Er karbonatomet i karbondioksidmolekylet delvis positivt?
On februar 3, 2021 by adminJeg hadde et spørsmål om ikke-polare molekyler som har symmetriske dipolvektorer.
La oss ta $ \ ce {CO2} $ som et eksempel. Hver av $ \ ce {C = O} $ obligasjoner trekker på motsatt måte . Læreren min sier at dette fører til at alle atomer i $ \ ce {CO2} $ lades like mye som det ikke må være noen netto «kraft».
Jeg er imidlertid uenig. Intuitivt ser det ut til at oksygenatomene vil trekke elektrondensiteten bort fra det sentrale karbonatomet og gjøre karbonatomet litt positivt og oksygenatomene litt negativt, slik:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Denne prosessen skal gjøre karbonatomet litt positivt og oksygenatomene litt negativt. Men hvis jeg hadde rett, hvorfor sier vi ikke $ \ ce {CO2} $ har en dipol (det er en separasjon av ladning)? Kanskje jeg kan har feil definisjon av en dipol.
Kommentarer
- Det kan hjelpe deg å slå opp definisjonen av «quadrupole»
- Se Quadrupole av et molekyl
- Ikke-polar er uten tvil en feilbetegnelse. Det betyr spesifikt » ikke-dipolar «. Det betyr ikke ‘ t at ladningsfordelingen faktisk er konstant.
- Der ‘ en forskjell mellom et molekyl ‘ s total dipol og lokale dipoler / bindingsdipoler i et molekyl. Et molekyl med fullstendig ikke-polære bindinger kan ikke ha en samlet molekylær dipol. Imidlertid innebærer dette ikke at molekyler med polare bindinger må ha en samlet molekylær dipol – å ha bindingsdipoler er en Nødvendig ry men ikke tilstrekkelig tilstand. $ \ ce {CO2} $ er et tilfelle av et molekyl med bindingsdipoler som avbrytes nøyaktig, og ikke etterlater noe samlet molekyldipol. Som nevnt har $ \ ce {CO2} $ imidlertid et firestol øyeblikk.
- @JohnHon Don ‘ t glem å godta et svar!
Svar
Du er riktig når du antar at karbonatomet i $ \ ce {CO2} $ har en delvis positiv ladning. Dette er fordi oksygenatomene er mye mer elektronegative, så de trekker elektronene bort fra karbonatomet. Dette er imidlertid molekylet er fortsatt ikke-polært. Dette er fordi når du tegner et dipolmoment, må du ta alle bindinger i betraktning. Ta vann for eksempel:
I dette molekylet er det to bindinger, hver med sin egen dipol. Men disse avbrytes som alle andre vektorer og etterlater du med et vertikalt netto dipol. Dipolene i karbondioksid avbrytes på en lignende måte, men de avbryter hverandre fullstendig, fordi bindingen er lineær, nei t bøyd som i vann:
Dette gir en null netto dipol, noe som gjør molekylet upolært.
Kommentarer
- Dette er riktig, og vi kan faktisk teste det. Erstatt en av O med en S for å bryte symmetrien. Nå er retningen av O = C dipolen nøyaktig motsatt den for C = S dipolen, men størrelsene er ikke like, så vi får et netto dipolmoment (på 0,65 D, i henhold til en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- men hvis karbonet er positivt, kan det delvis negative oksygenet til et annet CO2-molekyl danne en dipoldipolbinding med C?
- Det påvirker fortsatt forbindelsens egenskaper, fordi det oppmuntrer molekylene kan stables i et forskjøvet mønster, men teknisk sett er det fortsatt ikke-polært, siden det ikke er noen måte for et annet molekyl å justere det ‘ sin egen dipol på samme akse som det opprinnelige molekylet ‘ s dipol. Det ‘ er ikke-polært fordi du kan ‘ t si at en hel side av molekylet er mer positiv / negativ enn hele den andre siden
- Tenk på det på denne måten; Hvis du tegnet en perfekt sirkel rundt hele molekylet, og deretter tegnet en linje fra kanten av sirkelen, gjennom sentrum av molekylet, til motsatt side av sirkelen, så hvis molekylet er ikke-polært, uansett hvordan du tegne linjen, det ene endepunktet av linjen vant ‘ t har en annen ladning enn det andre endepunktet. Linjen kan krysse noen forskjellige ladninger på den ‘ måte, men det betyr ikke ‘ t.Slik vet vi at det ‘ ikke er noen nettodipol. Hvis du prøver det med vann, er den sterkeste forskjellen i endepunktladningene langs dipolen.
