L'eau (H2O)
Modélisation de la molécule de H2O: Calcul des fréquences de vibration et représentation des modes
Spectre de la molécule isolée en matrice cryogénique d'Argon
(Extrait du Chapitre 2 de la Partie 1 de ma thèse)
Le groupe de symétrie de la molécule d'eau est C2V (Figure 1.). Elle possède trois modes de vibrations, tous actifs en infrarouge, qui se décomposent en deux modes de symétrie A1 et un mode de symétrie B2: 2 A1 + B2
Figure 1. Plans et axes de symétrie dans H2O
Nous avons réalisé des calculs ab initio pour déterminer sa géométrie et son spectre vibrationnel avec les deux méthodes (MP2 et B3LYP) et la base 6-31G(d,p). Les différents résultats obtenus sont reportés dans le tableau 1.
|
Paramètres |
MP2/6-31G(d,p) |
|
B3LYP/6-31G(d,p) |
|||||
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Géométrie |
Fréquences |
Géométrie |
Fréquences |
|||||
| r |
(Å) |
0,962 |
|
|
0,965 |
|
||
| q |
(degrés) |
103,91 |
103,76 |
|||||
| nOH asym. |
(n3) |
|
4028,31 |
(44) |
|
3913,09 |
(28) |
|
| nOH sym. |
(n1) |
|
3889,27 |
(5) |
|
3799,45 |
(2) |
|
| dHOH |
(n2) |
|
1681,97 |
(100) |
|
1664,56 |
(100) |
|
Tableau 1. Paramètres géométriques, fréquences théoriques (cm-1) et intensités normalisées (entre parenthèses) des modes de vibration deH2O.
Les trois modes de vibrations obtenus sont représentés sur la figure 2.
- le mode n1, correspond à l'élongation vibration symétrique (A1) des liaisons OH.
- le mode n2, correspond à la déformation angulaire (A1).
- le mode n3, correspond à l'élongation vibration antisymétrique (B2) des liaisons OH.
(Les modes s'animent en cliquant dessus)
Figure 2. Représentations* des modes de vibration de la molécule d'eau isolée
(*les flèches marquant le déplacement des atomes ne sont pas l'échelle volontairement)
Le spectre de l'eau en matrice d'argon a été enregistré à 10 K avec une résolution de 0,12 cm-1, pour une concentration de 1/50 (Figure 3.). Nous pouvons remarquer la présence de multimères d'eau dans la matrice. Cette formation de multimères a été bien caractérisée en matrice de gaz rare par Ayers et Pulling [1].
Nous reportons les bandes relatives aux monomères, dimères, trimères et agrégats d'eau isolés en matrice, et identifiés sur la figure 3 dans le tableau 2.
Figure 3. Spectre de l'eau en matrice d'argon (1/50) déposé et enregistré à 10 K
(m) monomère; (d) dimère; (t) trimère; (M) multimères.
Nous pouvons voir que des bandes relatives à des transitions entre niveaux rotationnels, sont observables. Elles sont associées à des transitions impliquant les niveaux de vibration v = 0 et v = 1. Cela montre que la rotation de la molécule d'eau dans la cage d'argon n'est pas totalement empêchée.
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Fréquences (cm-1) |
Attributions [1] |
|
3775,5 |
R(1) |
|
3756,3 |
R(0) |
|
3739,0 |
monomère n3 |
|
3724,0 |
Q |
|
3712,0 |
P(1) |
|
3706,8 |
dimère |
|
3702,5 |
trimère |
|
3699,5 |
multimère |
|
3639,0 |
monomère n1 |
|
3630,4 |
dimère |
|
3611,0 |
trimère |
|
3571,3 |
dimère |
|
3560,0 |
trimère |
|
3527,0 |
multimère |
|
3515,7 |
multimère |
|
3350,0 |
multimère |
|
3371,7 |
multimère |
|
3329,5 |
multimère |
|
3210,2 |
multimère |
|
1661,0 |
dimère |
|
1638,0 |
dimère |
|
1625,5 |
dimère |
|
1610,6 |
dimère |
|
1607,5 |
dimère |
|
1601,6 |
trimère |
|
1592,3 |
dimère |
|
1590,0 |
monomère n2 |
|
1573,0 |
Q |
|
1556,5 |
P(1) |
Tableau 2. Fréquences expérimentales de l'eau en matrice d'argon (1/50) à 10 K.
Références: