Cargo parcial

En física atómica, una carga parcial (o carga atómica neta) es un valor de carga no entero cuando se mide en unidades de carga elementales. Se representa con la delta griega minúscula (𝛿), es decir, 𝛿− o 𝛿+.

Las cargas parciales se crean debido a la distribución asimétrica de electrones en los enlaces químicos. Por ejemplo, en un enlace covalente polar como el HCl, el electrón compartido oscila entre los átomos enlazados. Las cargas parciales resultantes son una propiedad solo de las zonas dentro de la distribución, y no del conjunto como un todo. Por ejemplo, los químicos a menudo optan por mirar un pequeño espacio que rodea el núcleo de un átomo: cuando un átomo eléctricamente neutro se une químicamente a otro átomo neutro que es más electronegativo, sus electrones se extraen parcialmente. Esto deja la región alrededor del núcleo de ese átomo con una carga positiva parcial y crea una carga negativa parcial en el átomo al que está unido.

H3Cδ δ +− − Cδ δ − − lH3Cδ δ − − − − Mδ δ +gCδ δ − − l{displaystyle {ce {h3{sigual {deltam} # {C}-{overset {delta - No. - {C}-{overset {delta # {M}g{overset {delta - Sí.

Polaridad del clorometano (izquierda)
y del compuesto Grignard relacionado
con indicación de la carga parcial.

En tal situación, las cargas distribuidas tomadas como grupo siempre llevan un número entero de unidades elementales de carga. Sin embargo, uno puede señalar zonas dentro del ensamblaje donde reside menos de una carga completa, como el área alrededor del núcleo de un átomo. Esto es posible en parte porque las partículas no son como puntos matemáticos, que deben estar dentro o fuera de una zona, sino que están difuminados por el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Debido a este efecto de manchado, si se define una zona suficientemente pequeña, una partícula fundamental puede estar tanto en parte dentro como en parte fuera de ella.

Usos

Las cargas atómicas parciales se utilizan en los campos de fuerza de la mecánica molecular para calcular la energía de interacción electrostática mediante la ley de Coulomb, aunque esto conduce a fallas sustanciales en las distribuciones de carga anisotrópica. Las cargas parciales también se utilizan a menudo para una comprensión cualitativa de la estructura y la reactividad de las moléculas.

Ocasionalmente, δδ+ se usa para indicar una carga parcial que tiene una carga menos positiva que δ+ (al igual que δδ-) en los casos en que es relevante hacerlo. Esto se puede extender a δδδ+ para indicar también cargas parciales aún más débiles. Generalmente, un solo δ+ (o δ-) es suficiente para la mayoría de las discusiones sobre carga parcial en química orgánica.

Determinación de cargas atómicas parciales

Las cargas atómicas parciales se pueden usar para cuantificar el grado de enlace iónico versus covalente de cualquier compuesto en la tabla periódica. La necesidad de tales cantidades surge, por ejemplo, en simulaciones moleculares para calcular propiedades de volumen y superficie de acuerdo con el experimento. La evidencia de compuestos químicamente diferentes muestra que los datos experimentales disponibles y la comprensión química conducen a cargas atómicas justificadas. Las cargas atómicas de un compuesto dado se pueden derivar de varias formas, como por ejemplo:

1. extraído de densidades de electrones medidos utilizando rayos X de alta resolución, rayos gamma o experimentos de difracción de haz de electrones
2. momentos de dipolo medidos
3. el ciclo termodinámico Extendido Nacido, incluyendo un análisis de las contribuciones de unión covalente e iónica
4. propiedades medida espectroscópicamente, tales como cambios de energía de unión núcleo-electrón
5. la relación de las cargas atómicas a puntos de fusión, solubilidad y energías de separación para un conjunto de compuestos similares con grado similar de unión covalente
6. la relación de cargas atómicas con los mecanismos de reactividad química y reacción para compuestos similares reportados en la literatura.

La discusión de compuestos individuales en trabajos anteriores ha mostrado convergencia en las cargas atómicas, es decir, un alto nivel de consistencia entre el grado de polaridad asignado y las propiedades físico-químicas mencionadas anteriormente. La incertidumbre resultante en las cargas atómicas es de ±0,1e a ±0,2e para compuestos altamente cargados y, a menudo, <0,1e para compuestos con cargas atómicas por debajo de ±1,0e. A menudo, la aplicación de uno o dos de los conceptos anteriores ya conduce a muy buenos valores, especialmente si se tiene en cuenta una creciente biblioteca de compuestos de referencia experimentales y compuestos con campos de fuerza probados.