- Dette svaret er et flott utgangspunkt fordi det fokuserer på den idealistiske modellen av $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ hvor det ‘ er gjennomsnittlig tid, i vakuum, begge oksygenatomer har samme isotop, der ‘ ingen betydningsfulle felt osv. Som en enkel, informativ idealisering er det ‘ flott informasjon å presentere først – men det bør likevel bemerkes at denne idealiseringen er en startsted i stedet for en fullstendig beskrivelse. Det kan være verdt å merke seg denne begrensningen og deretter peke på noen av de andre svarene som bygger fra dette utgangspunktet.
Svar
De andre svarene har gjort en god jobb med å forklare hvorfor, selv om bindingen er polær, $ \ ce {CO2} $ mangler en permanent dipol: molekylet » symmetri opphever polariteten til bindingen.
Men det er ikke hele historien. Jeg vil gjerne legge til dette en veldig interessant og miljøvennlig karakteristikk av $ \ ce {CO2} $ – nemlig det, mens det mangler en permanent dipol, den viser forbigående (dynamiske) dipoler.
Spesielt mangler $ \ ce {CO2} $ en dipol bare når to oksygener er begge like langt fra, og på linje med, karbonet. I $ \ ce {CO2} $ s symmetriske vibrasjonsmodus opprettholdes denne symmetrien. Men $ \ ce {CO2} $ har tre andre vibrasjonsmodi: en lineær asymmetrisk vibrasjonsmodus og to bøyende vibrasjonsmodi (samlingen er pent avbildet her: Er karbondioksid IR inaktiv? ).
Hvorfor er dette viktig miljømessig? For at $ \ ce {CO2} $ skal absorbere IR-lys (dvs. for at det skal være en klimagass), må det ha en dipol. Og det gjør det, kortvarig, på grunn av disse asymmetriske vibrasjonsmodusene.
Denne animasjonen, lagt til av Karsten Theis, viser dipolene dynamisk opprettet av en av $ \ ce { CO2} $ «s bøyemodus (aka » Floss «):
[I følge Karsten er » GIF er via jsmol fra molcalc.org, med pilen lagt til ved bruk av Camtasia «.]
Kommentarer
- Bare påpeker at på bildet du har, er oksygene fortsatt like langt fra karbon.
- Liten redigering for å gjøre det klart – det ‘ er ikke bare ekvidistanse, det ‘ s vektorjustering. BTW, den viste vibrasjonen ser ut til å være en av bøyemodusene.
- @ gardenhead Takk, du har selvfølgelig rett. Ross Presser ‘ s redigering rydder pent opp.
- @RossPresser Takk for redigeringen, som jeg godtok.
- @KarstenTheis Ah, sorry, I misforstått hvem som la til gifen. Jeg ‘ har kreditert deg i svaret.
Svar
Du har rett, karbonet har en positiv ladning. Vi kan ikke måle en dipol, men det viser ikke noe. Imidlertid har $ \ ce {CO2} $ et firemannsmoment. Tenk deg et $ \ ce {CO2} $ molekyl orientert langs $ x $ -aksien, og litt videre langs $ x $ -aks er det også et $ \ ce {H2O} $ molekyl med dens dipolorientert langs $ x $ -aksien. Dipolmomentet samhandler med begge dipolmomenter av $ \ ce {CO2} $ , men en av de to dipolene i $ \ ce {CO2} $ er nærmere vanndipolen. Så, skjematisk får du
H O=C=O O H
Hvis det ikke var noen kostnadsfordeling på $ \ ce {CO2} $ , ville vi ikke se dette.
Matematisk skjer dette fordi rommet er 3D. Krefter mellom to ladninger faller med kvadratet på avstanden.
Svar
Det forrige svarer av mpprogram6771 og MSalters spikret den.Jeg vil gjerne legge til at ettersom $ \ ce {CO2} $ er et veldig lite molekyl, kan du med litt innsats sette opp litt numerisk eksperimentere for å svare på ditt eget spørsmål, og til og med få tilnærmet partielle ladninger i hvert atom, og dipolmoment for hele molekylet, ved hjelp av bare gratis / åpen kildekode-programvare.
Først må du installere molekylær modelleringsprogramvare i maskinen din. Den jeg liker mest er Avogadro . Den har fantastisk brukervennlighet og mange funksjoner for å designe og visualisere forbindelsene dine. Ghemical var også bra, men det ser ut til å være vedlikeholdt i mange år nå. Jeg kunne ikke få det til å fungere lenger.
