Czy atom węgla w cząsteczce dwutlenku węgla jest częściowo dodatni?
On 3 lutego, 2021 by adminMiałem pytanie dotyczące niepolarnych cząsteczek, które mają symetryczne wektory dipolowe.
Weźmy $ \ ce {CO2} $ . Każda z obligacji $ \ ce {C = O} $ ma odwrotny skutek . Mój nauczyciel mówi, że to powoduje, że wszystkie atomy w $ \ ce {CO2} $ są równo naładowane, ponieważ nie może być żadnej „siły” netto.
Jednak nie zgadzam się. Intuicyjnie wydaje się, że atomy tlenu odciągnęłyby gęstość elektronów od centralnego atomu węgla i sprawiły, że atom węgla byłby lekko dodatni, a atomy tlenu lekko ujemne, na przykład:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Ten proces powinien spowodować, że atom węgla będzie lekko dodatni, a atomy tlenu lekko ujemne. Jeśli jednak mam rację, to dlaczego nie powiemy, że $ \ ce {CO2} $ ma dipol (występuje separacja ładunku)? mają złą definicję dipola.
Komentarze
- Może ci pomóc znaleźć definicję „kwadrupola”.
- Patrz Kwadrupol cząsteczki
- Niepolarne to prawdopodobnie błędne określenie. To konkretnie oznacza ” non-dipolar „. Nie ' nie oznacza, że rozkład ładunku jest faktycznie stały.
- Tam ' to różnica między cząsteczką ' s ogólnie dipolem i lokalnymi dipolami / dipolami wiązania w cząsteczce. Cząsteczka z całkowicie niepolarnymi wiązaniami nie może mieć całkowitego dipola molekularnego. Jednak nie oznacza to, że cząsteczki z wiązaniami polarnymi muszą mieć ogólny dipol cząsteczkowy – posiadanie dipoli wiązań jest konieczność ry, ale niewystarczający stan. $ \ ce {CO2} $ to przypadek cząsteczki z dipolami wiązań, które dokładnie znoszą i nie pozostawiają żadnego dipola w cząsteczce. Jednak, jak już powiedziano, $ \ ce {CO2} $ ma kwadrupol moment.
- @JohnHon Don ' t zapomnij przyjąć odpowiedź!
Odpowiedź
Masz rację zakładając, że atom węgla w $ \ ce {CO2} $ ma częściowy ładunek dodatni. Dzieje się tak, ponieważ atomy tlenu są znacznie bardziej elektroujemne, więc odciągają elektrony od atomu węgla. Jednak to Cząsteczka nadal jest niepolarna. Dzieje się tak, ponieważ podczas rysowania momentu dipolowego należy wziąć pod uwagę wszystkie wiązania. Weźmy na przykład wodę:
W tej cząsteczce są dwa wiązania, każde z własnym dipolem. Ale one znoszą się jak każdy inny wektor, pozostawiając pionowym dipolem netto . Dipole w dwutlenku węgla znoszą się w podobny sposób, jednak znoszą się całkowicie, ponieważ wiązanie jest liniowe, nie t wygięty jak w wodzie:
Daje to dipol zerowy, co powoduje, że cząsteczka jest niepolarna.
Komentarze
- To jest poprawne i możemy to faktycznie przetestować. Zamień jedno z O na S, aby złamać symetrię.Teraz kierunek dipola O = C jest dokładnie odwrotny do dipola C = S, ale magnitudo nie są równe, więc otrzymujemy moment dipolowy netto (0,65 D, zgodnie z en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- ale jeśli węgiel jest dodatni, to z pewnością częściowo ujemny tlen innej cząsteczki CO2 może utworzyć dipolowe wiązanie dipolowe z C?
