ : lla on dipoli (maksu on erillinen)? Ehkä voin määritellä dipoli väärin.
Kommentit
- Se voi auttaa sinua etsimään ”kvadrupolin” määritelmän.
- Katso Molekyylin kvadrupoli
- Ei-polaarinen on kiistatta väärin. Se tarkoittaa erityisesti ” ei-dipolaarinen ”. Se ei tarkoita ’ t, että varauksen jakauma on todella vakio.
- Siellä ’ sa molekyylin ero ’ s yleinen dipoli ja paikalliset dipolit / sidosdipolit Molekyylissä, jossa on täysin ei-polaarisia sidoksia, ei voi olla molekyylidipolia kokonaisuudessaan. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että polaarisia sidoksia omaavilla molekyyleillä on oltava molekyylidipoli kokonaisuudessaan – sidosdipolien ollessa necessa mutta ei riittävä kunto. $ \ ce {CO2} $ on tapaus molekyylistä, jossa on sidosdipoleja, jotka poistuvat tarkalleen eikä jätä mitään molekyylidipolia. Kuten on todettu, $ \ ce {CO2} $: lla on kuitenkin kvadrupoli -momentti.
- @JohnHon Don ’ t unohda hyväksyä vastaus!
Vastaa
Olet oikeassa olettaessasi, että hiiliatomi $ \ ce {CO2} $ on osittainen positiivinen varaus. Tämä johtuu siitä, että happiatomit ovat paljon elektronegatiivisempia, joten ne vetävät elektronit pois hiiliatomista. molekyyli on edelleen polaarinen. Tämä johtuu siitä, että kun piirrät dipolimomentin, sinun on otettava huomioon kaikki sidokset. Ota esimerkiksi vesi:
Tässä molekyylissä on kaksi sidosta, joista jokaisella on oma dipoli. Mutta nämä poistuvat kuten kaikki muut vektorit, jolloin Sinulla on pystysuora net dipoli. Hiilidioksidin dipolit poistuvat samalla tavalla; kuitenkin, ne eliminoivat toisensa kokonaan, koska sidos on lineaarinen, ei ei taipunut kuin vedessä:
Tämä tuottaa nollanettodipolin ja tekee molekyylistä polaarisen.
Kommentit
- Tämä on oikein, ja voimme todella testata sen. Korvaa yksi O: sta S: llä symmetrian rikkomiseksi. Nyt O = C-dipolin suunta on täsmälleen päinvastainen kuin C = S-dipolin suunta, mutta suuruudet eivät ole yhtä suuria, joten saamme nettodipolimomentin (0,65 D, fi.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide mukaan).
- mutta jos hiili on positiivinen, varmasti toisen CO2-molekyylin osittain negatiivinen happi voi muodostaa dipolidipolisidoksen C: n kanssa?
- Se vaikuttaa silti jonkin verran yhdisteen ominaisuuksiin, koska se kannustaa molekyylit pinotaan porrastettuun kuvioon, mutta teknisesti se on edelleen polaarinen, koska toisella molekyylillä ei ole mitään tapaa kohdistaa sitä ’ oma dipoli samalle akselille alkuperäisenä molekyylinä ’ s dipoli. ’ ei-napainen, koska voit ’ sanoa, että molekyylin yksi puoli on positiivisempi / negatiivisempi kuin koko toinen puoli
- Ajattele sitä tällä tavalla; Jos piirrät täydellisen ympyrän koko molekyylin ympärille ja sitten piirrät viivan ympyrän reunasta molekyylin keskipisteen läpi ympyrän vastakkaiselle puolelle, niin jos molekyyli on ei-polaarinen, niin riippumatta piirtää viiva, yhdellä linjan päätepisteellä ’ ei ole erilaista varausta kuin toisella päätepisteellä. Linja voi ylittää joitain erilaisia varauksia sen tavalla ’ tavalla, mutta sillä ei ole merkitystä ’.Näin tiedämme, että ’ ei ole verkkodipolia. Jos kokeilet sitä vedellä, voimakkain ero päätepistemaksuissa on dipolia pitkin.
