Vraag:
Is het koolstofatoom in het koolstofdioxidemolecuul gedeeltelijk positief?
John Hon
2020-03-30 18:55:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ik had een vraag over niet-polaire moleculen met symmetrische dipoolvectoren.

Laten we $ \ ce {CO2} $ als voorbeeld nemen. 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 lading)? Misschien heb ik de verkeerde definitie van een dipool.

Het kan u helpen om de definitie van 'quadrupool' op te zoeken
Zie [Quadrupool van een molecuul] (https://chemistry.stackexchange.com/questions/54115/quadrupole-moment-of-a-molecule/108643#108643)
Niet-polair is aantoonbaar een verkeerde benaming.Het betekent specifiek "niet-dipolair".Het betekent niet dat de ladingsverdeling eigenlijk constant is.
Er is een verschil tussen de * totale * dipool van een molecuul en * lokale dipolen / bindingsdipolen * binnen een molecuul.Een molecuul met volledig niet-polaire 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 * noodzakelijke maar niet voldoende * voorwaarde.$ \ 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 Vergeet niet een antwoord te accepteren!
Vijf antwoorden:
#1
+28
mpprogram6771
2020-03-30 19:15:10 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Je hebt gelijk als je aanneemt dat het koolstofatoom in $ \ ce {CO2} $ gedeeltelijk positief geladen is. Dit komt omdat de zuurstofatomen veel elektronegatiever zijn, dus trekken ze de elektronen weg van het koolstofatoom. Dit molecuul is echter nog steeds niet-polair. Dit komt omdat je bij het tekenen van een dipoolmoment rekening moet houden met alle bindingen. Neem bijvoorbeeld water:

Water Dipole Moment

In dit molecuul zijn er twee bindingen, elk met hun eigen dipool. Maar deze vallen op zoals alle andere vectoren, waardoor je een verticale net dipool overhoudt. De dipolen in kooldioxide heffen op een vergelijkbare manier op; ze heffen elkaar echter volledig op, omdat de binding lineair is, niet gebogen zoals in water:

Carbon Dioxide Dipole Moment

Dit levert een netto dipool van nul op , waardoor het molecuul niet-polair is.

