Latome de carbone dans la molécule de dioxyde de carbone est-il partiellement positif?
On février 3, 2021 by adminJavais une question sur les molécules non polaires qui ont des vecteurs dipôles symétriques.
Prenons $ \ ce {CO2} $ par exemple. Chacune des liaisons $ \ ce {C = O} $ tire dans le sens inverse . Mon professeur dit que cela entraîne la charge égale de tous les atomes de $ \ ce {CO2} $ car il ne doit pas « y avoir de » force « nette.
Cependant, je ne suis pas daccord. Intuitivement, il semble que les atomes doxygène éloigneraient la densité électronique de latome de carbone central et rendraient latome de carbone légèrement positif et les atomes doxygène légèrement négatifs, comme ceci:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Ce processus devrait rendre latome de carbone légèrement positif et les atomes doxygène légèrement négatifs. Cependant, si javais raison, pourquoi ne pas dire que $ \ ce {CO2} $ a un dipôle (il y a une séparation de la charge)? ont la mauvaise définition dun dipôle.
Commentaires
- Cela pourrait vous aider à rechercher la définition de « quadripôle »
- Voir Quadrupôle dune molécule
- Non polaire est sans doute un abus de langage. Cela signifie spécifiquement » non dipolaire « . Cela ‘ t signifie que la distribution de charge est en fait constante.
- Là ‘ sa différence entre une molécule ‘ s global dipôle et dipôles locaux / dipôles de liaison dans une molécule. Une molécule avec des liaisons complètement non polaires ne peut pas avoir un dipôle moléculaire global. Cependant, cela nimplique pas que les molécules avec des liaisons polaires doivent avoir un dipôle moléculaire global – avoir des dipôles de liaison est un necessa condition rie mais insuffisante . $ \ ce {CO2} $ est le cas dune molécule avec des dipôles de liaison qui sannulent exactement, et ne laissent aucun dipôle global de molécule. Cependant, comme cela a été dit, $ \ ce {CO2} $ a un moment quadripôle .
- @JohnHon Don ‘ t oubliez daccepter une réponse!
Réponse
Vous « avez raison de supposer que latome de carbone dans $ \ ce {CO2} $ a une charge positive partielle. Cest parce que les atomes doxygène sont beaucoup plus électronégatifs, donc ils éloignent les électrons de latome de carbone. Cependant, ceci La molécule est toujours non polaire. En effet, lorsque vous dessinez un moment dipolaire, vous devez prendre en compte toutes les liaisons. Prenons par exemple leau:
Dans cette molécule, il y a deux liaisons, chacune avec leur propre dipôle. Mais celles-ci sannulent comme tous les autres vecteurs, laissant vous avec un dipôle net vertical. Les dipôles dans le dioxyde de carbone sannulent de la même manière; cependant, ils sannulent complètement, car la liaison est linéaire, non t plié comme dans leau:
Cela produit un dipôle net nul, rendant la molécule non polaire.
Commentaires
- Cest correct, et nous pouvons réellement le tester. Remplacez lun des O par un S pour casser la symétrie, maintenant la direction du dipôle O = C est exactement opposée à celle du dipôle C = S, mais les magnitudes ne sont pas égaux, nous obtenons donc un moment dipolaire net (de 0,65 D, selon en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- mais si le carbone est positif alors loxygène partiellement négatif dune autre molécule de CO2 peut sûrement former une liaison dipôle dipôle avec le C?
- Cela affecte encore quelque peu les propriétés du composé, car il encourage les molécules à empiler selon un motif décalé, mais techniquement, il est toujours non polaire, car il ny a aucun moyen pour une autre molécule de laligner ‘ son propre dipôle sur le même axe comme dipôle de la molécule dorigine ‘. Il ‘ est non polaire car vous pouvez ‘ t dire qu’un côté entier de la molécule est plus positif / négatif que l’autre côté
- Pensez-y de cette façon; Si vous avez dessiné un cercle parfait autour de la molécule entière, puis tracé une ligne du bord du cercle, en passant par le centre de la molécule, jusquau côté opposé du cercle, alors si la molécule est non polaire, alors peu importe comment vous tracez la ligne, un point final de la ligne a gagné ‘ t avoir une charge différente de celle de lautre point final. La ligne peut traverser des charges différentes sur son chemin ‘, mais cela na ‘ pas dimportance.Cest ainsi que nous savons quil ny a ‘ aucun dipôle net. Si vous essayez cela avec de leau, la différence la plus forte dans les charges de point final se situe le long du dipôle.
