二酸化炭素分子の炭素原子は部分的に正ですか?
On 2月 3, 2021 by admin対称的な双極子ベクトルを持つ非極性分子について質問がありました。
しかし、私は同意しません。直感的には、酸素原子は電子密度を中央の炭素原子から引き離し、炭素原子をわずかに正にし、酸素原子をわずかに負にするように見えます。
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta-} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta-} {O}} $$
このプロセスにより、炭素原子がわずかに正になり、酸素原子がわずかに負になります。しかし、私が正しければ、 $ \ ce {CO2} $ に双極子がある(電荷の分離がある)と言わないのはなぜですか?おそらく私はそうかもしれません双極子の定義が間違っています。
コメント
答え
あなたは $ \ ce {CO2} $ は部分的に正電荷を帯びています。これは、酸素原子の電気陰性度がはるかに高いため、炭素原子から電子を引き離すためです。ただし、これは分子はまだ無極性です。これは、双極子モーメントを描画するときに、すべての結合を考慮に入れる必要があるためです。たとえば、水を考慮してください。
この分子には、それぞれ独自の双極子を持つ2つの結合がありますが、これらは他のベクトルと同様に相殺され、垂直の net ダイポールを使用します。二酸化炭素のダイポールは同様の方法で相殺されますが、結合が線形であるため、互いに完全に相殺されます。水中のように曲がっている:
これにより、正味の双極子がゼロになり、分子が無極性になります。
コメント
- これは正しいので、実際にテストできます。 Oの1つをSに置き換えて対称性を破ります。これで、O = Cダイポールの方向はC = Sダイポールの方向と正反対になりますが、大きさは等しくないため、正味の双極子モーメントが得られます( en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_icide によると0.65D)。
- しかし、炭素が正の場合、別のCO2分子の部分的に負の酸素がCと双極子双極子結合を形成する可能性がありますか?
- それでも、化合物の特性にいくらか影響を及ぼします。分子は千鳥状に積み重ねられますが、技術的にはまだ無極性です。別の分子が’独自の双極子を同じ軸上に整列させる方法がないためですを元の分子’の双極子として。 ‘分子の一方の側全体がもう一方の側全体よりも正/負であるとは言えないため、’無極性です’ / li>
- このように考えてください。分子全体の周りに完全な円を描いてから、円の端から分子の中心を通って円の反対側に線を引いた場合、分子が無極性であれば、どのように線を引くと、線の一方の端点は他の端点とは異なる電荷を持ちません’。回線は、’の方法でいくつかの異なる料金を超える場合がありますが、それは重要ではありません’。これにより、’ネットダイポールがないことがわかります。水でそれを試してみると、エンドポイント電荷の最大の違いは双極子に沿っています。
- この答えは、$ \ mathrm {C} \ mathrm {の理想的なモデルに焦点を当てているため、優れた出発点です。 O} _2、$ここで、’の時間平均、真空中で、両方の酸素原子は同じ同位体であり、’重要なフィールドなどはありません。単純で有益な理想化として、’最初に提示する優れた情報ですが、この理想化は開始場所。この制限に注意して、この出発点から構築される他の回答のいくつかを指摘することは価値があるかもしれません。
回答
他の回答は、その結合が極性であるにもかかわらず、 $ \ ce {CO2} $ に永続的な双極子がない理由を説明する素晴らしい仕事をしました:分子 ” s対称性は、その結合の極性を打ち消します。
しかし、それだけではありません。これに、 $ \ ce {CO2} $ の非常に興味深く、環境的に重要な特性を追加したいと思います。つまり、永続的なが不足しています。 / em>ダイポール、一時的な(動的)ダイポールを示します。
具体的には、 $ \ ce {CO2} $ には、ダイポールがない場合のみ2つの酸素は両方とも炭素から等距離にあり、炭素と整列しています。 $ \ ce {CO2} $ の対称振動モードでは、その対称性が維持されます。ただし、 $ \ ce {CO2} $ には、他に3つの振動モードがあります。線形非対称振動モードと2つの曲げ振動モードです(コレクションはここにうまく描かれています:二酸化炭素IRは非アクティブですか?)。
これが環境的に重要なのはなぜですか? $ \ ce {CO2} $ がIR光を吸収するためには(つまり、温室効果ガスになるためには)、双極子が必要です。そして、これらの非対称振動モードのために、一時的にそうなります。
Karsten Theisによって追加されたこのアニメーションは、 $ \ ce {の1つによって動的に作成されたダイポールを示しています。 CO2} $ の曲げモード(別名”フロス”):
[Karstenによると、” GIFはmolcalc.orgのjsmol経由で、矢印はCamtasia “を使用して追加されています。]
コメント
- あなたが持っている写真では、酸素が炭素からまだ等距離にあることを指摘するだけです。
- 明確にするために少し編集してください- ‘は等距離だけでなく、’のベクトル整列です。ところで、写真の振動は曲げモードの1つであるように見えます。
- @gardenheadありがとう、もちろん正しいです。ロスプレッサー’編集するとこれがうまくクリアされます。
- @RossPresser編集を受け入れていただきありがとうございます。
- @KarstenTheisああ、すみません、私誰がgifを追加したのか誤解されました。 ‘回答をクレジットしました。
回答
あなたは正しいです、炭素は正電荷を持っています。双極子を測定することはできませんが、それは何も証明しません。ただし、 $ \ ce {CO2} $ には四重極モーメントがあります。 $ \ ce {CO2} $ 分子が
H O=C=O O H
