Ist das Kohlenstoffatom im Kohlendioxidmolekül teilweise positiv?
On Februar 3, 2021 by adminIch hatte eine Frage zu unpolaren Molekülen mit symmetrischen Dipolvektoren.
Nehmen wir $ \ ce {CO2} $ als Beispiel. Jede der $ \ ce {C = O} $ -Bindungen zieht in umgekehrter Richtung Mein Lehrer sagt, dass dies dazu führt, dass alle Atome in $ \ ce {CO2} $ gleich geladen werden, da es keine „Nettokraft“ geben darf. P. >
Ich bin jedoch anderer Meinung. Intuitiv scheint es, dass die Sauerstoffatome die Elektronendichte vom zentralen Kohlenstoffatom wegziehen und das Kohlenstoffatom leicht positiv und die Sauerstoffatome leicht negativ machen würden, wie folgt:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Bei diesem Vorgang sollte das Kohlenstoffatom leicht positiv und die Sauerstoffatome leicht negativ sein. Wenn ich jedoch Recht hatte, warum sagen wir dann nicht, dass $ \ ce {CO2} $ einen Dipol hat (es gibt eine Ladungstrennung)? Vielleicht kann ich haben die falsche Definition eines Dipols.
Kommentare
- Es könnte Ihnen helfen, die Definition von „Quadrupol“
- Unpolar ist wohl eine Fehlbezeichnung. Dies bedeutet speziell “ nicht dipolar „. ‚ bedeutet nicht, dass die Ladungsverteilung tatsächlich konstant ist.
- Dort ‚ ist ein Unterschied zwischen einem Molekül ‚ s Gesamtdipol und lokalen Dipolen / Bindungsdipolen innerhalb eines Moleküls. Ein Molekül mit vollständig unpolaren Bindungen kann keinen molekularen Gesamtdipol aufweisen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Moleküle mit polaren Bindungen einen molekularen Gesamtdipol aufweisen müssen – Bindungsdipole sind ein notwendig ry aber nicht ausreichend Zustand. $ \ ce {CO2} $ ist ein Fall eines Moleküls mit Bindungsdipolen, die sich genau aufheben und keinen Gesamtmoleküldipol hinterlassen. Wie bereits erwähnt, hat $ \ ce {CO2} $ jedoch einen Quadrupol -Moment.
- @JohnHon Don ‚ t Vergessen Sie, eine Antwort zu akzeptieren!
Antwort
Sie gehen zu Recht davon aus, dass sich das Kohlenstoffatom in $ \ ce {CO2} $ hat eine teilweise positive Ladung. Dies liegt daran, dass die Sauerstoffatome viel elektronegativer sind, so dass sie die Elektronen vom Kohlenstoffatom wegziehen Das Molekül ist immer noch unpolar. Dies liegt daran, dass Sie beim Zeichnen eines Dipolmoments alle Bindungen berücksichtigen müssen. Nehmen Sie zum Beispiel Wasser:
In diesem Molekül gibt es zwei Bindungen mit jeweils einem eigenen Dipol. Diese heben sich jedoch wie alle anderen Vektoren auf und verlassen sie Sie mit einem vertikalen net Dipol. Die Dipole in Kohlendioxid heben sich auf ähnliche Weise auf, sie heben sich jedoch vollständig auf, da die Bindung linear ist, nein t gebogen wie in Wasser:
Dies erzeugt einen Netto-Dipol von Null, wodurch das Molekül unpolar wird.
Kommentare
- Dies ist richtig und wir können es tatsächlich testen. Ersetzen Sie eines der O durch ein S, um die Symmetrie zu brechen. Jetzt ist die Richtung des O = C-Dipols genau entgegengesetzt zu der des C = S-Dipols, aber die Größen sind nicht gleich, daher erhalten wir ein Netto-Dipolmoment (von 0,65 D gemäß en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- aber wenn der Kohlenstoff positiv ist, kann sicherlich der teilweise negative Sauerstoff eines anderen CO2-Moleküls eine Dipol-Dipol-Bindung mit dem C? bilden.