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 krijgen we een netto dipoolmoment (van0,65 D, volgens https://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 aanmoedigt om in een verspringend patroon te stapelen, maar technisch gezien is het nog steeds niet-polair, aangezien er geen manier is voor een ander molecuul om zijn eigen dipool * uit te lijnen op dezelfde as * alsde dipool van het oorspronkelijke molecuul.Het is niet-polair omdat je niet kunt zeggen dat de ene kant van het molecuul positiever / negatiever is dan de hele andere kant
@mpprogram6771 Maar als je dat als maatstaf gebruikt, heb ik het gevoel dat er een of andere carbocation is of iets waarvan je zou kunnen zeggen dat het ook niet-polair is ... Misschien ben ik gewoon in de war over wat een "kant" is?
De ene kant betekent dat je een lijn recht door het midden trekt en een helft neemt.CO2 is elektrochemisch symmetrisch, dus de ene kant heeft geen andere lading dan de andere kant. En ja, je zou waarschijnlijk zoiets kunnen vinden, maar dat betekent niet dat het geen elektrofiel is, alleen omdat het molecuul niet-polair is.Het koolstofatoom zou nog steeds alle reguliere implicaties van een gedeeltelijke positieve lading hebben, alleen het molecuul als geheel heeft geen duidelijk positief einde en een negatief einde, omdat het symmetrisch is.
Wat betreft de carbocatie, betekent niet-polair niet noodzakelijk niet-ionisch.Neem bijvoorbeeld het carbonaatanion: het is trigonaal vlak, en dus symmetrisch (radiaal).Elke C-O-binding is 1 en 1/3 van een binding (4 koolstofbindingen gedeeld door 3 zuurstofatomen), dus elk zuurstofatoom heeft een formele lading van -2/3, voor een totale lading van -2.het koolstofatoom is gedeeltelijk positief.
Denk er op deze manier over na;Als je een perfecte cirkel rond het hele molecuul hebt getekend, en dan een lijn hebt getrokken vanaf de rand van de cirkel, door het midden van het molecuul, naar de andere kant van de cirkel, en als het molecuul niet-polair is, maakt het niet uit hoe jetrek de lijn, het ene eindpunt van de lijn zal geen andere lading hebben dan het andere eindpunt.De lijn kan onderweg verschillende ladingen kruisen, maar dat maakt niet uit.Dit is hoe we weten dat er geen netto dipool is.Als je dat met water probeert, zit het grootste verschil in de eindpuntladingen langs de dipool.
@mpprogram6771 dus ik wilde niet zomaar "wat carbocation" weggooien en het daarbij laten, dus googelde ik wat rond.Ik heb wel iets gevonden dat tropylium heet, maar ik denk dat ik eigenlijk Lewis-zuren bedoelde in plaats van ionen, bijvoorbeeld BF3.
@mpprogram6771 Ooh oké, ik zag die laatste opmerking pas toen mijn browser werd vernieuwd, maar dat is logischer.Dus in wezen symmetrisch punt.Toch voel ik me raar om een zuur, of zelfs een ion als ik je goed begrijp, niet-polair te noemen.Alsof je vloeibare BF3 had (of misschien niet BF3 maar BCl3?) Het zou toch geen apolair oplosmiddel zijn?
Het kookpunt van BCl3 is een beetje laag, maar technisch gezien kan het als een niet-polair oplosmiddel worden beschouwd.Het reageert of vormt echter adducten met veel organische verbindingen en hydrolyseert in water om twee zeer zure verbindingen te vormen, dus het is misschien niet uw eerste keuze.Ik denk dat het een beetje raar is om er op die manier over na te denken, nietwaar?
Dit antwoord is een goed startpunt omdat het zich richt op het idealistische model van $ \ mathrm {C} \ mathrm {O} _2, $ waar het tijdgemiddeld is, in een vacuüm, beide zuurstofatomen van hetzelfde isotoop zijn, daar 'zijn geen significante velden, enz. Als een eenvoudige, informatieve idealisatie is het geweldige informatie om als eerste te presenteren - maar er moet toch worden opgemerkt dat deze idealisatie een _beginplaats_ is in plaats van een volledige beschrijving. Het is wellicht de moeite waard om deze beperking op te merken en vervolgens te wijzen op enkele van de andere antwoorden die voortbouwen op dit uitgangspunt.
@mpprogram6771 Ik zag dat je je wilde aansluiten bij Materials Modeling Stack Exchange.Is het je opgevallen dat het nu is gelanceerd?Neem even de tijd om lid te worden: https://materials.stackexchange.com
#2
+18
theorist
2020-04-01 12:17:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De andere antwoorden hebben uitstekend werk verricht door uit te leggen waarom, hoewel de bindingen polair zijn, $ \ ce {CO2} $ geen permanente dipool heeft: de symmetrie van het molecuul 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 lijn met de koolstof. In de symmetrische vibratiemodus van $ \ ce {CO2} $ 's wordt die symmetrie behouden. 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"):

one of the bending vibrational modes

[Volgens Karsten, de " GIF is via jsmol van molcalc.org, met de pijl toegevoegd met Camtasia ".]

Gewoon erop wijzen dat de zuurstofatomen op de foto * nog * op gelijke afstand van de koolstof staan.
Kleine bewerking om het duidelijk te maken - het is niet alleen op gelijke afstand, het is vectoruitlijning.TUSSEN lijkt de afgebeelde trilling een van de buigmodi te zijn.
@gardenhead Bedankt, je hebt natuurlijk gelijk.De bewerking van Ross Presser maakt dit mooi duidelijk.
@RossPresser Bedankt voor de bewerking, die ik heb geaccepteerd.
@KarstenTheis Ah, sorry, ik heb verkeerd begrepen wie de gif heeft toegevoegd.Ik heb je gecrediteerd in het antwoord.
re: uw nuttige opmerking over het broeikaseffect.Het argument kan worden uitgebreid tot zuurstof en stikstof die geen dipool hebben, die geen straling absorberen of uitstralen.Dit betekent dat wanneer ze door een botsing energie uit de CO2 halen, ze deze alleen door botsingen kunnen verliezen en zo de atmosfeer kunnen verwarmen.
#3
+14
MSalters
2020-03-31 21:07:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Je hebt gelijk, de koolstof heeft een positieve lading. We kunnen geen dipool meten, maar dat bewijst niets. $ \ ce {CO2} $ heeft echter 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 zijn dipool 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

  HO = C = OOH  

Als er geen kostenverdeling was op de $ \ ce {CO2} $ , we zouden dit niet zien.