$ \ ce {CO2} $ 、これは表示されません。
数学的には、これは空間が3Dであるために発生します。2つの電荷間の力は、距離の2乗で低下します。
回答
以前の mpprogram6771による回答と MSaltersはそれを釘付けにしました。 $ \ ce {CO2} $ は非常に小さな分子なので、少しの努力で少し数値を設定できます。自分の質問に答えるために実験し、フリー/オープンソースソフトウェアだけを使用して、各原子のおおよその部分電荷と分子全体の双極子モーメントを取得することもできます。
まず、分子モデリングソフトウェアをにインストールする必要があります。私が最も気に入っているのは Avogadro です。これは、優れた使いやすさと、化合物を設計および視覚化するための多くの機能を備えています。 Ghemical も良かったのですが、何年もメンテナンスされていないようです。もう正しく動作させることができませんでした。
私のマシンでは Ubuntu MATE 18.04(GNU / Linuxバリアント)をオペレーティングシステムとして使用します。ターミナルで簡単なコマンドを使用してAvogadroをインストールできます。
sudo apt-get install avogadro
Avogadroを使用すると、 $ \ ce {CO2} $ 、炭素原子と両方の酸素原子を二重結合で結合します。分子エディタ以外にも、組み立てた分子に関するデータを取得し、その上で一連の量子力学的計算を実行して、質問に対するおおよその回答を提供できる別のソフトウェアが必要になります。
ウィキペディアのこのページが示すように、多種多様な量子力学ソフトウェアがあります。残念ながら、私見では、この分野のフリー/オープンソースツールの展望は断片化されており、ほとんどの場合、使いやすさの点でAvogadroに大きく遅れをとっており、1980年代の平均的な使いやすさのレベルにとどまっています(場合によっては自分でコンパイルするレベル)。 )、および独自の代替手段には制限付きのライセンスがあり、および/または組織に所属していない人々の手の届かないところにある、目を見張るほど高価です。数学の偉大な人々が直接と言うことができるように、アカデミアは自発的なツールメーカーをひどく扱います。 。遅かれ早かれ、私たちはそれを修正しなければなりません。計算化学には William Stein が必要です。タスクにステップアップした後、彼/彼女がより良い治療を受けることを願っています。
それでも、アボガドロ入力ジェネレーターでサポートされているいくつかのパッケージの中で、初心者にはPsi4をお勧めします。 Ubuntuまたは Debian ベースのディストリビューションを使用している場合はAvogadroと同じくらい簡単にインストールできます。
sudo apt-get install psi4
十分に文書化されたサイトがあり、セクションは教育専用ですシンプルなプロジェクトとフレンドリーなメッセージボード。 Ubuntuリポジトリで利用可能なバージョンは機能していますが、2020年3月の時点で1.1.5とかなり古くなっています。学習に真剣に取り組んでいる場合は、サイトから直接ダウンロードすることをお勧めします。 2020年3月の最新の安定バージョンは1.3.2です。ただし、この回答を得るには、リポジトリのデフォルトで十分です。
分子を組み立て、Avogadro内で予備的なジオメトリの最適化を行った後、メニュー追加 → PSI4 。私の暫定バージョンは次のように始まりました:
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のAvogadroプラグインは非常に基本的であるため、テンプレートを手動で調整する必要があります。ニーズに合わせて変更できる優れたテンプレートのセットは、新しいパッケージの使用法を学ぶときに持っておくと便利です。これらをもっと持っている必要があります。ただし、最初に、プロト入力に何があるかを見てみましょう。3つのセクションがあります。最初のセクションでは、基底関数系、aug-ccを指定します。 -pVDZ(計算化学者はアルファベットのスープを楽しむのが大好きです)。要するに、基底関数系は、計算が簡単な数学関数の陪審員が装備したセットであり、実際の計算が難しい原子および分子軌道をエミュレートするために使用されます。このようなもの:
2番目のセクションには、分子内のすべての原子のx、y、z座標、およびその全体的な電荷(この場合は0)と多重度(この場合は1、すべての電子がペアになっているため)があります。最初の情報、この場合は分子の最適な形状(最適化)、およびそれを処理するために選択されたアルゴリズム機構、この場合はB3LYP-D(アルファベットスープの別のサービング)からどのような情報を計算するかを示します)、密度汎関数理論(DFT)。
Avogadroで生成されたテンプレートを次のように変更しました。
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")
マシンに十分なメモリがあるため、オプションでシステムメモリの制限をシステムのデフォルトから4 GBに引き上げました。分子が小さく、ランタイムへの影響はおそらく許容できるので、以前の基底関数系aug-cc-pVDZをもう1つの詳細なaug-cc-pVTZに変更しました。また、エネルギー(E)に加えて、システムの波動関数(wfn)オブジェクトを返すようにPsi4に要求するセクションを追加しました。最後に、Psi4マニュアルここのガイダンスに従って、関心のある情報、つまり
マリケン分析、およびでの推定双極子モーメント $ \ ce {CO2} $ 分子。
これで、入力データを含むテキストファイルを保存し、ターミナルでPsi4を実行できます。
psi4 carbon_dioxide.in
しばらくすると、Psi4は実行を終了し、その結果を大量の情報を含む carbon_dioxide.out という名前の出力ファイルに返します。しかし、あなたの質問にもっと興味のあるセクションは最後にあります:
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!