- Es beeinflusst die Eigenschaften der Verbindung immer noch etwas, weil es fördert Die Moleküle stapeln sich in einem versetzten Muster, aber technisch gesehen ist es immer noch unpolar, da es für ein anderes Molekül keine Möglichkeit gibt, den ‚ eigenen Dipol auf derselben Achse
als Dipol des ursprünglichen Moleküls ‚. ‚ ist unpolar, weil Sie ‚ nicht sagen können, dass eine ganze Seite des Moleküls positiver / negativer ist als die gesamte andere Seite - Denk so darüber nach; Wenn Sie einen perfekten Kreis um das gesamte Molekül gezogen haben und dann eine Linie vom Rand des Kreises durch die Mitte des Moleküls zur gegenüberliegenden Seite des Kreises gezogen haben, dann ist das Molekül unpolar, egal wie Sie Zeichnen Sie die Linie, ein Endpunkt der Linie hat ‚ keine andere Ladung als der andere Endpunkt. Die Linie kann einige unterschiedliche Ladungen auf dem Weg ‚ kreuzen, aber das spielt keine Rolle ‚.So wissen wir, dass es ‚ keinen Nettodipol gibt. Wenn Sie dies mit Wasser versuchen, liegt der größte Unterschied bei den Endpunktladungen entlang des Dipols.
- Diese Antwort ist ein guter Ausgangspunkt, da sie sich auf das idealistische Modell von $ \ mathrm {C} \ mathrm {konzentriert O} _2, $ wobei ‚ zeitgemittelt ist, in einem Vakuum sind beide Sauerstoffatome vom gleichen Isotop, dort ‚ Es gibt keine signifikanten Felder usw. Als einfache, informative Idealisierung ist es ‚ eine großartige Information, die zuerst präsentiert wird – aber es sollte immer noch beachtet werden, dass diese Idealisierung eine
Startplatz statt einer vollständigen Beschreibung. Es kann sinnvoll sein, diese Einschränkung zu beachten und dann auf einige der anderen Antworten zu verweisen, die von diesem Ausgangspunkt aus erstellt werden.
Antwort
Die anderen Antworten haben großartige Arbeit geleistet und erklärt, warum $ \ ce {CO2} $ keinen permanenten Dipol besitzt: das Molekül. s Symmetrie hebt die Polarität seiner Bindungen auf.
Aber das ist nicht die ganze Geschichte. Ich möchte noch eine sehr interessante und umweltrelevante Eigenschaft von $ \ ce {CO2} $ hinzufügen – nämlich, dass es keine permanente
Insbesondere $ \ ce {CO2} $ fehlt nur dann ein Dipol, wenn der Zwei Sauerstoffatome sind beide gleich weit vom Kohlenstoff entfernt und mit diesem ausgerichtet. Im symmetrischen Schwingungsmodus von $ \ ce {CO2} $ wird diese Symmetrie beibehalten. $ \ ce {CO2} $ verfügt jedoch über drei weitere Schwingungsmodi: einen linearen asymmetrischen Schwingungsmodus und zwei Biegeschwingungsmodi (die Sammlung ist hier gut dargestellt: Ist Kohlendioxid-IR inaktiv? ).
Warum ist dies für die Umwelt wichtig? Damit $ \ ce {CO2} $ IR-Licht absorbieren kann (d. H. Damit es ein Treibhausgas ist), muss es einen Dipol haben. Und dies vorübergehend aufgrund dieser asymmetrischen Schwingungsmodi.
Diese von Karsten Theis hinzugefügte Animation zeigt die Dipole, die dynamisch von einem der $ \ ce {erzeugt werden Biegemodi von CO2} $ (auch bekannt als “ The Floss „):
[Laut Karsten ist die “ GIF erfolgt über jsmol von molcalc.org, wobei der Pfeil mit Camtasia “ hinzugefügt wird.]
Kommentare
- Ich möchte nur darauf hinweisen, dass in dem Bild, das Sie haben, die Sauerstoffatome immer noch gleich weit vom Kohlenstoff entfernt sind.
- Leichte Bearbeitung, um es klar zu machen – es ‚ ist nicht nur Äquidistanz, es ‚ ist Vektorausrichtung. Übrigens scheint die abgebildete Vibration einer der Biegemodi zu sein.
- @gardenhead Danke, Sie haben natürlich Recht. Ross Presser ‚ s Bearbeitung klärt dies gut auf.
- @RossPresser Vielen Dank für die Bearbeitung, die ich akzeptiert habe.
- @KarstenTheis Ah, sorry, ich missverstanden, wer das GIF hinzugefügt hat. Ich ‚ habe Ihnen die Antwort gutgeschrieben.
