Is het koolstofatoom in het koolstofdioxidemolecuul gedeeltelijk positief?
Geplaatst op februari 3, 2021 door adminIk had een vraag over niet-polaire moleculen met symmetrische dipoolvectoren.
Laten we $ \ ce {CO2} $ als voorbeeld. Elk van de $ \ ce {C = O} $ banden trekt in de tegenovergestelde richting . Mijn leraar zegt dat hierdoor alle atomen in $ \ ce {CO2} $ evenveel worden geladen, aangezien er geen “netto” kracht “mag zijn.
Maar ik ben het daar niet mee eens. Intuïtief lijkt het erop dat de zuurstofatomen de elektronendichtheid wegtrekken van het centrale koolstofatoom en het koolstofatoom enigszins positief maken en de zuurstofatomen enigszins negatief, zoals:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Dit proces zou het koolstofatoom enigszins positief moeten maken en de zuurstofatomen enigszins negatief. Maar als ik gelijk had, waarom zeggen we dan niet dat $ \ ce {CO2} $ een dipool heeft (er is een scheiding van ladingen)? Misschien mag ik hebben de verkeerde definitie van een dipool.
Reacties
- Het kan je helpen om de definitie van “quadrupool” op te zoeken.
- Zie Quadrupool van een molecuul
- Niet-polair is aantoonbaar een verkeerde benaming. Het betekent specifiek ” niet-dipolair “. Het betekent niet ‘ dat de ladingsverdeling feitelijk constant is.
- Daar ‘ is een verschil tussen een molecuul ‘ s algehele dipool en lokale dipolen / bindingsdipolen binnen een molecuul. Een molecuul met volledig apolaire bindingen kan geen algehele moleculaire dipool hebben. Dit betekent echter niet dat moleculen met polaire bindingen een algehele moleculaire dipool moeten hebben – het hebben van bindingsdipolen is een noodzaak ry maar niet voldoende conditie. $ \ ce {CO2} $ is een geval van een molecuul met bindingsdipolen die precies opheffen en geen totale molecuul-dipool achterlaten. Zoals gezegd heeft $ \ ce {CO2} $ wel een quadrupool moment.
- @JohnHon Don ‘ t vergeet een antwoord te accepteren!
Answer
Je hebt gelijk als je aanneemt dat het koolstofatoom in $ \ ce {CO2} $ heeft een gedeeltelijke positieve lading. Dit komt omdat de zuurstofatomen veel elektronegatiever zijn, dus trekken ze de elektronen weg van het koolstofatoom. Dit molecuul is nog steeds niet-polair. Dit komt omdat je bij het tekenen van een dipoolmoment rekening moet houden met alle bindingen. Neem bijvoorbeeld water:
In dit molecuul zijn er twee bindingen, elk met hun eigen dipool. Maar deze heffen op zoals alle andere vectoren, waardoor u met een verticale netto dipool. De dipolen in koolstofdioxide heffen elkaar op een vergelijkbare manier op; ze heffen elkaar echter volledig op, omdat de binding lineair is, nee t gebogen als in water:
Dit levert een netto dipool van nul op, waardoor het molecuul niet-polair wordt.
Opmerkingen
- Dit is correct, en we kunnen het daadwerkelijk testen. Vervang een van de O door een S om de symmetrie te doorbreken. Nu is de richting van de O = C dipool precies tegengesteld aan die van de C = S dipool, maar de magnitudes zijn niet gelijk, dus we krijgen een netto dipoolmoment (van 0,65 D, volgens en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- maar als de koolstof positief is, kan de gedeeltelijk negatieve zuurstof van een ander CO2-molecuul zeker een dipool-dipoolbinding vormen met de C?
