Vous avez raison de supposer que l'atome de carbone dans $ \ ce {CO2} $ a une charge positive partielle. C'est parce que les atomes d'oxygène sont beaucoup plus électronégatifs, ils éloignent donc les électrons de l'atome de carbone. Cependant, cette molécule est toujours non polaire. En effet, lorsque vous dessinez un moment dipolaire, vous devez prendre en compte toutes les liaisons. Prenons l'exemple de l'eau:

Dans cette molécule, il y a deux liaisons, chacune avec son propre dipôle. Mais ceux-ci s'annulent comme tous les autres vecteurs, vous laissant avec un dipôle net vertical. Les dipôles dans le dioxyde de carbone s'annulent de la même manière; cependant, ils s'annulent complètement, car la liaison est linéaire, pas pliée comme dans l'eau:

Cela produit un dipôle net nul , rendant la molécule non polaire.

Les autres réponses ont fait un excellent travail expliquant pourquoi, même si ses liaisons sont polaires, $ \ ce {CO2} $ manque d'un dipôle permanent: la symétrie de la molécule annule la polarité de ses liens.

Mais ce n'est pas toute l'histoire. Je voudrais ajouter à cela une caractéristique très intéressante et importante du point de vue environnemental de $ \ ce {CO2} $ - à savoir que, bien qu'il manque un permanent dipôle, il présente des dipôles transitoires (dynamiques).

Plus précisément, $ \ ce {CO2} $ n'a pas de dipôle uniquement lorsque le deux oxygènes sont à la fois équidistants et alignés avec le carbone. Dans le mode vibrationnel symétrique de $ \ ce {CO2} $ , cette symétrie est maintenue. Mais $ \ ce {CO2} $ a trois autres modes de vibration: un mode de vibration asymétrique linéaire et deux modes de vibration de flexion (la collection est bien représentée ici: Le dioxyde de carbone IR est-il inactif?).

Pourquoi est-ce important pour l'environnement? Pour que $ \ ce {CO2} $ absorbe la lumière infrarouge (c'est-à-dire pour que ce soit un gaz à effet de serre), il doit avoir un dipôle. Et c'est le cas, de façon transitoire, à cause de ces modes vibrationnels asymétriques.

Cette animation, ajoutée par Karsten Theis, montre les dipôles créés dynamiquement par l'un des $ \ ce { Modes de flexion de CO2} $ (alias "The Floss"):

[Selon Karsten, le " GIF est via jsmol de molcalc.org, avec la flèche ajoutée en utilisant Camtasia ".]

Vous avez raison, le carbone a une charge positive. On ne peut pas mesurer un dipôle, mais cela ne prouve rien. Cependant, $ \ ce {CO2} $ a un moment quadripolaire. Imaginez une molécule $ \ ce {CO2} $ orientée le long de l'axe $ x $ , et un peu plus loin dans l'axe $ x $ , il y a aussi une molécule $ \ ce {H2O} $ avec son dipôle orienté le long de l'axe $ x $ . Son moment dipolaire interagit avec les deux moments dipolaires de $ \ ce {CO2} $ , mais avec l'un des deux dipôles de $ \ ce {CO2} $ est plus proche du dipôle d'eau. Donc, schématiquement, vous obtenez

  HO = C = OOH  

S'il n'y avait pas de distribution de frais sur le $ \ ce {CO2} $ , nous ne verrions pas ça.

Mathématiquement, cela se produit parce que l'espace est en 3D. Les forces entre deux charges diminuent avec le carré de leur distance.

Les réponses précédentes de mpprogram6771 et MSalters ont cloué. Je voudrais ajouter que, comme $ \ ce {CO2} $ est une toute petite molécule, vous pouvez, avec un peu d’effort, mettre en place un petit numérique expérimentez pour répondre à votre propre question, et même obtenir des charges partielles approximatives dans chaque atome et le moment dipolaire de la molécule entière, en utilisant uniquement un logiciel gratuit / open source.

