Latomo di carbonio nella molecola di anidride carbonica è parzialmente positivo?
Su Febbraio 3, 2021 da adminAvevo una domanda sulle molecole non polari che hanno vettori di dipolo simmetrici.
Prendiamo $ \ ce {CO2} $ come esempio. Ciascuno dei legami $ \ ce {C = O} $ si sta comportando in modo opposto Il mio insegnante dice che questo fa sì che tutti gli atomi in $ \ ce {CO2} $ siano ugualmente caricati in quanto non deve “esserci alcuna” forza “netta.
Tuttavia, non sono daccordo. Intuitivamente, sembra che gli atomi di ossigeno allontanerebbero la densità elettronica dallatomo di carbonio centrale e renderebbero latomo di carbonio leggermente positivo e gli atomi di ossigeno leggermente negativi, in questo modo:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Questo processo dovrebbe rendere latomo di carbonio leggermente positivo e gli atomi di ossigeno leggermente negativi. Tuttavia, se avevo ragione, perché non diciamo che $ \ ce {CO2} $ ha un dipolo (cè una separazione di carica)? Forse posso hanno la definizione sbagliata di un dipolo.
Commenti
- Potrebbe aiutarti a cercare la definizione di “quadrupolo”
- Vedere Quadrupolo di una molecola
- Non polare è probabilmente un nome improprio. Significa specificamente ” non dipolare “. ‘ non significa che la distribuzione della carica sia effettivamente costante.
- Lì ‘ è una differenza tra una molecola ‘ s generale dipolo e dipoli locali / dipoli di legame allinterno di una molecola. Una molecola con legami completamente non polari non può avere un dipolo molecolare complessivo. Tuttavia, questo non implica che le molecole con legami polari debbano avere un dipolo molecolare complessivo – avere dipoli di legame è un necessa ry ma non sufficiente condizione. $ \ ce {CO2} $ è il caso di una molecola con dipoli di legame che si annullano esattamente e non lasciano alcun dipolo molecolare complessivo. Tuttavia, come è stato affermato, $ \ ce {CO2} $ ha un momento quadrupolo .
- @JohnHon Don ‘ t dimentica di accettare una risposta!
Risposta
Hai ragione nel presumere che latomo di carbonio in $ \ ce {CO2} $ ha una carica positiva parziale. Questo perché gli atomi di ossigeno sono molto più elettronegativi, quindi allontanano gli elettroni dallatomo di carbonio. Tuttavia, questo la molecola è ancora non polare. Questo perché, quando disegni un momento di dipolo, devi tenere conto di tutti i legami. Prendi lacqua per esempio:
In questa molecola ci sono due legami, ciascuno con il proprio dipolo. Ma questi si annullano come qualsiasi altro vettore, lasciando voi con un dipolo netto verticale. I dipoli in anidride carbonica si annullano in modo simile; tuttavia si annullano completamente, perché il legame è lineare, no t piegato come in acqua:
Questo produce un dipolo netto zero, rendendo la molecola non polare.
Commenti
- Questo è corretto e possiamo effettivamente testarlo. Sostituisci uno degli O con una S per rompere la simmetria, Ora la direzione del dipolo O = C è esattamente opposta a quella del dipolo C = S, ma le magnitudini non sono uguali, quindi otteniamo un momento di dipolo netto (di 0,65 D, secondo en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- ma se il carbonio è positivo, allora sicuramente lossigeno parzialmente negativo di unaltra molecola di CO2 può formare un legame dipolo dipolo con la C?
- In qualche modo influisce sulle proprietà del composto, perché incoraggia le molecole si impilano in uno schema sfalsato, ma tecnicamente è ancora non polare, poiché non cè modo per unaltra molecola di allinearlo ‘ al proprio dipolo sullo stesso asse come la molecola originale ‘ s dipolo. ‘ non polare perché non puoi ‘ dire che un intero lato della molecola è più positivo / negativo dellintero altro lato
- Pensaci in questo modo; Se hai disegnato un cerchio perfetto attorno allintera molecola, e poi hai disegnato una linea dal bordo del cerchio, attraverso il centro della molecola, al lato opposto del cerchio, allora se la molecola è non polare, allora non importa come tu traccia la linea, un punto finale della linea non ‘ avrà un addebito diverso rispetto allaltro punto finale. La linea può incrociare alcuni addebiti diversi su di essa ‘, ma questo non ‘ ha importanza.È così che sappiamo che ‘ non cè dipolo netto. Se lo provi con lacqua, la differenza più forte nelle cariche dellendpoint è lungo il dipolo.