- Het beïnvloedt nog steeds enigszins de eigenschappen van de verbinding, omdat het de moleculen stapelen zich in een verspringend patroon, maar technisch is het nog steeds niet-polair, aangezien er geen manier is voor een ander molecuul om het ‘ eigen dipool op dezelfde as uit te lijnen als het oorspronkelijke molecuul ‘ s dipool. Het ‘ is niet-polair omdat je ‘ niet kunt zeggen dat de ene kant van het molecuul positiever / negatief is dan de hele andere kant
- Denk er op deze manier over na; Als je een perfecte cirkel rond het hele molecuul hebt getekend en vervolgens een lijn hebt getrokken vanaf de rand van de cirkel, door het midden van het molecuul, naar de andere kant van de cirkel, dan is het niet-polair als het molecuul niet-polair is. trek de lijn, het ene eindpunt van de lijn zal ‘ t een andere lading hebben dan het andere eindpunt. De lijn kan een aantal verschillende ladingen kruisen op zijn ‘ richting, maar dat doet ‘ er niet toe.Dit is hoe we weten dat er ‘ s geen netto dipool is. Als je dat met water probeert, ligt het grootste verschil in de eindpuntladingen langs de dipool.
- Dit antwoord is een goed startpunt omdat het zich richt op het idealistische model van $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ waar het ‘ s tijdsgemiddelde, in een vacuüm, beide zuurstofatomen van dezelfde isotoop zijn, er ‘ zijn geen significante velden, enz. Als een eenvoudige, informatieve idealisatie is het ‘ een goede informatie om eerst te presenteren – maar er moet toch worden opgemerkt dat deze idealisatie een startplaats in plaats van een volledige beschrijving. Het kan de moeite waard zijn om deze beperking op te merken en vervolgens te wijzen op enkele van de andere antwoorden die vanaf dit startpunt zijn opgebouwd.
Antwoord
De andere antwoorden hebben uitstekend werk geleverd door uit te leggen waarom, hoewel de bindingen polair zijn, $ \ ce {CO2} $ geen permanente dipool heeft: het molecuul ” s symmetrie heft de polariteit van zijn banden op.
Maar dat is niet het hele verhaal. Ik “zou hieraan een zeer interessant en ecologisch belangrijk kenmerk van $ \ ce {CO2} $ willen toevoegen, namelijk dat, hoewel het een permanent dipool, het toont tijdelijke (dynamische) dipolen.
Specifiek, $ \ ce {CO2} $ mist alleen een dipool als de twee zuurstofatomen zijn beide op gelijke afstand van en in overeenstemming met de koolstof. In de symmetrische trillingsmodus van $ \ ce {CO2} $ “wordt die symmetrie gehandhaafd. Maar $ \ ce {CO2} $ heeft drie andere vibratiemodi: een lineaire asymmetrische vibratiemodus en twee buigtrillingsmodi (de verzameling is hier mooi afgebeeld: Is kooldioxide IR inactief? ).
Waarom is dit belangrijk voor het milieu? Om ervoor te zorgen dat $ \ ce {CO2} $ IR-licht kan absorberen (d.w.z. om een broeikasgas te zijn), moet het een dipool hebben. En dat gebeurt tijdelijk, vanwege deze asymmetrische vibratiemodi.
Deze animatie, toegevoegd door Karsten Theis, toont de dipolen die dynamisch zijn gemaakt door een van $ \ ce { CO2} $ “s buigmodi (ook bekend als ” The Floss “):
[Volgens Karsten, de ” GIF is via jsmol van molcalc.org, met de pijl toegevoegd met Camtasia “.]
Reacties
- Ik wijs er alleen maar op dat op de foto die je hebt, de zuurstofatomen nog op gelijke afstand van de koolstof staan.
- Kleine bewerking om het duidelijk te maken – het ‘ s is niet alleen equidistance, het is ‘ s vectoruitlijning. Trouwens, de afgebeelde vibratie lijkt een van de buigmodi te zijn.
- @gardenhead Bedankt, je hebt natuurlijk gelijk, Ross Presser ‘ s bewerking maakt dit mooi duidelijk.
- @RossPresser Bedankt voor de bewerking, die ik heb geaccepteerd.
- @KarstenTheis Ah, sorry, ik verkeerd begrepen wie de gif heeft toegevoegd. Ik ‘ heb je gecrediteerd in het antwoord.