La literatura de investigación publicada sobre cargas atómicas parciales varía en calidad, desde extremadamente pobre hasta extremadamente bien hecha. Aunque durante muchas décadas se han propuesto una gran cantidad de métodos diferentes para asignar cargas atómicas parciales a partir de cálculos de química cuántica, la gran mayoría de los métodos propuestos no funcionan bien en una amplia variedad de tipos de materiales. Recientemente, en 2016, se desarrolló un método para calcular teóricamente las cargas atómicas parciales que funciona consistentemente bien en una variedad extremadamente amplia de tipos de materiales. Todos los métodos anteriores tenían deficiencias fundamentales que les impedían asignar cargas atómicas parciales precisas en muchos materiales. Los cargos parciales de Mulliken y Löwdin son físicamente irrazonables, porque no tienen un límite matemático a medida que se mejora el conjunto de bases para completarlo. Las cargas parciales de Hirshfeld suelen tener una magnitud demasiado baja. Algunos métodos para asignar cargas atómicas parciales no convergen en una solución única. En algunos materiales, el análisis de átomos en moléculas produce atractores no nucleares que describen particiones de densidad de electrones que no se pueden asignar a ningún átomo en el material; en tales casos, los átomos en el análisis de moléculas no pueden asignar cargas atómicas parciales.

Según Cramer (2002), los métodos de carga parcial se pueden dividir en cuatro clases:

• Cargos de clase I son aquellos que no se determinan de la mecánica cuántica, sino de algún enfoque intuitivo o arbitrario. Estos enfoques pueden basarse en datos experimentales como dipoles y electronegativities.
• Cargos de clase II se derivan de la partición de la función de onda molecular utilizando algún esquema arbitrario basado en órbita.
• Cargos de clase III se basan en una partición de un observable físico derivado de la función de onda, como la densidad de electrones.
• Cargos de clase IV se derivan de un mapeo semiempírico de una carga precursora del tipo II o III para reproducir observables experimentalmente determinados como momentos dipoles.

La siguiente es una lista detallada de métodos, basada en parte en Meister y Schwarz (1994).

• Análisis demográfico de las funciones de onda
  • Análisis de la población de Mulliken
  • Análisis de la población de Löwdin
  • Cargos de Coulson
  • Cargos naturales
  • CM1, CM2, CM3, CM4, y CM5 modelos de carga
• Partición de distribuciones de densidad de electrones
  • Cargos más malos (obtenidos de átomos en análisis de moléculas)
  • Densidad cargas atómicas
  • Cargos de Hirshfeld
  • Maslen corregido Cargos de Bader
  • Los cargos de Politzer
  • Voronoi Deformation Density charges
  • Cargos electrostáticos y químicos derivados de la densidad (DDEC), que reproducen simultáneamente los estados químicos de átomos en un material y el potencial electrostático que rodea la distribución de densidad de electrones del material

• Cargos derivados de propiedades dependientes de dipole
  • Dipole charges
  • Dipole derivative charges, also called atomic polar tensor (APT) derived charges, or Born, Callen, or Szigeti effective charges
• Cargos derivados del potencial electrostático
  • Chelp
  • ChelpG (modelo británico)
  • Merz-Singh-Kollman (también conocido como Merz-Kollman, o MK)
  • RESP (Potenencia electrostática restringida)
• Cargos derivados de datos espectroscópicos
  • Cargos de intensidades infrarrojas
  • Cargos de la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (ESCA)
  • Cargos de la espectroscopia de emisión de rayos X
  • Cargos de espectros de absorción de rayos X
  • Cargos de divisiones de campo ligando
  • Cargos de complejos metálicos de transición UV-vis
  • Cargos de otras espectroscopias, como NMR, EPR, EQR
• Cargos de otros datos experimentales
  • Cargos de bandgaps o constantes dieléctricas
  • Cargos aparentes del efecto piezoeléctrico
  • Cargos derivados de curvas de energía potencial adiabática
  • Cargos basados en electronegatividad
  • Otros datos físicos, como el equilibrio y las constantes de frecuencia de reacción, la termoquímica y las densidades líquidas.
• Cargos oficiales