《量子化学》PPT课件讲课讲稿.ppt
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1、量子化学量子化学PPTPPT课件课件对称操作:不改变图形对称操作:不改变图形中任何两点的距离而能使图形中任何两点的距离而能使图形复原的操作叫做对称操作;复原的操作叫做对称操作;对称操作据以进行的几对称操作据以进行的几何要素叫做对称元素何要素叫做对称元素.分子中的四类对称操作分子中的四类对称操作及相应的对称元素如下及相应的对称元素如下:4.1.14.1.1分子的对称操作与对称元素分子的对称操作与对称元素对称元素对称元素:旋转轴旋转轴对称操作对称操作:旋转旋转请单击按钮观看动画请单击按钮观看动画4.1 4.1 分子对称性与分子点群分子对称性与分子点群(1 1)旋转轴与旋转操作)旋转轴与旋转操作分分
2、子子中中若若存存在在一一条条轴轴线线,绕绕此此轴轴旋旋转转一一定定角角度度能能使使分分子子复复原原,就就称称此此轴轴为为旋旋转转轴轴,符符号号为为Cn.旋旋转转可可以以实实际际进行,为真操作;相应地,旋转轴也称为真轴进行,为真操作;相应地,旋转轴也称为真轴.H2O2中的中的C2(旋转轴旋转轴上的椭圆形为上的椭圆形为C2的的图形符号。类似地,正图形符号。类似地,正三角三角形、正方形、正六边形分别是形、正方形、正六边形分别是C3、C4和和C6的图形符号)的图形符号)(2)镜面与反映操作镜面与反映操作 分子中若存在一个平面,分子中若存在一个平面,将分子两半部互相反映而能将分子两半部互相反映而能使分子
3、复原,则该平面就是使分子复原,则该平面就是镜面镜面,这种操作就是反映这种操作就是反映.请单击按钮观看动画请单击按钮观看动画试找出分子中的镜面试找出分子中的镜面 (3)对称中心与反演操作对称中心与反演操作 分子中若存在一点分子中若存在一点,将每个原子通过这一点引连线并延将每个原子通过这一点引连线并延长到反方向等距离处而使分子复原长到反方向等距离处而使分子复原,这一点就是对称中心这一点就是对称中心i,这种操作就是反演这种操作就是反演.旋转反映或旋转反演都是复合操作,相应的对称元素分旋转反映或旋转反演都是复合操作,相应的对称元素分别称为映轴别称为映轴Sn和反轴和反轴In.旋转反映旋转反映(或旋转反演
4、或旋转反演)的两步操作的两步操作顺序可以反过来顺序可以反过来.这两种复合操作都包含这两种复合操作都包含虚操作虚操作.相应地相应地,Sn和和In都是虚轴都是虚轴.对于对于Sn,若若n等于奇数,则等于奇数,则Cn和与之垂直的和与之垂直的都独立存在;都独立存在;若若n等于偶数,则有等于偶数,则有Cn/2与与Sn共轴,但共轴,但Cn和与之垂直的和与之垂直的并不并不一定独立存在一定独立存在.试观察以下分子模型并比较试观察以下分子模型并比较:(4)(4)映轴与旋转反映操作映轴与旋转反映操作 反轴与旋转反演操作反轴与旋转反演操作 (1)重叠型二茂铁具有重叠型二茂铁具有S5,所以所以,C5和与之垂直和与之垂直
5、的的也都独立存在;也都独立存在;(2)甲烷具有甲烷具有S4,所以所以,只有只有C2与与S4共轴,但共轴,但C4和与和与之垂直的之垂直的并不独立存在并不独立存在.CH4中的映轴S4与旋转反映操作u注意注意:C4和与之垂直的和与之垂直的都不独立存在都不独立存在环辛四烯衍生物中的环辛四烯衍生物中的 S4分子中心是分子中心是S4的图形符号的图形符号对称操作与对称元素对称操作与对称元素旋转是真操作旋转是真操作,其它对称操作为虚操作其它对称操作为虚操作.例例如如,先先作作二二重重旋旋转转,再再对对垂垂直直于于该该轴轴的的镜镜面面作作反反映映,等等于于对轴与镜面的交点作反演对轴与镜面的交点作反演.两两个个或
6、或多多个个对对称称操操作作的的结结果果,等等效效于于某个对称操作某个对称操作.4.1.2 分子点群分子点群 分子中全部对称操作的集合构成分子点群分子中全部对称操作的集合构成分子点群(pointgroups).).分子点群可以归为四类分子点群可以归为四类:(1)单轴群单轴群:包括包括Cn、Cnh、Cnv;(2)双面群双面群:包括:包括Dn、Dnh、Dnd;(3)立方群立方群:包括:包括Td、Th、Oh、Ih等等;(4)非真旋轴群非真旋轴群:包括:包括Cs、Ci、S4等等.Cn群:只有一条群:只有一条n次旋转轴次旋转轴Cn.单轴群单轴群:包括包括Cn、Cnh、Cnv点群点群.这类点群的共同特点是旋
