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關(guān)于靜電勢(shì)差
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關(guān)于靜電勢(shì)差 Zhou2009 1 一些基本概念: 其實(shí),上一帖“靜電勢(shì)為什么有正負(fù)值?”,就是此帖的基本概念,是在為此帖作準(zhǔn)備。 http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=4689189&fpage=1 1.1靜電勢(shì)的定義: 在一個(gè)化學(xué)體系,空間某點(diǎn)的靜電勢(shì),是指從無(wú)窮遠(yuǎn)處移動(dòng)單位正電荷至該點(diǎn)時(shí)所需做的功。 1.2 靜電勢(shì)差: 正像電子密度差那樣,是分子和組成它的分子片的靜電勢(shì)差。現(xiàn)在記為: ΔP_AB=P_AB-(P_A+P_B) 上帖以水為例討論了靜電勢(shì)為什么有正負(fù)值的問(wèn)題,此帖則以氫鍵二聚水為例來(lái)討論所作靜電勢(shì)差的問(wèn)題。 1.3 電子變化影響靜電勢(shì)的變化: 對(duì)氫鍵二聚水以前曾經(jīng)發(fā)帖討論過(guò)它的電子結(jié)構(gòu),它的結(jié)構(gòu)圖示如圖1。是左邊的水向右邊的水轉(zhuǎn)移了電子,具體說(shuō)是左水的孤對(duì)電子向右水的HO轉(zhuǎn)移了電子,并因此帶動(dòng)了其它原子的位置、電荷也作了相應(yīng)的調(diào)整。 由于HO處接受了電子,在這個(gè)區(qū)域,對(duì)空間某一個(gè)觀察點(diǎn)來(lái)看,靜電勢(shì)的值相對(duì)于自由水分子下降了。 圖 1 這種因電子轉(zhuǎn)移引起的靜電勢(shì)變化,對(duì)照自由水、二聚水和它們的靜電勢(shì)差的圖形就可以看出來(lái)。作靜電勢(shì)差是否會(huì)更明晰呢? 由于作靜電勢(shì)差,是對(duì)整體分子和分子片在統(tǒng)一的格點(diǎn)群中的每一個(gè)格點(diǎn)求差,因此電子轉(zhuǎn)移前后對(duì)格點(diǎn)上的靜電勢(shì)的值作定性判斷至關(guān)重要,是討論靜電勢(shì)差的關(guān)鍵。即是分析討論與實(shí)際計(jì)算結(jié)果相互對(duì)照、互相印證。 為了討論靜電勢(shì)差,特地作了相關(guān)靜電勢(shì)圖形,分兩頁(yè)展示。第一頁(yè)是等值面圖,上面是氫鍵二聚水的靜電勢(shì)圖,中間是對(duì)應(yīng)的兩個(gè)自由水分子的靜電勢(shì)圖,下面是二聚水與二自由水靜電勢(shì)的差。第二頁(yè)是與第一頁(yè)對(duì)應(yīng)的等值線圖,以便看到精細(xì)的內(nèi)部。對(duì)上圖、中圖,它們的等值面值或等值線起始值是相同的,以便比較。靜電勢(shì)差因?yàn)閿?shù)量級(jí)變小了,另取值。 要對(duì)整體的靜電勢(shì)差一次說(shuō)明是不行的,因?yàn)椴煌木植坑胁煌娮幼兓退鸬牟煌o電勢(shì)變化,需要分片對(duì)各局部進(jìn)行分析討論。討論中說(shuō)到靜電勢(shì)變化的或增或減,更正或更負(fù),都是對(duì)空間某一指定格點(diǎn)位置的靜電勢(shì)值前后變化來(lái)比較的。 恰好可以將整體分子劃分成各片區(qū)來(lái)分別進(jìn)行分析:右上部分;右下部分;左上部分;左下部分;中間部分。 2 各部分靜電勢(shì)差的考察: 2.1 右上部分: 在圖2和6,并對(duì)照?qǐng)D4和8,這部分就是右水的孤對(duì)電子,是靜電勢(shì)的負(fù)值區(qū)。 在二聚水,由于左邊的水向右邊的水轉(zhuǎn)移了電子,在σ層面增加了電子,雖然右水的孤對(duì)電子與σ層面正交,但電子增加對(duì)O核引力的屏蔽增加還是存在的,這孤對(duì)電子受到的引力相對(duì)有所減小,體積會(huì)更加膨脹擴(kuò)張。 在二聚水中,空間某一格點(diǎn)的靜電勢(shì)來(lái)說(shuō),靜電勢(shì)值變得更負(fù)了。