- Questa risposta è un ottimo punto di partenza perché si concentra sul modello idealistico di $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ dove ‘ media nel tempo, nel vuoto, entrambi gli atomi di ossigeno hanno lo stesso isotopo, lì ‘ non ci sono campi significativi, ecc. Come semplice idealizzazione informativa, ‘ è unottima informazione da presentare per prima, ma va comunque notato che questa idealizzazione è un luogo di partenza piuttosto che una descrizione completa. Potrebbe valere la pena notare questa limitazione, quindi indicare alcune delle altre risposte che si basano su questo punto di partenza.
Risposta
Le altre risposte hanno fatto un ottimo lavoro spiegando perché, anche se i suoi legami sono polari, a $ \ ce {CO2} $ manca un dipolo permanente: la molecola ” La simmetria annulla la polarità dei suoi legami.
Ma non è tutta la storia. “Vorrei aggiungere a questo una caratteristica molto interessante e importante dal punto di vista ambientale di $ \ ce {CO2} $ – vale a dire che, mentre manca di un permanente dipolo, mostra dipoli transitori (dinamici).
In particolare, $ \ ce {CO2} $ manca di un dipolo solo quando il due ossigeni sono entrambi equidistanti e allineati al carbonio. Nella modalità vibrazionale simmetrica di $ \ ce {CO2} $ “, tale simmetria viene mantenuta. Ma $ \ ce {CO2} $ ha altre tre modalità vibrazionali: una modalità vibrazionale asimmetrica lineare e due modalità vibrazionali flettenti (la raccolta è ben raffigurata qui: LIR diossido di carbonio è inattivo? ).
Perché questo è importante dal punto di vista ambientale? Affinché $ \ ce {CO2} $ assorba la luce IR (cioè, affinché sia un gas serra), deve avere un dipolo. E lo fa, transitoriamente, a causa di queste modalità vibrazionali asimmetriche.
Questa animazione, aggiunta da Karsten Theis, mostra i dipoli creati dinamicamente da uno dei $ \ ce { Modalità di piegatura CO2} $ “s (note anche come ” The Floss “):
[Secondo Karsten, il ” GIF è tramite jsmol da molcalc.org, con la freccia aggiunta utilizzando Camtasia “.]
Commenti
- Faccio solo notare che nella foto che hai, gli ossigeni sono ancora equidistanti dal carbonio.
- Leggera modifica per renderlo più chiaro – ‘ non è solo equidistanza, è ‘ allineamento vettoriale. A proposito, la vibrazione nella foto sembra essere una delle modalità di piegatura.
- @gardenhead Grazie, ovviamente hai ragione Ross Presser ‘ s la modifica lo chiarisce bene.
- @RossPresser Grazie per la modifica, che ho accettato.
- @KarstenTheis Ah, scusa, io frainteso chi ha aggiunto la gif. ‘ ti ho accreditato nella risposta.
Risposta
Hai ragione, il carbonio ha una carica positiva. Non possiamo misurare un dipolo, ma questo non prova nulla. Tuttavia, $ \ ce {CO2} $ non ha un momento di quadrupolo. Immagina una molecola $ \ ce {CO2} $ orientata lungo lasse $ x $ e un po più avanti lungo lasse $ x $ cè anche una molecola $ \ ce {H2O} $ con il suo dipolo è orientato lungo lasse $ x $ . Il suo momento di dipolo interagisce con entrambi i momenti di dipolo di $ \ ce {CO2} $ , ma uno dei due dipoli in $ \ ce {CO2} $ è più vicino al dipolo dellacqua. Quindi, schematicamente ottieni
H O=C=O O H
Se non cera distribuzione di addebiti sul $ \ ce {CO2} $ , non lo vedremmo.
Matematicamente, questo accade perché lo spazio è 3D. Le forze tra due cariche diminuiscono con il quadrato della loro distanza.
Risposta
Le risposte precedenti di mpprogram6771 e MSalters lha inchiodato .”Vorrei aggiungere che, poiché $ \ ce {CO2} $ è una molecola molto piccola, puoi, con un po di sforzo, impostare un piccolo valore numerico sperimentare per rispondere alla tua domanda e persino ottenere cariche parziali approssimative in ciascun atomo e momento di dipolo dellintera molecola, utilizzando solo software gratuito / open source.
Innanzitutto, devi installare un software di modellazione molecolare in la tua macchina. Quello che mi piace di più è Avogadro . Ha una straordinaria usabilità e molte funzioni per progettare e visualizzare i tuoi composti. Ghemical era buono, ma sembra che non sia più mantenuto da anni ormai. Non riuscivo più a farlo funzionare correttamente.