Antwoord
Je hebt gelijk, de koolstof heeft een positieve lading. We kunnen geen dipool meten, maar dat bewijst niets. Echter, $ \ ce {CO2} $ heeft een quadrupoolmoment. Stel je een $ \ ce {CO2} $ -molecuul voor, georiënteerd langs de $ x $ -as, en een beetje verder langs de $ x $ -as is er “ook een $ \ ce {H2O} $ molecuul met de dipool is georiënteerd langs de $ x $ -as. Het dipoolmoment werkt samen met beide dipoolmomenten van $ \ ce {CO2} $ , maar een van de twee dipolen in $ \ ce {CO2} $ ligt dichter bij de waterdipool. Dus je krijgt schematisch
H O=C=O O H
Als er geen kostenverdeling was op de $ \ ce {CO2} $ , zouden we dit niet zien.
Wiskundig gezien gebeurt dit omdat de ruimte 3D is. Krachten tussen twee ladingen dalen met het kwadraat van hun afstand.
Antwoord
De vorige beantwoordt door mpprogram6771 en MSalters hebben het gehaald .Ik wil hieraan toevoegen dat, aangezien $ \ ce {CO2} $ een heel klein molecuul is, je met een beetje moeite een beetje numeriek kunt instellen experimenteer om je eigen vraag te beantwoorden, en krijg zelfs bij benadering gedeeltelijke ladingen in elk atoom en dipoolmoment van het hele molecuul, met alleen gratis / open source software.
Ten eerste moet je moleculaire modelleringssoftware installeren in uw machine. Degene die ik het leukst vind, is Avogadro . Het heeft een geweldige bruikbaarheid en vele functies om uw samenstellingen te ontwerpen en te visualiseren. Ghemical was ook goed, maar het lijkt al jaren niet meer te worden onderhouden. Ik kon het niet meer goed laten werken.
Op mijn computer gebruik ik Ubuntu MATE 18.04 (een GNU / Linux-variant) als besturingssysteem. Daar kan ik “Avogadro installeren met een eenvoudig commando in de terminal:
sudo apt-get install avogadro
Met Avogadro kunt u de $ \ ce {CO2} $ , waarbij het koolstofatoom en beide zuurstofatomen dubbele bindingen hebben. Naast de moleculaire editor heb je nog een stuk software nodig dat in staat is om de gegevens over het molecuul dat je hebt samengesteld te nemen en er een reeks kwantummechanische berekeningen over uit te voeren, om je een geschat antwoord op je vragen te geven.
Er is een grote verscheidenheid aan kwantummechanische software, zoals deze pagina op Wikipedia laat zien. Helaas is IMHO het landschap van gratis / open source-tools op dit gebied gefragmenteerd, en de meeste blijven ver achter bij Avogadro in termen van bruikbaarheid, vastgelopen in het gemiddelde niveau van gebruikersvriendelijkheid van de jaren 80 (soms op het niveau van compileer-het-zelf) ), en de propriëtaire alternatieven hebben beperkende licenties en / of zijn oogstrelend duur, buiten het bereik van mensen zonder institutionele affiliatie. Academia behandelt zijn vrijwillige toolmakers slecht, zoals sommige geweldige mensen in de wiskunde je kunnen vertellen, uit de eerste hand . Vroeg of laat moeten we dat oplossen. We hebben een William Stein nodig in computationele chemie. Ik hoop alleen dat hij / zij een betere behandeling krijgt nadat hij de taak op zich heeft genomen.
Maar onder de verschillende pakketten die worden ondersteund door de Avogadro-inputgenerator, is mijn aanbeveling Psi4, voor een beginner. Het is net zo eenvoudig te installeren als Avogadro, als u zich onder Ubuntu bevindt of een Debian -gebaseerde distributie.
sudo apt-get install psi4
Ze hebben een goed gedocumenteerde site , met een sectie gewijd aan onderwijs met eenvoudige projecten en vriendelijke prikborden . De versie die beschikbaar is in de Ubuntu-repository is functioneel, maar behoorlijk verouderd, 1.1.5, vanaf maart 2020. Als iemand het serieus wil leren, is mijn advies om het rechtstreeks van hun site te downloaden. De laatste stabiele versie op maart 2020 is 1.3.2. Maar omwille van dit antwoord is de repository-standaard voldoende.
