이산화탄소 분자의 탄소 원자가 부분적으로 양성입니까?
On 2월 3, 2021 by admin대칭 쌍극자 벡터를 가진 비극성 분자에 대한 질문이있었습니다.
$ \ ce {CO2} $ . 각 $ \ ce {C = O} $ 채권은 반대 방향으로 당기고 있습니다. . 선생님은 이것이 $ \ ce {CO2} $ 의 모든 원자가 순 “힘”이 없어야하기 때문에 균등하게 충전되게한다고 말합니다.
하지만 동의하지 않습니다. 직관적으로 산소 원자는 전자 밀도를 중심 탄소 원자에서 멀어지게하여 탄소 원자를 약간 양수로, 산소 원자는 약간 음으로 만들 것입니다.
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta-} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta-} {O}} $$
이 과정은 탄소 원자를 약간 양수로 만들고 산소 원자를 약간 음으로 만들어야합니다. 그러나 내가 옳았다면 왜 $ \ ce {CO2} $ 에 쌍극자가 있다고 말하지 않습니까 (전하 분리가 있음)? 쌍극자의 정의가 잘못되었습니다.
댓글
- “사중 극자”의 정의를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 분자의 사중 극자
- 비극성은 틀림없이 잘못된 이름입니다. 특히 ” 비 쌍극자 “. 전하 분포가 실제로 일정하다는 의미는 ‘ 아닙니다.
- 저기 ‘ 분자 ‘의 전체 쌍극자와 로컬 쌍극자 / 결합 쌍극자 i의 차이 > 완전히 비극성 결합을 가진 분자는 전체 분자 쌍극자를 가질 수 없습니다. 그러나 이것은 극성 결합을 가진 분자가 전체 분자 쌍극자를 가져야한다는 것을 의미하지 않습니다 . 결합 쌍극자를 갖는 것은 necessa 충분하지는 않지만 조건. $ \ ce {CO2} $는 정확히 상쇄되고 전체 분자 쌍극자를 남기지 않는 결합 쌍극자를 가진 분자의 경우입니다. 그러나 이미 언급했듯이 $ \ ce {CO2} $에는 사중 극자 순간이 있습니다.
- @JohnHon Don ‘ t 대답을 받아들이는 것을 잊으십시오!
답변
당신은 $ \ ce {CO2} $ 는 부분적으로 양전하를 띠고 있습니다. 이것은 산소 원자가 훨씬 더 전기 음성적이어서 탄소 원자에서 전자를 끌어 당기기 때문입니다. 그러나 이것은 분자는 여전히 비극성입니다. 이것은 쌍극자 모멘트를 그릴 때 모든 결합을 고려해야하기 때문입니다. 예를 들어 물을 사용합니다.
이 분자에는 각각 자체 쌍극자를 가진 두 개의 결합이 있습니다. 그러나 이들은 다른 벡터처럼 상쇄되어 수직 net 쌍극자를 가지고 있습니다. 이산화탄소의 쌍극자는 비슷한 방식으로 상쇄됩니다. 그러나 결합이 선형이기 때문에 서로 완전히 상쇄됩니다. 물처럼 구부러짐 :
이것은 제로 순 쌍극자를 생성하여 분자를 비극성으로 만듭니다.
댓글
- 이것은 정확하며 실제로 테스트 할 수 있습니다. 대칭을 깨기 위해 O 중 하나를 S로 대체합니다. 이제 O = C 쌍극자의 방향 은 C = S 쌍극자의 방향과 정확히 반대이지만 크기 는 같지 않으므로 순 쌍극자 모멘트 ( en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide 에 따라 0.65D)를 얻습니다.
- 그러나 탄소가 양수이면 다른 CO2 분자의 부분적으로 음의 산소가 C와 쌍극자 쌍극자 결합을 형성 할 수 있습니까?