I maskinen min bruker jeg Ubuntu MATE 18.04 (en GNU / Linux-variant) som operativsystem. Der kan jeg installere Avogadro med en enkel kommando i terminalen:
sudo apt-get install avogadro
Med Avogadro kan du montere $ \ ce {CO2} $ , som forbinder karbonatomet og begge oksygenatomer med dobbeltbindinger. Utover den molekylære redaktøren, trenger du en annen programvare som er i stand til å ta dataene om molekylet du har satt sammen og gjøre en serie kvantemekaniske beregninger over det, for å gi deg et omtrentlig svar på spørsmålene dine.
Det er et stort utvalg av kvantemekanisk programvare, som denne siden på Wikipedia viser. Dessverre er IMHO landskapet med gratis / åpen kildekodeverktøy i dette feltet fragmentert, og de fleste ligger langt bak Avogadro når det gjelder brukervennlighet, fast i det gjennomsnittlige nivået på brukervennlighet på 1980-tallet (noen ganger på kompilere-det-selv-nivået ), og de proprietære alternativene har begrensende lisenser og / eller er iøynefallende dyre, utenfor rekkevidde for mennesker uten institusjonell tilknytning. Academia behandler sine frivillige verktøymakere dårlig, som noen flotte mennesker i matematikk kan fortelle deg, førstehånds . Før eller siden må vi fikse det. Vi trenger en William Stein i beregningskjemi. Jeg håper bare han / hun får bedre behandling etter å ha fulgt oppgaven.
Likevel, blant de mange pakkene som støttes av Avogadro-inngangsgeneratoren, er min anbefaling Psi4, for en nybegynner. Det er like enkelt å installere som Avogadro, hvis du er under Ubuntu eller en hvilken som helst Debian -basert distribusjon.
sudo apt-get install psi4
De har et godt dokumentert nettsted , med en -avdeling dedikert til utdanning med enkle prosjekter og vennlige oppslagstavler . Versjonen som er tilgjengelig i Ubuntu-depotet er funksjonell, men ganske utdatert, 1.1.5, fra mars 2020. Hvis man er seriøs med å lære det, er mitt råd å laste det ned direkte fra nettstedet deres. Den siste stabile versjonen fra mars 2020 er 1.3.2. Men av hensyn til dette svaret, er lagringsstandard nok.
Etter å ha samlet molekylet ditt og gjort noen foreløpig geometrioptimalisering inne i Avogadro, kan du generere en foreløpig tekstfil med inngangen Psi4 under menyen Ekstrautstyr → PSI4 . Min foreløpige versjon startet slik:
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")
Avogadro-plugin for Psi4 er veldig grunnleggende, så vi må justere malen for hånd. Et sett med gode maler du kan endre for å passe dine behov, er en flott ting å ha når du lærer å bruke en ny pakke. Vi burde ha flere av disse. Men først, la oss se hva vi har på vår proto-inngang. Den har tre seksjoner. Den første delen spesifiserer et basis sett , aug-cc -pVDZ (beregningskjemikere elsker å feire på alfabetssuppe). For å være kort, er et grunnlagssett et jury-rigget sett med lett å beregne matematiske funksjoner, brukt etterligner de virkelige, vanskelig å beregne atom- og molekylære orbitalene, slags slik:
Den andre delen har x, y, z-koordinatene til hvert atom i molekylet, og også dens totale ladning (i dette tilfellet 0) og mangfold (i dette tilfellet 1, ettersom alle elektroner er paret). sier hva slags informasjon vi ønsker å beregne ut fra vår opprinnelige informasjon, i dette tilfellet den optimale geometrien til molekylet (optimalisere), og det algoritmiske maskineriet som er valgt for å behandle det, i dette tilfellet B3LYP-D (en annen servering med alfabetssuppe ), en variant av density function theory (DFT) .
Jeg endret den Avogadro-genererte malen som følger:
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")
Jeg økte eventuelt grensen for systemminne til 4 GB, fra systemets standard, da maskinen min har en god mengde minne.Siden molekylet er lite og innvirkningen på kjøretiden sannsynligvis vil være akseptabel, endret jeg også det forrige basissettet, aug-cc-pVDZ, til en mer detaljert, aug-cc-pVTZ. Også lagt til en seksjon som ber Psi4 om å returnere et bølgefunksjonsobjekt (wfn) til systemet, i tillegg til energien (E). Til slutt, etter veiledningen i Psi4-håndboken her , la jeg til en seksjon som ba om vår informasjon av interesse, de estimerte delladningene for hvert atom, gitt av Mulliken-analyse , og den estimerte dipolmomentet på $ \ ce {CO2} $ molekyl.