Na het samenstellen van uw molecuul en het uitvoeren van enige voorlopige geometrie-optimalisatie in Avogadro, kunt u een voorlopig invoertekstbestand genereren met de Psi4-plug-in onder menu Extras → PSI4 . Mijn voorlopige versie begon als volgt:
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")
De Avogadro-plug-in voor Psi4 is erg basic, dus we zullen de sjabloon met de hand moeten afstemmen. Een set goede sjablonen die u kunt aanpassen aan uw behoeften, is een goede zaak als u een nieuw pakket leert gebruiken. We zouden er meer van moeten hebben. Maar laten we eerst eens kijken wat we hebben over onze proto-invoer. Het heeft drie secties. De eerste sectie specificeert een basisset , aug-cc -pVDZ (computationele chemici houden ervan om te smullen van alfabetsoep). Om kort te zijn, een basisset is een door de jury gemonteerde set van eenvoudig te berekenen wiskundige functies die worden gebruikt om de echte, moeilijk te berekenen atomaire en moleculaire orbitalen na te bootsen, ongeveer zo:
De tweede sectie heeft de x-, y-, z-coördinaten van elk atoom in het molecuul, en ook de totale lading (in dit geval 0) en multipliciteit (in dit geval 1, aangezien alle elektronen gepaard zijn). De derde sectie zegt wat voor soort informatie we willen berekenen op basis van onze initiële informatie, in dit geval de optimale geometrie van het molecuul (optimaliseren), en de algoritmische machinerie die is gekozen om het te verwerken, in dit geval B3LYP-D (nog een portie alfabetsoep ), een variant van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) .
Ik heb de door Avogadro gegenereerde sjabloon als volgt gewijzigd:
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")
Ik heb optioneel de limiet van het systeemgeheugen verhoogd tot 4 GB, vanaf de standaardsysteemwaarde, aangezien mijn computer een goede hoeveelheid geheugen heeft.Omdat het molecuul klein is en de impact op de looptijd waarschijnlijk acceptabel zal zijn, heb ik ook de vorige basisset, aug-cc-pVDZ, gewijzigd in een meer gedetailleerde aug-cc-pVTZ. Ook een sectie toegevoegd waarin Psi4 wordt gevraagd om een golffunctie (wfn) -object voor het systeem te retourneren, naast zijn energie (E). Ten slotte heb ik, volgens de richtlijnen in de Psi4-handleiding hier , een sectie toegevoegd waarin we onze interessante informatie opvroegen, de geschatte gedeeltelijke kosten op elk atoom, gegeven door Mulliken-analyse , en het geschatte dipoolmoment op de $ \ ce {CO2} $ -molecuul.
Nu kunnen we het tekstbestand met onze invoergegevens opslaan en Psi4 in de terminal uitvoeren:
psi4 carbon_dioxide.in
Na enige tijd zal Psi4 de run voltooien en de resultaten terugsturen naar een uitvoerbestand met de naam carbon_dioxide.out dat een enorme hoeveelheid informatie bevat. Maar het gedeelte dat meer van belang is voor uw vraag staat aan het einde:
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!
De resultaten geven precies de situatie aan die u intuïtief had voorspeld, waarbij beide zuurstofatomen elektronen trekken dichtheid weg van het centrale koolstofatoom en het koolstofatoom wordt licht positief en de zuurstofatomen licht negatief. In feite waren we in staat om de computer te gebruiken als een soort krachtpantser voor de geest.
In het begin kon je intuïtie alleen vage richtlijnen geven in de richting van de overdracht van elektronendichtheid, van zuurstof naar koolstof. Nu kunnen we dat bevestigen en onze intuïtie vergroten met numerieke schattingen, een gemiddeld verlies van 0,38 elektronen in het koolstofatoom en een gemiddelde toename van 0,19 elektronen in elk zuurstofatoom. Geweldig.