- Tämä vastaus on hyvä lähtökohta, koska se keskittyy idealistiseen malliin $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ missä ’ aikakeskiarvo, tyhjössä molemmat happiatomit ovat samaa isotooppia, siellä ’ ei ole merkittäviä kenttiä jne. Yksinkertaisena, informatiivisena idealisointina ’ on erinomaista tietoa esitettäväksi ensin – mutta on kuitenkin huomattava, että tämä idealisointi on lähtöpaikka eikä täydellinen kuvaus. Voi olla syytä huomata tämä rajoitus ja osoittaa sitten joitain muita vastauksia, jotka rakentuvat tästä lähtökohdasta.
Vastaa
Muut vastaukset ovat tehneet hyvää työtä selittäen, miksi $ \ ce {CO2} $ puuttuu pysyvä dipoli: molekyyli ”, vaikka sen sidokset ovat polaarisia. symmetria kumoaa sidostensa napaisuuden.
Mutta se ei ole koko tarina. Haluaisin lisätä tähän erittäin mielenkiintoisen ja ympäristön kannalta tärkeän $ \ ce {CO2} $ -ominaisuuden – nimittäin että vaikka siitä puuttuu pysyvä dipoli, se tuo esiin ohimeneviä (dynaamisia) dipoleja.
Erityisesti $ \ ce {CO2} $ puuttuu dipoli vain, kun kaksi oksigeeniä ovat molemmat yhtä kaukana hiilestä ja linjassa sen kanssa. $ \ ce {CO2} $ ”symmetrisessä värähtelymoodissa symmetria säilyy. Mutta $ \ ce {CO2} $ : lla on kolme muuta värähtelymoodia: lineaarinen epäsymmetrinen värähtelytila ja kaksi taipuvaa värähtelymoodia (kokoelma on hienosti kuvattu tässä: Onko hiilidioksidi-infrapuna-aktiivinen? ).
Miksi tämä on tärkeää ympäristölle? Jotta $ \ ce {CO2} $ absorboi IR-valoa (eli jotta se olisi kasvihuonekaasu), sillä on oltava dipoli. Ja se toimii hetkellisesti näiden epäsymmetristen värähtelymoodien takia.
Tämä Karsten Theisin lisäämä animaatio näyttää dipoleja, jotka dynaamisesti on luonut yksi $ \ ce { CO2} $ ”taivutustilat (alias ” Lanka ”):
[Karstenin mukaan ” GIF on jsmolin kautta osoitteesta molcalc.org, ja nuoli lisätään käyttämällä Camtasiaa ”.]
Kommentit
- Korostamalla vain, että kuvassa oksigeenit ovat edelleen yhtä kaukana hiilestä.
- Pieni muokkaus, jotta se olisi selvä – se ’ ei ole vain tasa-arvo, se ’ on vektorien suuntaus. BTW, kuvassa oleva värinä näyttää olevan yksi taivutustiloista.
- @gardenhead Kiitos, olet tietysti oikeassa. Ross Presser ’ s muokkaus puhdistaa tämän.
- @RossPresser Kiitos muokkauksesta, jonka hyväksyin.
- @KarstenTheis Ah, anteeksi, minä väärinymmärretty, joka lisäsi gifin. Olen ’ hyvittänyt sinut vastauksessa.
Vastaa
Olet oikeassa, hiilellä on positiivinen varaus. Emme voi mitata dipolia, mutta se ei todista mitään. $ \ ce {CO2} $ on kuitenkin neliömomentti. Kuvittele $ \ ce {CO2} $ -molekyyli, joka on suunnattu $ x $ -akselille ja vähän edelleen $ x $ -akselia pitkin on myös $ \ ce {H2O} $ -molekyyli, jossa sen dipoli on suunnattu $ x $ -akselille. Sen dipolimomentti on vuorovaikutuksessa $ \ ce {CO2} $ molempien dipolimomenttien kanssa, mutta toinen $ \ ce {CO2} $ on lähempänä vesidipolia. Joten kaavamaisesti saat
H O=C=O O H
Jos $ \ ce {CO2} $ , emme näe tätä.
