Este atomul de carbon din molecula de dioxid de carbon parțial pozitiv?
On februarie 3, 2021 by adminAm avut o întrebare despre moleculele nepolare care au vectori dipolari simetrici.
Să luăm $ \ ce {CO2} $ ca exemplu. Fiecare dintre $ \ ce {C = O} $ se retrage în sens opus . Profesorul meu spune că acest lucru face ca toți atomii din $ \ ce {CO2} $ să fie încărcați în mod egal, deoarece nu trebuie să existe vreo „forță” netă.
Cu toate acestea, nu sunt de acord. Intuitiv, se pare că atomii de oxigen ar îndepărta densitatea electronilor de atomul central de carbon și ar face atomul de carbon ușor pozitiv și atomii de oxigen ușor negativi, așa:
$$ \ large \ ce {\ overset {\ small \ delta -} {O} = \ overset {\ small \ delta +} {C} = \ overset {\ small \ delta -} {O}} $$
Acest proces ar trebui să facă atomul de carbon ușor pozitiv și atomii de oxigen ușor negativi. Cu toate acestea, dacă am avut dreptate, atunci de ce nu spunem $ \ ce {CO2} $ are un dipol (există o separare a sarcinii)? Poate aș putea au definiția greșită a unui dipol.
Comentarii
- S-ar putea să vă ajutați să căutați definiția „quadrupolului”
- Consultați Quadrupolul unei molecule
- Non-polar este, fără îndoială, un nume greșit. Aceasta înseamnă în mod specific ” non-dipolar „. Nu înseamnă ‘ nu înseamnă că distribuția sarcinii este de fapt constantă.
- Acolo ‘ o diferență între o moleculă ‘ s global dipol și dipoli locali / dipoli de legătură în cadrul unei molecule. O moleculă cu legături complet nepolare nu poate avea un dipol molecular general. Cu toate acestea, acest lucru nu nu implică faptul că moleculele cu legături polare trebuie să aibă un dipol molecular general – având dipoli de legătură este un necesitate ry, dar nu suficient condiție. $ \ ce {CO2} $ este cazul unei molecule cu dipoli de legătură care se anulează exact și nu lasă nici un dipol al moleculei. Cu toate acestea, după cum sa menționat, $ \ ce {CO2} $ are un moment quadrupol .
- @JohnHon Don ‘ t uitați să acceptați un răspuns!
Răspuns
Sunteți corect când presupuneți că atomul de carbon din $ \ ce {CO2} $ are o sarcină parțială pozitivă. Acest lucru se datorează faptului că atomii de oxigen sunt mult mai electronegativi, deci îndepărtează electronii de atomul de carbon. Cu toate acestea, acest lucru molecula este încă nepolară. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când trageți un moment dipol, trebuie să țineți cont de toate legăturile. Luați de exemplu apă:
În această moleculă, există două legături, fiecare cu propriul dipol. Dar acestea se anulează ca orice alt vector, lăsând cu dipol vertical net . Dipolii din dioxidul de carbon se anulează în mod similar; totuși, se anulează complet reciproc, deoarece legătura este liniară, nu nu se îndoaie ca în apă:
Aceasta produce un dipol net zero, făcând molecula nepolară.
Comentarii
- Acest lucru este corect și îl putem testa de fapt. Înlocuiți unul dintre O cu un S pentru a rupe simetria, acum direcția dipolului O = C este exact opusă celei a dipolului C = S, dar mărimile nu sunt egale, deci obținem un moment dipol net (de 0,65 D, conform en.wikipedia.org/wiki/Carbonyl_sulfide ).
- dar dacă carbonul este pozitiv, atunci oxigenul parțial negativ al unei alte molecule de CO2 poate forma o legătură dipol dipol cu C?
- Afectează încă oarecum proprietățile compusului, deoarece încurajează moleculele să se stiveze într-un model eșalonat, dar din punct de vedere tehnic este încă nepolar, deoarece nu există nicio modalitate ca o altă moleculă să o alinieze ‘ propriul dipol pe aceeași axă ca molecula originală ‘ s dipol. ‘ este nepolar deoarece puteți ‘ să spuneți că o parte întreagă a moleculei este mai pozitivă / negativă decât întreaga parte cealaltă
- Gândește-te în acest fel; Dacă ați desenat un cerc perfect în jurul întregii molecule și apoi ați trasat o linie de la marginea cercului, prin centrul moleculei, către partea opusă a cercului, atunci dacă molecula este nepolară, atunci indiferent cum ați fi trasați linia, un punct final al liniei câștigat ‘ nu are o încărcare diferită de celălalt punct final. Linia ar putea traversa unele sarcini diferite pe aceasta cale ‘, dar asta nu contează ‘.Așa știm că ‘ nu are dipol net. Dacă încercați asta cu apă, cea mai puternică diferență în sarcinile punctului final este de-a lungul dipolului.