結果は、両方の酸素原子が電子を引っ張っている、直感的に予測した状況を正確に示しています中心の炭素原子から離れた密度と炭素原子はわずかに正になり、酸素原子はわずかに負になります。実際、私たちはコンピューターを一種の精神のパワーアーマーとして使用することができました。
最初は、あなたの直感は、酸素から炭素への電子密度移動の方向について漠然としたガイダンスしか提供できませんでした。これで、それを裏付け、数値推定で直感を補強することができます。炭素原子での平均損失は0.38電子、各酸素原子での平均利得は0.19電子です。素晴らしい。
電荷の分離にもかかわらず、私たちの小さな数値実験の結果は、私たちが見るように、ほぼゼロの双極子モーメントも示しています。理由は明確にはわかりませんが、幾何学的な直感が解決策を示唆しています。酸素原子が2つあるため、両方の電荷分離の影響が相殺される可能性があります。Psi4の出力は、各酸素の部分電荷としてそれを裏付けています。原子は小数点以下4桁以内で同じであり、どちらも線形ジオメトリで反対の位置にあります。
同様の分子がありますが、電荷分離がキャンセルされる可能性はありません。 $ \ ce {CO} $ 、一酸化炭素、単一の酸素。比較するために、同等の入力ファイルを作成しました。
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")
実行しました。
psi4 carbon_monoxide.in
ここでも、結果は電荷分離の測定値を示しています。
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!
しかし、今回は双極子はゼロではなく、推定値は約0.094でした。デバイ。 一酸化炭素に関するウィキペディアの記事の測定値は0.122デバイです。そのため、実際の値よりも約23%低い見積もりが得られました。違いは、モデルの本質的な制限(科学と工学の関係)として、またはPsi4に与えた入力または問題を処理するための仮定(常に非常に可能性が高い)のいずれかで失敗したために発生する可能性があります。
もっと深く知りたいのであれば、主題の文献をチェックするのは興味深いでしょう。とにかく、 $ \ ce {CO2} $ と
コメント
- うわー!あなたはこれに多大な努力をしました! ‘は間違いなく賛成です!
- 今週末はこれを慎重に検討します。 5年前、私は水分子の電荷分布を計算するにはどうすればよいですか?と尋ね、 PyQuante ですが、’が何を理解する前に、もっと多くのことを読む必要があることに気づきました。私はやっていた。
- これは本当に印象的だ。やってみたいです。本当にありがとうございました!
回答
私の先生は、正味の「力」があってはならないので、これによりCO2のすべての原子が均等に帯電すると言います。
私はそうは思いません他の回答では、これが間違っている理由が説明されています。 $ Q $ … のように配置された3ポイントの料金のセットがある場合$ q $ … $ Q $ の場合、 $ q / Q = -1/4 $ 。ただし、これは2つの理由から、物理的な状況ではありません。(1) $ 2Q + q $ は、 $ q = Q = 0 $ 。(2)平衡が不安定です。
したがって、クーロンの法則とニュートン力学を使用したこの議論に基づいて、あなたの教師は実際には、電荷がゼロ以外であってはならないということは正しいでしょう。 ただし、 $ q = Q = 0 $ の場合でも、平衡は安定していません。この場合、結合力がまったくないため、原子は 実際には、CO2は束縛されています。
一般に、古典物理学と静電力を使用して物質の安定性を説明できるとは期待していません。 アーンショーの定理と呼ばれる、これが不可能であることを示す定理があります。物質の安定性を説明するには、量子物理学が必要です。
を参照してください。