二聚水中這個(gè)孤對(duì)電子部分,每個(gè)格點(diǎn)的靜電勢(shì)值都比自由右水的更負(fù)。于是,一個(gè)大的負(fù)值減去一個(gè)稍小的負(fù)值,得到的還是一個(gè)較小的負(fù)值,靜電勢(shì)差圖5和9正反映了這點(diǎn)。 靜電勢(shì)差反映了在二聚水中這個(gè)孤對(duì)電子部分更加易于給出電子,靜電勢(shì)值比自由的水時(shí)變得更負(fù),靜電勢(shì)差正是這兩種情形相差結(jié)果,而且是一個(gè)負(fù)值留在負(fù)值區(qū)。 2.2 右下部分: 在圖2和6,并對(duì)照?qǐng)D4和8,這部分就是右水的兩個(gè)HO鍵,是靜電勢(shì)的正值區(qū)。 因?yàn)镠O接受了電子,實(shí)際上導(dǎo)致另一個(gè)HO也會(huì)增加電子。如果指定一個(gè)空間位置不變,相對(duì)于此前則靜電勢(shì)數(shù)值減小了,對(duì)照自由水、二聚水的圖形就可以看出來(lái)。 這樣一來(lái),對(duì)這個(gè)區(qū)域的空間的某一個(gè)格點(diǎn)來(lái)說(shuō),二聚水的靜電勢(shì)值,比自由水中要小,作靜電勢(shì)差得到一個(gè)負(fù)值。從靜電勢(shì)差圖看,這個(gè)負(fù)值就與右上的負(fù)值連成一大片了。正值區(qū)域出現(xiàn)了異樣的負(fù)值區(qū)。 然而這里出了嚴(yán)重的問(wèn)題!右下與右上的負(fù)值性質(zhì)、概念完全不一致。 右上是負(fù)的靜電勢(shì)之差,相差的結(jié)果仍為負(fù)值,表明二聚水的這個(gè)孤對(duì)電子靜電勢(shì)更負(fù)了,靜電勢(shì)差展示的正是這個(gè)差值。 右下是正的靜電勢(shì)之差,相差的結(jié)果卻為負(fù)值,表明二聚水的這兩個(gè)HO鍵區(qū)域的靜電勢(shì),反而比自由水中要小,相差的這個(gè)負(fù)值,只是表明正值區(qū)域前后的變化,而這個(gè)區(qū)域的正值靜電勢(shì)性質(zhì)沒(méi)有變化。但這個(gè)負(fù)值與右上的負(fù)值因?yàn)橥秦?fù)值連成一片,卻完全混淆了不同性質(zhì)概念的靜電勢(shì)差,使靜電勢(shì)差更費(fèi)解解了! 2.3 左上部分: 在圖2和6,并對(duì)照?qǐng)D3和7,這部分就是左水的兩個(gè)HO鍵,是靜電勢(shì)的正值區(qū)。 在二聚水,由于左邊的水的O向右邊的水轉(zhuǎn)移了電子,導(dǎo)致O對(duì)二H電子引力加強(qiáng),導(dǎo)致兩個(gè)個(gè)H電子減少,剩余電子發(fā)生收縮。當(dāng)指定一個(gè)空間位置不變,相對(duì)于此前則靜電勢(shì)數(shù)值增大了,對(duì)照自由水、二聚水的圖形就可以看出來(lái)。 于是,一作靜電勢(shì)差,一個(gè)大的正值減去一個(gè)稍小的正值,得到的還是一個(gè)較小的正值,靜電勢(shì)差圖5和9正反映了這點(diǎn)。恰好是一個(gè)正值留在正值區(qū),來(lái)表現(xiàn)前后的變化、差值。 2.4 左下部分: 從圖3、7看,這里是左水O的非鍵電子和孤對(duì)電子形成的靜電勢(shì)負(fù)值區(qū)。 對(duì)照?qǐng)D2和3,圖6和7,這部分其實(shí)是非鍵電子和孤對(duì)電子形成的靜電勢(shì)負(fù)值區(qū)的下半部分,上部分已經(jīng)作為形成氫鍵而完全變化了、束縛增強(qiáng)了,正由于此區(qū)的這余下部分的靜電勢(shì)負(fù)得小了,即在自由水分子時(shí)對(duì)應(yīng)的格點(diǎn)靜電勢(shì)更負(fù)。這樣,一作靜電勢(shì)差,在每一個(gè)格點(diǎn),一個(gè)負(fù)值減去一個(gè)更負(fù)的值,得到的是一個(gè)小的正值,在等值面圖5,這個(gè)小的正值沒(méi)有形成等值面,而等值線圖9,則與左上的正值連成一片。 然而這里同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重的問(wèn)題!左下與左上的正值性質(zhì)、概念完全不一致。 