- 이것은 화합물의 특성에 영향을 미칩니다. 분자가 엇갈리게 쌓여 있지만 기술적으로는 여전히 비극성입니다. 다른 분자가 ‘ 자신의 쌍극자를 동일한 축에 정렬 할 방법이 없기 때문입니다. 원래 분자 ‘의 쌍극자입니다. ‘ 비극성입니다. ‘ 분자의 한 쪽 전체가 다른 쪽 전체보다 더 긍정적 / 음성이라고 말할 수 없기 때문입니다.
- 이렇게 생각해보세요. 전체 분자 주위에 완벽한 원을 그린 다음 원의 가장자리에서 분자의 중심을 통해 원의 반대쪽으로 선을 그린 경우 분자가 비극성이라면 어떻게하든 상관 없습니다 선을 그리면 선의 한 끝 점이 다른 끝점과 다른 요금을 ‘ 얻지 않습니다. 선은 ‘ 방식으로 다른 요금을 교차 할 수 있지만 ‘ 중요하지 않습니다.이것이 우리가 ‘ 순 쌍극자가 없음을 아는 방법입니다. 물로 시도해 보면 종점 요금의 가장 큰 차이는 쌍극자입니다.
- 이 답변은 $ \ mathrm {C} \ mathrm {의 이상적인 모델에 초점을 맞추기 때문에 훌륭한 출발점이됩니다. O} _2, $ 여기서 ‘ 진공 상태에서 두 산소 원자는 동일한 동위 원소를 가지며 ‘ 중요한 분야가 없습니다. 간단하고 유익한 이상화로서 ‘ 먼저 제시해야 할 훌륭한 정보입니다. 그러나이 이상화는 시작 장소 . 이 제한에 주목 한 다음이 시작점에서 구축되는 다른 답변을 가리키는 것이 좋습니다.
답변
다른 답변은 결합이 극성 임에도 불구하고 $ \ ce {CO2} $ 에 영구 쌍극자 (분자)가없는 이유를 잘 설명했습니다. ” 대칭은 결합의 극성을 상쇄합니다.
그러나 그것이 전체 이야기는 아닙니다. 여기에 $ \ ce {CO2} $ 의 매우 흥미롭고 환경 적으로 중요한 특성을 추가하고 싶습니다. 즉, 영구적 쌍극자, 과도 (동적) 쌍극자를 사용합니다.
특히 $ \ ce {CO2} $ 는 쌍극자가없는 경우에만 두 개의 산소는 탄소와 같은 거리에 있고 탄소와 정렬되어 있습니다. $ \ ce {CO2} $ “의 대칭 진동 모드에서는 대칭이 유지됩니다. 그러나 $ \ ce {CO2} $ 에는 선형 비대칭 진동 모드와 두 가지 굽힘 진동 모드의 세 가지 다른 진동 모드가 있습니다 (컬렉션은 여기에 잘 나와 있습니다. 이산화탄소 IR은 비활성입니까? ).
이게 환경 적으로 중요한 이유는 무엇입니까? $ \ ce {CO2} $ 가 IR 빛을 흡수하려면 (즉, 온실 가스가되기 위해) 쌍극자가 있어야합니다. 이러한 비대칭 진동 모드로 인해 일시적으로 작동합니다.
Karsten Theis가 추가 한이 애니메이션은 $ \ ce {중 하나에 의해 동적으로 생성 된 쌍극자를 보여줍니다. CO2} $ “의 벤딩 모드 (일명 ” The Floss “) :
[Karsten에 따르면 ” GIF는 molcalc.org의 jsmol을 통해 제공되며 화살표는 Camtasia “를 사용하여 추가되었습니다.]
댓글
- 사진에서 산소는 탄소에서 여전히 같은 거리에 있음을 지적합니다.
- 명확하게하기 위해 약간 수정- 그것은 ‘ 등거리뿐만 아니라 ‘의 벡터 정렬입니다. BTW, 그림에 표시된 진동은 굽힘 모드 중 하나 인 것 같습니다.
- @gardenhead 감사합니다. 물론 맞습니다. Ross Presser ‘의 수정으로이 문제가 해결되었습니다.
- @RossPresser 수정 해 주셔서 감사합니다.
- @KarstenTheis 아, 죄송합니다. 누가 gif를 추가했는지 오해했습니다. 답변에 ‘ 점을 부여했습니다.