- Cette réponse est un excellent point de départ car elle se concentre sur le modèle idéaliste de $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ où il ‘ est moyenné dans le temps, dans le vide, les deux atomes doxygène sont du même isotope, là ‘ il ny a pas de champs significatifs, etc. En tant quidéalisation simple et informative, ‘ est une excellente information à présenter en premier – mais, il faut tout de même noter que cette idéalisation est une lieu de départ plutôt quune description complète. Il peut être intéressant de noter cette limitation puis de pointer vers certaines des autres réponses qui se construisent à partir de ce point de départ.
Réponse
Les autres réponses ont fait un excellent travail expliquant pourquoi, même si ses liaisons sont polaires, $ \ ce {CO2} $ manque dun dipôle permanent: la molécule » La symétrie de s annule la polarité de ses liens.
Mais ce nest pas toute lhistoire. Je « voudrais ajouter à cela une caractéristique très intéressante et très importante sur le plan environnemental de $ \ ce {CO2} $ – à savoir que, bien quil manque un permanent dipôle, il présente des dipôles transitoires (dynamiques).
Plus précisément, $ \ ce {CO2} $ na pas de dipôle uniquement lorsque le deux oxygènes sont à la fois équidistants et alignés avec le carbone. Dans le mode vibrationnel symétrique de $ \ ce {CO2} $ « , cette symétrie est maintenue. Mais $ \ ce {CO2} $ a trois autres modes vibrationnels: un mode vibrationnel asymétrique linéaire et deux modes vibrationnels de flexion (la collection est bien représentée ici: Le dioxyde de carbone IR est-il inactif? ).
Pourquoi est-ce important pour lenvironnement? Pour que $ \ ce {CO2} $ absorbe la lumière infrarouge (cest-à-dire pour que ce soit un gaz à effet de serre), il doit avoir un dipôle. Et cest le cas, de façon transitoire, à cause de ces modes vibrationnels asymétriques.
Cette animation, ajoutée par Karsten Theis, montre les dipôles créés dynamiquement par lun des $ \ ce { Modes de pliage de CO2} $ « (alias » The Floss « ):
[Selon Karsten, le » GIF est via jsmol de molcalc.org, avec la flèche ajoutée en utilisant Camtasia « .]
Commentaires
- Soulignant simplement que sur limage que vous avez, les oxygènes sont toujours équidistants du carbone.
- Légère modification pour que ce soit clair – il ‘ nest pas seulement léquidistance, il ‘ s alignement vectoriel. BTW, la vibration illustrée semble être lun des modes de flexion.
- @gardenhead Merci, vous avez bien sûr raison. Ross Presser ‘ clarifie bien cela.
- @RossPresser Merci pour la modification, que jai acceptée.
- @KarstenTheis Ah, désolé, je mal compris qui a ajouté le gif. Je ‘ vous ai crédité dans la réponse.
Réponse
Vous avez raison, le carbone a une charge positive. Nous ne pouvons pas mesurer un dipôle, mais cela ne prouve rien. Cependant, $ \ ce {CO2} $ a un moment quadripolaire. Imaginez une molécule $ \ ce {CO2} $ orientée le long de laxe $ x $ , et un peu plus loin sur laxe $ x $ , il y a aussi une molécule $ \ ce {H2O} $ avec son dipôle orienté le long de laxe $ x $ . Son moment dipolaire interagit avec les deux moments dipolaires de $ \ ce {CO2} $ , mais avec lun des deux dipôles de $ \ ce {CO2} $ est plus proche du dipôle deau. Donc, schématiquement, vous obtenez
H O=C=O O H
Sil ny avait pas de distribution de frais sur le $ \ ce {CO2} $ , nous ne verrions pas cela.
Mathématiquement, cela se produit parce que lespace est en 3D. Les forces entre deux charges diminuent avec le carré de leur distance.
Réponse
Les réponses précédentes par mpprogram6771 et MSalters la cloué .Je voudrais ajouter que, comme $ \ ce {CO2} $ est une toute petite molécule, vous pouvez, avec un peu d’effort, mettre en place un petit nombre expérimentez pour répondre à votre propre question, et même obtenir des charges partielles approximatives dans chaque atome et le moment dipolaire de la molécule entière, en utilisant uniquement un logiciel libre / open source.
Tout dabord, vous devez installer un logiciel de modélisation moléculaire dans votre machine. Celui que jaime le plus est Avogadro . Il offre une excellente convivialité et de nombreuses fonctionnalités pour concevoir et visualiser vos composés. Ghemical était également bon, mais il semble ne plus être entretenu depuis des années. Je narrivais plus à le faire fonctionner correctement.
