आंशिक आवेश

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परमाणु भौतिकी में, एक आंशिक आवेश (या शुद्ध परमाणु आवेश) एक गैर-पूर्णांक आवेश मान होता है, जिसे विद्युत आवेश इकाइयों में मापा जाता है। यह ग्रीक लोअरकेस डेल्टा (पत्र)अक्षर) (𝛿), अर्थात् 𝛿− या 𝛿+ द्वारा दर्शाया गया है।

रासायनिक बंधों में इलेक्ट्रॉनों के असममित वितरण के कारण आंशिक आवेश उत्पन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, एचसीएल जैसे [[ध्रुवीय सहसंयोजक बंधन]] में, साझा इलेक्ट्रॉन बंधे हुए परमाणुओं के बीच दोलन करता है। परिणामी आंशिक शुल्क वितरण के भीतर केवल ज़ोन की संपत्ति है, न कि समग्र रूप से संयोजन। उदाहरण के लिए, रसायनज्ञ अक्सर एक परमाणु के परमाणु नाभिक के आस-पास एक छोटी सी जगह को देखने का विकल्प चुनते हैं: जब एक विद्युत रूप से तटस्थ परमाणु सहसंयोजक दूसरे तटस्थ परमाणु से जुड़ा होता है जो कि अधिक वैद्युतीयऋणात्मकता है, तो इसके इलेक्ट्रॉन आंशिक रूप से दूर हो जाते हैं। यह उस परमाणु के नाभिक के आसपास के क्षेत्र को एक आंशिक धनात्मक आवेश के साथ छोड़ देता है, और यह उस परमाणु पर एक आंशिक ऋणात्मक आवेश बनाता है जिससे यह बंधा हुआ है।

आंशिक आवेश के संकेत के साथ क्लोरोमीथेन (बाएं)
और संबंधित ग्रिग्नार्ड यौगिक
की ध्रुवता।

ऐसी स्थिति में, एक समूह के रूप में लिए गए वितरित आवेशों में हमेशा प्राथमिक आवेश इकाइयों का एक पूर्णांक होता है। फिर भी कोई उस संयोजन के भीतर क्षेत्रों को इंगित कर सकता है जहां एक पूर्ण आवेश से कम रहता है, जैसे परमाणु के नाभिक के आसपास का क्षेत्र। यह आंशिक रूप से संभव है क्योंकि कण गणितीय बिंदुओं की तरह नहीं हैं - जो या तो एक क्षेत्र के अंदर या इसके बाहर होना चाहिए - लेकिन क्वांटम यांत्रिकी के अनिश्चितता सिद्धांत द्वारा मिटा दिया जाता है। इस स्मीयरिंग प्रभाव के कारण, यदि कोई पर्याप्त रूप से छोटे क्षेत्र को परिभाषित करता है, तो एक मौलिक कण आंशिक रूप से इसके अंदर और आंशिक रूप से बाहर हो सकता है।

उपयोग करता है

कूलम्ब के नियम का उपयोग करते हुए इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन ऊर्जा की गणना करने के लिए आणविक यांत्रिकी बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) में आंशिक परमाणु शुल्क का उपयोग किया जाता है, भले ही यह अनिसोट्रोपिक चार्ज वितरण के लिए पर्याप्त विफलताओं की ओर जाता है।[1] आंशिक आवेशों का उपयोग अक्सर अणुओं की संरचना और प्रतिक्रियाशीलता की गुणात्मक समझ के लिए भी किया जाता है।

कभी-कभी, δδ+ का उपयोग आंशिक चार्ज को इंगित करने के लिए किया जाता है जो δ+ (इसी प्रकार δδ- के लिए) से कम सकारात्मक चार्ज होता है, जहां ऐसा करना प्रासंगिक होता है।[2] इसे δδδ+ तक बढ़ाया जा सकता है ताकि कमजोर आंशिक शुल्कों को भी इंगित किया जा सके। आम तौर पर, कार्बनिक रसायन विज्ञान में आंशिक प्रभार की अधिकांश चर्चाओं के लिए एक एकल δ+ (या δ-) पर्याप्त है।