Matemaattisesti tämä tapahtuu, koska avaruus on 3D. Pakottaa kahden varauksen välisen pudotuksen etäisyyden neliön kanssa.
Vastaa
Edelliset vastaukset, joiden kirjoitti mpprogram6771 ja MSalters naulasi sen.Haluaisin lisätä, että koska $ \ ce {CO2} $ on hyvin pieni molekyyli, voit pienellä vaivalla perustaa pienen numeerisen kokeile vastaamaan omaan kysymykseesi ja saamaan jopa likimääräiset osamaksut kussakin atomissa ja koko molekyylin dipolimomentti käyttämällä vain ilmaisia / avoimen lähdekoodin ohjelmistoja.
Ensinnäkin sinun on asennettava molekyylimallinnusohjelmisto koneesi. Pidän eniten Avogadro . Siinä on upea käytettävyys ja monia ominaisuuksia yhdistelmien suunnitteluun ja visualisointiin. Ghemical oli myös hyvä, mutta näyttää siltä, että sitä ei ole huollettu jo vuosia. En voinut saada sitä enää toimimaan kunnolla.
Koneessani käytän Ubuntu MATE 18.04 (GNU / Linux-muunnos) käyttöjärjestelmänä. Siellä voin asentaa Avogadron yksinkertaisella komennolla päätelaitteeseen:
sudo apt-get install avogadro
Avogadron avulla voit koota $ \ ce {CO2} $ , yhdistämällä hiiliatomi ja molemmat happiatomit kaksoissidoksilla. Molekyylieditorin lisäksi tarvitset toisen ohjelmiston, joka pystyy ottamaan tiedot kokoamastasi molekyylistä ja tekemään sen yli sarjan kvanttimekaanisia laskutoimituksia antamaan sinulle likimääräisen vastauksen kysymyksiisi.
Kvanttimekaanisia ohjelmistoja on paljon, kuten tällä sivulla Wikipediassa näkyy. Valitettavasti IMHO: n vapaa / avoimen lähdekoodin työkalujen maisema tällä alalla on hajanainen, ja useimmat jäävät käytettävyydeltään huomattavasti Avogadron jälkeen, juuttuneet 1980-luvun keskimääräiseen käyttäjäystävällisyystasoon (joskus itse kokoamisen tasolla) ), ja patentoiduilla vaihtoehdoilla on rajoittavat lisenssit ja / tai ne ovat silmiinpistäviä kalliita sellaisten ihmisten ulottumattomissa, joilla ei ole institutionaalista yhteyttä. Academia kohtelee vapaaehtoisia työkalujen valmistajiaan huonosti, koska jotkut matematiikan suuret ihmiset voivat kertoa sinulle, omakohtaisesti . Ennemmin tai myöhemmin meidän on korjattava se. Tarvitsemme William Steinin laskennallisessa kemiassa. Toivon vain, että hän saa paremman kohtelun tehostettuaan tehtävän.
Suosittelen kuitenkin useiden Avogadron tulogeneraattorin tukemien pakettien joukosta aloittelijoille Psi4: ää. Se on yhtä helppo asentaa kuin Avogadro, jos olet Ubuntu tai jokin Debian -pohjainen jakelu.
sudo apt-get install psi4
Heillä on hyvin dokumentoitu sivusto , jonka -osio on omistettu koulutukselle yksinkertaisilla projekteilla ja ystävällisillä keskustelupalstoilla . Ubuntun arkistosta saatavilla oleva versio on toimiva, mutta melko vanhentunut, 1.1.5, maaliskuussa 2020. Jos joku tosissaan oppii sen, suosittelen, että lataan sen suoraan heidän sivustoltaan. Viimeisin vakaa versio maaliskuussa 2020 on 1.3.2. Mutta tämän vastauksen vuoksi tietovaraston oletusarvo riittää.