Nå kan vi lagre tekstfilen med inngangsdataene våre og kjøre Psi4 i terminalen:
psi4 carbon_dioxide.in
Etter en stund vil Psi4 fullføre løpeturen, og returnere resultatene til en utdatafil kalt carbon_dioxide.out som har enorm informasjon. Men delen av mer interesse for spørsmålet ditt er rett på slutten:
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!
Resultatene indikerer nøyaktig situasjonen du forutsa intuitivt, med begge oksygenatomer som trekker elektron tetthet vekk fra det sentrale karbonatomet og karbonatomet blir litt positivt og oksygenatomene litt negativt. Faktisk var vi i stand til å bruke datamaskinen som en slags kraftpanser for sinnet.
Først kunne intuisjonen din bare gi vag veiledning i retning av overføring av elektrondensitet, fra oksygen til karbon. Nå kan vi bekrefte det, og øke vår intuisjon med numeriske estimater, et gjennomsnittlig tap på 0,38 elektroner i karbonatomet og en gjennomsnittlig gevinst på 0,19 elektroner i hvert oksygenatom. Fantastisk.
Til tross for ladningsseparasjonen, peker resultatene av vårt lille numeriske eksperiment også til nær null dipolmoment, som vi ser. Det forteller oss ikke eksplisitt hvorfor. Men den geometriske intuisjonen vår antyder en vei ut. Siden det er to oksygenatomer, kan effekten av ladningsseparasjon på begge avbrytes. Produksjonen av Psi4 bekrefter det, som den delvise ladningen på hvert oksygen atom er det samme innen fire desimaler, og begge tar motsatte posisjoner i en lineær geometri.
Det er et lignende molekyl, men uten muligheten for at ladningsseparasjon avbryter, $ \ ce {CO} $ , karbonmonoksid , med et enkelt oksygen. For å gjøre en sammenligning opprettet jeg den tilsvarende inngangsfilen for den.
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")
Og kjørte den.
psi4 carbon_monoxide.in
Igjen peker resultatene til et visst mål for ladningsseparasjon.
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!
Men denne gangen var dipolen ikke null, med en estimert verdi rundt 0,094 farvel. Wikipedia-artikkelen om karbonmonoksid gir oss en målt verdi på 0,122 avskjed. Så vi fikk et estimat rundt 23% lavere enn den virkelige verdien. Forskjellen kan oppstå enten som en iboende begrensning av modellen vår (science vs engineering), eller fordi jeg famlet et sted enten i innspillet jeg ga til Psi4 eller i mine antagelser om å behandle problemet (alltid veldig sannsynlig). p>
Det ville være interessant å sjekke litteraturen i faget, hvis man ønsker å gå dypere. Uansett, kontrasten i resultatene mellom $ \ ce {CO2} $ og $ \ ce {CO} $ peker tydelig på gjensidig avlysning for å forklare mangelen på en dipol i $ \ ce {CO2} $ .
Kommentarer
- Wow! du legger massevis av krefter på dette! At ‘ er en klar oppstemning!
- Jeg vil gå nøye gjennom dette i helgen. For fem år siden spurte jeg Hvordan kan jeg beregne ladningsfordelingen til et vannmolekyl? og begynte å prøve å finne ut hvordan jeg skal kjøre PyQuante men skjønte da at jeg ‘ måtte gjøre mye mer lesing før jeg ‘ d skjønte hva Jeg gjorde.
- Wow dette er virkelig imponerende. Jeg vil prøve. Tusen takk for innsatsen!
Svar
Læreren min sier at dette fører til at alle atomer i CO2 lades like mye da det ikke må være netto «kraft».
Jeg tror ikke andre svar har forklart hvorfor dette er galt. Hvis du har et sett med trepunktsavgifter ordnet som $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , så er det lett å vise at kreftene alle avbryter når $ q / Q = -1 / 4 $ . Dette kan imidlertid ikke være den fysiske situasjonen av to grunner. (1) Nettoladningen $ 2Q + q $ er ikke nul med mindre $ q = Q = 0 $ . (2) Likevekten er ustabil.
Så basert på dette argumentet ved bruk av Coulombs lov og newtonske mekanikk, ville læreren din faktisk ha rett i at anklagene ikke kan være nul. Selv når det gjelder $ q = Q = 0 $ , er likevekten imidlertid ikke stabil. I dette tilfellet er det ingen bindingskraft i det hele tatt, så atomene ville bare drive av. I virkeligheten er CO2 bundet.
Generelt forventer vi ganske enkelt ikke å kunne forklare materiens stabilitet ved hjelp av klassisk fysikk og elektrostatiske krefter. Det er en setning kalt Earnshaws teorem som viser at dette er umulig. Kvantefysikk er nødvendig for å forklare materiens stabilitet.
Legg igjen en kommentar