부분 전하

Partial charge

부분 충전은 기본 충전 유닛에서 측정했을 때 정수가 아닌 충전 값이다. 부분전하를 더 흔히 순원자전하라고 부른다. 그리스 소문자 𝛿, 즉 𝛿- 또는 𝛿+로 표현된다.

부분 전하가 생성되는 것은 화학 결합에서 전자의 비대칭 분포 때문이다. 예를 들어, HCl과 같은 극성 공밸런트 결합에서는, 공유 전자가 결합한 원자 사이에서 진동한다. 그 결과로 발생하는 부분적 요금은 분배 내 구역의 재산일 뿐 집합 전체는 아니다. 예를 들어, 화학자들은 종종 원자의 핵을 둘러싼 작은 공간을 선택한다. 전기 중립 원자가 더 전기적인 다른 중립 원자에 화학적으로 결합하면, 그것의 전자는 부분적으로 끌려간다. 이것은 원자의 핵에 대한 영역을 부분적 양의 전하를 남기며, 그것이 결합되는 원자에 부분적인 음전하를 생성한다.

클로로메탄 극성(왼쪽)
그리고 관련된 Grignard 화합물의
부분 전하를 표시하여

이런 상황에서 단체로 취해지는 분산요금은 항상 기본요금 단위 전체를 부담한다. 그러나 원자의 핵 주변 영역과 같이 완전한 전하가 없는 조립체 내의 영역을 가리킬 수 있다. 이것은 부분적으로는 입자가 수학적 점(영역 내부 또는 그 밖에 있어야 함)과 같지 않고 양자역학의 불확실성 원리에 의해 얼룩져 있기 때문에 가능하다. 이 얼룩진 효과 때문에, 만약 한 사람이 충분히 작은 영역을 정의한다면, 기본적인 입자는 부분적으로는 그 영역 안과 부분적으로는 바깥 둘 다일 수 있다.

사용하다

부분 원자 전하가 분자역학 힘 장에서 사용되어 등방성 전하 분포를 위한 상당한 고장으로 이어지더라도 쿨롱의 법칙을 이용하여 정전기 상호작용 에너지를 계산한다.[1] 부분 전하가 분자의 구조와 반응성에 대한 질적 이해에도 종종 사용된다.

때때로 Δ+를 사용하여 Δ+보다 양전하가 덜한 부분 전하 또는 Δ+(예: Δ-의 경우)를 표시한다.[2] 이 값은 Δ+까지 확장될 수 있어 부분 전하가 더 약함을 나타낼 수도 있다. 일반적으로 유기화학에서 부분전하를 논의하기 위해서는 Δ+(또는 Δ-) 한 개면 충분하다.

부분 원자 전하 결정

부분 원자 전하를 사용하여 주기율표에 걸친 화합물의 이온 대 공밸런트 결합 정도를 정량화할 수 있다. 예를 들어, 그러한 양의 필요성은 실험과 일치하여 대량 및 표면 특성을 계산하기 위한 분자 시뮬레이션에서 발생한다. 화학적으로 다른 화합물에 대한 증거는 이용 가능한 실험 데이터와 화학적 이해가 정당화된 원자 전하로 이어진다는 것을 보여준다.[3] 주어진 화합물에 대한 원자 부담금은 다음과 같은 여러 가지 방법으로 도출할 수 있다.

  1. 고해상도 X선, 감마선 또는 전자 빔 회절 실험을 사용하여 측정한 전자 밀도에서 추출함
  2. 측정된 쌍극자 모멘트
  3. 공밸런트 및 이온 본딩 기여도 분석을 포함한 Extended Born 열역학 사이클
  4. 노심 결합 에너지 이동과 같이 분광학적으로 측정된 특성
  5. 유사한 수준의 공밸런트 결합을 가진 유사 화합물의 집합에 대한 용해점, 용해도 및 갈라짐 에너지와 원자 전하의 관계
  6. 문헌에 보고된 유사한 화합물에 대한 화학 반응도 및 반응 메커니즘에 대한 원자 전하의 관계

이전 연구에서 개별 화합물에 대한 논의는 원자 전하의 수렴, 즉 위에서 언급한 극성의 할당 정도와 물리적 화학적 특성 사이의 높은 수준의 일관성을 보여주었다. 원자 전하의 불확실성은 고화질 화합물의 경우 ±0.1e ~ ±0.2e이며, 원자 전하가 ±1.0e 미만인 화합물의 경우 <0.1e>가 되는 경우가 많다. 종종, 위의 개념들 중 하나 또는 두 개의 적용은 매우 좋은 가치로 이어지고, 특히 시험된 힘 장과 함께 증가하는 실험적인 벤치마크 화합물 및 화합물의 라이브러리를 고려한다.[4]