- Acest răspuns este un punct de plecare excelent, deoarece se concentrează pe modelul idealist de $ \ mathrm {C} \ mathrm { O} _2, $ unde ‘ mediată în timp, în vid, ambii atomi de oxigen au același izotop, acolo ‘ Nu există câmpuri semnificative, etc. Ca o simplă, idealizare informativă, ‘ este o informație excelentă de prezentat mai întâi – dar, trebuie totuși menționat că această idealizare este o locul de plecare mai degrabă decât o descriere completă. Ar putea fi demn de remarcat această limitare, apoi arătând spre unele dintre celelalte răspunsuri care se construiesc de la acest punct de plecare.
Răspuns
Celelalte răspunsuri au făcut o treabă excelentă explicând de ce, chiar dacă legăturile sale sunt polare, $ \ ce {CO2} $ nu are un dipol permanent: molecula ” Simetria anulează polaritatea legăturilor sale.
Dar asta nu este întreaga poveste. Aș dori să adaug la aceasta o caracteristică foarte interesantă și importantă din punct de vedere ecologic pentru $ \ ce {CO2} $ – și anume, deși îi lipsește un permanent dipol, face să existe dipoli tranzitorii (dinamici).
Mai exact, $ \ ce {CO2} $ nu are dipol decât atunci când doi oxigeni sunt ambii echidistanți de și în conformitate cu carbonul. În modul vibrațional simetric al $ \ ce {CO2} $ , simetria este menținută. Dar $ \ ce {CO2} $ are alte trei moduri vibraționale: un mod vibrațional liniar asimetric și două moduri vibraționale de îndoire (colecția este prezentată frumos aici: Este dioxidul de carbon IR inactiv? ).
De ce este important acest lucru pentru mediu? Pentru ca $ \ ce {CO2} $ să absoarbă lumina IR (adică pentru a fi un gaz cu efect de seră), trebuie să aibă un dipol. Și se întâmplă, temporar, din cauza acestor moduri vibraționale asimetrice.
Această animație, adăugată de Karsten Theis, arată dipolii creați dinamic de unul dintre $ \ ce { Moduri de îndoire CO2} $ „(aka ” The Floss „):
[Potrivit lui Karsten, ” GIF este prin jsmol de la molcalc.org, cu săgeata adăugată folosind Camtasia „.]
Comentarii
- Doar subliniind că în imaginea pe care o aveți, oxigenii sunt încă echidistanți de carbon.
- Editați ușor pentru a clarifica – ‘ nu este doar echidistanță, este ‘ aliniere vectorială. BTW, vibrația din imagine pare a fi unul dintre modurile de îndoire.
- @gardenhead Vă mulțumim, desigur că aveți dreptate. Ross Presser ‘ șterge frumos acest lucru.
- @RossPresser Vă mulțumim pentru editare, pe care am acceptat-o.
- @ KarstenTheis Ah, îmi pare rău, am neînțeles cine a adăugat gif-ul. Eu ‘ v-am acreditat în răspuns.
Răspuns
Ai dreptate, carbonul are o sarcină pozitivă. Nu putem măsura un dipol, dar asta nu demonstrează nimic. Cu toate acestea, $ \ ce {CO2} $ are un moment cvadrupolar. Imaginați-vă o $ \ ce {CO2} $ moleculă orientată de-a lungul axei $ x $ și un pic mai departe de-a lungul $ x $ -axis există și o $ \ ce {H2O} $ moleculă cu dipolul său este orientat de-a lungul axei $ x $ . Momentul său dipolar interacționează cu ambele momente dipolare ale $ \ ce {CO2} $ , dar unul dintre cei doi dipoli din $ \ ce {CO2} $ este mai aproape de dipolul de apă. Deci, schematic veți obține
H O=C=O O H
Dacă nu a existat nicio distribuție a taxei pe $ \ ce {CO2} $ , nu am vedea acest lucru.
Matematic, acest lucru se întâmplă deoarece spațiul este 3D. Forțele dintre două încărcături scad cu pătratul distanței lor.
Răspuns
Răspunsurile anterioare de mpprogram6771 și MSalters l-a pus pe .Aș dori să adaug că, deoarece $ \ ce {CO2} $ este o moleculă foarte mică, puteți, cu un pic de efort, să configurați un pic numeric experimentați pentru a vă răspunde la propria întrebare și chiar pentru a obține încărcări parțiale aproximative în fiecare atom și moment dipolar al întregii molecule, utilizând doar software liber / open source.
Mai întâi, trebuie să instalați software de modelare moleculară în mașina dvs.. Cel care îmi place cel mai mult este Avogadro . Are o utilizare ușoară și multe caracteristici pentru a proiecta și a vizualiza compușii dvs. Ghemical a fost, de asemenea, bun, dar se pare că nu este întreținut de ani de zile. Nu mai puteam să funcționez corect.