आंशिक परमाणु आवेशों का निर्धारण

आवर्त सारणी में किसी भी यौगिक के आयनिक बनाम सहसंयोजक बंधन की डिग्री को मापने के लिए आंशिक परमाणु शुल्क का उपयोग किया जा सकता है। इस तरह की मात्रा की आवश्यकता उत्पन्न होती है, उदाहरण के लिए, आणविक सिमुलेशन में प्रयोग के साथ थोक और सतह के गुणों की गणना करने के लिए। रासायनिक रूप से विभिन्न यौगिकों के साक्ष्य से पता चलता है कि उपलब्ध प्रायोगिक डेटा और रासायनिक समझ से उचित परमाणु आरोप लगते हैं।[3] किसी दिए गए परिसर के लिए परमाणु प्रभार कई तरीकों से प्राप्त किए जा सकते हैं, जैसे:

  1. उच्च रिज़ॉल्यूशन एक्स-रे, गामा किरण, या इलेक्ट्रॉन बीम विवर्तन प्रयोगों का उपयोग करके मापा गया इलेक्ट्रॉन घनत्व से निकाला गया
  2. मापा द्विध्रुवीय क्षण
  3. सहसंयोजक और आयनिक बंधन योगदान के विश्लेषण सहित विस्तारित बोर्न थर्मोडायनामिक चक्र
  4. स्पेक्ट्रोस्कोपिक रूप से मापे गए गुण, जैसे कि कोर-इलेक्ट्रॉन बाइंडिंग एनर्जी शिफ्ट
  5. सहसंयोजक बंधन की समान डिग्री के समान यौगिकों के एक सेट के लिए पिघलने बिंदु, घुलनशीलता और दरार ऊर्जा के लिए परमाणु आवेशों का संबंध
  6. साहित्य में रिपोर्ट किए गए समान यौगिकों के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता और प्रतिक्रिया तंत्र के लिए परमाणु आवेशों का संबंध।

पूर्व कार्य में अलग-अलग यौगिकों की चर्चा ने परमाणु आवेशों में अभिसरण दिखाया है, अर्थात, ध्रुवीयता की निर्दिष्ट डिग्री और ऊपर उल्लिखित भौतिक-रासायनिक गुणों के बीच उच्च स्तर की संगति। अत्यधिक आवेशित यौगिकों के लिए परमाणु आवेशों में परिणामी अनिश्चितता ± 0.1e से ± 0.2e है, और अक्सर ± 1.0e से कम परमाणु आवेश वाले यौगिकों के लिए <0.1e है। अक्सर, उपरोक्त अवधारणाओं में से एक या दो का उपयोग पहले से ही बहुत अच्छे मूल्यों की ओर जाता है, विशेष रूप से प्रायोगिक बेंचमार्क यौगिकों और परीक्षण बल क्षेत्रों के साथ यौगिकों की बढ़ती लाइब्रेरी को ध्यान में रखते हुए।[4] आंशिक परमाणु शुल्क पर प्रकाशित शोध साहित्य गुणवत्ता में बेहद खराब से लेकर बेहद अच्छी तरह से भिन्न होता है। हालांकि कई दशकों में क्वांटम रसायन विज्ञान गणनाओं से आंशिक परमाणु आवेशों को निर्दिष्ट करने के लिए बड़ी संख्या में विभिन्न तरीकों का प्रस्ताव किया गया है, लेकिन प्रस्तावित विधियों का विशाल बहुमत विभिन्न प्रकार के भौतिक प्रकारों में अच्छी तरह से काम नहीं करता है।[5][6] केवल हाल ही में 2016 तक सैद्धांतिक रूप से आंशिक परमाणु आवेशों की गणना के लिए एक विधि विकसित की गई थी जो सामग्री प्रकारों की एक अत्यंत विस्तृत विविधता में लगातार अच्छा प्रदर्शन करती है।[5][6] पहले की सभी विधियों में मूलभूत कमियाँ थीं जो उन्हें कई सामग्रियों में सटीक आंशिक परमाणु आवेशों को निर्दिष्ट करने से रोकती थीं।[5][6] Mulliken और Löwdin आंशिक शुल्क शारीरिक रूप से अनुचित हैं, क्योंकि उनके पास गणितीय सीमा नहीं है क्योंकि आधार सेट पूर्णता की ओर सुधार हुआ है।[7] हिर्शफेल्ड आंशिक शुल्क आमतौर पर परिमाण में बहुत कम होते हैं।[8] आंशिक परमाणु आवेश नियत करने की कुछ विधियाँ एक अद्वितीय समाधान में परिवर्तित नहीं होती हैं।[5] कुछ सामग्रियों में, अणुओं के विश्लेषण में परमाणु इलेक्ट्रॉन घनत्व विभाजन का वर्णन करने वाले गैर-परमाणु आकर्षण उत्पन्न करते हैं जिन्हें सामग्री में किसी भी परमाणु को नहीं सौंपा जा सकता है; ऐसे मामलों में, अणुओं के विश्लेषण में परमाणु आंशिक परमाणु शुल्क नहीं दे सकते हैं।[9] क्रैमर (2002) के अनुसार, आंशिक आवेश विधियों को चार वर्गों में विभाजित किया जा सकता है:[10]