답변
당신이 맞습니다. 탄소는 양전하를 가지고 있습니다. 쌍극자를 측정 할 수는 없지만 아무것도 증명하지 못합니다. 그러나 $ \ ce {CO2} $ 에는 사중 극자 모멘트가 있습니다 . $ x $ -축을 따라 배향 된 $ \ ce {CO2} $ 분자를 상상해보십시오. $ x $ -축을 따라 더 나아가서 다음과 같은 $ \ ce {H2O} $ 분자가 쌍극자는 $ x $ -축을 따라 향합니다. 쌍극자 모멘트는 $ \ ce {CO2} $ 의 두 쌍극자 모멘트와 상호 작용하지만 $ \에있는 두 쌍극자 중 하나입니다. ce {CO2} $ 는 물 쌍극자에 더 가깝습니다. 따라서 개략적으로
H O=C=O O H
$ \ ce {CO2} $ , 우리는 이것을 볼 수 없습니다.
수학적으로 이것은 공간이 3D이기 때문에 발생합니다. 두 전하 사이의 힘은 거리의 제곱에 따라 떨어집니다.
답변
이전 mpprogram6771 및 MSalters는 그것을 못 박았습니다.추가하고 싶습니다. $ \ ce {CO2} $ 는 매우 작은 분자이므로 약간의 노력으로 약간의 숫자를 설정할 수 있습니다. 자신의 질문에 답하기 위해 실험하고 무료 / 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 각 원자의 대략적인 부분 전하와 전체 분자의 쌍극자 모멘트를 얻을 수도 있습니다.
먼저 분자 모델링 소프트웨어를 설치해야합니다. 제가 가장 좋아하는 제품은 Avogadro 입니다. 뛰어난 사용 성과 복합물을 설계하고 시각화 할 수있는 많은 기능이 있습니다. Ghemical 도 좋았지 만 몇 년 동안 유지되지 않은 것 같습니다. 더 이상 제대로 작동하지 않는 것 같습니다.
제 컴퓨터에서는 Ubuntu MATE 18.04 (GNU / Linux 변형)를 운영 체제로 사용했습니다. 터미널에서 간단한 명령으로 Avogadro를 설치할 수 있습니다.
sudo apt-get install avogadro
Avogadro를 사용하면 $ \ ce {CO2} $ , 탄소 원자와 두 산소 원자를 이중 결합으로 연결합니다. 분자 편집기 외에도 조립 한 분자에 대한 데이터를 가져와 일련의 양자 역학적 계산을 수행하여 질문에 대한 대략적인 답변을 제공 할 수있는 다른 소프트웨어가 필요합니다.
Wikipedia의 이 페이지 에 표시된 것처럼 매우 다양한 양자 기계 소프트웨어가 있습니다. 안타깝게도 IMHO는이 분야에서 무료 / 오픈 소스 도구의 환경이 세분화되어 있으며 사용성 측면에서 Avogadro보다 훨씬 뒤떨어져 있으며, 1980 년대의 평균 수준의 사용자 친 화성 (때로는 직접 컴파일 수준)에 머물 렀습니다. ), 독점적 대안은 제한적인 라이선스를 가지고 있고 / 또는 제도적 제휴가없는 사람들의 손이 닿지 않는 눈에 띄게 비싸다. Academia는 수학의 일부 위대한 사람들 이 직접 말할 수 있듯이 자발적인 도구 제작자를 나쁘게 대합니다. . 조만간 우리는 그것을 고쳐야합니다. 계산 화학 분야에서 William Stein 이 필요합니다. 그 / 그녀가 작업을 수행 한 후에 더 나은 치료를 받기를 바랍니다.