7、转轴只有一条这类点群的共同特点是旋转轴只有一条.C2 群群R2R2R1R1R1R1R2R2C3群群 C3通过分子中心且垂直于荧光屏通过分子中心且垂直于荧光屏 Cnh群群:除有一条除有一条n次旋转轴次旋转轴Cn外,还有与之垂直的一个镜面外,还有与之垂直的一个镜面h.C2h群群:N2F2C2h群群:反式二氯乙烯反式二氯乙烯 C2垂直于荧光屏垂直于荧光屏,h在荧光屏上在荧光屏上C3h 群群RRR C3垂直于荧光屏垂直于荧光屏,h在荧光屏上在荧光屏上 Cnv群:群:除有一条除有一条n次旋转轴次旋转轴Cn外,还有与之相包含的外,还有与之相包含的n个镜面个镜面v.H2O中的中的C2和两个和两个v C2v群
8、:臭氧群:臭氧C2v 群群:菲菲C2与与两两个个v 的取向参见的取向参见H2O分子分子C3v:CHCl3C3v:NF3C4v群群:BrF5C5v群群:Ti(C5H5)Cv群群:N2O双面群:双面群:包括包括Dn、Dnh、Dnd.这类点群的共同特点是旋转轴除了主这类点群的共同特点是旋转轴除了主轴轴Cn外,还有与之垂直的外,还有与之垂直的n条条C2副轴副轴.Dn 群群:除主轴除主轴Cn外,还有与之垂直的外,还有与之垂直的n条条C2副轴副轴(但没有镜面但没有镜面).D2群群主轴主轴C2垂直于荧光屏垂直于荧光屏 D3:这种分子比较少见,其对称元素也不易看出这种分子比较少见,其对称元素也不易看出.Co(
9、NH2CH2CH2NH2)33+是一实例是一实例.唯一的唯一的C3旋转轴从旋转轴从xyz轴轴连成的连成的正三角形中心穿过正三角形中心穿过,通向通向Co;xyz何其相似!何其相似!C3C2C2C2三条三条C2旋转轴分别从每个旋转轴分别从每个NN键中心穿过通向键中心穿过通向Co.Dnh:在在Dn 基础上,还有垂直于主轴的镜面基础上,还有垂直于主轴的镜面h.D2h 群群:N2O4D2h群群:乙烯乙烯主轴垂直于荧光屏主轴垂直于荧光屏.h在荧光屏上在荧光屏上.D3h 群群:乙烷重叠型乙烷重叠型D4h群群:XeF4D6h群:群:苯苯D h群:群:I3-Dnd:在在Dn基础上基础上,增加了增加了n个包含主轴
10、且平分二次副轴个包含主轴且平分二次副轴夹角的镜面夹角的镜面d.D2d :丙二烯丙二烯D2d :B2Cl4D3d :乙烷交错型乙烷交错型 D4d:单质硫单质硫D5d :交错型二茂铁交错型二茂铁俯视图俯视图立方群:立方群:包括包括Td、Th、Oh、Ih等等.这类点群的共同特点是有多条高次这类点群的共同特点是有多条高次(大于二次大于二次)旋转轴相交旋转轴相交.T Td d 群:群:属于该群的分子属于该群的分子,对称性与,对称性与正四面体正四面体完全相同完全相同。CH4P4(白磷)白磷)Td 群是群是24阶群:阶群:E,8C3,3C2,6S4,6d .从正四面体上可以清楚地看出从正四面体上可以清楚地看
11、出Td 群的对称性群的对称性.也可以把它放进一个正方体中去看也可以把它放进一个正方体中去看.不过要记住:不过要记住:你要观察的是正四面体的对称性,而不是正方体你要观察的是正四面体的对称性,而不是正方体的对称性的对称性!YX在在Td群中群中,你可以找到一个四面体结构你可以找到一个四面体结构.打开打开P4分子,对照以下讲解自己进行操作:分子,对照以下讲解自己进行操作:从正四面体的每个顶点到对从正四面体的每个顶点到对面的正三角形中点有一条面的正三角形中点有一条C3穿过穿过,所以共有所以共有4条条C3,可作可作出出8个个C3对称操作。对称操作。Z从正四面体的每两条相对的棱中点有一条从正四面体的每两条相
12、对的棱中点有一条S4穿过穿过,6条棱对应着条棱对应着3条条S4.每个每个S4可作出可作出S41、S42、S43三个三个对称操作,共有对称操作,共有9个对称操作个对称操作.但每条但每条S4必然也是必然也是C2,S42与与C2对称操作等价,所以将对称操作等价,所以将3个个S42划归划归C2,穿过正四面体每条棱穿过正四面体每条棱并将四面体分为两半并将四面体分为两半的是一个的是一个d,共有共有6个个d。Td 群群:金刚烷金刚烷(隐氢图隐氢图)沿着每一条沿着每一条C3去看去看,看到的是这样看到的是这样:沿着每一条沿着每一条C2去看去看,看到的是这样看到的是这样:Td 群群(LiCH3)4隐氢图隐氢图Li