În mașina mea folosesc Ubuntu MATE 18.04 (o variantă GNU / Linux) ca sistem de operare. Acolo „pot instala Avogadro cu o comandă simplă în terminal:
sudo apt-get install avogadro
Cu Avogadro puteți asambla $ \ ce {CO2} $ , unind atomul de carbon și ambii atomi de oxigen cu legături duble. Dincolo de editorul molecular, veți avea nevoie de un alt software, capabil să preia datele despre molecula pe care ați asamblat-o și să efectuați o serie de calcule mecanice cuantice, pentru a vă oferi un răspuns aproximativ la întrebările dvs.
Există o mare varietate de programe mecanice cuantice, așa cum arată această pagină pe Wikipedia. Din păcate, IMHO, peisajul instrumentelor gratuite / open source din acest domeniu este fragmentat și majoritatea rămân mult în urmă cu Avogadro în ceea ce privește gradul de utilizare, blocat în nivelul mediu de ușurință în utilizare din anii 1980 (uneori la nivelul compile-it-yourself) ), iar alternativele proprietare au licențe restrictive și / sau sunt scumpe, care nu sunt la îndemâna persoanelor fără afiliere instituțională. Academia își tratează rău producătorii de instrumente voluntare, așa cum vă pot spune unii oameni buni în matematică, direct . Mai devreme sau mai târziu trebuie să remediem asta. Avem nevoie de un William Stein în chimia computațională. Sper doar că va primi un tratament mai bun după ce a trecut la sarcină.
Cu toate acestea, printre mai multe pachete acceptate de generatorul de intrare Avogadro, recomandarea mea este Psi4, pentru un începător. Este la fel de ușor de instalat ca Avogadro, dacă sunteți sub Ubuntu sau orice distribuție bazată pe Debian .
sudo apt-get install psi4
Au un site bine documentat , cu o secțiune dedicată educației cu proiecte simple și forumuri de mesaje prietenoase. Versiunea disponibilă în depozitul Ubuntu este funcțională, dar destul de învechită, 1.1.5, începând cu martie 2020. Dacă cineva este serios despre învățarea acesteia, sfatul meu este să o descărcați direct de pe site-ul lor. Cea mai recentă versiune stabilă din martie 2020 este 1.3.2. Dar, de dragul acestui răspuns, implicit depozitul este suficient.
După asamblarea moleculei dvs. și efectuarea unei optimizări preliminare a geometriei în interiorul Avogadro, puteți genera un fișier text de intrare preliminar cu pluginul Psi4 din meniul Extras → PSI4 . Versiunea mea preliminară a început astfel:
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")
Pluginul Avogadro pentru Psi4 este foarte de bază, așa că va trebui să acordăm șablonul manual. Un set de șabloane bune pe care le puteți schimba pentru a se potrivi nevoilor dvs. este un lucru grozav de avut atunci când învățați să utilizați un pachet nou. Ar trebui să avem mai multe dintre acestea. Dar, mai întâi, să vedem ce avem la intrarea noastră proto. Are trei secțiuni. Prima secțiune specifică un set de baze , aug-cc -pVDZ (chimiștilor de calcul le place să se delecteze cu ciorba de alfabet). Pentru a fi scurt, un set de bază este un set de funcții matematice ușor de calculat, folosit pentru a emula orbitalii atomici și moleculari reali, greu de calculat, cam așa:
A doua secțiune are coordonatele x, y, z ale fiecărui atom din moleculă, precum și sarcina sa generală (în acest caz 0) și multiplicitatea (în acest caz 1, deoarece toți electronii sunt împerecheați). A treia secțiune spune ce fel de informații dorim să calculăm din informațiile noastre inițiale, în acest caz, geometria optimă a moleculei (optimizare) și mașina algoritmică aleasă pentru procesarea acesteia, în acest caz, B3LYP-D (o altă porție de supă de alfabet ), o variantă a teoria funcțională a densității (DFT) .
Am schimbat șablonul generat de Avogadro după cum urmează:
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")
Am ridicat opțional limita de memorie a sistemului la 4 GB, din valoarea implicită a sistemului, deoarece mașina mea are o cantitate bună de memorie.Deoarece molecula este mică și impactul asupra timpului de rulare va fi probabil acceptabil, am schimbat și setul de baze anterior, aug-cc-pVDZ, într-unul mai detaliat, aug-cc-pVTZ. De asemenea, a fost adăugată o secțiune prin care Psi4 a returnat un obiect cu funcție de undă (wfn) pentru sistem, pe lângă energia sa (E). În cele din urmă, urmând instrucțiunile din manualul Psi4 aici , am adăugat o secțiune care solicită informațiile noastre de interes, tarifele parțiale estimate pentru fiecare atom, date de Analiza Mulliken și momentul dipolar estimat pe $ \ ce {CO2} $ moleculă.