Kun olet koonnut molekyylisi ja suorittanut alustavan geometrian optimoinnin Avogadron sisällä, voit luoda alustavan tekstitiedoston Psi4-laajennuksellaan valikossa Ekstrat → PSI4 . Alustava versioni alkoi näin:
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")
Psi4: n Avogadro-laajennus on hyvin yksinkertainen, joten meidän on viritettävä malli käsin. Joukko hyviä malleja, joita voit muuttaa tarpeidesi mukaan, on hieno asia, kun opit käyttämään uutta pakettia. Meillä pitäisi olla enemmän näitä. Ensinnäkin, katsotaan ensin, mitä meillä on protosyötteessämme. Siinä on kolme osaa. Ensimmäinen osio määrittää -perusjoukon , aug-cc -pVDZ (laskennalliset kemistit rakastavat mielenosoitusta aakkoskeitolla). Lyhyesti sanottuna perussarja on tuomariston väärennetty joukko helposti laskettavia matemaattisia funktioita, joita käytetään jäljittelemään todellisia, vaikeasti laskettavia atomi- ja molekyylitasoja tällainen:
Toisessa osassa on molekyylin jokaisen atomin x-, y- ja z-koordinaatit sekä sen kokonaisvaraus (tässä tapauksessa 0) ja moninkertaisuus (tässä tapauksessa 1, koska kaikki elektronit ovat pareittain). kertoo millaista tietoa haluamme laskea alkutiedoistamme, tässä tapauksessa, molekyylin optimaalisesta geometriasta (optimoida) ja sen käsittelemiseksi valitusta algoritmisesta koneistosta, tässä tapauksessa B3LYP-D: stä (toinen aakkoskeiton annos) ), muunnos tiheysfunktioteoria (DFT) .
Muutin Avogadron luomaa mallia seuraavasti:
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")
Korotin valinnaisesti järjestelmän muistin rajan 4 Gt järjestelmän oletusarvosta, koska koneellani on paljon muistia.Koska molekyyli on pieni ja vaikutus ajonaikaan on todennäköisesti hyväksyttävä, muutin myös edellisen perussarjan, aug-cc-pVDZ, yhdeksi yksityiskohtaisemmaksi, aug-cc-pVTZ. Lisättiin myös kohta, jossa Psi4: tä pyydetään palauttamaan aaltotoiminto (wfn) objekti järjestelmälle sen energian (E) lisäksi. Lopuksi seuraamalla Psi4-käyttöoppaan ohjeita täällä , lisäsin osion, jossa pyydetään kiinnostavia tietoja, arvioituja osamaksuja kustakin atomista, jonka antaa Mulliken -analyysi ja arvioitu dipolimomentti $ \ ce {CO2} $ -molekyyli.
Nyt voimme tallentaa tekstitiedoston syöttötiedoillamme ja suorittaa Psi4-päätteen:
psi4 carbon_dioxide.in
Jonkin ajan kuluttua Psi4 päättää ajon ja palauttaa tulokset hiili_dioxide.out -nimiseen tulostetiedostoon, jolla on valtava määrä tietoa. Mutta kysymystäsi kiinnostavampi kohta on oikeassa lopussa:
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!
Tulokset osoittavat tarkalleen tilanteen, jonka olet ennakoinut intuitiivisesti, ja molemmat happiatomit vetävät elektronia tiheys pois keskushiiliatomista ja hiiliatomista tulee hieman positiivinen ja happiatomit hieman negatiiviset. Itse asiassa pystyimme käyttämään tietokonetta eräänlaisena mielen voimapanssarina.
Aluksi intuitiosi pystyi tarjoamaan vain epämääräistä ohjausta elektronitiheyden siirron suuntaan hapesta hiileksi. Nyt voimme vahvistaa sen ja lisätä intuitioamme numeerisilla arvioilla, keskimääräisellä 0,38 elektronihäviöllä hiiliatomissa ja keskimääräisellä 0,19 elektronin vahvistuksella kussakin happiatomissa. Ihana.