- To wciąż w pewnym stopniu wpływa na właściwości związku, ponieważ zachęca cząsteczki układają się naprzemiennie, ale technicznie nadal są niepolarne, ponieważ nie ma sposobu, aby inna cząsteczka wyrównała ją ' własny dipol na tej samej osi jako oryginalny dipol ' cząsteczki. To ' jest niepolarne, ponieważ nie można ' powiedzieć, że jedna cała strona cząsteczki jest bardziej dodatnia / ujemna niż cała druga strona
- Pomyśl o tym w ten sposób; Jeśli narysowałeś idealne koło wokół całej cząsteczki, a następnie narysowałeś linię od krawędzi koła, przez środek cząsteczki, do przeciwnej strony koła, to jeśli cząsteczka jest niepolarna, to bez względu na to, jak narysuj linię, jeden punkt końcowy linii wygrał ' t ma inną opłatę niż drugi punkt końcowy. Linia może przecinać różne opłaty na niej ' w sposób, ale to nie ' nie ma znaczenia.Stąd wiemy, że ' nie ma dipola sieciowego. Jeśli spróbujesz tego z wodą, najsilniejsza różnica w ładunkach punktu końcowego występuje wzdłuż dipola.
- Ta odpowiedź jest świetnym punktem wyjścia, ponieważ skupia się na idealistycznym modelu $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ gdzie ' s uśrednione w czasie, w próżni oba atomy tlenu mają ten sam izotop, ' nie ma znaczących pól itp. Jako prosta idealizacja informacyjna, ' zawiera świetne informacje, które należy przedstawić jako pierwsze – ale nadal należy zauważyć, że ta idealizacja jest miejsce początkowe zamiast pełnego opisu. Warto zwrócić uwagę na to ograniczenie, a następnie wskazać inne odpowiedzi, które opierają się na tym punkcie wyjścia.
Odpowiedź
Pozostałe odpowiedzi świetnie się spisały, wyjaśniając, dlaczego, mimo że jego wiązania są polarne, $ \ ce {CO2} $ nie ma stałego dipola: cząsteczki ” symetria anuluje biegunowość jej wiązań.
Ale to nie wszystko. Chciałbym dodać do tego bardzo interesującą i ważną dla środowiska cechę $ \ ce {CO2} $ – a mianowicie, chociaż brakuje jej trwałej dipol, wykazuje przejściowe (dynamiczne) dipole.
W szczególności $ \ ce {CO2} $ nie ma dipola tylko wtedy, gdy dwa tlenki są w równej odległości od węgla i są z nim w jednej linii. W symetrycznym trybie drgań $ \ ce {CO2} $ „symetria ta jest zachowana. Ale $ \ ce {CO2} $ ma trzy inne tryby wibracji: liniowy asymetryczny tryb wibracyjny i dwa drgania zginające (zbiór jest ładnie przedstawiony tutaj: Czy dwutlenek węgla jest nieaktywny? ).
Dlaczego jest to ważne z punktu widzenia środowiska? Aby element $ \ ce {CO2} $ mógł absorbować światło podczerwone (czyli aby był gazem cieplarnianym), musi mieć dipol. I dzieje się tak, przejściowo, z powodu tych asymetrycznych trybów drgań.
Ta animacja, dodana przez Karstena Theisa, pokazuje dipole dynamicznie tworzone przez jeden z $ \ ce { CO2} $ „tryby gięcia (aka ” The Floss „):
[Według Karstena ” GIF pochodzi z jsmol z molcalc.org, ze strzałką dodaną za pomocą Camtasia „.]
Komentarze
- Wystarczy wskazać, że na zdjęciu, które masz, tlenki są nadal w równej odległości od węgla.
- Lekko edytuj, aby było jasne – to ' to nie tylko równa odległość, to ' wyrównanie wektorowe. Nawiasem mówiąc, przedstawione drgania wydają się być jednym z trybów zginania.
- @gardenhead Dzięki, oczywiście masz rację Ross Presser ' s edit ładnie to wyjaśnia.
- @ RossPresser Dzięki za edycję, którą zaakceptowałem.
- @KarstenTheis Ah, przepraszam, ja niezrozumiany, kto dodał gif. ' przyznałam Ci w odpowiedzi.
