A szén-dioxid-molekula szénatomja részben pozitív?
On február 3, 2021 by adminKérdésem volt azokról a nempoláris molekulákról, amelyek szimmetrikus dipólus vektorokkal rendelkeznek.
Vegyenek “s” $ \ ce {CO2} $ példaként. A $ \ ce {C = O} $ kötvények mindegyike éppen ellenkezőleg húzódik . Tanárom azt mondja, hogy ez a $ \ ce {CO2} $ összes atomját ugyanolyan töltéssel tölti fel, mivel nem lehet “nettó” erő.
Én azonban nem értek egyet. Intuitív módon úgy tűnik, hogy az oxigénatomok elhúznák az elektron sűrűségét a központi szénatomtól, és a szénatomot kissé pozitívvá, az oxigénatomokat pedig kissé negatívvá tennék, így:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Ennek a folyamatnak a szénatomot kissé pozitívvá, az oxigénatomokat pedig kissé negatívvá kell tennie. Ha azonban igazam volt, akkor miért nem azt mondjuk, hogy $ \ ce {CO2} $ rendelkezik dipólussal (a töltés elkülönül)? téves definíciója van a dipólusnak.
Megjegyzések
- Ez segíthet a „quadrupole” meghatározásának megkeresésében.
- Lásd: Egy molekula kvadrupólja
- A nem poláros vitathatatlanul helytelen elnevezés. Ez kifejezetten " nem-dipoláris ". Ez nem azt jelenti, hogy a töltéseloszlás állandó.
- Ott <' div id = "90c3bbbee2">
sa különbség egy molekula ' s átfogó dipólus és lokális dipólusok / kötésdipólusok i között > egy molekulán belül. A teljesen nem poláros kötéseket tartalmazó molekulának nem lehet teljes molekuláris dipólusa. Ez azonban nem azt jelenti, hogy a poláris kötéssel rendelkező molekuláknak teljes molekuláris dipólussal kell rendelkezniük – kötési dipólusokkal rendelkező necessa ry, de nem elégséges állapot. A $ \ ce {CO2} $ egy olyan molekula esete, amelynek kötési dipólusai pontosan kioltanak, és nem hagynak teljes molekula-dipólust. Azonban, amint megállapítottuk, a $ \ ce {CO2} $ rendelkezik kvadrupól mozzanattal.
Válasz
Helyesen állítja, ha feltételezi, hogy a szénatom $ \ ce {CO2} $ részleges pozitív töltéssel rendelkezik. Ez azért van, mert az oxigénatomok sokkal elektronegatívabbak, ezért elhúzzák az elektronokat a szénatomtól. Ez azonban a molekula még mindig nem poláros. Ennek az az oka, hogy amikor dipólusmomentumot rajzol, akkor az összes kötést figyelembe kell venni. Vegyünk például vizet:
Ebben a molekulában két kötés van, mindegyiknek megvan a maga dipólusa. De ezek megszűnnek, mint bármely más vektor, így Ön függőleges net dipólussal. A szén-dioxidban lévő dipólusok hasonló módon szűnnek meg; azonban teljesen megszüntetik egymást, mert a kötés lineáris, nem nem hajlott, mint a vízben:
Ez egy nulla nettó dipólust eredményez, így a molekula nem poláros lesz.
Megjegyzések
- Ez helyes, és valóban tesztelhetjük is. Cserélje az egyik O-t egy S-re a szimmetria megszakításához. Most az O = C dipólus iránya pontosan ellentétes a C = S dipóluséval, de az nagyságok nem egyenlőek, ezért kapunk egy nettó dipólusmomentumot (0,65 D, a hu.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide szerint).
- de ha a szén pozitív, akkor egy másik CO2 molekula részlegesen negatív oxigénje bizonyosan dipól-dipól kötést alakíthat ki a C-vel?