Tout d'abord, vous devez installer un logiciel de modélisation moléculaire dans votre machine. Celui que j'aime le plus est Avogadro. Il a une excellente convivialité et de nombreuses fonctionnalités pour concevoir et visualiser vos composés. Ghemical était également bon, mais il ne semble plus être entretenu depuis des années. Je n'arrivais plus à le faire fonctionner correctement.

Dans ma machine, j'utilise Ubuntu MATE 18.04 (une variante GNU / Linux) comme système d'exploitation. Là, je suis capable d'installer Avogadro avec une simple commande dans le terminal:

  sudo apt-get install avogadro  

Avec Avogadro, vous pouvez assembler le $ \ ce {CO2} $ , joignant l'atome de carbone et les deux atomes d'oxygène par des doubles liaisons. Au-delà de l'éditeur moléculaire, vous aurez besoin d'un autre logiciel, capable de prendre les données sur la molécule que vous avez assemblée et de faire une série de calculs de mécanique quantique dessus, pour vous donner une réponse approximative à vos questions.

Il existe une grande variété de logiciels de mécanique quantique, comme le montre cette page sur Wikipedia. Malheureusement, à mon humble avis, le paysage des outils gratuits / open source dans ce domaine est fragmenté, et la plupart sont loin derrière Avogadro en termes d'utilisabilité, coincés dans le niveau moyen de convivialité des années 1980 (parfois au niveau de la compilation ), et les alternatives propriétaires ont des licences restrictives et / ou coûtent l'eau à l'œil, hors de portée des personnes sans affiliation institutionnelle. Le monde universitaire traite mal ses créateurs d’outils bénévoles, comme peuvent vous le dire de bonnes personnes en mathématiques, de première main. Tôt ou tard, nous devons résoudre ce problème. Nous avons besoin d'un William Stein en chimie computationnelle. J'espère juste qu'il / elle recevra un meilleur traitement après s'être mis à la tâche.

Pourtant, parmi les nombreux paquets supportés par le générateur d'entrée Avogadro, ma recommandation est Psi4, pour un débutant. Il est aussi facile à installer qu’Avogadro, si vous êtes sous Ubuntu ou toute autre distribution basée sur Debian.

  sudo apt-get install psi4  

Ils ont un site bien documenté, avec une section consacrée à l'éducation avec des projets simples et des babillards électroniques conviviaux. La version disponible dans le référentiel Ubuntu est fonctionnelle, mais assez obsolète, 1.1.5, à partir de mars 2020. Si l'on veut vraiment l'apprendre, mon conseil est de la télécharger directement depuis leur site. La dernière version stable en mars 2020 est la 1.3.2. Mais pour cette réponse, la valeur par défaut du référentiel est suffisante.

Après avoir assemblé votre molécule et effectué une optimisation préliminaire de la géométrie dans Avogadro, vous pouvez générer un fichier texte d'entrée préliminaire avec son plugin Psi4 sous le menu Extras → PSI4 . Ma version préliminaire a commencé comme ceci:

  set base aug-cc-pVDZmolecule {0 1 C -3.47367 0.73246 0.22361 O -2.43476 1.12414 -0.22175 O -4.51237 0.34053 0.66926} optimiser ('B3LYP-D ')

Le plugin Avogadro pour Psi4 est très basique, nous devrons donc régler le modèle à la main. Un ensemble de bons modèles que vous pouvez modifier pour répondre à vos besoins est une excellente chose à avoir lorsque vous apprenez à utiliser un nouveau package. Nous devrions en avoir plus. Mais tout d'abord, voyons ce que nous avons sur notre proto-entrée. Il comporte trois sections. La première section spécifie un ensemble de base, aug-cc-pVDZ (les chimistes en informatique adorent se régaler de soupe à l'alphabet). Pour être bref, un ensemble de base est un ensemble de fonctions mathématiques faciles à calculer, truquées par un jury, utilisées pour émuler les orbitales atomiques et moléculaires réelles et difficiles à calculer, un peu comme ceci:

La deuxième section a les coordonnées x, y, z de chaque atome de la molécule, ainsi que sa charge globale (dans ce cas 0) et sa multiplicité (dans ce cas 1, car tous les électrons sont appariés). La troisième section indique quel type d'informations nous voulons calculer à partir de nos informations initiales, dans ce cas, la géométrie optimale de la molécule (optimiser), et la machinerie algorithmique choisie pour la traiter, dans ce cas, B3LYP-D (une autre portion de la soupe à l'alphabet), une variante de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT).