  • वर्ग I शुल्क वे हैं जो क्वांटम यांत्रिकी से निर्धारित नहीं होते हैं, लेकिन कुछ सहज या मनमाने दृष्टिकोण से होते हैं। ये दृष्टिकोण प्रयोगात्मक डेटा जैसे डिप्लोल्स और इलेक्ट्रोनगेटिविटीज पर आधारित हो सकते हैं।
  • श्रेणी II के शुल्क कुछ मनमाना, कक्षीय आधारित योजना का उपयोग करके आणविक तरंग फ़ंक्शन को विभाजित करने से प्राप्त होते हैं।
  • वर्ग III के आरोप, तरंग फलन से व्युत्पन्न एक भौतिक प्रेक्षणीय के विभाजन पर आधारित होते हैं, जैसे कि इलेक्ट्रॉन घनत्व।
  • चतुर्थ श्रेणी के शुल्क, द्विध्रुव आघूर्ण जैसे प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित प्रेक्षणों को पुन: उत्पन्न करने के लिए प्रकार II या III के अग्रगामी आवेश के अर्ध-अनुभवजन्य मानचित्रण से प्राप्त किए जाते हैं।

निम्नलिखित विधियों की एक विस्तृत सूची है, आंशिक रूप से मीस्टर और श्वार्ज़ (1994) पर आधारित है।[11]