그러나 Avogadro 입력 생성기가 지원하는 여러 패키지 중 초보자를위한 Psi4를 권장합니다. Ubuntu 또는 Debian 기반 배포를 사용하는 경우 Avogadro만큼 쉽게 설치할 수 있습니다.
sudo apt-get install psi4
잘 문서화 된 사이트 와 교육 전용 섹션 간단한 프로젝트와 친숙한 게시판 이 있습니다. Ubuntu 리포지토리에서 사용 가능한 버전은 작동하지만 2020 년 3 월 현재 1.1.5로 상당히 구식입니다. 진지하게 배우고 싶다면 해당 사이트에서 직접 다운로드하는 것이 좋습니다. 2020 년 3 월의 안정적인 최신 버전은 1.3.2입니다. 그러나이 답변을 위해서는 저장소 기본값으로 충분합니다.
분자를 조립하고 Avogadro 내부에서 예비 기하학 최적화를 수행 한 후 추가 → PSI4 . 내 예비 버전은 다음과 같이 시작되었습니다.
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 용 Avogadro 플러그인은 매우 기본적이므로 템플릿을 직접 조정해야합니다. 필요에 맞게 변경할 수있는 좋은 템플릿 세트는 새 패키지 사용 방법을 배울 때 유용합니다. 우리는 이것들을 더 가져야합니다. 하지만 먼저 proto-input에 무엇이 있는지 살펴 보겠습니다. 여기에는 세 개의 섹션이 있습니다. 첫 번째 섹션은 기본 집합 , aug-cc를 지정합니다. -pVDZ (계산 화학자들은 알파벳 수프를 즐기기를 좋아합니다.) 간단히 말해서, 기본 세트는 계산하기 쉬운 수학 함수의 배심원이 조작 한 세트로, 계산하기 어려운 실제 원자 및 분자 궤도를 모방하는 데 사용됩니다. 다음과 같습니다.
두 번째 섹션에는 분자에있는 모든 원자의 x, y, z 좌표와 전체 전하 (이 경우 0) 및 다중도 (이 경우 모든 전자가 쌍을 이루기 때문에 1)가 있습니다. 초기 정보,이 경우 분자의 최적 기하학 (최적화) 및이를 처리하기 위해 선택한 알고리즘 기계,이 경우 B3LYP-D (알파벳 스프의 또 다른 제공)에서 계산하려는 정보의 종류를 말합니다. ), 밀도 함수 이론 (DFT) .
Avogadro 생성 템플릿을 다음과 같이 변경했습니다.
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")
컴퓨터에 메모리가 많으므로 선택적으로 시스템 메모리 제한을 시스템 기본값에서 4 GB로 높였습니다.분자가 작고 런타임에 미치는 영향이 허용 가능할 것이므로 이전 기본 세트 인 aug-cc-pVDZ를 하나 더 자세한 aug-cc-pVTZ로 변경했습니다. 또한 에너지 (E) 외에 시스템에 대한 파동 함수 (wfn) 객체를 반환하도록 Psi4에 요청하는 섹션을 추가했습니다. 마지막으로 Psi4 매뉴얼 여기 의 지침에 따라
Mulliken 분석 및 에 대한 예상 쌍극자 모멘트 $ \ ce {CO2} $ 분자.
이제 입력 데이터와 함께 텍스트 파일을 저장하고 터미널에서 Psi4를 실행할 수 있습니다.
psi4 carbon_dioxide.in
시간이 지나면 Psi4는 실행을 완료하고 엄청난 양의 정보가있는 carbon_dioxide.out 이라는 출력 파일로 결과를 반환합니다. 그러나 귀하의 질문에 더 관심이있는 부분은 바로 끝에 있습니다.
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!
결과는 두 산소 원자가 전자를 끌어 당기는 상황을 직관적으로 예측 한 상황을 정확하게 나타냅니다. 중심 탄소 원자에서 멀어지는 밀도와 탄소 원자는 약간 양수이고 산소 원자는 약간 음수가됩니다. 사실, 우리는 컴퓨터를 마음을위한 일종의 파워 아머로 사용할 수있었습니다.
처음에 당신의 직감은 산소에서 탄소로의 전자 밀도 전달 방향에 대한 모호한 지침 만 제공 할 수있었습니다. 이제 우리는 탄소 원자에서 0.38 전자의 평균 손실과 각 산소 원자에서 0.19 전자의 평균 이득을 수치 추정으로 확인하고 직관을 강화할 수 있습니다. 훌륭합니다.