Odpowiedź
Masz rację, węgiel ma ładunek dodatni. Nie możemy zmierzyć dipola, ale to niczego nie dowodzi. Jednak $ \ ce {CO2} $ ma moment kwadrupolowy. Wyobraź sobie cząsteczkę $ \ ce {CO2} $ zorientowaną wzdłuż osi $ x $ i trochę dalej wzdłuż osi $ x $ jest też cząsteczka $ \ ce {H2O} $ z jego dipol zorientowany wzdłuż osi $ x $ . Jego moment dipolowy oddziałuje z obydwoma momentami dipolowymi $ \ ce {CO2} $ , ale jeden z dwóch dipoli w $ \ ce {CO2} $ jest bliżej dipola wody. Tak więc schematycznie otrzymujesz
H O=C=O O H
Jeśli nie było dystrybucji opłat na $ \ ce {CO2} $ , nie widzielibyśmy tego.
Matematycznie dzieje się tak, ponieważ przestrzeń jest trójwymiarowa. Siły między dwoma ładunkami spadają o kwadrat ich odległości.
Odpowiedz
Poprzednie odpowiedzi przesłane przez mpprogram6771 i MSalters przybity go.Chciałbym dodać, że $ \ ce {CO2} $ to bardzo mała cząsteczka, więc możesz przy odrobinie wysiłku skonfigurować trochę numeryczną eksperymentuj, aby odpowiedzieć na własne pytanie, a nawet uzyskać przybliżone ładunki cząstkowe w każdym atomie i momencie dipolowym całej cząsteczki, używając tylko bezpłatnego oprogramowania o otwartym kodzie źródłowym.
Najpierw musisz zainstalować oprogramowanie do modelowania molekularnego w Twoja maszyna. Najbardziej podoba mi się Avogadro . Ma cudowną użyteczność i wiele funkcji do projektowania i wizualizacji związków. Ghemical był również dobry, ale wydaje się, że nie był konserwowany od lat. Nie mogłem już go poprawnie działać.
W moim komputerze używam Ubuntu MATE 18.04 (wariant GNU / Linux) jako system operacyjny. Tam mogę zainstalować Avogadro za pomocą prostego polecenia w terminalu:
sudo apt-get install avogadro
Dzięki Avogadro możesz złożyć $ \ ce {CO2} $ , łącząc atom węgla i oba atomy tlenu wiązaniami podwójnymi. Oprócz edytora molekularnego będziesz potrzebować innego oprogramowania, które będzie w stanie pobrać dane o złożonej przez Ciebie cząsteczce i wykonać na nich serię obliczeń mechaniki kwantowej, aby udzielić przybliżonej odpowiedzi na Twoje pytania.
Istnieje ogromna różnorodność oprogramowania do mechaniki kwantowej, jak pokazuje ta strona w Wikipedii. Niestety, IMHO krajobraz darmowych / otwartych narzędzi w tej dziedzinie jest fragmentaryczny, a większość pozostaje daleko w tyle za Avogadro pod względem użyteczności, utknęła na średnim poziomie przyjazności dla użytkownika z lat 80-tych (czasami na poziomie samodzielnej kompilacji ), a własnościowe alternatywy mają restrykcyjne licencje i / lub są oszałamiające drogie, poza zasięgiem osób bez powiązań instytucjonalnych. Środowisko akademickie źle traktuje swoich dobrowolnych twórców narzędzi, ponieważ niektórzy wspaniali ludzie matematyki mogą ci powiedzieć, z pierwszej ręki . Wcześniej czy później musimy to naprawić. Potrzebujemy Williama Steina z chemii obliczeniowej. Mam tylko nadzieję, że po przejściu do tego zadania zostanie lepiej potraktowany.
Jednak spośród kilku pakietów obsługiwanych przez generator danych wejściowych Avogadro, moja rekomendacja to Psi4, dla początkujących. Instalacja jest równie łatwa jak Avogadro, jeśli korzystasz z Ubuntu lub innej dystrybucji opartej na Debianie .
sudo apt-get install psi4
Mają dobrze udokumentowaną witrynę z sekcją poświęconą edukacji z prostymi projektami i przyjaznymi forami dyskusyjnymi . Wersja dostępna w repozytorium Ubuntu jest funkcjonalna, ale dość przestarzała, 1.1.5, stan na marzec 2020 r. Jeśli ktoś poważnie myśli o jej nauce, radzę pobrać ją bezpośrednio z ich strony. Najnowsza stabilna wersja na marzec 2020 r. To 1.3.2. Ale ze względu na tę odpowiedź, domyślne repozytorium jest wystarczające.
