Miksi veden molekyylirakenne on taipunut?

Tarkoitan, siellä on aika ja paikka VSEPR: lle, ja tämä on todennäköisesti yhtä hyvä aika kuin mikään muu, koska kaikki aloittavat kemian opiskelijat käyvät sen läpi. Varsinainen malli on jo selitetty useita kertoja, joten sanon vain lyhyesti, että tämän teorian mukaan keskushapen ympärillä on neljä elektroniparia. Elektroni-elektroni-hylkimysten minimoimiseksi nämä parit ottavat tetraedrisen järjestelyn hapen ympärille. Ei ole väliä, mitkä kaksi ovat yksinäisiä pareja ja mitkä kaksi ovat yhteydessä vetyatomeihin; tuloksena oleva muoto on aina taipunut.

Pidä mielessä (eikä sitä ole toistaiseksi selitetty kovin huolellisesti), että VSEPR on malli jota kemistit käyttävät ennustamaan molekyylin muodon. Totuus on, että ei ole mitään todellista tapaa ennustaa molekyylin muotoa lukuun ottamatta Schrodinger-yhtälön ratkaisemista, mikä ei ole analyyttisesti mahdollista vedelle. Kaikki muu on arvio totuudesta. Jotkut näistä likiarvoista ovat melko tarkkoja, kuten tiheysfunktionaalisen teorian käyttö. Jotkut niistä ovat erittäin karkeita, ja VSEPR kuuluu tähän luokkaan: se kohtelee olennaisesti elektroneja klassisina pistevarauksina ja pyrkii minimoimaan näiden staattisten varausten välisen sähköstaattisen hylkimisen. Fysiikan opiskelijana sinun pitäisi tietää paremmin kuin tehdä tämä. Siten, vaikka se ennustaa oikean tuloksen tässä tapauksessa, se on enemmän mallista huolimatta kuin mallista huolimatta. Ja sinun ei pitäisi olla yllättynyt kuullessasi, että joissakin hieman monimutkaisemmissa tapauksissa VSEPR voi ennustaa täysin vääriä tuloksia.

Kun opit lisää kemiaa, huomaat, että molekyyligeometrian selittämiselle on yhä kehittyneempiä tapoja. Suurin osa kiertää molekyylirata-teorian ympärillä. Laadullista menetelmää varten sinulla on Walsh-kaaviot, jotka on selitetty kohdassa Miksi sidoskulma pienenee järjestyksessä H2O, H2S, H2Se? . Tarkempaa menetelmää varten sinun on todennäköisesti suoritettava joitain kvanttikemiallisia laskelmia, esim. Ovatko yksinäiset parit vedessä vastaavia? . Tämän haittana on tietysti se, että todellisen kemiallisen ymmärtämisen purkaminen numeroista on yhä vaikeampaa. Vaikka on myös sanottava, että VSEPR-mallista ei voi purkaa mitään todellista kemiallista ymmärrystä.

Minua kiinnostaa enemmän seurantakysymys:

Schrödingerin yhtälö ei myöskään tarjoaisi yhtä uskottavaa rakennetta vedelle hapon vastakkaisella puolella olevien yksinäisten parien kanssa siitä, mitä oletamme (kuvaamalla elektronit hapen ylä- tai alaosassa Lewis-rakenteessa)?

Koska vesimolekyylin hamiltonilainen on invariantti pyörimisen yhteydessä, tämä tarkoittaa, että todellakin mikä tahansa vesimolekyylin orientaatio on yhtä todennäköinen. Tämä viittaa kuitenkin vain vesimolekyylin suuntaukseen kokonaisuutena . Se ei kerro mitään sisäisistä vapausasteista, kuten sidekulmasta.

Ilman ulkoista voimaa , molekyyli voi vapaasti taipua mihin suuntaan tahansa, ja useimmat vesimolekyylit todellakin tekevät tämän, kun ne kelluvat avaruudessa tai uivat järvessä. Mutta se on aina taipunut.

I Jos totta, näiden kahden tilan välillä olisi resonanssirakenne ja saisimme lineaarisen geometrian.