전하 분리에도 불구하고 우리의 작은 수치 실험 결과는 우리가 보는 바와 같이 거의 0에 가까운 쌍극자 모멘트를 가리 킵니다. 그것은 우리에게 이유를 명시 적으로 말해주지 않습니다. 그러나 우리의 기하학적 직관은 탈출구를 제안합니다. 두 개의 산소 원자가 있기 때문에 두 개의 산소 원자에 대한 전하 분리의 영향이 상쇄 될 수 있습니다. Psi4의 출력은 각 산소에 대한 부분 전하로서이를 확증합니다. 원자는 소수점 네 자리 내에서 동일하며 둘 다 선형 기하학에서 반대 위치를 차지합니다.
유사한 분자가 있지만 전하 분리가 취소 될 가능성이 없습니다. $ \ ce {CO} $ , 일산화탄소 , 단일 산소 포함. 비교를 위해 이에 상응하는 입력 파일을 생성했습니다.
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")
그리고 실행했습니다.
psi4 carbon_monoxide.in
결과는 전하 분리 측정을 나타냅니다.
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!
하지만 이번에는 쌍극자가 0이 아니고 추정값은 약 0.094입니다. 안녕. 일산화탄소에 대한 Wikipedia 기사 는 측정 값 0.122 debye를 제공합니다. 그래서 우리는 실제 가치보다 약 23 % 낮은 추정치를 얻었습니다. 차이는 우리 모델의 본질적인 제한 (과학 대 공학적 것)으로 발생하거나 Psi4에 제공 한 입력 또는 문제를 처리하기위한 가정에서 어딘가에서 어딘가를 더듬었기 때문에 발생할 수 있습니다 (항상 가능성이 높음).
더 깊이 들어가고 싶다면 주제의 문헌을 확인하는 것도 재미있을 것입니다. 어쨌든 $ \ ce {CO2} $ 와 $ \ ce {CO} $ span 간의 결과 대조 > $ \ ce {CO2} $ 에 쌍극자가 없음을 설명하기 위해 상호 취소를 명확하게 가리 킵니다.
댓글
- 와! 당신은 이것에 많은 노력을 기울였습니다! 그것은 ‘ 확실한 찬성입니다!
- 이번 주말에주의 깊게 살펴 보겠습니다. 5 년 전 물 분자의 전하 분포를 어떻게 계산할 수 있습니까? 에 대해 물었고 PyQuante 하지만 ‘가 무엇을 이해하기 전에 ‘ 더 많은 독서를해야한다는 것을 ‘ 깨달았습니다. 하고 있었어요.
- 와, 정말 인상적이에요. 나는 그것을 시도하고 싶다. 노력해 주셔서 감사합니다!
답변
선생님은 이것이 순 “힘”이 없어야하기 때문에 CO2의 모든 원자가 똑같이 충전되게한다고 말합니다.
다른 답변에서 이것이 잘못된 이유를 설명했습니다. $ Q $ 와 같은 세 가지 포인트 요금이있는 경우 … $ q $ … $ Q $ , 그러면 $ q / Q = -1 / 4 $ . 그러나 이것은 두 가지 이유로 인해 물리적 상황이 될 수 없습니다. (1) 순 청구액 $ 2Q + q $ 은 $ q = Q = 0 $ . (2) 평형이 불안정합니다.
그러므로 쿨롱의 법칙과 뉴턴 역학을 사용하는이 주장을 바탕으로 선생님은 요금이 0이 아닐 수 없다는 것이 실제로 옳을 것입니다. 그러나 $ q = Q = 0 $ 의 경우에도 평형이 안정적이지 않습니다.이 경우에는 결합력이 전혀 없기 때문에 원자는 실제로는 CO2가 결합되어 있습니다.
일반적으로 우리는 고전 물리학과 정전기력을 사용하여 물질의 안정성을 설명 할 수있을 것으로 기대하지 않습니다. 이것이 불가능하다는 것을 보여주는 Earnshaw의 정리 라는 정리가 있습니다. 물질의 안정성을 설명하려면 양자 물리학이 필요합니다.
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