Antwort
Sie haben Recht, der Kohlenstoff hat eine positive Ladung. Wir können keinen Dipol messen, aber das beweist nichts. $ \ ce {CO2} $ hat jedoch ein Quadrupolmoment. Stellen Sie sich ein $ \ ce {CO2} $ -Molekül vor, das entlang der $ x $ -Achse ausgerichtet ist, und ein bisschen weiter entlang der $ x $ -Achse gibt es auch ein $ \ ce {H2O} $ -Molekül mit Sein Dipol orientiert sich an der $ x $ -Achse. Sein Dipolmoment interagiert mit beiden Dipolmomenten von $ \ ce {CO2} $ , aber einem der beiden Dipole in $ \ ce {CO2} $ liegt näher am Wasserdipol. Schematisch erhalten Sie also
H O=C=O O H
Wenn auf dem $ \ ce {CO2} $
Mathematisch geschieht dies, weil der Raum 3D ist. Kräfte zwischen zwei Ladungen fallen mit dem Quadrat ihrer Entfernung ab.
Antwort
Die vorherigen Antworten von mpprogram6771 und MSalters haben es geschafft .Ich möchte hinzufügen, dass $ \ ce {CO2} $ ein sehr kleines Molekül ist und Sie mit ein wenig Aufwand eine kleine Zahl einrichten können Experimentieren Sie, um Ihre eigene Frage zu beantworten und sogar ungefähre Teilladungen in jedem Atom und Dipolmoment des gesamten Moleküls zu erhalten, indem Sie nur freie / Open-Source-Software verwenden.
Zuerst müssen Sie molekulare Modellierungssoftware in installieren Ihre Maschine. Die, die mir am besten gefällt, ist Avogadro . Sie bietet eine wunderbare Benutzerfreundlichkeit und viele Funktionen zum Entwerfen und Visualisieren Ihrer Verbindungen. Ghemical war auch gut, aber es scheint seit Jahren nicht mehr gewartet zu werden. Ich konnte es nicht mehr richtig zum Laufen bringen.
In meiner Maschine verwende ich Ubuntu MATE 18.04 (eine GNU / Linux-Variante) als Betriebssystem. Dort kann ich Avogadro mit einem einfachen Befehl im Terminal installieren:
sudo apt-get install avogadro
Mit Avogadro können Sie die $ \ ce {CO2} $ , wobei das Kohlenstoffatom und beide Sauerstoffatome mit Doppelbindungen verbunden werden. Über den molekularen Editor hinaus benötigen Sie eine weitere Software, mit der Sie die Daten des von Ihnen zusammengesetzten Moleküls erfassen und eine Reihe quantenmechanischer Berechnungen durchführen können, um eine ungefähre Antwort auf Ihre Fragen zu erhalten.
Es gibt eine große Auswahl an quantenmechanischer Software, wie diese Seite auf Wikipedia zeigt. Leider ist meiner Meinung nach die Landschaft der Free / Open Source-Tools in diesem Bereich fragmentiert und liegt in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit weit hinter Avogadro zurück. Dies liegt an der durchschnittlichen Benutzerfreundlichkeit der 1980er Jahre (manchmal auf der Ebene der Selbstkompilierung) ), und die proprietären Alternativen haben restriktive Lizenzen und / oder sind unglaublich teuer, außerhalb der Reichweite von Personen ohne institutionelle Zugehörigkeit. Die Wissenschaft behandelt ihre freiwilligen Werkzeugmacher schlecht, wie einige große Leute in der Mathematik Ihnen sagen können, aus erster Hand . Früher oder später müssen wir das beheben. Wir brauchen einen William Stein in der Computerchemie. Ich hoffe nur, dass er / sie eine bessere Behandlung erhält, nachdem er sich der Aufgabe gestellt hat.
Unter den verschiedenen Paketen, die vom Avogadro-Eingangsgenerator unterstützt werden, empfehle ich Psi4 für Anfänger. Es ist so einfach zu installieren wie Avogadro, wenn Sie unter Ubuntu oder einer Debian -basierten Distribution arbeiten.
sudo apt-get install psi4
Sie haben eine gut dokumentierte Site mit einem Abschnitt, der der Bildung gewidmet ist mit einfachen Projekten und freundlichen Message Boards . Die im Ubuntu-Repository verfügbare Version ist funktionsfähig, aber ab März 2020 ziemlich veraltet (1.1.5). Wenn Sie es ernst meinen, empfehle ich, sie direkt von ihrer Website herunterzuladen. Die neueste stabile Version als März 2020 ist 1.3.2. Für diese Antwort ist jedoch die Standardeinstellung des Repositorys ausreichend.
