Miért hajlik meg a víz molekulaszerkezete?

Mármint ott van a VSEPR ideje és helyszíne, és ez valószínűleg ugyanolyan jó idő, mint bármely más, mert az összes kezdő kémia hallgató átmegy rajta. A tényleges modellt már többször elmagyarázták, ezért csak röviden mondom, hogy ezen elmélet szerint négy elektronpár van a központi oxigén körül. Az elektron-elektron taszítás minimalizálása érdekében ezek a párok tetraéderes elrendezést alkalmaznak az oxigén körül. Nem számít, hogy melyik kettő magányos pár, és melyik kettő kapcsolódik a hidrogénatomokhoz; az így kapott alak mindig hajlított.

Amit érdemes szem előtt tartani (és eddig nem magyarázták nagyon alaposan), hogy a VSEPR modell , amelyet a vegyészek megjósolnak egy molekula alakjára. Az az igazság, hogy a molekula alakjának megjóslására nincs valódi mód, kivéve a Schrodinger-egyenlet megoldását, ami a víz számára analitikusan nem lehetséges. Minden más közelítés az igazsághoz. Ezen közelítések egy része meglehetősen pontos, például a sűrűség-funkcionális elmélet használata. Némelyikük rendkívül nyers, és a VSEPR ebbe a kategóriába tartozik: lényegében az elektronokat klasszikus ponttöltésekként kezeli, és igyekszik minimalizálni az e pont töltések közötti elektrosztatikus taszítást. Fizikus hallgatóként jobban kellene tudnia, mint ezt megtenni. Így, bár ez a jó eredményt jósolja ebben az esetben, inkább a modell ellenére van, mintsem a modell miatt. És nem csodálkozhat, ha azt hallja, hogy néhány kissé bonyolultabb esetben a VSEPR teljesen téves eredményeket képes megjósolni.

További kémia elsajátításakor azt tapasztalja, hogy egyre kifinomultabb módszerek vannak a molekuláris geometria magyarázatára. A legtöbb a molekuláris pályaelmélet körül forog. A kvalitatív módszerhez Walsh-diagramjaid vannak, amelyeket a oldalon magyaráztak el. Miért csökken a kötés szöge H2O, H2S, H2Se sorrendben? . A szigorúbb módszerhez valószínűleg kvantumkémiai számításokat kell lefuttatnia, pl. A magányos párok vízben egyenértékűek? . Természetesen ennek hátránya, hogy egyre nehezebb kivonni a számokból az igazi kémiai megértést . Bár azt is el kell mondani, hogy a VSEPR modellből nem vonhat ki igaz kémiai megértést.

Ami engem jobban érdekel, az a következő kérdés:

Ezenkívül a Schrödinger-egyenlet sem adna ugyanolyan elfogadható szerkezetet a víz számára az oxigén átellenes oldalán lévő magányos párokkal, mint feltételezzük (az oxigén tetején vagy alján lévő elektronokat képezzük le a Lewis-struktúrában)?

Mivel a vízmolekula hamilton-alakja invariáns a forgatás során, ez azt jelenti, hogy valóban, a vízmolekula bármilyen orientációja egyaránt valószínű. Ez azonban csak a vízmolekula orientációjára vonatkozik egészében . Nem mond semmit a belső szabadsági fokokról, például a kötési szögről.

Külső erő hiányában , a molekula szabadon hajlíthat bármelyik irányba, amelyiknek tetszik, és a legtöbb vízmolekula valóban megteszi ezt, amikor az űrben lebegnek, vagy egy tóban úsznak. De mindig meghajlik.

I Ha ez igaz, akkor a két állapot között lesz egy rezonancia szerkezet, és lineáris geometriát kapunk.