부분 원자 전하에 관한 출판된 연구 문헌은 극빈층부터 극빈층까지 질적으로 다양하다. 비록 양자 화학 계산에서 부분 원자 전하를 할당하는 많은 다른 방법들이 수십 년 동안 제안되어 왔지만, 제안된 방법의 대부분은 다양한 재료 유형에서 잘 작동하지 않는다.[5][6] 2016년까지만 해도 이론적으로 개발된 부분 원자 전하를 계산하는 방법이 매우 다양한 물질 유형에 걸쳐 일관적으로 잘 작동했다.[5][6] 이전의 모든 방법에는 근본적인 결함이 있어서 많은 물질에서 정확한 부분 원자 전하를 할당하지 못했다.[5][6] 뮬리켄과 뢰브딘 부분 전하가 물리적으로 불합리한데, 그 이유는 기초가 완전성을 향해 개선됨에 따라 수학적 한계가 없기 때문이다.[7] Hirshfeld 부분 전하량은 보통 크기가 너무 낮다.[8] 일부 원자 전하를 할당하는 일부 방법은 고유한 솔루션으로 수렴되지 않는다.[5] 어떤 물질에서 분자 분석의 원자는 물질의 어떤 원자에도 할당될 수 없는 전자 밀도 파티션을 기술하는 비핵 유인기를 산출한다. 이러한 경우 분자 분석의 원자는 부분적인 원자 전하를 할당할 수 없다.[9]

크레이머(2002년)에 따르면 부분충전 방법은 다음과 같은 네 가지 등급으로 나눌 수 있다.[10]

  • 1등급은 양자역학에서 결정되는 것이 아니라 어떤 직관적 또는 임의적 접근법에서 결정되는 것이다. 이러한 접근방식은 쌍극점 및 전기적응도와 같은 실험 데이터에 기초할 수 있다.
  • 클래스 II 전하가 임의의 궤도 기반 구조를 사용하여 분자파 함수를 분할하는 것에서 도출된다.
  • 등급 III 전하들은 전자 밀도와 같은 파동함수에서 도출된 물리적 관측 가능성의 분할에 기초한다.
  • 등급 IV 전하들은 쌍극자 모멘트와 같이 실험적으로 결정된 관측 가능을 재현하기 위해 타입 II 또는 III의 전구 전구 전구 전구 전구 전구 전구 전구 전구 전구 전하의 반해적 지도에서 도출된다.

다음은 마이스터와 슈바르츠(1994년)에 근거한 상세한 방법 목록이다.[11]

참조

  • 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". Retrieved 2020-10-11.
  3. ^ H. Heinz; U. W. Suter (2004). "Atomic Charges for Classical Simulations of Polar Systems". 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.
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  6. ^ a b c 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. doi:10.1039/c6ra05507a.
  7. ^ a b A. E. Reed; R. B. Weinstock; F. Weinhold (1985). "Natural population analysis". J. Chem. Phys. 83 (2): 735–746. Bibcode:1985JChPh..83..735R. doi:10.1063/1.449486.
  8. ^ E. R. Davidson; S. Chakravorty (1992). "A test of the Hirshfeld definition of atomic charges and moments". Theor. Chim. Acta. 83 (5–6): 319–330. doi:10.1007/BF01113058.
  9. ^ C. Gatti; P. Fantucci; G. Pacchioni (1987). "Charge density topological study of bonding in lithium clusters". Theor. Chim. Acta. 72 (5–6): 433–458. doi:10.1007/BF01192234.
  10. ^ C. J. Cramer (2002). Essentials of Computational Chemistry: Theories and Methods. Wiley. pp. 278–289.
  11. ^ J. Meister; W. H. E. Schwarz (1994). "Principal Components of Ionicity". J. Phys. Chem. 98 (33): 8245–8252. doi:10.1021/j100084a048.
  12. ^ "On the Non‐Orthogonality Problem Connected with the Use of Atomic Wave Functions in the Theory of Molecules and Crystals". Retrieved 2021-01-21.
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  16. ^ T. A. Manz; D. S. Sholl (2012). "Improved Atoms-in-Molecule Charge Partitioning Functional for Simultaneously Reproducing the Electrostatic Potential and Chemical States in Periodic and Nonperiodic Materials". 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.
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