分子对称性

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如有旋转轴,先指定主轴位置,再看是否存在Sn;
在垂直Cn轴的平面中寻找一组n重轴;
看分子中含有何类型的反映面,确定分子点群。
Dh CV Td Oh Cs
Ci C1 Sn Dnh Dnd Dn Cnh CnV Cn
2.3 特征标表简介
2.3.1 群的表示 2.3.2 可约表示与不可约表示 2.3.3 特征标表
对称中心(i)与反演操作
从分子中任一原子至分子中心连一直线,如果在其延
长线的相等距离处有一个相同原子,并且对分子中所有的
原子都成立。则称此分子具有对称中心i,通过对称中心
使分子复原的操作叫反演。如:
CO2
PtCl4
例如:在反式—N2F2分子中,N=N的中点便是对称 中心,如果从一个F原子至中心连一直线,则在其延长 线的相等距离处会遇到第二个F原子。对于两个N原子也 存在同样的关系。 “具有对称中心的分子,其分子必定两两成对出现(中心 原子除外)”,它们与对称中心的距离相等但方向相反,
熊夫利斯记号隐含了该点群中代表性的对称元素 符号。 例如:H2O分子,有一个C2轴,2个σv反映面,所以属 于C2V点群,SO2,H2S也属于此点群。 NH3分子,它有一个C3轴和3个σv反映面,属 于C3V点群,类似的如CHCl3, NF3等。
2.2.2 主要点群
点群是作用在分子上的所有对称操作的完全集合,原则上可以组 合得到无数个可能的点群。但只需大约40个重要的点群就足以用 来描述各类分子,一下例举的只是其中的几个重要实例。
2.1.3 反演与反映
如果分子被一平面等分为两半,任一半中的每个原子 通过此平面的反映后,能在另一半(映像)中与其相同的原
子重合,则称此分子具有一对称面(镜面),以σ表示。据
此而进行的操作叫做对称面反映操作,或简称反映。
含有竖直轴(通常是主轴)的平面叫做竖直对称面, 以σv表示 垂直主轴的平面叫做水平对称面,以σh表示 通过主轴并平分相邻两个二次轴(在xy平面内)夹角 的平面叫分角对称面,以σd表示
C4V点群,CO, HCl属于C∞V点群。
C3V群
三 角 锥 结 构
C4V群
C∞V群
BrF5
直线型非对称分子
5. Cnh点群
C2h群
含有一个Cn轴和一个垂直Cn轴的σh对称面。如:反式
1,2-二氯乙烯具有C2轴(垂直分子平面)和垂直C2轴的对称
面(分子平面 )σh。同时由于 hC2 =S2 =i ,所以还有S2轴和对
那么这些对称元素就是同一类对称元素。
可以使一个σv变成另一个σv 在SF5X分子中,通过C4旋转,可推知有两类σv,通过 FSF键轴的两个σv 属于一类;平分FSF键角的两个σv属于
如果一个操作能使一个对称元素变成另一个对称元素,
如:NH3分子中3个σv反映面属于同一类,因为通过C3旋转,
另一类。
H2O分子中两个对称面不属于同一类,因为没有一个 操作能使这两个对称面互相变换。
Dn点群元素增加一个σh ,即得到Dnh点群,在Dnh中 如果n为偶数,则还存在对称中心i。
D2h群
平面矩形分子
D3h群
平面正三角或三角双锥分子
乙烷重叠型
D4h群:XeF4
D6h群:苯
Dh群: I3-
XeF4为平面四边形,属于D4h点群; CO32-离子为平面正三角形,含有对称元素, C3, 3C2, 3σv, σh, S3, E , 属于D3h点群; C6H6为平面正六边形,属于D6h点群; 平面乙烯属于D2h群; 环戊二烯是平面正五边形,为D5h点群; 以上统属于Dnh点群。此点群的特点是具有一 个Cn轴和n个垂直于主轴的C2轴,同时有σh面。
8. Dnd点群
Dnd点群的特点除具有Dn点群的对称轴外,还有n个分角对称
面σd,由于有σd和C2,所以必有S2n轴。而且当n为奇数时,则
还有对称中心i。
' Dn n d C n , nC 2 , n d
d nC'2 S 2n
D2d群
D3d群
交 错 式 乙 烷 构 象
D5d群
H2O2分子属于C2点群。
3. Cs点群
仅含有一个镜面σ。如:HOCl为一与水类似的弯曲 分子,只有一个对称面即分子平面,所以它属于Cs点群。
4. Cnv点群
含有一个Cn轴和n个通过Cn轴的对称面。如:H2O分
子具有一个C2轴和两个包含该轴的相互垂直的对称面,
故属于C2V点群。又如:NH3属于C3V点群,XeOF4属于
称中心i。此类分子属于C2h点群。
6. Dn点群
含有一个Cn轴和n个垂直Cn轴的C2轴。如:
[Co(en)3]3+分子具有一个垂直三角平面的C3轴和3个通过 Co离子,垂直C3轴的C2轴。属于D3点群。
D2群