左上是正的靜電勢(shì)之差,相差的結(jié)果仍為正值,表明二聚水的這個(gè)兩個(gè)HO鍵的靜電勢(shì)更正了,靜電勢(shì)差展示的正是這個(gè)差值。 左下是負(fù)的靜電勢(shì)之差,相差的結(jié)果卻為正值,表明二聚水的非鍵電子和孤對(duì)電子形成的靜電勢(shì)負(fù)值區(qū),自由水中要更負(fù),相差得到的這個(gè)正值,只是表明負(fù)值區(qū)域前后的變化,而這個(gè)區(qū)域的負(fù)值靜電勢(shì)性質(zhì)沒(méi)有變化。但這個(gè)正值與左上的正值因?yàn)橥钦刀B成一片,卻完全是混淆了不同性質(zhì)概念的靜電勢(shì)差,使靜電勢(shì)差更費(fèi)解解了! 2.5 中間部分: 這里是左水的孤對(duì)電子靜電勢(shì)負(fù)值區(qū)與右水HO鍵靜電勢(shì)正值區(qū)的交匯區(qū)。 由于左水O的孤對(duì)電子向右水的HO轉(zhuǎn)移了電子,形成了氫鍵,左邊的水的孤對(duì)電子在這一部分形成的靜電勢(shì)負(fù)值完全消失了,右水的HO處的靜電勢(shì)也發(fā)生了變化。 然而說(shuō)到形成氫鍵的電子轉(zhuǎn)移,它并不像高處的水流向低處直至水位平衡這么簡(jiǎn)單。 形成氫鍵的的時(shí)候,是雙方波函數(shù)在發(fā)生作用。由相位關(guān)系形成的新MO形象,決定了電子密度分布的形象,也決定了靜電勢(shì)的形象。 這個(gè)中間部分,又可以分為左右兩部分來(lái)看,中間天然地形成了一個(gè)截面。這個(gè)截面是由于轉(zhuǎn)移過(guò)去的電子在波函數(shù)相位上與原來(lái)孤對(duì)電子波函數(shù)在相鄰之處相位相反形成的(這表明氫鍵不是共享電子而是靜電吸引),電子密度在這個(gè)截面上為0。 先看中左這個(gè)區(qū)。是二聚水變化后成為靜電勢(shì)正值減去左水孤對(duì)電子蓬松的負(fù)值,實(shí)際上是二正值相加,在靜電勢(shì)差的等值線圖上可以看到這種正值的分布。而在緊靠O的等值線圖上還可以看到負(fù)值,這是由于二聚水中這個(gè)O因?yàn)榻o出了電子,剩余電子收縮了,電子密度提高了,對(duì)應(yīng)格點(diǎn)上正的靜電勢(shì)值變小了,與原來(lái)的自由水較大的靜電勢(shì)正值一減,成了負(fù)值。 再看中右這個(gè)區(qū)。還是二聚水靜電勢(shì)正值減去左水孤對(duì)電子蓬松延伸過(guò)來(lái)的負(fù)值,實(shí)際上是二正值相加,數(shù)值變得很大,以及還要減去比較緊縮的HO靜電勢(shì)正值,在靜電勢(shì)差的等值線圖上可以看到這種正值的分布。但在近O處,二聚水靜電勢(shì)正值減去更大的右水此處的靜電勢(shì)正值,變成負(fù)值了。 3 結(jié)論: 二聚水的靜電勢(shì)表明,雖然左水孤對(duì)電子向右水的HO轉(zhuǎn)移了電子,此處原先靜電勢(shì)差距扯平了,但是右水孤對(duì)電子更負(fù)了、左水的HO更正了,二聚水更加極化了,進(jìn)一步還會(huì)形成三聚四聚… 然而在靜電勢(shì)差,由于是正值、負(fù)值復(fù)雜地相差,相差的正值或負(fù)值在性質(zhì)、概念上并不一致,且在圖形上混為一談。靜電勢(shì)差的正負(fù)值當(dāng)然不再表示靜電勢(shì)的正負(fù)值,用它來(lái)表達(dá)靜電勢(shì)的變化也不能作到性質(zhì)、概念的明確、統(tǒng)一,靜電勢(shì)差圖中右上、右下都為負(fù)值且連成一片,左上、左下都為正值且連成一片,其實(shí)上下完全不是一回事,圖中連成一片的正值和負(fù)值不能一致地說(shuō)明問(wèn)題,中間部分更為復(fù)雜。一一去分析會(huì)很難很累。 其實(shí)直觀地對(duì)照比較自由水、二聚水的靜電勢(shì)圖形就可以看出來(lái)靜電勢(shì)的大體變化,看出大體性質(zhì),但作它們的靜電勢(shì)差反倒費(fèi)解、容易誤解、不知所云了!靜電勢(shì)差不作也罷。[ Last edited by zhou2009 on 2012-7-15 at 10:56 ] |
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