Dans ma machine, jutilise Ubuntu MATE 18.04 (une variante GNU / Linux) comme système dexploitation. Là, je « suis capable dinstaller Avogadro avec une simple commande dans le terminal:
sudo apt-get install avogadro
Avec Avogadro, vous pouvez assembler le $ \ ce {CO2} $ , joignant latome de carbone et les deux atomes doxygène par des doubles liaisons. Au-delà de léditeur moléculaire, vous aurez besoin dun autre logiciel, capable de prendre les données sur la molécule que vous avez assemblée et de faire une série de calculs de mécanique quantique dessus, pour vous donner une réponse approximative à vos questions.
Il existe une grande variété de logiciels de mécanique quantique, comme le montre cette page sur Wikipedia. Malheureusement, à mon humble avis, le paysage des outils gratuits / open source dans ce domaine est fragmenté, et la plupart sont loin derrière Avogadro en termes dutilisabilité, coincés dans le niveau moyen de convivialité des années 1980 (parfois au niveau de la compilation ), et les alternatives propriétaires ont des licences restrictives et / ou coûtent leau à lœil, hors de portée des personnes sans affiliation institutionnelle. Le monde universitaire traite mal ses fabricants doutils bénévoles, comme peuvent vous le dire quelques personnes formidables en mathématiques, de première main . Tôt ou tard, nous devons résoudre ce problème. Nous avons besoin dun William Stein en chimie computationnelle. Jespère juste quil / elle recevra un meilleur traitement après sêtre mis à la tâche.
Pourtant, parmi les nombreux paquets supportés par le générateur dentrée Avogadro, ma recommandation est Psi4, pour un débutant. Il est aussi simple à installer qu’Avogadro, si vous «êtes sous Ubuntu ou sous une distribution basée sur Debian .
sudo apt-get install psi4
Ils ont un site bien documenté , avec une section consacrée à léducation avec des projets simples et des babillards conviviaux. La version disponible dans le référentiel Ubuntu est fonctionnelle, mais assez obsolète, 1.1.5, à partir de mars 2020. Si lon veut vraiment lapprendre, mon conseil est de la télécharger directement depuis leur site. La dernière version stable en mars 2020 est la 1.3.2. Mais pour cette réponse, la valeur par défaut du référentiel est suffisante.
Après avoir assemblé votre molécule et effectué une optimisation préliminaire de la géométrie dans Avogadro, vous pouvez générer un fichier texte dentrée préliminaire avec son plugin Psi4 sous le menu Extras → PSI4 . Ma version préliminaire a commencé comme ceci:
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")
Le plugin Avogadro pour Psi4 est très basique, nous devrons donc régler le modèle à la main. Un ensemble de bons modèles que vous pouvez modifier pour répondre à vos besoins est une excellente chose à avoir lorsque vous apprenez à utiliser un nouveau package. Nous devrions en avoir plus. Mais dabord, voyons ce que nous avons sur notre entrée proto. Elle comporte trois sections. La première section spécifie un ensemble de base , aug-cc -pVDZ (les chimistes informatiques adorent se régaler de la soupe à lalphabet). Pour être bref, un ensemble de base est un ensemble de fonctions mathématiques truquées par un jury, utilisées pour émuler les orbitales atomiques et moléculaires réelles et difficiles à calculer, un peu comme ceci:
La deuxième section a les coordonnées x, y, z de chaque atome de la molécule, ainsi que sa charge globale (dans ce cas 0) et sa multiplicité (dans ce cas 1, car tous les électrons sont appariés). La troisième section dit quel type dinformation nous voulons calculer à partir de nos informations initiales, dans ce cas, la géométrie optimale de la molécule (optimiser), et la machinerie algorithmique choisie pour la traiter, dans ce cas, B3LYP-D (une autre portion de soupe à lalphabet ), une variante de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) .
Jai changé le modèle généré par Avogadro comme suit:
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")
Jai éventuellement augmenté la limite de la mémoire système à 4 Go, par rapport à la valeur par défaut du système, car ma machine dispose dune bonne quantité de mémoire.Comme la molécule est petite et que limpact sur lexécution sera probablement acceptable, jai également changé le jeu de base précédent, aug-cc-pVDZ, en un ensemble plus détaillé, aug-cc-pVTZ. Ajout dune section demandant à Psi4 de renvoyer un objet wavefunction (wfn) pour le système, en plus de son énergie (E). Enfin, en suivant les conseils du manuel Psi4 ici , jai ajouté une section demandant nos informations dintérêt, les charges partielles estimées sur chaque atome, données par Analyse Mulliken et le moment dipolaire estimé sur le $ \ ce {CO2} $ molécule.