Nella mia macchina utilizzo Ubuntu MATE 18.04 (una variante GNU / Linux) come sistema operativo. Lì posso installare Avogadro con un semplice comando nel terminale:
sudo apt-get install avogadro
Con Avogadro puoi assemblare il $ \ ce {CO2} $ , che unisce latomo di carbonio ed entrambi gli atomi di ossigeno con doppi legami. Oltre alleditor molecolare, avrai bisogno di un altro software, in grado di prendere i dati sulla molecola che hai assemblato e fare una serie di calcoli di meccanica quantistica su di essa, per darti una risposta approssimativa alle tue domande.
Esiste una grande varietà di software di meccanica quantistica, come mostra questa pagina su Wikipedia. Sfortunatamente, IMHO il panorama degli strumenti gratuiti / open source in questo campo è frammentato e la maggior parte è molto indietro rispetto ad Avogadro in termini di usabilità, bloccato nel livello medio di facilità duso degli anni 80 (a volte a livello di compilazione da soli ), e le alternative proprietarie hanno licenze restrittive e / o sono allettanti e costose, fuori dalla portata di persone senza affiliazione istituzionale. Il mondo accademico tratta male i suoi creatori di strumenti volontari, come alcuni grandi persone in matematica possono dirti, in prima persona . Prima o poi dovremo rimediare. Abbiamo bisogno di un William Stein in chimica computazionale. Spero solo che riceva un trattamento migliore dopo aver intensificato il compito.
Tuttavia, tra i numerosi pacchetti supportati dal generatore di input di Avogadro, la mia raccomandazione è Psi4, per un principiante. È facile da installare come Avogadro, se utilizzi Ubuntu o qualsiasi distribuzione basata su Debian .
sudo apt-get install psi4
Hanno un sito ben documentato , con una sezione dedicata allistruzione con progetti semplici e bacheche di messaggi amichevoli. La versione disponibile nel repository di Ubuntu è funzionale, ma abbastanza obsoleta, 1.1.5, a partire da marzo 2020. Se si vuole seriamente impararla, il mio consiglio è di scaricarla direttamente dal loro sito. Lultima versione stabile di marzo 2020 è la 1.3.2. Ma per il bene di questa risposta, il valore predefinito del repository è sufficiente.
Dopo aver assemblato la tua molecola e aver eseguito alcune ottimizzazioni preliminari della geometria allinterno di Avogadro, puoi generare un file di testo di input preliminare con il suo plugin Psi4 nel menu Extra → PSI4 . La mia versione preliminare è iniziata così:
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")
Il plugin Avogadro per Psi4 è molto semplice, quindi avremo bisogno di mettere a punto il modello a mano. Una serie di buoni modelli che puoi modificare in base alle tue esigenze è unottima cosa da avere quando impari a usare un nuovo pacchetto. Dovremmo averne di più. Ma prima di tutto, vediamo cosa abbiamo sul nostro proto-input. Ha tre sezioni. La prima sezione specifica un set di base , aug-cc -pVDZ (i chimici computazionali amano banchettare con la zuppa di alfabeto). In breve, un set di base è un insieme di funzioni matematiche facili da calcolare, utilizzato per emulare gli orbitali atomici e molecolari reali e difficili da calcolare, in questo modo:
La seconda sezione ha le coordinate x, y, z di ogni atomo della molecola e anche la sua carica complessiva (in questo caso 0) e molteplicità (in questo caso 1, poiché tutti gli elettroni sono accoppiati). dice che tipo di informazioni vogliamo calcolare dalle nostre informazioni iniziali, in questo caso, la geometria ottimale della molecola (ottimizza) e il meccanismo algoritmico scelto per elaborarla, in questo caso, B3LYP-D (unaltra porzione di zuppa alfabetica ), una variante di teoria del funzionale della densità (DFT) .
Ho modificato il modello generato da Avogadro come segue:
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")
Ho facoltativamente aumentato il limite sulla memoria di sistema a 4 GB, dal valore predefinito del sistema, poiché la mia macchina ha una buona quantità di memoria.Poiché la molecola è piccola e limpatto sul runtime sarà probabilmente accettabile, ho anche cambiato il precedente set di base, aug-cc-pVDZ, con uno più dettagliato, aug-cc-pVTZ. Aggiunta anche una sezione che chiede a Psi4 di restituire un oggetto funzione donda (wfn) per il sistema, oltre alla sua energia (E). Infine, seguendo la guida del manuale di Psi4 qui , ho aggiunto una sezione che richiede le nostre informazioni di interesse, le cariche parziali stimate su ciascun atomo, fornite da Analisi Mulliken e il momento di dipolo stimato sul $ \ ce {CO2} $ molecola.
Ora possiamo salvare il file di testo con i nostri dati di input ed eseguire Psi4 nel terminale:
psi4 carbon_dioxide.in
Dopo un po di tempo, Psi4 finirà lesecuzione e restituirà i risultati a un file di output chiamato carbon_dioxide.out che contiene unenorme quantità di informazioni. Ma la sezione di maggiore interesse per la tua domanda è proprio alla fine:
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!