Nachdem Sie Ihr Molekül zusammengesetzt und eine vorläufige Geometrieoptimierung in Avogadro durchgeführt haben, können Sie mit dem Psi4-Plugin unter Menü Extras → PSI4 . Meine vorläufige Version begann folgendermaßen:
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")
Das Avogadro-Plugin für Psi4 ist sehr einfach, daher müssen wir die Vorlage von Hand optimieren. Eine Reihe guter Vorlagen, die Sie an Ihre Bedürfnisse anpassen können, ist eine gute Sache, wenn Sie lernen, ein neues Paket zu verwenden. Wir sollten mehr davon haben. Aber als erstes wollen wir sehen, was wir an unserem Proto-Eingang haben. Er besteht aus drei Abschnitten. Der erste Abschnitt gibt einen Basissatz an, aug-cc -pVDZ (Computerchemiker lieben es, sich mit Alphabetsuppe zu beschäftigen). Kurz gesagt, ein Basissatz ist ein von der Jury zusammengesetzter Satz einfach zu berechnender mathematischer Funktionen, die die realen, schwer zu berechnenden Atom- und Molekülorbitale emulieren. Art wie folgt:
Der zweite Abschnitt enthält die x-, y- und z-Koordinaten jedes Atoms im Molekül sowie dessen Gesamtladung (in diesem Fall 0) und Multiplizität (in diesem Fall 1, da alle Elektronen gepaart sind). Der dritte Abschnitt gibt an, welche Art von Informationen wir aus unseren Anfangsinformationen berechnen möchten, in diesem Fall die optimale Geometrie des Moleküls (optimieren) und die algorithmische Maschinerie, die für die Verarbeitung ausgewählt wurde, in diesem Fall B3LYP-D (eine weitere Portion Alphabetsuppe) ), eine Variante von Dichtefunktionaltheorie (DFT) .
Ich habe die von Avogadro generierte Vorlage wie folgt geändert:
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")
Ich habe die Begrenzung des Systemspeichers optional auf 4 GB erhöht, da mein Computer über eine gute Speichermenge verfügt.Da das Molekül klein ist und die Auswirkungen auf die Laufzeit wahrscheinlich akzeptabel sind, habe ich auch den vorherigen Basissatz, aug-cc-pVDZ, in einen detaillierteren, aug-cc-pVTZ, geändert. Außerdem wurde ein Abschnitt hinzugefügt, in dem Psi4 aufgefordert wird, neben seiner Energie (E) ein Wellenfunktionsobjekt (wfn) für das System zurückzugeben. Schließlich habe ich gemäß den Anweisungen im Psi4-Handbuch hier einen Abschnitt hinzugefügt, in dem wir nach unseren interessanten Informationen gefragt werden, den geschätzten Teilladungen für jedes Atom, die von Mulliken-Analyse und das geschätzte Dipolmoment auf dem $ \ ce {CO2} $ -Molekül.
Jetzt können wir die Textdatei mit unseren Eingabedaten speichern und Psi4 im Terminal ausführen:
psi4 carbon_dioxide.in
Nach einiger Zeit beendet Psi4 den Lauf und gibt seine Ergebnisse an eine Ausgabedatei mit dem Namen carbon_dioxide.out zurück, die eine große Menge an Informationen enthält. Der Abschnitt, der für Ihre Frage von größerem Interesse ist, befindet sich jedoch am Ende:
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!
Die Ergebnisse zeigen genau die Situation an, die Sie intuitiv vorhergesagt haben, wobei beide Sauerstoffatome Elektronen ziehen Dichte weg vom zentralen Kohlenstoffatom und das Kohlenstoffatom wird leicht positiv und die Sauerstoffatome leicht negativ. Tatsächlich konnten wir den Computer als eine Art Kraftpanzerung für den Geist verwenden.
Zunächst konnte Ihre Intuition nur vage Hinweise in Richtung der Übertragung der Elektronendichte von Sauerstoff auf Kohlenstoff geben. Jetzt können wir dies bestätigen und unsere Intuition durch numerische Schätzungen erweitern, einen durchschnittlichen Verlust von 0,38 Elektronen im Kohlenstoffatom und einen durchschnittlichen Gewinn von 0,19 Elektronen in jedem Sauerstoffatom. Wunderbar.