J'ai changé le modèle généré par Avogadro comme suit:

  mémoire 4 Gbset base aug-cc-pVTZmolécule {0 1 C -3.47367 0.73246 0.22361 O -2.43476 1.12414 -0.22175 O -4.51237 0.34053 0.66926} optimiser ('B3LYP-D') E, wfn = énergie ('B3LYP-D', return_wfn = True ) oeprop (wfn, "MULLIKEN_CHARGES", "DIPOLE", title = "CO2 B3LYP-D")  

J'ai éventuellement augmenté la limite de la mémoire système à 4 Go, par rapport à la valeur par défaut du système, car ma machine a une bonne quantité de mémoire. Comme la molécule est petite et que l'impact sur l'exécution sera probablement acceptable, j'ai également changé le jeu de base précédent, aug-cc-pVDZ, en un plus détaillé, aug-cc-pVTZ. Ajout d'une section demandant à Psi4 de renvoyer un objet wavefunction (wfn) pour le système, en plus de son énergie (E). Enfin, en suivant les instructions du manuel Psi4 ici, j'ai ajouté une section demandant nos informations d'intérêt, les charges partielles estimées sur chaque atome, données par l'analyse Mulliken, et le moment dipolaire estimé sur la molécule $ \ ce {CO2} $ .

Nous pouvons maintenant enregistrer le fichier texte avec nos données d'entrée et exécutez Psi4 dans le terminal:

  psi4 carbon_dioxide.in  

Après un certain temps, Psi4 terminera l'exécution et retournera ses résultats vers un fichier de sortie nommé carbon_dioxide.out qui contient une énorme quantité d'informations. Mais la section la plus intéressante pour votre question se trouve juste à la fin:

  Propriétés calculées à l'aide de la matrice de densité CO2 B3LYP-D Moment dipolaire nucléaire: (au) X: -0,0000 Y: 0,0000 Z : 0.0000 Moment dipolaire électronique: (au) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: -0.0000 Moment dipolaire: (au) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: -0.0000 Total: 0.0000 Moment dipolaire: (Debye) X: 0.0000 Y: 0.0000 Z: -0,0001 Total: 0,0001 Frais Mulliken: (au) Symbole central Alpha Beta Spin Total 1 C 2.80993 2.80993 0.00000 0.38015 2 O 4.09503 4.09503 0.00000 -0.19006 3 O 4.09504 4.09504 0.00000 -0.19008 Total alpha = 11.00000, Total beta = 11.00000, Total charge = 0,00000 *** Psi4 sortant avec succès. Achetez une bière à un développeur!  

Les résultats indiquent exactement la situation que vous avez prévue intuitivement, avec les deux atomes d'oxygène éloignant la densité électronique de l'atome de carbone central et l'atome de carbone devenant légèrement positif et les atomes d'oxygène légèrement négatifs. En fait, nous avons pu utiliser l'ordinateur comme une sorte d'armure de puissance pour l'esprit.

Au début, votre intuition ne pouvait que fournir de vagues indications dans le sens du transfert de densité électronique, de l'oxygène au carbone. Nous pouvons maintenant corroborer cela, et augmenter notre intuition avec des estimations numériques, une perte moyenne de 0,38 électrons dans l'atome de carbone et un gain moyen de 0,19 électrons dans chaque atome d'oxygène. Merveilleux.

Malgré la séparation des charges, les résultats de notre petite expérience numérique indiquent également un moment dipolaire proche de zéro, comme nous le voyons. Cela ne nous dit pas explicitement pourquoi. Mais notre intuition géométrique suggère une issue. Comme il y a deux atomes d'oxygène, l'effet de la séparation de charge sur les deux peut s'annuler. La sortie de Psi4 corrobore que, comme la charge partielle sur chaque atome d'oxygène est la même à moins de quatre décimales, et que les deux prennent des positions opposées dans une géométrie linéaire.