Po złożeniu swojej cząsteczki i wykonaniu wstępnej optymalizacji geometrii w Avogadro, możesz wygenerować wstępny plik tekstowy z jego wtyczką Psi4 w menu Dodatki → PSI4 . Moja wstępna wersja zaczęła się tak:
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")
Wtyczka Avogadro dla Psi4 jest bardzo podstawowa, więc będziemy musieli ręcznie dostroić szablon. Zestaw dobrych szablonów, które możesz zmienić, aby dopasować je do swoich potrzeb, to świetna rzecz podczas nauki korzystania z nowego pakietu. Powinniśmy mieć ich więcej. Ale najpierw zobaczmy, co mamy na naszym proto-input. Ma trzy sekcje. Pierwsza sekcja określa zestaw bazowy , aug-cc -pVDZ (chemicy obliczeniowi uwielbiają ucztować zupą alfabetyczną). Mówiąc krótko, zestaw bazowy to zestaw łatwych do obliczenia funkcji matematycznych przygotowanych przez jury, używanych naśladujących rzeczywiste, trudne do obliczenia orbitale atomowe i molekularne, mniej więcej tak:
Druga sekcja ma współrzędne x, y, z każdego atomu w cząsteczce, a także jego ogólny ładunek (w tym przypadku 0) i krotność (w tym przypadku 1, ponieważ wszystkie elektrony są sparowane). Trzecia sekcja mówi, jakiego rodzaju informacje chcemy obliczyć z naszych początkowych informacji, w tym przypadku optymalną geometrię cząsteczki (optymalizuj) i algorytmiczną maszynerię wybraną do jej przetwarzania, w tym przypadku B3LYP-D (kolejna porcja zupy alfabetycznej ), wariant teoria funkcjonału gęstości (DFT) .
Zmieniłem szablon wygenerowany przez Avogadro w następujący sposób:
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")
Opcjonalnie podniosłem limit pamięci systemowej do 4 GB, z domyślnych ustawień systemowych, ponieważ mój komputer ma dużą ilość pamięci.Ponieważ cząsteczka jest mała i wpływ na czas działania będzie prawdopodobnie akceptowalny, zmieniłem również poprzedni zestaw podstawowy, aug-cc-pVDZ, na jeden bardziej szczegółowy, aug-cc-pVTZ. Dodano także sekcję proszącą Psi4 o zwrócenie obiektu funkcji falowej (wfn) dla systemu, oprócz jego energii (E). Na koniec, postępując zgodnie ze wskazówkami dotyczącymi podręcznika Psi4 tutaj , dodałem sekcję z prośbą o informacje, które nas interesują, szacunkowe ładunki cząstkowe na każdym atomie, podane przez Analiza Mullikena i szacowany moment dipolowy na $ \ ce {CO2} $ cząsteczka.
Teraz możemy zapisać plik tekstowy z naszymi danymi wejściowymi i uruchomić Psi4 w terminalu:
psi4 carbon_dioxide.in
Po pewnym czasie Psi4 zakończy przebieg i zwróci jego wyniki do pliku wyjściowego o nazwie carbon_dioxide.out , który zawiera ogromną ilość informacji. Ale część bardziej interesująca dla twojego pytania znajduje się na końcu:
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!
Wyniki wskazują dokładnie na sytuację, którą intuicyjnie przewidziałeś, gdzie oba atomy tlenu ciągną elektron gęstość z dala od centralnego atomu węgla i atom węgla stają się lekko dodatnie, a atomy tlenu lekko ujemne. W rzeczywistości mogliśmy użyć komputera jako swego rodzaju pancerza wspomaganego dla umysłu.
Na początku twoja intuicja mogła dostarczyć jedynie niejasnych wskazówek co do kierunku przenoszenia gęstości elektronów, od tlenu do węgla. Teraz możemy to potwierdzić i poszerzyć naszą intuicję o szacunki liczbowe, średnią utratę 0,38 elektronów w atomie węgla i średni przyrost 0,19 elektronów w każdym atomie tlenu. Cudownie.