Jos ajattelet yksittäistä hiukkaa kaksoiskaivopotentiaalissa, sano jotain sanalla

$$ V = \ begin {cases} \ infty & x < -b \\ 0 & -b \ le x \ le -a \\ \ infty & -a < x < a \\ 0 & a \ le x \ le b \\ \ infty & x > b \ end {cases} $$

sitten järjestelmän symmetrian vuoksi jokaisessa omavaltiossa järjestelmän $ x $ odotusarvo olisi $ \ langle x \ rangle = 0 $ . Tämä on melko samanlainen kuin argumenttisi. Veden tapauksessa asetetaan hapen ydin alkupisteeseen. Koska se voi osoittaa joko ylös tai alas, vetyytimen sijainnin odotusarvo yläsuuntaisella akselilla olisi täsmälleen tasainen happiatomin kanssa , eli 0. Itse asiassa, älä pysähdy siihen: se voi osoittaa vasemmalle tai oikealle sekä eteen tai taakse. Joten vetyytimen sijaintiodotusarvo on tarkalleen $ (0, 0, 0) $ , ts. Aivan happiytimen sisällä.

Onko se tarkoittaa sitä, että se on tosiasiallisesti siellä? Suunnitellussa kaksoiskaivojärjestelmässämme on ilmeisesti mahdotonta, että hiukkanen on $ x = 0 $ , koska $ V = \ infty $ siellä. Jos mittaisit sen sijaintia, et koskaan löydä sitä kohdasta $ x = 0 $ ; löydät sen vain vasemmanpuoleisesta $ [- b, -a] $ tai oikeanpuoleisesta sivusta $ [a, b] $ . Se, että hiukkasella on $ \ langle x \ rangle = 0 $ odotusarvo , ei tarkoita, että se on fyysisesti siellä, tai että $ x = 0 $ on jotenkin sen tasapainotila. Sekoitat odotusarvon aitoon ominaisvaltioon (mikä on resonanssirakenne).

Aivan samalla tavalla, jos joskus mitattaisit vettä (ja pidä mielessä, että käytännössä jokainen vuorovaikutus vesimolekyylin kanssa on itse asiassa mittaus), havaitsemme, että se on todellakin aina taipunut.

Kommentit

• ” Schr ö dinger-yhtälön ” ratkaiseminen on tietysti myös vain arvio totuudesta. Hyvin peruskäsitteessä voidaan jopa väittää, että se, joka ei periaatteessa ole parempi kuin Lewis + VSEPR. Itse asiassa on väärinkäsitys viitata totuuteen mallin takana. näkökulmasta syy melkein kaikkiin väärinkäsityksiin heidän eettisessä kemiassa. Malli ennustaa ilmiöt. Ei ole järkevää sanoa kemiallista mallia (se on ” teoria ” todellinen ly) on väärässä. Teoria on aina oikea. Kysymys on vain sen voimassaoloalue.
• @Rudi_Birnbaum ” Teoria on aina oikea. ” – Minulla on teoria. Teoriani oletan, että teoriani on väärä.
• Pidän ideoiden sijoittamisesta tarkkuusspektriin. Keskustelusi ” hyvistä ” arvioista on kuitenkin hieman poissa käytöstä. DFT on teoriana tarkka. Tuntemattoman universaalitoiminnon lähentäminen tekee sen toteuttamisesta epätarkkaa.Myös ” Schr ö dinger-yhtälön ” ja DFT ratkaiseminen liittyy tyypillisesti sähköisiin rakenneteoria, ellet käsittele atomeja myös kvanttimekaanisesti, jolloin voit ennustaa vain sijainnin odotusarvon. Siksi atomipaikan pin-point-kuvaus vaatii likiarvon (Born-Oppenheimer).
• @LordStryker: Että ’ ei ole teoria epistemologia. Se voi olla hypoteesi.
• @jezzo kiitos kommentistasi! Olen tietoinen mielipiteistäsi, mutta minusta on hieman inhottavaa sisällyttää niitä, koska minusta tuntuu siltä, että olen jo kestänyt liikaa. Mutta kommentti voi ja sen pitäisi pysyä hyödyllisenä muistutuksena muille lukijoille teknisestä tarkkuudesta 🙂

Lewis-rakenteet ovat pisteitä atomien ympärillä 2-ulotteisella paperilla. Vaikka H-O-H on tasomainen, sinun täytyy ajatella kolmiulotteisesti, kun heität yksinäisiä pareja. Kuinka happi hybridisoituu, kun se on valmis hyväksymään kaksi tulevaa vetyä, joista jokaisella on elektroni? ja sp2 yksinäinen pari. Tai kuten sp3, kaikkien sidosten välissä 109 astetta. Vedessä meillä on 104,5 astetta https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Water . 104.5 on välillä 90 ja 109, joten yksinäisten parien hylkäämisen välillä on oltava jonkin verran tilaa, joka työntää kohti sp3-hybridisaatiota, ja ehkä jonkin verran syrjäytymistä OH-sidosten elektroneista, jotka pyrkivät levittämään HOH-kulmaa kohti 120 astetta (sp2) ja työnnä yksi yksinäisistä parista täydellisemmin p2-kiertoradalle.