Wiskundig gezien gebeurt dit omdat de ruimte 3D is. Krachten tussen twee ladingen vallen weg met het kwadraat van hun afstand.

#4
+12
ksousa
2020-04-01 03:14:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De vorige antwoorden van mpprogram6771 en MSalters hebben het goed gedaan. 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 veel functies om uw verbindingen 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 het besturingssysteem. Daar kan ik Avogadro installeren met een eenvoudig commando in de terminal:

  sudo apt-get install avogadro  

Met Avogadro kun je de $ \ ce {CO2} $ , waarbij het koolstofatoom en beide zuurstofatomen met dubbele bindingen worden verbonden. Naast de moleculaire editor heb je nog een stuk software nodig dat in staat is om de gegevens over het molecuul dat je hebt geassembleerd te nemen en er een reeks kwantummechanische berekeningen over uit te voeren, om je een benaderend antwoord op je vragen te geven.

Er is een grote verscheidenheid aan kwantummechanische software, zoals blijkt uit deze pagina op Wikipedia. Helaas is IMHO het landschap van gratis / open source-tools op dit gebied gefragmenteerd, en de meeste lopen 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 uit de eerste hand kunnen vertellen. 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-invoergenerator, is mijn aanbeveling Psi4, voor een beginner. Het is net zo eenvoudig te installeren als Avogadro, als u zich onder Ubuntu of een Debian -gebaseerde distributie bevindt.

  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.

Nadat je je molecuul hebt samengesteld en een aantal voorlopige geometrie-optimalisatie hebt uitgevoerd in Avogadro, kun je een voorlopig invoertekstbestand genereren met de Psi4-plug-in onder menu Extra's PSI4 . Mijn voorlopige versie begon als volgt:

  set basis aug-cc-pVDZmolecule {0 1 C -3.47367 0.73246 0.22361 O -2.43476 1.12414 -0.22175 O -4.51237 0.34053 0.66926} optimaliseren ('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 kijken wat we hebben over onze proto-input. 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:

Real orbital vs. basis functions

De tweede sectie heeft de x-, y-, z-coördinaten van elk atoom in het molecuul, en ook zijn totale lading (in dit geval 0) en veelvoud (in deze geval 1, aangezien alle elektronen gepaard zijn). Het derde deel 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 van alfabetsoep), een variant van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

Ik heb de door Avogadro gegenereerde sjabloon als volgt gewijzigd:

  geheugen 4 Gbset basis aug-cc-pVTZmolecule {0 1 C -3.47367 0.73246 0.22361 O -2.43476 1.12414 -0.22175 O -4.51237 0.34053 0.66926} optimaliseren ('B3LYP-D') E, wfn = energie ('B3LYP-D', return_wfn = True ) oeprop (wfn, "MULLIKEN_CHARGES", "DIPOLE", title = "CO2 B3LYP-D")  

Ik heb optioneel de limiet van het systeemgeheugen verhoogd naar 4 GB, van 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 ik werd gevraagd om onze interessante informatie, de geschatte gedeeltelijke ladingen op elk atoom, gegeven door Mulliken-analyse, en het geschatte dipoolmoment op het $ \ ce {CO2} $ -molecuul.

Nu kunnen we het tekstbestand opslaan met onze invoergegevens en voer Psi4 uit in de terminal:

  psi4 carbon_dioxide.in  

Na enige tijd zal Psi4 de run voltooien en de resultaten retourneren 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 is aan het einde:

  Eigenschappen berekend met behulp van de CO2 B3LYP-D-dichtheidsmatrix Nucleair dipoolmoment: (au) X: -0,0000 Y: 0,0000 Z : 0,0000 Elektronisch dipoolmoment: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: -0,0000 Dipoolmoment: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: -0,0000 Totaal: 0,0000 Dipoolmoment: (Debye) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: -0.0001 Totaal: 0.0001 Mulliken Kosten: (au) Centrum Symbool Alpha Beta Spin Totaal 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 Totaal alfa = 11.00000, Totaal bèta = 11.00000, Totaal charge = 0.00000 *** Psi4 succesvol afgesloten. Koop een ontwikkelaar een biertje!  