- Ez még mindig némileg befolyásolja a vegyület tulajdonságait, mert ösztönzi a molekulák lépcsőzetes mintázatban halmozódnak, de technikailag még mindig nem poláros, mivel nincs mód arra, hogy egy másik molekula ' saját dipóliját ugyanazon a tengelyen mint eredeti molekula ' s dipólus. ' nem poláros, mert ' nem mondhatja, hogy a molekula egyik teljes oldala pozitívabb / negatívabb, mint az egész másik oldala
- gondolkodj el ezen a módon; Ha tökéletes kört rajzolt az egész molekula köré, majd egy vonalat húzott a kör szélétől, a molekula közepén keresztül a kör ellentétes oldaláig, akkor ha a molekula nem poláros, akkor nem számít, hogyan húzza meg a vonalat, a vonal egyik végpontjának ' nem lesz más töltése, mint a másik végpontnak. A vonal áthaladhat néhány különböző töltésen ' módon, de ez nem számít '.Így tudjuk, hogy ' nincs nettó dipólus. Ha ezt vízzel próbálja meg, akkor a végpont töltéseiben a legnagyobb a különbség a dipól mentén.
- Ez a válasz remek kiindulópont, mert a $ \ mathrm {C} \ mathrm {idealista modelljére összpontosít. O} _2, $ ahol ' időarányosan, vákuumban mindkét oxigénatom azonos izotóppal rendelkezik, ott ' nincsenek jelentős mezők stb. Egyszerű, informatív idealizálásként ' nagyszerű információt nyújt be először – de mégis meg kell jegyezni, hogy ez az idealizálás egy kezdőhely és nem teljes leírás. Érdemes lehet megjegyezni ezt a korlátozást, majd rámutatni néhány más válaszra, amelyek ebből a kiindulópontból épülnek fel.
Válasz
A többi válasz nagyszerű munkát végzett annak magyarázatában, hogy annak ellenére, hogy a kötései polárisak, a $ \ ce {CO2} $ hiányzik egy állandó dipólus: a molekula ” szimmetriája megsemmisíti kötelékei polaritását.
De ez nem az egész történet. Ehhez szeretnék hozzáfűzni a $ \ ce {CO2} $ nagyon érdekes és környezetvédelmi szempontból fontos jellegzetességét – mégpedig azt, hogy miközben nincs állandó dipólus, átmeneti (dinamikus) dipólusokat generál.
Pontosabban, a $ \ ce {CO2} $ dipólus csak akkor hiányzik, ha két oxigén egyaránt egyenlő távolságra van a széntől és a szénnel egy vonalban van. $ \ ce {CO2} $ “szimmetrikus rezgési módban ez a szimmetria fennmarad. De a $ \ ce {CO2} $ három másik rezgési móddal rendelkezik: lineáris aszimmetrikus rezgésmóddal és két hajlító rezgési móddal (a gyűjtemény itt szép képen látható: A szén-dioxid IR inaktív? ).
Miért fontos ez környezetvédelmi szempontból? Ahhoz, hogy a $ \ ce {CO2} $ elnyelje az IR-fényt (vagyis ahhoz, hogy üvegházhatású gáz legyen), dipólusra van szüksége. És ezek az aszimmetrikus rezgési módok miatt átmenetileg igen.
Ez az animáció, Karsten Theis által hozzáadva, a $ \ ce {egyikének dinamikusan létrehozott dipólusait mutatja be. CO2} $ hajlítási módjai (más néven: " A fogselyem "):
[Karsten szerint a GIF a jsmolon keresztül érkezik a molcalc.org webhelyről, a nyíl pedig a Camtasia használatával kerül hozzáadásra ".]
Megjegyzések
- Csak rámutatva, hogy a képen az oxigének még mindig egyenlő távolságra vannak a széndioxidtól.
- Enyhe szerkesztés az egyértelműség érdekében – ' nem csak az egyenlő távolság, hanem a ' vektorillesztés is. BTW, a képen látható rezgés az egyik hajlítási mód.
- @gardenhead Köszönöm, természetesen igazad van. Ross Presser ' s szerkesztés szépen kitisztítja ezt.
- @RossPresser Köszönöm a szerkesztést, amelyet elfogadtam.