En vain voi päättää, mikä on voimakkaampi voima; ehkä vesimolekyyli ei voi myöskään, joten se vain kompromisseja .

kommentit

• Tämä päättely on taaksepäin. Hybridisaatio on kuvausmalli, joten se seuraa aina molekyylirakennetta. Lisätietoja: Ovatko yksinäiset vesiparit vastaavia? Lisähuomautuksena, kun taas lauseen ’ happi on hybridisoitu ’ on valitettavasti hyvin yleinen, se on väärä. Atomeja ei voida hybridisoida, vain kiertoradat voidaan rakentaa hybridi-orbitaaleiksi. Näiden yksinäisten parien hylkääminen on myös paljon enemmän mukana kuin tässä esitetty.

Silti toinen tapa ajatella sitä, että $ \ ce {H2O} $ ei ole teoriassa mahdollista täyttä symmetriaa, on se, että elektronien lukumäärä ei vastaa kunnolla suurinta mahdollinen symmetriakohdaryhmä (jolla on pariton nimi $ D _ {\ infty \ mathrm {h}} $ . Tässä mielessä se voidaan nähdä yksinkertaisena esimerkkinä symmetrian rikkomisesta (se ei kuitenkaan ole yksinkertainen ensimmäisen asteen Jahn-Tellerin vääristymä).

Kommentit

• Miksi $ D_ \ mathrm {\ infty h} $ on pariton nimi? Käytä kemiallista rakennetta $\ce{H2O}$ keiton H$_2$O sijaan, jolla voi olla paljon ei-toivottuja sivuvaikutuksia. Jos haluat tietää Lisätietoja MathJaxista, katso täältä ja täältä .
• Kirjoitan fyysikolle, joka ei mahdollisesti koskaan ole kosketuksissa Sch ö nflies -merkintöjen kanssa. He suosivat yleensä muita, kuten Hermann-Mauguin, tai matemaattisemmin suuntautuneita, kuten Coxeter.

En ymmärrä, miksi yksinäisten elektroniparien on oltava atomin samalla puolella.

Kukaan ei sano heidän olevan ”atomin samalla puolella”. Kuvassa, joka kuvaa vesien Lewis-rakenteita, yksinäiset parit näkyvät vasemmassa paneelissa vastakkaisilla puolilla ja samalla puolella oikealla.

Nämä kaksi rakennetta ovat identtiset. Lewis-rakenne ei tee lausunto molekyylin geometriasta.

Jos tarkastelet 3D-vesimallia, jossa yksinäiset parit näytetään sp3-hybridisaation mukaan asioiden valenssisidoksenäkymässä, se riippuu molekyylin suunta riippumatta siitä, näyttääkö se ”vastakkaisilta puolilta” vai ”samalla puolelta” (pitkänomainen muoto – pupun korvat – yksinäisten parien on liioiteltu; niiden tulisi lisätä karkeasti pallomainen elektronitiheys).(Lähde: https://www.biotopics.co.uk/jsmol/watersingle.html )

Molemmilla kiertoradanäkymillä (joissa molekyylin kiertoradat jakavat molekyylin symmetrian) kahdella yksinäisellä parilla on erilliset muodot (kullakin paneelilla on yksi yksinäinen pari, molekyylin suunta erottuu yllä olevasta kuvasta) ).

Tämä on laskettu molcalc.org-ohjelmalla. Koska näillä kahdella molekyyliorbitaalilla on samanlainen energia, voit tehdä niistä lineaarisia yhdistelmiä päästäkseen kiertoradalle, joka on samanlainen kuin valenssisidoskuva. Tarkasteltaessa vetysidosgeometriaa jommassakummassa kuvataan suunnat, joista vetyakseptorit muissa molekyyleissä sijoitettaisiin, joten molemmat mallit ovat yhdenmukaisia kokeellisen tiedon kanssa.