De ce o moleculă tetraedrică precum metanul are un moment dipolar zero?
On februarie 18, 2021 by adminStudiam legătura chimică când am observat ceva ciudat.
Spunem compuși precum $ \ ce {CCl4} $ și $ \ ce {CH4} $ au o geometrie tetraedrică (care este o structură 3D), dar când vorbim despre momentele dipolare, spunem că nu au moment dipol. Dăm motivul pentru că atomii H sunt opusi unul față de celălalt (prin urmare presupunând că este o structură 2D), își anulează momentele de legătură.
Dar de ce? La început am văzut că sunt structuri 3D cu un H fiind în partea de sus și altele 3 în partea de jos, cu momentul dipol de legătură direcționat din fiecare H către C. Datorită acestui fapt, componenta momentului de legătură al celor 3 H în jos atomii de-a lungul liniei atomului H superior ar provoca un moment net de legătură în sus, care nu este egal cu zero.
Dar cu siguranță mă înșel, deoarece aceste valori au fost calculate științific. Deci, poate cineva să vă indice unde greșesc în înțelegerea mea?
Comentarii
- Diavol ‘ Întrebarea suplimentară a avocatului: O singură bucată cristalină de metan nu are nici un moment dipol? 😉
- @Kar Pe baza răspunsului dvs. foarte util la o altă întrebare adresată de uhoh, voi face o ghicitoare: spectroscopie dielectrică de relaxare? 😉
- @EdV Ei bine, unele substanțe au un moment dipol finit în regimul terminal (- > zero frecvență). Un alt cuvânt pentru moment dipol dependent de frecvență este permitivitatea complexă . 😉 Presupunerea dvs. poate spune răspunsul …
- De fapt, eu ‘ nu sunt 100% sigur dacă răspunsul la întrebarea mea este ” bineînțeles că nu, prostie, se anulează ” sau ” evident, prost „. Dacă cineva ar explica asta, aș ‘ arunca o recompensă de 100 de puncte în audiență.
Răspuns
Răspunsul lui Karsten este excelent, dar iată o figură care arată matematica implicată:
Atomul central (verde) se află în centrul cubului, ceilalți patru atomi (violet) sunt la vârfuri alternate și geometria ar trebui fi clar.
Alternativ, dacă orientezi molecula astfel încât un atom periferic (violet) să fie direct „deasupra” atomului central (verde), atunci fiecare dintre ceilalți trei atomi este doar $ 1 – \ theta $ ( $ \ approx 70.52877940 ^ \ circ $ ) departe de a fi direct” sub „atomul central, deci fiecare contribuie $ \ cos (1 – \ theta) $ ori mai mare decât dipolul de legătură. Aceasta este componenta descendentă a dipolului de legătură de la unul dintre atomii inferiori.
Dar $ \ cos (1 – \ theta) = 1/3 $ , deci este pur și simplu (dipol de legătură) / 3, și există trei dintre acești atomi inferiori, deci cele trei componente descendente echilibrează exact componenta ascendentă.
Comentarii
- Tratament frumos al figurii și al geometriei. ‘ Sunt atât de fericit că cineva vrea de fapt să știe matematica!
- Dacă puneți carbonul la origine (0 0 0) și hidrogenii (1) 1 1), (1 -1 -1), (-1 1 -1) și (-1 -1 1), este, de asemenea, ușor de văzut momentele dipolului adăugând la zero (corespunde orientării 4 din răspunsul meu) .
- Într-adevăr! Am fost puțin reticent să postez acest lucru, având în vedere răspunsul dvs. excelent. Dar am făcut cifra cu ani în urmă și m-am gândit că ar putea fi de ajutor. Cubul se referă, de asemenea, direct la prima dvs. figură, iar simetria este clară: cele două componente egale în sus sunt egale cu cele două componente egale în jos.
- @andselisk Cred că există un echilibru între răspunsul la întrebarea reală și la întrebare. asta ar fi trebuit întrebat. De asemenea, există cazuri în care regula generală nu șterge concepția greșită a PO – în acest caz de ce metanul arăta ” dezechilibrat ” când o legătură este îndreptată în sus. Am început să argumentez simetria în răspunsul meu, dar nu am menționat simetria inversiunii. Apreciez comentariul și înțelegerea dvs. și cred că există spațiu pentru încă un răspuns și multe alte întrebări (de exemplu, este necesar un centru de inversare și suficient pentru ca momentul dipol să dispară?)