संदर्भ

  • Frank Jensen (29 November 2006). Introduction to Computational Chemistry (2nd ed.). Wiley. ISBN 978-0-470-01187-4.
  1. ↑ Kramer, Christian; Spinn, Alexander; Liedl, Klaus R. (2014). "Charge Anisotropy: Where Atomic Multipoles Matter Most". Journal of Chemical Theory and Computation. 10 (10): 4488–4496. doi:10.1021/ct5005565. PMID 26588145.
  2. ↑ "Basic principles in organic chemistry: Steric and electronic effects in a covalent bond – Open Teaching Project" (in English). Retrieved 2020-10-11.
  3. ↑ H. Heinz; U. W. Suter (2004). "ध्रुवीय प्रणालियों के क्लासिकल सिमुलेशन के लिए परमाणु प्रभार". J. Phys. Chem. B. 108 (47): 18341–18352. doi:10.1021/jp048142t.
  4. ↑ H. Heinz; T. Z. Lin; R. K. Mishra; F. S. Emami (2013). "Thermodynamically Consistent Force Fields for the Assembly of Inorganic, Organic, and Biological Nanostructures: The INTERFACE Force Field". Langmuir. 29 (6): 1754–1765. doi:10.1021/la3038846. PMID 23276161.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 T. A. Manz; N. Gabaldon-Limas (2016). "Introducing DDEC6 atomic population analysis: part 1. Charge partitioning theory and methodology". RSC Adv. 6 (53): 47771–47801. Bibcode:2016RSCAd...647771M. doi:10.1039/c6ra04656h. S2CID 102206475.
  6. ↑ 6.0 6.1 6.2 N. Gabaldon-Limas; T. A. Manz (2016). "Introducing DDEC6 atomic population analysis: part 2. Computed results for a wide range of periodic and nonperiodic materials". RSC Adv. 6 (51): 45727–45747. Bibcode:2016RSCAd...645727L. doi:10.1039/c6ra05507a. S2CID 102242157.
  7. ↑ 7.0 7.1 A. E. Reed; R. B. Weinstock; F. Weinhold (1985). "प्राकृतिक जनसंख्या विश्लेषण". J. Chem. Phys. 83 (2): 735–746. Bibcode:1985JChPh..83..735R. doi:10.1063/1.449486.
  8. ↑ E. R. Davidson; S. Chakravorty (1992). "परमाणु आवेशों और क्षणों की हिर्शफेल्ड परिभाषा का परीक्षण". Theor. Chim. Acta. 83 (5–6): 319–330. doi:10.1007/BF01113058. S2CID 93652756.
  9. ↑ C. Gatti; P. Fantucci; G. Pacchioni (1987). "लिथियम क्लस्टर्स में बॉन्डिंग का चार्ज डेंसिटी टोपोलॉजिकल अध्ययन". Theor. Chim. Acta. 72 (5–6): 433–458. doi:10.1007/BF01192234. S2CID 101073677.
  10. ↑ C. J. Cramer (2002). Essentials of Computational Chemistry: Theories and Methods. Wiley. pp. 278–289.
  11. ↑ J. Meister; W. H. E. Schwarz (1994). "आयनिकता के प्रमुख घटक". J. Phys. Chem. 98 (33): 8245–8252. doi:10.1021/j100084a048.
  12. ↑ Löwdin, Per‐Olov (1950). "On the Non‐Orthogonality Problem Connected with the Use of Atomic Wave Functions in the Theory of Molecules and Crystals". The Journal of Chemical Physics. 18 (3): 365–375. Bibcode:1950JChPh..18..365L. doi:10.1063/1.1747632. Retrieved 2021-01-21.
  13. ↑ A. V. Marenich; S. V. Jerome; C. J. Cramer; D. G. Truhlar (2012). "Charge Model 5: An Extension of Hirshfeld Population Analysis for the Accurate Description of Molecular Interactions in Gaseous and Condensed Phases". J. Chem. Theory Comput. 8 (2): 527–541. doi:10.1021/ct200866d. PMID 26596602.
  14. ↑ F. L. Hirshfeld (1977). "आणविक चार्ज घनत्व का वर्णन करने के लिए बंधुआ-परमाणु टुकड़े". Theor. Chim. Acta. 44 (2): 129–138. doi:10.1007/BF00549096. S2CID 98677294.
  15. ↑ E. N. Maslen; M. A. Spackman (1985). "परमाणु शुल्क और इलेक्ट्रॉन घनत्व विभाजन". Aust. J. Phys. 38 (3): 273–287. Bibcode:1985AuJPh..38..273M. doi:10.1071/PH850273.
  16. ↑ T. A. Manz; D. S. Sholl (2012). "समय-समय पर और गैर-आवधिक सामग्री में इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता और रासायनिक अवस्थाओं को एक साथ पुन: उत्पन्न करने के लिए बेहतर परमाणु-इन-अणु आवेश विभाजन कार्यात्मक". J. Chem. Theory Comput. 8 (8): 2844–2867. doi:10.1021/ct3002199. PMID 26592125.
  17. ↑ P. J. Stephens; K. J. Jalkanen; R. W. Kawiecki (1990). "Theory of vibrational rotational strengths: comparison of a priori theory and approximate models". J. Am. Chem. Soc. 112 (18): 6518–6529. doi:10.1021/ja00174a011.
  18. ↑ Ph. Ghosez; J.-P. Michenaud; X. Gonze (1998). "Dynamical atomic charges: The case of ABO3 compounds". Phys. Rev. B. 58 (10): 6224–6240. arXiv:cond-mat/9805013. Bibcode:1998PhRvB..58.6224G. doi:10.1103/PhysRevB.58.6224. S2CID 119089568.
  19. ↑ C. I. Bayly; P. Cieplak; W. Cornell; P. A. Kollman (1993). "A well-behaved electrostatic potential based method using charge restraints for deriving atomic charges: the RESP model". J. Phys. Chem. 97 (40): 10269–10280. doi:10.1021/j100142a004.
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