- @KarstenTheis Ah, sajnálom, én félreértették, ki adta hozzá a gif-et. ' jóváírtalak a válaszban.
Válasz
Igazad van, a szénnek van pozitív töltése. Nem mérhetünk dipólust, de ez nem bizonyít semmit. A $ \ ce {CO2} $ azonban van egy négyes mozzanata. Képzeljen el egy $ \ ce {CO2} $ molekulát, amely a $ x $ tengely mentén orientálva van, és egy kicsit tovább a $ x $ -axis mentén van egy $ \ ce {H2O} $ molekula is dipólusa a $ x $ -tengely mentén orientált. Dipólusmomentuma kölcsönhatásba lép a $ \ ce {CO2} $ mindkét dipólusmomentumával, de a $ \ két dipólusának egyikével ce {CO2} $ közelebb van a vízdipólushoz. Tehát sematikusan megkapja
H O=C=O O H
Ha a $ \ ce {CO2} $ , ezt nem látnánk.
Matematikailag ez azért történik, mert a tér 3D. A két töltés közötti erő a távolságuk négyzetével csökken.
Válasz
Az előző válaszok az mpprogram6771 és MSalters leszögezte .Szeretném hozzátenni, hogy mivel a $ \ ce {CO2} $ egy nagyon kicsi molekula, kis erőfeszítéssel beállíthat egy kis numerikus kísérletezzen, hogy megválaszolja saját kérdését, és csak egy szabad / nyílt forráskódú szoftver segítségével hozzávetőleges részleges töltéseket kapjon az egyes molekulákban és az egész molekula dipólusmomentumában.
Először telepítenie kell a molekuláris modellező szoftvert a a géped. A legjobban a Avogadro tetszik. Csodálatos használhatósággal és számos funkcióval rendelkezik vegyületeid megtervezéséhez és megjelenítéséhez. Ghemical szintén jó volt, de úgy tűnik, hogy évek óta nincs karbantartva. Már nem tudtam rendesen működni.
A gépemben Ubuntu MATE 18.04 (GNU / Linux változat) mint operációs rendszer. Ott képes vagyok telepíteni az Avogadrót egy egyszerű paranccsal a terminálba:
sudo apt-get install avogadro
Az Avogadro segítségével összeállíthatja a $ \ ce {CO2} $ , kettős kötéssel csatlakozik a szénatomhoz és mindkét oxigénatomhoz. A molekuláris szerkesztőn kívül szüksége lesz egy másik szoftverre, amely képes összegyűjteni az összegyűjtött molekula adatait és kvantummechanikai számítások sorozatát végezni rajta, hogy hozzávetőleges választ adjon kérdéseire.
A kvantummechanikai szoftverek sokfélesége létezik, amint azt a Wikipédia ezen oldala is mutatja. Sajnos az IMHO széttöredezett a szabad / nyílt forráskódú eszközök terén, és a legtöbb használhatóság szempontjából messze elmarad az Avogadrótól, elakadt az 1980-as évek átlagos felhasználóbarát szintjén (néha a saját maga által összeállított szinten) ), és a szabadalmaztatott alternatívák korlátozó engedélyekkel rendelkeznek és / vagy szemet gyönyörködtetőek, intézményi hovatartozás nélküli emberek számára nem elérhetőek. Az Academia rosszul bánik önkéntes eszközkészítőivel, mivel a matematika néhány nagyszerű embere mondhatja neked, első kézből . Előbb vagy utóbb ezt meg kell oldanunk. Szükségünk van egy William Stein -re a számítási kémia területén. Csak remélem, hogy jobb bánásmódban részesül, miután fokozta a feladatot.
Az Avogadro bemeneti generátor által támogatott számos csomag közül mégis a Psi4 ajánlom kezdőnek. Olyan egyszerűen telepíthető, mint az Avogadro, ha Ubuntu vagy bármely Debian alapú terjesztés alatt áll.
sudo apt-get install psi4
jól dokumentált webhelyük van , az oktatással foglalkozó szakasszal egyszerű projektekkel és barátságos üzenőfalakkal . Az Ubuntu adattárban elérhető verzió működőképes, de 2020-tól március 1-jétől meglehetősen elavult, 1.1.5-ös. Ha valaki komolyan gondolja, hogy megtanulja, azt tanácsolom, hogy töltse le közvetlenül a webhelyéről. A legújabb stabil verzió, március 2020, 1.3.2. De a válasz kedvéért elegendő a lerakat alapértelmezett értéke.