- @andselisk că ” moleculele centrosimetrice au moment dipolar zero ” probabil ar produce doar răspunsul ” de ce? ” din OP. Dacă el / ea ar putea ” vedea „, acest lucru era adevărat fără niciun ajutor, întrebarea despre o anumită geometrie nu ar fi fost niciodată pusă.De fapt, întrebarea ” ce înseamnă în mod exact centrosimetric ” nu este o întrebare stupidă în sine.
Răspuns
Orientare 1
Luați în considerare orientarea metanului de mai jos. Sarcinile pozitive parțiale sunt distribuite în mod egal în jurul atomului central. Comparând stânga cu partea dreaptă a moleculei, stânga sus și dreapta sus se anulează reciproc, iar celelalte două sunt în mijloc cu carbonul. Comparând partea superioară cu partea inferioară a moleculei, cele două poziții superioare ale hidrogenului se anulează cu cele două poziții inferioare ale hidrogenului. Comparând fața cu partea din spate a moleculei, pozițiile de jos din față și de jos din spate se anulează reciproc, iar celelalte două se află în planul hârtiei.
Pentru o moleculă polară, pozitivul sarcinile parțiale trebuie separate de cele negative de-a lungul unei direcții (de-a lungul momentului dipolar general, care este un vector). Aici, încărcările parțiale pozitive sunt la exterior și încărcările parțiale negative sunt la interior.
Dacă îți plac vectori , ai putea spune și două momente dipol de legătură superioară s-au adăugat punct drept în sus, în timp ce cele două momente dipol inferioare s-au adăugat punct drept în jos. Dacă adăugați aceste două, obțineți un dipol net de zero.
Dacă vă plac argumente de simetrie , există șase planuri oglindă de-a lungul planurilor HCH (stânga-dreapta și fața-spate sunt ușor de văzut), deci nu poate exista un dipol. Argumentul este următorul: Dacă a existat un moment dipol, pentru exemplu de la stânga la dreapta și aplic planul oglinzii stânga-dreapta, ar trebui să schimbe direcția, dar molecula este în continuare aceeași. Din cauza acestei contradicții, momentul dipol trebuie să fie zero în acea direcție. Același argument este valabil pentru axa de trei ori de două ori din moleculă.
Orientare 2
Datorită acestui fapt, componenta momentului de legătură al celor 3 atomi H descendenți de-a lungul liniei atomului H superior ar provoca un moment net de legătură în sus, care nu este egal la 0.
Atomul H superior este drept în sus, în timp ce dow atomii de H spre nord merg într-un unghi, cu componenta în jos fiind de 1/3 lungime de legătură. Deci, în această orientare, se anulează și, dar este mai greu de crezut.
Orientare 3
În această orientare ( folosit pentru proiecțiile Fisher în chimia zahărului), puteți vedea simetria frumos, precum și unul în sus, unul în jos; unul la stânga, unul la dreapta; două față, două spate.
Orientare 4
Poate preferatul meu: două în sus, două în jos, două în stânga, două în dreapta , două față, două spate – adică simetrică.
Răspuns
„La început am văzut că [moleculele de metan] sunt structuri 3D cu un H fiind în partea de sus și altele 3 în partea de jos, cu momentul dipol de legătură direcționat de la fiecare H către C. Datorită acestui fapt, componenta momentului de legătură a celor 3 atomi H descendenți de-a lungul liniei superioare Atomul H ar provoca un moment net de legătură ascendentă care nu este egal cu zero. „
Deci, ce se întâmplă dacă întoarceți molecula astfel încât una dintre alți atomi H este acum în partea de sus?
Amintiți-vă că un tetraedrul este simetric, astfel încât să arate la fel când este văzut din oricare dintre cele patru colțuri ale sale. Deci, dacă molecula de metan tetraedrică ar avea un moment dipol diferit de zero îndreptat către unul dintre hidrogeni, prin simetrie ar trebui să aibă și un moment dipol egal care să indice spre toate . Dar atunci nu ar fi un dipol, ci un octupol – un dipol poate, prin definiție, să indice doar într-o singură direcție.
Comentarii
- Argument simetric frumos! Acest lucru ar putea fi generalizat la ” orice moleculă cu centrosimetrie are un moment dipolar zero „, dar dovada nu s-a încadrat în această marjă (@andselisk)
- Dar simetria este perfectă? Ce se întâmplă dacă ne explicăm mici aberații (gândindu-ne la rotiri)?
Lasă un răspuns