Ha egyetlen részecskére gondolna kettős kút potenciáljában, mondjon valamit a következővel:

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

akkor a rendszer szimmetriája miatt minden saját államban A rendszerének $ x $ várható értéke $ \ langle x \ rangle = 0 $ . Ez meglehetősen hasonlít az Ön érvelésére. Víz esetén állítsuk be az oxigénmagot az eredetére. Mivel felfelé vagy lefelé is mutat, a hidrogénmag várható várakozási értéke a fel-le tengely mentén pontosan megegyezik az oxigénatommal , azaz 0. Valójában itt nem szabad megállni: balra vagy jobbra, elöl vagy hátulra mutathat. Tehát a hidrogénmag pozíció-várakozási értéke pontosan $ (0, 0, 0) $ , azaz közvetlenül az oxigénmag belsejében van.

ez azt jelenti, hogy valójában ott van? Kitalált kettős kútú rendszerünkben nyilvánvalóan lehetetlen, hogy a részecske $ x = 0 $ -nál legyen, mert $ V = \ infty $ ott. Ha megmérné a helyzetét, soha nem találná meg a $ x = 0 $ ; csak a bal oldali $ [- b, -a] $ vagy a jobb oldali $ [a, b] $ . Az, hogy a részecske várakozási értéke $ \ langle x \ rangle = 0 $ , még nem jelenti azt, hogy fizikailag ott, vagy hogy a $ x = 0 $ valamiképp az egyensúlyi állapota. Összekeveri egy elvárás értékét egy valódi sajátállammal (ami egy rezonancia-szerkezet).

Pontosan ugyanúgy, ha valaha is megmérné a víz (és ne feledje, hogy a vízmolekulával gyakorlatilag minden kölcsönhatás valójában mérés), azt találnánk, hogy valóban mindig hajlított.

Megjegyzések

• ” A Schr ö dinger egyenlet megoldása ” természetesen szintén csak közelítés az igazsághoz. Alapvető értelemben akár azt is állíthatnánk, hogy az alapvetően semmivel sem jobb, mint a Lewis + VSEPR. Valójában félreértés az, ha igazságot jelentünk egy modell mögött. Ez az én véleményem szerint szempontból szinte minden félreértés oka az etetikus kémia területén. Egy modell megjósolja a jelenségeket. Nincs értelme kémiai modellt mondani (ez egy ” elmélet ” valós ly) téved. Egy elmélet mindig helyes. A kérdés csak érvényességi tartománya.
• @Rudi_Birnbaum ” Egy elmélet mindig helyes. ” – Van egy elméletem. Az elméletem feltételezi, hogy az elméletem téves.
• Szeretem, ha ötleteit a pontosság spektrumába helyezi. A ” jó ” közelítések megbeszélése azonban kissé elmaradt. A DFT, mint elmélet, pontos. Az ismeretlen univerzális funkció közelítése teszi pontatlanná megvalósítását.Ezenkívül ” a Schr ö dinger egyenlet megoldása ” és a DFT általában az elektronikus szerkezetelmélet, hacsak nem atomokat kezelünk kvantummechanikával is, ebben az esetben csak a pozíció várakozási értékét lehet megjósolni. Így az atomi helyek pontos leírása közelítést tesz szükségessé (Born-Oppenheimer).
• @LordStryker: Ez ‘ nem elmélet a ismeretelmélet. Ez egy hipotézis lehet.
• @jezzo köszönöm a megjegyzést! Tisztában vagyok állításaiddal, de kissé utálom ezeket beilleszteni, mert úgy érzem, már túlságosan elterelődtem. De a megjegyzés hasznos emlékeztető marad és maradhat más olvasóknak is a technikai pontosságról 🙂

A Lewis-struktúrák pontok az atomok körül, kétdimenziós papíron. Bár a H-O-H sík, a magányos párok bedobásakor háromdimenziósan kell gondolkodni. Hogyan hibridizálódna az oxigén, készen állva két bejövő hidrogén befogadására, mindegyik elektronnal? és az sp2 magányos pár. Vagy mint sp3, az összes kötés között 109 fok. A vízben 104,5 fokunk van https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Water . A 104,5 90 és 109 között van, tehát a magányos párok taszítása között kell lennie valamilyen elhelyezkedésnek, amely az sp3 hibridizáció felé mozdulna el, és talán az OH-kötésekben lévő elektronoktól való valamilyen visszataszítás, amely hajlamos lenne a HOH szöget elteríteni 120 fok (sp2), és a magányos párok egyikét teljesebben tolja be a p2 pályára.