13、CH3Td 群群P4O10P4O6Oh 群群:属于该群的分子属于该群的分子,对称性与,对称性与正八面体或正方体正八面体或正方体完全相同完全相同.SF6 立方烷立方烷下面从下面从正方体看正方体看Oh群的群的48个对称操作:个对称操作:E8C36C26C43C2(=C42)i6S48S63h6d穿过每两个相对棱心有一条穿过每两个相对棱心有一条C2;这样这样的方向共有的方向共有6个个(图中只画出一个图中只画出一个);此外还有对称中心此外还有对称中心i.zyx每一条体对角线方向上都有一条每一条体对角线方向上都有一条S6(其中含其中含C3);这样的方向共有这样的方向共有4个个(图中图中只画出一个只画出一
14、个);每一个坐标轴方向上都有一条每一个坐标轴方向上都有一条S4(其其中含中含C2)与与C4共线共线.这样的方向共有这样的方向共有3个个(图中只画出一个图中只画出一个);对称中心对称中心i在正方体中心在正方体中心h h d d zyx正八面体正八面体与与正方体的正方体的对称性完全相同对称性完全相同.只要将只要将正八面体放入正方体正八面体放入正方体,让让正八面体的正八面体的6个顶点对准个顶点对准正方体的正方体的6个面心个面心,即可看出这一点即可看出这一点.当然当然,正正八面体八面体与与正方体的正方体的棱不是平行的棱不是平行的,面也不是平行的面也不是平行的,相互之间转过一定角相互之间转过一定角度度.
15、例如例如,正方体正方体体对角线方向的体对角线方向的S6(其中含其中含C3)在在正八面体上穿过三角正八面体上穿过三角形的面心形的面心.处于坐标平面上的镜面是处于坐标平面上的镜面是h.这样的镜面共有这样的镜面共有3个个(图中只画出图中只画出一个一个);包含正方体每两条相对棱的包含正方体每两条相对棱的镜面是镜面是d.这样的镜面共有这样的镜面共有6个个(图图中只画出一个中只画出一个).B6H62-Oh 群群Ih:120阶群阶群,在目前已知的分子中,对称性最高的就属于该群在目前已知的分子中,对称性最高的就属于该群.u对称操作:对称操作:E i12C512S1012C5212S10320C320S615C
16、215h=120C60Ih 群群闭合式闭合式B12H122-非真旋轴群非真旋轴群:包括包括Cs、Ci、S4这类点群的共同特点是只有虚轴这类点群的共同特点是只有虚轴(不计包含在不计包含在Sn中的中的Cn/2.此外此外,i=S2,=S1).对称中心对称中心Ci 群群:E i,h=2只有对称中心只有对称中心S4 群群:E S4 C2 S43,h=4只有四次映轴只有四次映轴 亚硝酸酐亚硝酸酐N2O3B6H10COFClCs 群群 :E h,h=2只有镜面只有镜面确定分子点群的流程简图确定分子点群的流程简图分子分子线形分子线形分子:有多条高阶轴分子(正四面体、正八面体有多条高阶轴分子(正四面体、正八面体
17、)只有镜面或对称中心只有镜面或对称中心,或无对称性的分子或无对称性的分子:只有只有S2n(n为正整数)分子为正整数)分子:Cn轴轴(但不是但不是S2n的简单结果的简单结果)无无C2副轴副轴:有有n条条C2副轴垂直于主轴副轴垂直于主轴:分子的对称性与偶极矩分子的对称性与偶极矩分子偶极矩的对称性判据分子偶极矩的对称性判据:分子中有反演中心分子中有反演中心、或四或四重反轴、或至少有两个对称元素相交于唯一的一点,重反轴、或至少有两个对称元素相交于唯一的一点,满足满足其中任何一条即为非极性分子其中任何一条即为非极性分子.在常见的分子点群中在常见的分子点群中,极性分子的点群有极性分子的点群有Cn、Cnv、
18、Cs .4.1.3 4.1.3 分子对称性与偶极矩、旋光性的关系分子对称性与偶极矩、旋光性的关系分子的对称性与旋光性分子的对称性与旋光性振振幅幅为为A、位位相相为为t的的平平面面偏偏振振光光可可看看作作是是周周期期、振振幅幅相相同同而而旋旋转转方方向向相相反反的的两两个个圆圆偏振光的合成偏振光的合成.对对于于每每一一个个圆圆偏偏振振光光,如如果果对对着着它它传传来来的的方方问问看看,偏偏振振面面顺顺时时针针旋旋转转称称为为右右旋旋圆圆偏偏振振光光,逆逆时时针针旋旋转转称称为为左左旋旋圆圆偏偏振光振光.左、左、右旋右旋圆圆偏振偏振光合成平面光合成平面偏振偏振光光物物质质旋旋光光性性产产生生机机理
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