Miután összeállította a molekuláját és elvégzett néhány előzetes geometriai optimalizálást az Avogadro-n belül, előállíthat egy előzetes beviteli szövegfájlt a Psi4 beépülő moduljával az Extrák → PSI4 . Az előzetes verzióm így kezdődött:
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")
Az Avogadro plugin a Psi4-hez nagyon egyszerű, ezért kézzel kell beállítanunk a sablont. Az új csomag használatának megtanulása során remek dolog egy jó sablonkészlet, amelyet megváltoztathat az igényeinek megfelelően. Több ilyen kellene. De először is nézzük meg, mi van a proto-bemenetünkön. Három szakasza van. Az első szakasz megad egy alapkészletet , aug-cc -pVDZ (a számítási vegyészek imádják az ábécé levest ünnepelni). Röviden: az alapkészlet egy zsűri által összeállított, könnyen kiszámítható matematikai függvénykészlet, amelyet a valós, nehezen kiszámítható atomi és molekuláris pályák utánozzák, hasonló:
A második szakasz tartalmazza a molekula minden atomjának x, y, z koordinátáit, valamint teljes töltését (ebben az esetben 0) és sokaságát (ebben az esetben 1, mivel az összes elektron párosul). megmondja, hogy milyen információt akarunk kiszámítani a kezdeti információinkból, ebben az esetben a molekula optimális geometriáját (optimalizálni), és a feldolgozásához választott algoritmikus gépet, jelen esetben a B3LYP-D-t (egy másik ábécés leves adagja) ), a sűrűségfunkciós elmélet (DFT) .
Az Avogadro által létrehozott sablont a következőképpen módosítottam:
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")
A rendszer memóriájának korlátját opcionálisan 4 GB-ra emeltem a rendszer alapértelmezett értékétől, mivel a gépemnek elegendő memóriája van.Mivel a molekula kicsi, és a futási időre gyakorolt hatás valószínűleg elfogadható lesz, a korábbi alap-készletet, az aug-cc-pVDZ-t is módosítottam egy részletesebbre, az aug-cc-pVTZ-re. Hozzáadott egy részt, amely arra kérte a Psi4-et, hogy adjon vissza egy hullámfüggvény (wfn) objektumot a rendszer számára, az energiája mellett (E). Végül, követve a Psi4 kézikönyv útmutatásait itt , felvettem egy szakaszt, amelyben érdekes információkat kértünk, az egyes atomok becsült részleges töltéseit, amelyeket Mulliken elemzés és a becsült dipólus momentum a $ \ ce {CO2} $ molekula.
Most elmenthetjük a szöveges fájlt a bemeneti adatainkkal, és a terminálon futtathatjuk a Psi4-et:
psi4 carbon_dioxide.in
Egy idő után a Psi4 befejezi a futtatást, és eredményeit visszaadja a carbon_dioxide.out nevű kimeneti fájlba, amely hatalmas mennyiségű információval rendelkezik. De az a kérdés, amely jobban érdekli a kérdést, a végén áll:
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!
Az eredmények pontosan azt a helyzetet mutatják, amelyet intuitív módon megjósoltál, és mindkét oxigénatom húzta az elektront a központi szénatomtól távol eső sűrűség és a szénatom kissé pozitívvá, az oxigénatomok pedig kissé negatívvá válnak. Valójában a számítógépet valamiféle erőpáncélként használhattuk az elme számára.
Eleinte intuíciója csak homályos útmutatást tudott nyújtani az elektronsűrűség-átvitel irányában, az oxigéntől a szénig. Ezt megerősíthetjük, és számszerű becslésekkel növelhetjük intuíciónkat, a szénatomban 0,38 elektron átlagos veszteséget és minden oxigénatomban 0,19 elektron átlagos nyereséget. Csodálatos.
