Zwischenmolekulare Kräfte-Simulation

Über dieses Experiment

Ziehen Sie die Molekülzentren auseinander und drehen Sie ihre Dipole, während Sie die Paarenergie und die Radialkraft messen. Vergleichen Sie Dispersion, dipolare Orientierung und eine schematische gerichtete Wasserstoffbrückenbindung, ohne ein Paarpotential mit einer Simulation des Siedepunkts einer Bulkphase gleichzusetzen.

Lernziele

Unterscheiden Sie kurzreichweitige Abstoßung von längerreichweitiger Anziehung.
Erklären Sie, wie die Dipolorientierung das Vorzeichen der Wechselwirkung verändert.
Vergleichen Sie die Richtungsabhängigkeit von Wasserstoffbrückenbindungen mit unabhängigen Referenzwerten des normalen Siedepunkts.

Anleitung

1Verwenden Sie die unpolare Referenz und bestimmen Sie das Minimum der Lennard-Jones-Energie.
2Wählen Sie HCl und vergleichen Sie Dipole in Kopf-Schwanz-Anordnung mit nebeneinander angeordneten Dipolen.
3Wählen Sie die Wasserskizze und drehen Sie ein Molekül so, dass es von der gerichteten Anziehung wegzeigt.
4Ändern Sie die Stärke der Modellwechselwirkung und bestätigen Sie, dass der separat gekennzeichnete Referenzsiedepunkt unverändert bleibt.

Das Modell

U_{LJ} = 4 ϵ [(σ / r)^{12} - (σ / r)^{6}]

Das Lennard-Jones-Minimum liegt beim sechsten Wurzelwert von zwei multipliziert mit Sigma.

U_{dd} = \frac{μ ^{2}}{4 π ϵ _{0} r ^{3}} [cos (θ_{1} - θ_{2}) - 3 cos θ_{1} cos θ_{2}]

Die Dipole liegen in einer gemeinsamen Ebene, wobei der Abstand auf ihrer horizontalen Achse liegt.

U_{H} f_{D} (θ) f_{A} (θ) = - D_{H} f_{D} (θ_{1}) f_{A} (θ_{2}) e^{- [(r - 2.9) /0.45]^{2}} = max (0, cos (θ - β), cos (θ + β))^{4} = max (0, cos θ)^{4}, β = 52.2 5^{\circ}

Der Donorfaktor verwendet die besser ausgerichtete der beiden O-H-Richtungen, die 52,25 Grad vom Dipol entfernt sind; der Akzeptorfaktor verwendet seinen Dipolwinkel. Dieses Gaußsche Potential ist veranschaulichend; die Abstände sind in Ångström angegeben.

Annahmen

Die kombinierte Wechselwirkung zwischen den Molekülzentren ist kein validiertes Kraftfeld für eine reale Flüssigkeit. Bei molekularen Abständen wird die Dipolnäherung ungenau.
Die Skizzen der gerichteten Potentialmulde veranschaulichen die Ausrichtung von Wasserstoffbrücken; sie stellen keine elektronische Berechnung einer Wasserstoffbrücke dar. Die Winkel werden vorgegeben, statt sich unter dem Einfluss eines Drehmoments zu verändern.
Die normalen Siedepunkte sind unabhängige, näherungsweise NIST-Referenzwerte bei einem Atmosphärendruck. Sie werden nicht anhand veränderter Paarparameter neu berechnet.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Warum können gleich starke Dipole in einer Ausrichtung anziehen und in einer anderen abstoßen?
Q2Warum reicht eine einzelne Paar-Potentialmulde nicht aus, um den Siedepunkt einer Flüssigkeit zu berechnen?

Häufig gestellte Fragen

Sind die blauen Dipolpfeile Elektronenbahnen?

Nein. Sie zeigen die gewählte Richtung des molekularen Dipols an. Das Modell animiert oder verfolgt keine einzelnen Elektronen.

Was passiert, wenn der Wasserstoffbrücken-Term deaktiviert wird?

Sein gerichteter Energiebeitrag entfällt, während Dispersion, Abstoßung und ein etwaiger Punktdipolbeitrag erhalten bleiben.