Pomimo separacji ładunków, wyniki naszego małego eksperymentu numerycznego również wskazują na prawie zerowy moment dipolowy, jak widzimy. Nie mówi nam wprost dlaczego. Ale nasza geometryczna intuicja sugeruje wyjście. Ponieważ istnieją dwa atomy tlenu, efekt rozdzielenia ładunków na obu może się zlikwidować. Wyjście psilocybiny potwierdza to, jako że częściowy ładunek każdego tlenu atom jest taki sam z dokładnością do czterech miejsc po przecinku i oba zajmują przeciwne pozycje w geometrii liniowej.
Istnieje podobna cząsteczka, ale bez możliwości anulowania rozdziału ładunku, $ \ ce {CO} $ , tlenek węgla , z pojedynczym tlenem. Aby dokonać porównania, utworzyłem dla niego równoważny plik wejściowy.
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")
I uruchomiłem go.
psi4 carbon_monoxide.in
Ponownie wyniki wskazują na pewną miarę separacji ładunków.
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!
Ale tym razem dipol był niezerowy, a jego szacunkowa wartość wynosiła około 0,094 cześć. Artykuł na temat tlenku węgla w Wikipedii podaje zmierzoną wartość 0,122 debye. Otrzymaliśmy więc oszacowanie około 23% niższe niż rzeczywista wartość. Różnica może powstać albo jako wewnętrzne ograniczenie naszego modelu (nauka kontra inżynieria), albo dlatego, że grzebałem gdzieś w danych wejściowych, które przekazałem do Psi4 lub w moich założeniach, aby rozwiązać problem (zawsze bardzo prawdopodobne).
Ciekawie byłoby sprawdzić literaturę przedmiotu, jeśli chce się zagłębić. W każdym razie, kontrast w wynikach między $ \ ce {CO2} $ i $ \ ce {CO} $ wskazują wyraźnie na wzajemne anulowanie, aby wyjaśnić brak dipola w $ \ ce {CO2} $ .
Komentarze
- Wow! włożyłeś w to mnóstwo wysiłku! To ' to zdecydowane uznanie!
- W ten weekend dokładnie przejdę przez to. Pięć lat temu zapytałem Jak obliczyć rozkład ładunku cząsteczki wody? i zacząłem zastanawiać się, jak uruchomić PyQuante , ale potem zdałem sobie sprawę, że ' muszę przeczytać znacznie więcej, zanim ' d zrozumiem, co Robiłem.
- Wow, to naprawdę imponujące. Chcę spróbować. Dziękuję bardzo za twój wysiłek!
Odpowiedź
Mój nauczyciel mówi, że to powoduje, że wszystkie atomy w CO2 są jednakowo naładowane, ponieważ nie może być żadnej „siły” netto.
Nie sądzę, inne odpowiedzi wyjaśniły, dlaczego tak jest źle. Jeśli masz zestaw trzech opłat punktowych, takich jak $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , to łatwo jest pokazać, że wszystkie siły są anulowane, gdy $ q / Q = -1 / 4 $ . Jednak nie może to być sytuacja fizyczna z dwóch powodów. (1) Opłata netto $ 2Q + q $ jest różna od zera, chyba że $ q = Q = 0 $ . (2) Równowaga jest niestabilna.
Więc opierając się na tym argumencie wykorzystującym prawo Coulomba i mechanikę Newtona, twój nauczyciel miałby właściwie rację, że ładunki nie mogą być niezerowe. Jednak nawet w przypadku $ q = Q = 0 $ równowaga nie jest stabilna. W tym przypadku nie ma żadnej siły wiążącej, więc atomy Po prostu odpłynie. W rzeczywistości CO2 jest związany.
Ogólnie rzecz biorąc, po prostu nie spodziewamy się, że będziemy w stanie wyjaśnić stabilność materii za pomocą klasycznej fizyki i sił elektrostatycznych. Istnieje twierdzenie o nazwie twierdzenie Earnshawa , które pokazuje, że jest to niemożliwe. Fizyka kwantowa jest wymagana do wyjaśnienia stabilności materii.
Dodaj komentarz