De resultaten geven precies de situatie aan die je intuïtief had voorspeld, waarbij beide zuurstofatomen de elektronendichtheid wegtrokken van het centrale koolstofatoom en het koolstofatoom licht positief werd 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. Omdat 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 elk zuurstofatoom binnen vier decimalen hetzelfde is, en beide tegenovergestelde posities innemen in een lineaire geometrie.

Er is een vergelijkbaar molecuul, maar zonder de mogelijkheid van ladingsscheiding annuleert $ \ ce {CO} $ , koolmonoxide, met een enkele zuurstof. Om een ​​vergelijking te maken, heb ik er een equivalent invoerbestand voor gemaakt.

  geheugen 4 Gbset basis aug-cc-pVTZmolecule {0 1 C -3.99710 1.44942 0.00000 O -2.86898 1.44942 0.00000} optimaliseren (' B3LYP-D ') E, wfn = energy (' B3LYP-D ', return_wfn = True) oeprop (wfn, "MULLIKEN_CHARGES", "DIPOLE", title = "CO B3LYP-D")  

En voer het uit.

  psi4 carbon_monoxide.in  

Opnieuw wijzen de resultaten op een zekere mate van ladingsscheiding.

  Eigenschappen berekend met behulp van de CO B3LYP-D dichtheidsmatrix Nucleair dipoolmoment: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0023
Elektronisch dipoolmoment: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0348 Dipoolmoment: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0371 Totaal: 0,0371 Dipoolmoment: (Debye) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0944 Totaal : 0,0944 Mulliken Kosten: (au) Centrumsymbool Alpha Beta Spin Totaal 1 C 2,95397 2,95397 0,00000 0,09206 2 O 4,04603 4,04603 0,00000 -0,09206 Totaal alfa = 7,00000, Totale bèta = 7,00000, Totale lading = 0,00000 *** Psi4 succesvol afgesloten. Koop een ontwikkelaar een biertje!  

Maar deze keer was de dipool niet nul, met een geschatte waarde van ongeveer 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 versus 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} $ span > wijs duidelijk naar wederzijdse annulering om het ontbreken van een dipool in $ \ ce {CO2} $ uit te leggen.

Wauw!je hebt hier enorm veel energie in gestoken!Dat is een duidelijke upvote!
Ik zal dit dit weekend zorgvuldig doornemen.Vijf jaar geleden vroeg ik [Hoe kan ik de ladingsverdeling van een watermolecuul berekenen?] (Https://chemistry.stackexchange.com/q/30933/16035) en begon ik te proberen uit te vinden hoe je [PyQuante] (http://pyquante.sourceforge.net/), maar realiseerde me toen dat ik veel meer zou moeten lezen voordat ik zou begrijpen wat ik aan het doen was.
Wauw, dit is echt indrukwekkend.Ik wil het proberen.Heel erg bedankt voor je moeite!
#5
+9
Ben Crowell
2020-04-01 19:11:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mijn leraar zegt dat dit ervoor zorgt dat alle atomen in CO2 even geladen worden aangezien er geen netto 'kracht' mag zijn.

Ik denk niet dat de andere antwoorden legde uit waarom dit verkeerd is. Als u een set van drie puntladingen heeft, gerangschikt zoals $ Q $ ... $ q $ .. . $ Q $ , dan is het gemakkelijk om aan te tonen dat de krachten allemaal annuleren wanneer $ q / Q = -1 / 4 $ . Dit kan om twee redenen echter niet de fysieke situatie zijn. (1) De nettokosten $ 2Q + q $ zijn niet nul, tenzij $ q = Q = 0 $ . (2) Het evenwicht is instabiel.

Dus op basis van dit argument met de wet van Coulomb en de mechanica van Newton, zou je leraar eigenlijk gelijk hebben dat de ladingen niet ongelijk aan 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 zouden gewoon wegdrijven. In werkelijkheid is CO2 gebonden.

In het algemeen verwachten we eenvoudigweg 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.



Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 4.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...