Nous pouvons maintenant enregistrer le fichier texte avec nos données dentrée et exécuter Psi4 dans le terminal:
psi4 carbon_dioxide.in
Après un certain temps, Psi4 terminera lexécution et retournera ses résultats dans un fichier de sortie nommé carbon_dioxide.out qui contient une énorme quantité dinformations. Mais la section la plus intéressante pour votre question se trouve juste à la fin:
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!
Les résultats indiquent exactement la situation que vous avez prédit intuitivement, les deux atomes doxygène attirant lélectron la densité loin de latome de carbone central et latome de carbone devenant légèrement positif et les atomes doxygène légèrement négatifs. En fait, nous avons pu utiliser lordinateur comme une sorte darmure de puissance pour lesprit.
Au début, votre intuition ne pouvait que fournir de vagues indications dans le sens du transfert de densité électronique, de loxygène au carbone. Nous pouvons maintenant corroborer cela, et augmenter notre intuition avec des estimations numériques, une perte moyenne de 0,38 électrons dans latome de carbone et un gain moyen de 0,19 électrons dans chaque atome doxygène. Merveilleux.
Malgré la séparation des charges, les résultats de notre petite expérience numérique indiquent également un moment dipolaire proche de zéro, comme nous le voyons. Cela ne nous dit pas explicitement pourquoi. Mais notre intuition géométrique suggère une issue. Comme il y a deux atomes doxygène, leffet de la séparation de charge sur les deux peut sannuler. La sortie de Psi4 corrobore que, comme la charge partielle sur chaque oxygène atome est le même avec quatre décimales près, et les deux prennent des positions opposées dans une géométrie linéaire.
Il existe une molécule similaire, mais sans possibilité dannulation de la séparation de charge, $ \ ce {CO} $ , monoxyde de carbone , avec un seul oxygène. Pour faire une comparaison, jai créé le fichier dentrée équivalent.
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")
Et je lai exécuté.
psi4 carbon_monoxide.in
Encore une fois, les résultats indiquent une mesure de séparation des charges.
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!
Mais cette fois, le dipôle était différent de zéro, avec une valeur estimée autour de 0,094 debye. L article Wikipedia sur le monoxyde de carbone nous donne une valeur mesurée de 0,122 debye. Nous avons donc obtenu une estimation inférieure denviron 23% à la valeur réelle. La différence peut survenir soit comme une limitation intrinsèque de notre modèle (la science contre lingénierie), soit parce que jai tâtonné quelque part soit dans lentrée que jai donnée à Psi4, soit dans mes hypothèses pour traiter le problème (toujours très probable).
Il serait intéressant de vérifier la littérature sur le sujet, si lon veut aller plus loin. Quoi quil en soit, le contraste dans les résultats entre $ \ ce {CO2} $ et $ \ ce {CO} $ pointez clairement sur lannulation mutuelle pour expliquer labsence de dipôle dans $ \ ce {CO2} $ .
Commentaires
- Wow! vous y mettez beaucoup defforts! Ce ‘ est un vote positif définitif!
- Je vais le parcourir attentivement ce week-end. Il y a cinq ans, jai demandé à comment puis-je calculer la distribution de charge dune molécule deau? et jai commencé à essayer de comprendre comment exécuter PyQuante mais jai ensuite réalisé que je ‘ que je devais lire beaucoup plus avant de ‘ comprendre ce que Je faisais.
- Wow, cest vraiment impressionnant. Je veux essayer. Merci beaucoup pour vos efforts!
Réponse
Mon professeur dit que cela entraîne une charge égale de tous les atomes de CO2 car il ne doit pas y avoir de « force » nette.
Je ne pense pas que le dautres réponses ont expliqué pourquoi cela est faux. Si vous avez un ensemble de trois charges ponctuelles disposées comme $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , alors il « est facile de montrer que les forces sannulent toutes lorsque $ q / Q = -1 / 4 $ . Cependant, cela ne peut pas être la situation physique, pour deux raisons. (1) La charge nette $ 2Q + q $ est différente de zéro sauf si $ q = Q = 0 $ . (2) Léquilibre est instable.
Donc, sur la base de cet argument utilisant la loi de Coulomb et la mécanique newtonienne, votre professeur aurait en fait raison de dire que les charges ne peuvent pas être différentes de zéro. Cependant, même dans le cas de $ q = Q = 0 $ , léquilibre nest pas stable. Dans ce cas, il ny a aucune force de liaison, donc les atomes En réalité, le CO2 est lié.
En général, nous ne nous attendons tout simplement pas à pouvoir expliquer la stabilité de la matière en utilisant la physique classique et les forces électrostatiques. Il existe un théorème appelé Théorème dEarnshaw qui montre que cest impossible. La physique quantique est nécessaire pour expliquer la stabilité de la matière.
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