Latauserotuksesta huolimatta pienen numeerisen kokeen tulokset viittaavat myös lähes nolladipolimomenttiin, kuten näemme. Se ei kerro meille nimenomaisesti miksi. Mutta geometrinen intuitiomme ehdottaa ulospääsyä. Koska happiatomeja on kaksi, varauksen erotuksen vaikutus molempiin voi kumota. Psi4: n tuotos vahvistaa tämän, koska jokaisen hapen osavaraus atomi on sama neljän desimaalin tarkkuudella ja molemmat ottavat vastakkaiset paikat lineaarisessa geometriassa.
Siellä on samanlainen molekyyli, mutta ilman mahdollisuutta varauksen erottamiseen, $ \ ce {CO} $ , hiilimonoksidi yhdellä hapella. Vertailun tekemiseksi loin sille vastaavan syötetiedoston.
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")
Ja suoritin sen.
psi4 carbon_monoxide.in
Tulokset osoittavat jälleen jonkin verran varauksen erottelua.
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!
Mutta tällä kertaa dipoli ei ollut nolla, arvioitu arvo noin 0,094 debye. Wikipedia-artikkeli hiilimonoksidista antaa meille mitatun arvon 0,122 debye. Joten saimme arvion noin 23% pienempi kuin todellinen arvo. Ero voi syntyä joko mallimme sisäisenä rajoituksena (tiede vs. tekniikka) tai siksi, että törmäsin jonnekin joko Psi4: lle antamaani syötteeseen tai oletuksii ongelman käsittelemiseen (aina hyvin todennäköistä).
Olisi mielenkiintoista tarkistaa aiheen kirjallisuus, jos haluaa mennä syvemmälle. Tulosten kontrasti $ \ ce {CO2} $ ja $ \ ce {CO} $ span välillä > osoita selvästi molemminpuolinen peruutus selittämään dipolin puuttuminen $ \ ce {CO2} $ .
Kommentit
- Vau! panit tähän paljon vaivaa! Se ’ on selvä äänestys!
- Käyn tämän läpi huolellisesti tänä viikonloppuna. Viisi vuotta sitten kysyin Kuinka voin laskea vesimolekyylin varausjakauman? ja aloin yrittää selvittää, kuinka ajaa PyQuante , mutta sitten tajusin, että minun ’ on tehtävä paljon enemmän lukemista, ennen kuin ymmärrän ’ Tein.
- Vau, tämä on todella vaikuttavaa. Haluan kokeilla sitä. Paljon kiitoksia vaivastasi!
Vastaa
Opettajani sanoo, että tämä saa kaikki CO2-atomit latautumaan tasaisesti, koska netto ”voimaa” ei saa olla.
En usko muissa vastauksissa on selitetty, miksi tämä on väärin. Jos sinulla on joukko kolmipisteisiä maksuja, kuten $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , silloin on helppo osoittaa, että voimat kaikki peruuttuvat, kun $ q / Q = -1 / 4 $ . Tämä ei kuitenkaan voi olla fyysinen tilanne kahdesta syystä. (1) Nettovara $ 2Q + q $ ei ole nolla, ellei $ q = Q = 0 $ . (2) Tasapaino on epävakaa.
Tämän argumentin perusteella, joka käyttää Coulombin lakia ja Newtonin mekaniikkaa, opettajasi olisi oikeassa siinä, että maksut eivät voi olla nollia. Jopa $ q = Q = 0 $ tapauksessa tasapaino ei kuitenkaan ole vakaa. Tässä tapauksessa sitovaa voimaa ei ole ollenkaan, joten atomit Todellisuudessa CO2 on sitoutunut.
Yleensä emme yksinkertaisesti odota pystyvämme selittämään aineen vakautta käyttämällä klassista fysiikkaa ja sähköstaattisia voimia. On lause, jota kutsutaan Earnshawn lauseeksi ja joka osoittaa, että tämä on mahdotonta. Kvanttifysiikkaa tarvitaan aineen stabiilisuuden selittämiseksi. div>
Vastaa