Ondanks de ladingsscheiding wijzen de resultaten van ons kleine numerieke experiment ook op een dipoolmoment van bijna nul, zoals we zien. Het vertelt ons niet expliciet waarom. Maar onze geometrische intuïtie suggereert een uitweg. Aangezien er twee zuurstofatomen zijn, kan het effect van ladingsscheiding op beide teniet worden gedaan. De output van Psi4 bevestigt dat, aangezien de gedeeltelijke lading op elke zuurstofatoom atoom is hetzelfde binnen vier decimalen, en beide nemen tegenovergestelde posities in een lineaire geometrie.
Er is een vergelijkbaar molecuul, maar zonder de mogelijkheid dat ladingsscheiding wordt opgeheven, $ \ ce {CO} $ , koolmonoxide , met een enkele zuurstof. Om een vergelijking te maken, heb ik het equivalente invoerbestand ervoor gemaakt.
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")
En heb het uitgevoerd.
psi4 carbon_monoxide.in
Opnieuw wijzen de resultaten op een zekere mate van ladingsscheiding.
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!
Maar deze keer was de dipool niet nul, met een geschatte waarde rond 0,094 debye. Het Wikipedia-artikel over koolmonoxide geeft ons een gemeten waarde van 0,122 debye. We kregen dus een schatting van ongeveer 23% lager dan de werkelijke waarde. Het verschil kan ontstaan als een intrinsieke beperking van ons model (wetenschap vs. techniek), of omdat ik ergens rommelde in de input die ik aan Psi4 gaf of in mijn aannames om het probleem te behandelen (altijd zeer waarschijnlijk).
Het zou interessant zijn om de literatuur over het onderwerp te raadplegen, als je dieper wilt gaan. Hoe dan ook, het contrast in de resultaten tussen $ \ ce {CO2} $ en $ \ ce {CO} $ wijs duidelijk naar wederzijdse annulering om het ontbreken van een dipool in $ \ ce {CO2} $ uit te leggen.
Opmerkingen
- Wauw! je hebt hier enorm veel energie in gestoken! Dat ‘ is een duidelijke positieve opmerking!
- Ik zal dit dit weekend zorgvuldig doornemen. Vijf jaar geleden vroeg ik Hoe kan ik de ladingsverdeling van een watermolecuul berekenen? en begon ik te proberen uit te zoeken hoe PyQuante maar besefte toen dat ik ‘ veel meer moest lezen voordat ik ‘ zou begrijpen wat Ik deed het.
- Wow, dit is echt indrukwekkend. Ik wil het proberen. Heel erg bedankt voor je moeite!
Antwoord
Mijn leraar zegt dat dit ervoor zorgt dat alle atomen in CO2 evenveel worden geladen, aangezien er geen netto “kracht” mag zijn.
Ik denk niet dat de andere antwoorden hebben uitgelegd waarom dit verkeerd is. Als u een set van drie puntladingen heeft gerangschikt zoals $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , dan is het gemakkelijk om te laten zien dat de krachten allemaal annuleren wanneer $ q / Q = -1 / 4 $ . Dit kan echter “niet de fysieke situatie zijn, om twee redenen. (1) De nettokosten $ 2Q + q $ zijn niet nul, tenzij $ q = Q = 0 $ . (2) Het evenwicht is instabiel.
Dus op basis van dit argument, gebruikmakend van de wet van Coulomb en de mechanica van Newton, zou je leraar eigenlijk gelijk hebben dat de beschuldigingen niet nul kunnen zijn. Maar zelfs in het geval van $ q = Q = 0 $ is het evenwicht niet stabiel. In dit geval is er helemaal geen bindende kracht, dus de atomen zou gewoon wegdrijven. In werkelijkheid is CO2 gebonden.
In het algemeen verwachten we niet dat we de stabiliteit van materie kunnen verklaren met behulp van klassieke fysica en elektrostatische krachten. Er is een stelling genaamd Stelling van Earnshaw die aantoont dat dit onmogelijk is. Kwantumfysica is vereist om de stabiliteit van materie te verklaren.
Geef een reactie