Acum putem salva fișierul text cu datele noastre de intrare și rula Psi4 în terminal:
psi4 carbon_dioxide.in
După ceva timp, Psi4 va termina rularea și va returna rezultatele într-un fișier de ieșire numit carbon_dioxide.out care are o cantitate imensă de informații. Dar secțiunea care vă interesează mai mult întrebarea dvs. este chiar la final:
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!
Rezultatele indică exact situația pe care ați prezis-o intuitiv, cu ambii atomi de oxigen care trag electronii densitatea departe de atomul central de carbon și atomul de carbon devenind ușor pozitive, iar atomii de oxigen ușor negativi. De fapt, am reușit să folosim computerul ca un fel de armură de putere pentru minte.
La început, intuiția voastră putea oferi doar îndrumări vagi în direcția transferului densității electronilor, de la oxigen la carbon. Acum putem corobora acest lucru și ne putem mări intuiția cu estimări numerice, o pierdere medie de 0,38 electroni în atomul de carbon și un câștig mediu de 0,19 electroni în fiecare atom de oxigen. Minunat.
În ciuda separării sarcinii, rezultatele micului nostru experiment numeric indică, de asemenea, un moment dipol aproape de zero, după cum vedem. Nu ne spune în mod explicit de ce. Dar intuiția noastră geometrică sugerează o cale de ieșire. Deoarece există doi atomi de oxigen, efectul separării sarcinii asupra ambilor se poate anula. atomul este același în patru zecimale și ambii iau poziții opuse într-o geometrie liniară.
Există o moleculă similară, dar fără posibilitatea separării sarcinii de a anula, $ \ ce {CO} $ , monoxid de carbon , cu un singur oxigen. Pentru a face o comparație, am creat fișierul de intrare echivalent pentru acesta.
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")
Și l-am rulat.
psi4 carbon_monoxide.in
Din nou, rezultatele indică o anumită măsură a separării sarcinii.
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!
Dar de data aceasta dipolul a fost diferit de zero, cu o valoare estimată în jur de 0,094 debye. Articolul Wikipedia cu privire la monoxidul de carbon ne oferă o valoare măsurată de 0,122 debye. Deci, am obținut o estimare cu aproximativ 23% mai mică decât valoarea reală. Diferența poate apărea fie ca o limitare intrinsecă a modelului nostru (chestiunea știință vs. inginerie), fie pentru că am căutat undeva fie în intrarea pe care am dat-o Psi4, fie în ipotezele mele de a trata problema (întotdeauna foarte probabil).
Ar fi interesant să verificați literatura din subiect, dacă vreți să mergeți mai adânc. Oricum, contrastul rezultatelor dintre $ \ ce {CO2} $ și $ \ ce {CO} $ indică în mod clar anularea reciprocă pentru a explica lipsa unui dipol în $ \ ce {CO2} $ .
Comentarii
- Uau! depui o grămadă de eforturi în asta! ‘ este un vot pozitiv definitiv!
- Voi trece cu atenție în acest weekend. Acum cinci ani am întrebat Cum pot calcula distribuția sarcinii unei molecule de apă? și am început să încerc să dau seama cum să rulez PyQuante , dar mi-am dat seama că ‘ ar trebui să citesc mult mai mult înainte de a
să înțeleg ce Mă ocupam.
Răspundeți
Profesorul meu spune că acest lucru face ca toți atomii din CO2 să fie încărcați în mod egal, deoarece nu trebuie să existe o „forță” netă.
Nu cred că alte răspunsuri au explicat de ce acest lucru este greșit. Dacă aveți un set de taxe în trei puncte aranjate ca $ Q $ … $ q $ … $ Q $ , atunci este ușor să arăți că toate forțele se anulează când $ q / Q = -1 / 4 $ . Cu toate acestea, aceasta nu poate fi situația fizică, din două motive. (1) Taxa netă $ 2Q + q $ este diferită de zero, cu excepția cazului în care $ q = Q = 0 $ . (2) Echilibrul este instabil.
Deci, pe baza acestui argument, folosind legea lui Coulomb și mecanica newtoniană, profesorul tău ar avea de fapt dreptate că acuzațiile nu pot fi diferite de zero. Cu toate acestea, chiar și în cazul $ q = Q = 0 $ , echilibrul nu este stabil. În acest caz nu există deloc forță de legare, deci atomii În realitate, CO2 este legat.
În general, nu ne așteptăm să putem explica stabilitatea materiei folosind fizica clasică și forțele electrostatice. Există o teoremă numită teorema lui Earnshaw care arată că acest lucru este imposibil. Fizica cuantică este necesară pentru a explica stabilitatea materiei.
Lasă un răspuns