Trotz der Ladungstrennung weisen die Ergebnisse unseres kleinen numerischen Experiments, wie wir sehen, auch auf ein Dipolmoment nahe Null hin. Es sagt uns nicht explizit warum. Aber unsere geometrische Intuition schlägt einen Ausweg vor. Da es zwei Sauerstoffatome gibt, kann sich der Effekt der Ladungstrennung auf beide aufheben. Die Ausgabe von Psi4 bestätigt dies als Teilladung auf jedem Sauerstoff Das Atom ist innerhalb von vier Dezimalstellen gleich und beide nehmen in einer linearen Geometrie entgegengesetzte Positionen ein.
Es gibt ein ähnliches Molekül, aber ohne die Möglichkeit einer Aufhebung der Ladungstrennung, $ \ ce {CO} $ , Kohlenmonoxid mit einem einzigen Sauerstoff. Um einen Vergleich durchzuführen, habe ich die entsprechende Eingabedatei dafür erstellt.
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")
Und sie ausgeführt.
psi4 carbon_monoxide.in
Wiederum weisen die Ergebnisse auf ein gewisses Maß für die Ladungstrennung hin.
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!
Diesmal war der Dipol jedoch ungleich Null mit einem geschätzten Wert um 0,094 Debye. Der Wikipedia-Artikel über Kohlenmonoxid gibt uns einen Messwert von 0,122 debye. Wir haben also eine Schätzung erhalten, die um 23% unter dem realen Wert liegt. Der Unterschied kann entweder als intrinsische Einschränkung unseres Modells (der Sache Wissenschaft gegen Technik) oder weil ich irgendwo in den Eingaben, die ich Psi4 gegeben habe, oder in meinen Annahmen zur Behandlung des Problems (immer sehr wahrscheinlich) herumgefummelt haben.
Es wäre interessant, die Literatur zu diesem Thema zu überprüfen, wenn man tiefer gehen möchte. Wie auch immer, der Kontrast in den Ergebnissen zwischen $ \ ce {CO2} $ und $ \ ce {CO} $ weisen Sie deutlich auf die gegenseitige Aufhebung hin, um das Fehlen eines Dipols in $ \ ce {CO2} $ zu erklären.
Kommentare
- Wow! Sie geben sich eine Menge Mühe! Das ‚ ist definitiv eine positive Abstimmung!
- Ich werde dies dieses Wochenende sorgfältig durchgehen. Vor fünf Jahren fragte ich Wie kann ich die Ladungsverteilung eines Wassermoleküls berechnen? Und begann herauszufinden, wie PyQuante , aber dann wurde mir klar, dass ich ‚ viel mehr lesen muss, bevor ich ‚ verstehe, was Ich habe es getan.
- Wow, das ist wirklich beeindruckend. Ich möchte es versuchen. Vielen Dank für Ihre Mühe!
Antwort
Mein Lehrer sagt, dass dadurch alle Atome in CO2 gleich geladen werden, da es keine „Nettokraft“ geben darf.
Ich glaube nicht, dass das Andere Antworten haben erklärt, warum dies falsch ist. Wenn Sie einen Satz von Dreipunktgebühren haben, die wie $ Q $ … angeordnet sind $ q $ … $ Q $ , dann ist es einfach zu zeigen, dass sich alle Kräfte aufheben, wenn $ q / Q = -1 / 4 $ . Dies kann jedoch aus zwei Gründen nicht die physische Situation sein. (1) Die Nettoladung $ 2Q + q $ ist ungleich Null, es sei denn, $ q = Q = 0 $ . (2) Das Gleichgewicht ist instabil.
Basierend auf diesem Argument unter Verwendung des Coulombschen Gesetzes und der Newtonschen Mechanik hätte Ihr Lehrer tatsächlich Recht, dass die Gebühren nicht ungleich Null sein können. Selbst im Fall von $ q = Q = 0 $ ist das Gleichgewicht jedoch nicht stabil. In diesem Fall gibt es überhaupt keine Bindungskraft, also die Atome würde einfach abdriften. In Wirklichkeit ist CO2 gebunden.
Im Allgemeinen erwarten wir einfach nicht, die Stabilität der Materie mit klassischer Physik und elektrostatischen Kräften erklären zu können. Es gibt einen Satz namens Earnshaws Satz , der zeigt, dass dies unmöglich ist. Quantenphysik ist erforderlich, um die Stabilität der Materie zu erklären.
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