Il existe une molécule similaire, mais sans possibilité de suppression de la séparation des charges, $ \ ce {CO} $ , monoxyde de carbone, avec un seul oxygène. Pour faire une comparaison, j'ai créé le fichier d'entrée équivalent.

  memory 4 Gbset base aug-cc-pVTZmolecule {0 1 C -3.99710 1.44942 0.00000 O -2.86898 1.44942 0.00000} optimiser (' B3LYP-D ') E, wfn = énergie (' B3LYP-D ', return_wfn = True) oeprop (wfn, "MULLIKEN_CHARGES", "DIPOLE", title = "CO B3LYP-D")  

Et je l'ai exécuté.

  psi4 carbon_monoxide.in  

Encore une fois, les résultats indiquent une certaine séparation des charges.

  Propriétés calculées à l'aide de la matrice de densité CO B3LYP-D Moment dipolaire nucléaire: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0023
Moment dipolaire électronique: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0348 Moment dipolaire: (au) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0371 Total: 0,0371 Moment dipolaire: (Debye) X: 0,0000 Y: 0,0000 Z: 0,0944 Total : 0,0944 Frais Mulliken: (au) Symbole central Alpha Beta Spin Total 1 C 2,95397 2,95397 0,00000 0,09206 2 O 4,04603 4,04603 0,00000 -0,09206 Total alpha = 7,00000, Total beta = 7,00000, Charge totale = 0,00000 *** Psi4 sortie avec succès Achetez une bière à un développeur!  

Mais cette fois, le dipôle était différent de zéro, avec une valeur estimée autour de 0,094 debye. L ' article Wikipédia sur le monoxyde de carbone nous donne une valeur mesurée de 0,122 debye. Nous avons donc obtenu une estimation inférieure d'environ 23% à la valeur réelle. La différence peut survenir soit comme une limitation intrinsèque de notre modèle (la science contre l'ingénierie), soit parce que j'ai tâtonné quelque part soit dans l'entrée que j'ai donnée à Psi4, soit dans mes hypothèses pour traiter le problème (toujours très probable).

Il serait intéressant de vérifier la littérature sur le sujet, si l'on veut aller plus loin. Quoi qu'il en soit, le contraste dans les résultats entre $ \ ce {CO2} $ et $ \ ce {CO} $ span > pointez clairement sur l'annulation mutuelle pour expliquer l'absence de dipôle dans $ \ ce {CO2} $ .

Mon professeur dit que cela entraîne une charge égale de tous les atomes de CO2 car il ne doit pas y avoir de «force» nette.

Je ne pense pas que les autres réponses ont expliqué pourquoi c'est faux. Si vous avez un ensemble de trois frais ponctuels organisés comme $ Q $ ... $ q $ .. . $ Q $ , alors il est facile de montrer que les forces s'annulent toutes lorsque $ q / Q = -1 / 4 $ . Cependant, cela ne peut pas être la situation physique, pour deux raisons. (1) La charge nette $ 2Q + q $ est différente de zéro sauf si $ q = Q = 0 $ . (2) L'équilibre est instable.

Donc, sur la base de cet argument utilisant la loi de Coulomb et la mécanique newtonienne, votre professeur aurait en fait raison de dire que les charges ne peuvent pas être différentes de zéro. Cependant, même dans le cas de $ q = Q = 0 $ , l'équilibre n'est pas stable. Dans ce cas, il n'y a aucune force de liaison, donc les atomes dériveraient simplement. En réalité, le CO2 est lié.

En général, nous ne nous attendons tout simplement pas à pouvoir expliquer la stabilité de la matière en utilisant la physique classique et les forces électrostatiques. Il existe un théorème appelé théorème d'Earnshaw qui montre que c'est impossible. La physique quantique est nécessaire pour expliquer la stabilité de la matière.