双極子モーメント

　

有機化学者の rei00 です。

　「どうして、折れ線構造をとるのでしょうか・・・。」についてです。有機化学者としては，「二酸化炭素の双極子モーメントは０ですが、二酸化硫黄の双極子モーメントは０ではない。」から，それぞれの構造を直線構造と折れ線構造だと考える。すると，前者の炭素は sp^2 混成軌道をとり，後者の硫黄は sp^3 混成軌道をとると考える所です。

　しかしこれでは回答になっていませんので，「なぜ？」に対する私流の解釈をご紹介します。なお，私は有機化学者で量子化学は専門ではない（それどころか苦手でした）ので，間違っているかも知れません。その時は専門家の方，遠慮なく訂正して下さい。

　では，本論です。

　まづ，直線構造か折れ線構造かは中心原子（硫黄と炭素）の性質の違いによる事はお分かりになりますね。ここで，硫黄原子の最外核電子は，3s 軌道に２個，3p 軌道に４個（3px に２個，3py と 3pz に１個づつ）入っています。

　　S：3s（↑↓）2px（↑↓）2py（↑　）2pz（↑　）

同様に炭素原子の場合は，次の様になります。

　　C：2s（↑↓）2px（↑　）2py（↑　）2pz（　　）

　ここで，より簡単な炭素の場合から説明しますが，電子同士はお互いに離れてできるだけ広い場所を占める方が安定になります。すると炭素原子の場合，2pz 軌道が空で存在します。ですので，2s 軌道にある電子の１個を 2pz 軌道に出せば（昇位といいます）安定化できます。もちろん，電子を昇位させるにはエネルギ－が必要ですが，その分は酸素との結合形成による安定化エネルギ－で賄われますので，実際に昇位させて sp 混成軌道を作り，酸素と結合します。

　　C：sp（↑　）sp（↑　）2px（↑　）2py（↑　）

　ここで，2pz 軌道は直線性の軌道であり，2s 軌道は球軌道です。そのため，生じる混成軌道（sp 軌道）も直線性の軌道になります。

　あとは，２つの sp 混成軌道がそれぞれ酸素とσ結合を形成します。ただ，これだけでは炭素の電子２個は対にならずに存在しますので，酸素上の p 電子とそれぞれπ結合を形成して，直線構造の CO2 (O=C=O) 分子になります。

　一方，SO2 の場合ですが。S 原子は上記の様に 3s, 3px, 3py, 3pz の全てに電子が存在します。しかし，s 軌道よりも p 軌道の方が広がりがあります。また，上では 3px に電子が２個入っていますが，py 軌道と pz 軌道は１個しか入っていません。そのため，3s 軌道を仲立ちとして 3py, 3pz の混成が起こります（px, py, pz は直交していますので，s 軌道無しでは混成できません）。その結果，３つの sp^2 混成軌道が生じます。

　　S：sp^2（↑↓）sp^2（↑　）sp^2（↑　）

　spy, spz は直交しています（角度 90°）が s 軌道が混じりますので，sp^2 軌道は平面性の軌道になり，３つの sp^2 軌道の相互の角度は約 120°になり，硫黄原子はこの２個の不対電子で酸素原子と結合しますので，SO2 は折れ線構造になります。

　いかがでしょうか。かえって混乱させちゃったでしょうか。

　

酸素が電子を引きつけている傾向にありますから

　　　　 Ｓ
　　　　＋＋
　　　／　　＼
　　／　　　　＼
　－　　　　　　－
　Ｏ　　　　　　Ｏ

のような状態になっています．
これだと，双極子モーメントがあるのは明らかですね．
ushi-ushi さんが書いておられるのは上図のことです．

> どうして、折れ線構造をとるのでしょうか・

その方がエネルギーが低いからですが，
どうしてエネルギーが低くなるかという簡単な説明は
ちょっと私には思いつきません．
どなたか，量子化学専門の方が簡単な説明をしてくださると
ありがたいですね．

ベクトルの問題として捉えると分かりやすいでしょうか。

siegmundさんの言うとおり、分子が直線である場合と折れ曲がっている場合では、ベクトルの和はことなりますよね。

二酸化炭素は，Ｏ－Ｃ－Ｏの直線状分子だから，

正電荷と負電荷の中心は同じ位置にあります．
したがって，双極子モーメントはゼロ．

二酸化硫黄は，Ｏ－Ｓ－Ｏの折れ線型分子
(角度は 119.3度と，理化学辞典に書いてあります)
ですから，正電荷と負電荷の中心は違う位置にあります．
したがって，双極子モーメントはゼロではない．