A töltésszétválasztás ellenére a kis numerikus kísérletünk eredményei szintén közel nulla dipólusmomentumra mutatnak, amint látjuk. Nem mondja meg, miért. De geometriai megérzéseink kiutat javasolnak. Mivel két oxigénatom van, a töltéselválasztás hatása mindkettőre megszűnhet. A Psi4 kimenete ezt megerősíti, mivel az egyes oxigének részleges töltése az atom négy tizedesjegyen belül megegyezik, és mindkettő ellentétes helyzetbe kerül egy lineáris geometriában.
Hasonló molekula van, de a töltéselválasztás törlésének lehetősége nélkül $ \ ce {CO} $ , szén-monoxid , egyetlen oxigénnel. Összehasonlítás céljából létrehoztam hozzá az egyenértékű bemeneti fájlt.
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")
És lefuttattam.
psi4 carbon_monoxide.in
Az eredmények ismét a töltéselválasztás bizonyos mértékére utalnak.
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!
De a dipólus ezúttal nem nulla volt, becsült értéke 0,094 körüli volt debye. A Wikipedia cikk a szén-monoxidról mért 0,122 debye értéket ad. Tehát a valós értéknél 23% -kal alacsonyabb becslést kaptunk. A különbség vagy modellünk belső korlátozásaként merülhet fel (a tudomány vs. mérnöki dolgok), vagy azért, mert valahol a Psi4-nek adott bemenetemben vagy a probléma kezelésére vonatkozó feltevéseimben (mindig nagyon valószínű) tapogattam valahol.
Érdekes lenne ellenőrizni a témában szereplő szakirodalmat, ha valaki mélyebbre akar menni. Egyébként az eredmények kontrasztja a $ \ ce {CO2} $ és a $ \ ce {CO} $ span között > mutasson egyértelműen a kölcsönös törlésre, hogy magyarázza a dipól hiányát a $ \ ce {CO2} $ -ban.
Megjegyzések
- Ejha! rengeteg erőfeszítést tett erre! Ez ' egy határozott kedvező szavazat!
- Ezt a hétvégén gondosan átélem. Öt évvel ezelőtt megkérdeztem, hogy Hogyan számolhatom ki egy vízmolekula töltéseloszlását? , és elkezdtem kipróbálni, hogyan kell futtatni a PyQuante , de aztán rájöttem, hogy ' sokkal többet kell olvasnom, mielőtt ' megérteném, mit Én csináltam.
- Wow, ez igazán lenyűgöző. Ki akarom próbálni. Nagyon köszönöm a fáradozását!
Válasz
Tanárom azt mondja, hogy emiatt a CO2 összes atomja egyenlő mértékben töltődik fel, mivel nem lehet nettó “erő”.
Nem hiszem, hogy más válaszok magyarázták, hogy ez miért helytelen. Ha hárompontos töltéskészlet van elrendezve, például $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , akkor könnyű megmutatni, hogy az erők mind megszűnnek, ha $ q / Q = -1 / 4 $ . Ez azonban nem lehet fizikai helyzet, két okból. (1) A nettó töltés $ 2Q + q $ nem nulla, hacsak $ q = Q = 0 $ . (2) Az egyensúly instabil.
Tehát ezen érv alapján, a Coulomb-törvény és a newtoni mechanika alapján, tanárának igaza lenne abban, hogy a vádak nem lehetnek nullák. Azonban még $ q = Q = 0 $ esetén sem stabil az egyensúly. Ebben az esetben egyáltalán nincs kötőerő, így az atomok A valóságban a CO2 meg van kötve.
Általában egyszerűen nem számítunk arra, hogy a klasszikus fizika és az elektrosztatikus erők segítségével meg tudjuk magyarázni az anyag stabilitását. Van egy Earnshaw-tétel nevű tétel, amely azt mutatja, hogy ez lehetetlen. Az anyag stabilitásának magyarázatához kvantumfizikára van szükség.
Vélemény, hozzászólás?