Csak nem tudom eldönteni, melyik az erősebb erő; talán a vízmolekula sem képes, tehát csak kompromisszumokat köt. .

Megjegyzések

• Ez az érvelés hátramenetben van. A hibridizáció a leírás modellje, ezért mindig követi a molekulaszerkezetet. További információ: A magányos párok vízben egyenértékűek? Kiegészítő megjegyzés: míg a ‘ oxigén megfogalmazása a hibridizált ‘ sajnos nagyon gyakori, helytelen. Az atomok nem hibridizálhatók, csak a pályák építhetők fel hibrid pályákként. Ezeknek a magányos pároknak az taszítása is sokkal inkább érintett, mint amit itt bemutatunk.

Mégis egy másik módszer arra gondolni, hogy a $ \ ce {H2O} $ elméletileg nem rendelkezik teljes szimmetriával, az, hogy az elektronok száma nem felel meg megfelelően a legmagasabbnak lehetséges szimmetriapont-csoport (amelynek páratlan neve $ D _ {\ infty \ mathrm {h}} $ . Ebben az értelemben a szimmetria megtörésének egyszerű példaként tekinthető (ez azonban nem egyszerű elsőrendű Jahn-Teller torzítás).

Megjegyzések

• Miért van $ D_ \ mathrm {\ infty h} $ páratlan név? Kérjük, használja a $\ce{H2O}$ kémiai szerkezetet a H$_2$O főzet helyett, amelynek rengeteg nem kívánt mellékhatása lehet. Ha tudni akarja többet a MathJax-ról, kérjük, nézze meg itt és itt .
• Egy olyan fizikusnak írok, aki valószínűleg soha nem került kapcsolatba a Sch ö nflies jelöléssel. Általában előnyben részesítenek másokat, mint például Hermann-Mauguin, vagy matematikailag orientáltabbakat, mint például Coxeter.

Nem értem, miért kell a magányos elektronpároknak az atom ugyanazon oldalán léteznie.

Senki sem mondja, hogy léteznek “az atom ugyanazon oldalán”. A vizek Lewis-szerkezeteit ábrázoló képen a magányos párok a bal panelen az ellenkező oldalon, a jobb oldalon pedig ugyanazon az oldalon láthatók. p>

Ez a két szerkezet azonos. Egy Lewis-struktúra nem tesz állítást egy molekula geometriájáról.

Ha megnézzük a víz 3D-s modelljét, ahol a magányos párokat az sp3-hibridizáció szerint mutatjuk be a dolgok vegyértékkötés nézetében, ez a molekula iránya, hogy “ellentétes oldalon” vagy “ugyanazon az oldalon” nézzen (a hosszúkás forma – nyuszi füle – a magányos párok közül eltúlzott; hozzá kell adniuk egy nagyjából gömb alakú elektronsűrűséget).(Forrás: https://www.biotopics.co.uk/jsmol/watersingle.html )

Molekulapálya nézetben (ahol a molekulapályák megegyeznek a molekula szimmetriájával) a két magányos párnak különféle alakja van (mindegyik panel egy magányos párt mutat, a molekula orientációja különbözik a fenti ábrától) ).

Ezt a molcalc.org segítségével számoltuk ki. Mivel ez a két molekulapálya hasonló energiájú, lineáris kombinációkat hozhat létre, hogy a vegyérték-kötés képéhez hasonló pályákhoz jusson.

Tehát mi a valós kép? A hidrogénkötés geometriáit tekintve bármelyik leírja azokat az irányokat, ahonnan a más molekulák hidrogén-akceptorai elhelyezkednének, így mindkét modell összhangban áll a kísérleti adatokkal.