I risultati indicano esattamente la situazione che hai previsto intuitivamente, con entrambi gli atomi di ossigeno che tirano lelettrone densità di distanza dallatomo di carbonio centrale e dallatomo di carbonio che diventa leggermente positiva e gli atomi di ossigeno leggermente negativi. In effetti, siamo stati in grado di utilizzare il computer come una sorta di armatura potenziata per la mente.
Allinizio, la tua intuizione poteva solo fornire una guida vaga nella direzione del trasferimento della densità elettronica, dallossigeno al carbonio. Ora possiamo confermarlo e aumentare la nostra intuizione con stime numeriche, una perdita media di 0,38 elettroni nellatomo di carbonio e un guadagno medio di 0,19 elettroni in ogni atomo di ossigeno. Meraviglioso.
Nonostante la separazione della carica, i risultati del nostro piccolo esperimento numerico indicano anche un momento di dipolo vicino allo zero, come vediamo. Non ci dice esplicitamente perché. Ma la nostra intuizione geometrica suggerisce una via duscita. Poiché ci sono due atomi di ossigeno, leffetto della separazione della carica su entrambi può annullarsi. Luscita di Psi4 lo conferma, poiché la carica parziale su ciascun ossigeno atomo è lo stesso entro quattro cifre decimali ed entrambi assumono posizioni opposte in una geometria lineare.
Esiste “una molecola simile, ma senza la possibilità di annullare la separazione di carica, $ \ ce {CO} $ , monossido di carbonio , con un singolo ossigeno. Per fare un confronto, ho creato il file di input equivalente.
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")
E lho eseguito.
psi4 carbon_monoxide.in
Ancora una volta i risultati indicano una certa misura della separazione di carica.
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!
Ma questa volta il dipolo era diverso da zero, con un valore stimato intorno a 0,094 debye. L articolo di Wikipedia sul monossido di carbonio ci fornisce un valore misurato di 0,122 debye. Quindi abbiamo ottenuto una stima inferiore di circa il 23% rispetto al valore reale. La differenza può sorgere o come una limitazione intrinseca del nostro modello (la scienza contro lingegneria), o perché ho armeggiato da qualche parte nellinput che ho dato a Psi4 o nelle mie ipotesi per trattare il problema (sempre molto probabile).
Sarebbe interessante controllare la letteratura sullargomento, se si vuole andare più a fondo. Ad ogni modo, il contrasto nei risultati tra $ \ ce {CO2} $ e $ \ ce {CO} $ indica chiaramente la cancellazione reciproca per spiegare la mancanza di un dipolo in $ \ ce {CO2} $ .
Commenti
- Wow! ci metti un sacco di sforzi! Questo ‘ è decisamente un voto positivo!
- Lo esaminerò attentamente questo fine settimana. Cinque anni fa ho chiesto Come posso calcolare la distribuzione della carica di una molecola dacqua? e ho iniziato a cercare di capire come eseguire PyQuante ma poi mi sono reso conto che ‘ avrei dovuto leggere molto di più prima di ‘ capire cosa Lo stavo facendo.
- Wow, è davvero impressionante. Voglio fare un tentativo. Grazie mille per il tuo impegno!
Rispondi
Il mio insegnante dice che questo fa sì che tutti gli atomi di CO2 siano ugualmente carichi in quanto non deve esserci una “forza” netta.
Non credo che il altre risposte hanno spiegato perché questo è sbagliato. Se disponi di una serie di addebiti a tre punti disposti come $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , allora è “facile dimostrare che tutte le forze vengono annullate quando $ q / Q = -1 / 4 $ . Tuttavia, questa non può essere la situazione fisica, per due ragioni. (1) Laddebito netto $ 2Q + q $ è diverso da zero a meno che $ q = Q = 0 $ . (2) Lequilibrio è instabile.
Quindi, basandosi su questo argomento che utilizza la legge di Coulomb e la meccanica newtoniana, il tuo insegnante avrebbe effettivamente ragione sul fatto che le accuse non possono essere diverse da zero. Tuttavia, anche nel caso di $ q = Q = 0 $ , lequilibrio non è “t stabile. In questo caso non cè alcuna forza di legame, quindi gli atomi In realtà, la CO2 è legata.
In generale, semplicemente non ci aspettiamo di essere in grado di spiegare la stabilità della materia usando la fisica classica e le forze elettrostatiche. Cè un teorema chiamato teorema di Earnshaw che mostra che ciò è impossibile. La fisica quantistica è richiesta per spiegare la stabilità della materia.
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