C2
H 2C O H 2C CH2 O CH2
D 3群
C2
部分交错式的CH3-CH3
7. Dnh点群
来实现,而一个对称元素可以对应着一个
或多个对称操作。
2.1.2 旋转
如果分子沿顺时针方向绕一轴旋转2π/n角后能够
复原,即分子的新取向与原取向能重合,就称此操作
为旋转操作。上述旋转所围绕的轴就称作n次旋转轴,
记做Cn. n=2,旋转了2π/2= π,称为C2操作,旋转轴称作
C2轴。n=3,旋转了2π/3= 120°,称为C3操作,旋转轴
但前面3套数字还不能完全描述H2S分子的所有 各种物理量的对称性。如硫原子的3dxy轨道的对称
性,尚需下面一套数字来表示。
由此可以得到4套数字,汇列于表中
每行数字的右边列出了用以获得此套数字的轨道 或向量,称为变换的基。可以证明,不可能再找到硫 原子的另一原子轨道或是H2S的另一物理量,它的对 称性质需用第五套数字来描述。
2.3.1 群的表示
特征标表
一个体系的物理量在该体系所属的点群的对称操
作作用下发生变换,如果变换的性质可以用一套数字
来表示,这种表示就称作为特征标表示,其中的每个
数字称作特征标。
如果这套数字还可以进一步约化(分解),就称为可
约表示;否则就称为不可约表示。
例:如果把H2S分子作为一个整体,以C2V点群的每一个 对称操作作用在H2S分子上,都能使H2S分子复原(与原 自身无区别)。如果用数学的表述法则是,每一个对称 操作对于H2S分子的作用相当于乘以一个”1”,即:
以BF3为例
ˆ C 3
在BF3分子中,绕C3轴分别旋转120、240、360度都可以使分子 2 3 3 2 1 C 复原,分别记作 C C3 C3 , C3 操作等同于恒等操作,而 3 操作等
3 1 同于沿反时针方向的 C3 操作,记作 C3-1 。
主轴和副轴
一个分子中可能有几个旋转轴,其中轴次
最高的(最大)称为主轴,其余为副 轴, 一般将主轴放在z方向。
对于旋转,把等价而并不恒等的旋转操作归属于同 一类,称为同类操作。
2 3 1 C C C 如:NH3分子中 3 3 3 中,前两个属于同一类,
2就是 C3 操作的阶;
CH4分子中8个 C3 操作属于同一类。
2.2 点对称操作群(点群)
2.2.1 群的定义、群阶 2.2.2 主要点群
2.2.3 分子点群的确定
第二章分子的对称性与分子结构
内容提要:
1 掌握对称操作与对称元素的概念
2 掌握如何运用对称性知识来判断分子的偶极距、
旋光性等 3 掌握常见无机分子(离子)所属的点群 4 了解特征表的结构、意义和应用,以及如何应
用群分解公式将可约表示约化为不可约表示
第二章分子的对称性与分子结构
2.1 对称操作与对称元素 2.2 点对称操作群(点群)
2.2.1 群的定义、群阶
我们称元素的某个集合形成一个群,群有着严 格的定义:“封闭性、结合律成立、存在恒等元 素、存在逆元素”。群中元素的个数,称作群阶。 例如:NH3分子:
一个分子所具有的对称操作(点对称操作)的完全 集合构成一个点群(Point Group)。每个点群具有一特 定的符号,国际上通用的分子点群符号叫SchӦnflies (熊夫利斯)记号。
A.群的不可约表示的Mulliken符号
c.一维不可约表示A或B 对垂直于主轴的C2是对称的-------下标:1 对垂直于主轴的C2是反对称的-----下标:2
1. C1点群
HCBrClF分子,无任何对称元素(除C1外),属于C1
点群,该类化合物称为非对称化合物。如:SiFClBrI、
POFClBr等
2. Cn点群
仅含有一个Cn轴。如:H2O2分子的两个氢原子分别
位于接近互相垂直的两个平面内。它仅含有一个C2轴,
该轴平分两个平面的夹角,并交于O-O键的中点,所以
2.3.1 特征标表的结构和意义
A.群的不可约表示的Mulliken符号
a.一维不可约表示A或B 二维不可约表示E(不是恒等操作!) 三维不可约表示T(用于电子问题) 或F (用于振动问题) 四维不可约表示 G 五维不可约表示 H b.同为一维不可约表示时 对绕主轴Cn的旋转是对称的----A 对绕主轴 Cn的旋转是反称的----B
12. C∞v
对于不对称的直线形分子如HCl、CO、HCN等,则属于C∞v
点群。该点群含有C∞轴和无数个含C∞轴的σv对称面,但它不含C2轴
σh对称面和对称中心i。
2.2.3 分子点群的确定
首先确定该分子是否属于某一特殊点群,如Td;
如非特殊点群,应先寻找旋转轴,如果没有旋转轴,
则寻找对称中心或反映面。
2.3 特征标表(了解)
2.4 对称性在无机化学中的应用
2.1 对称操作与对称元素
2.1.1 对称性
2.1.2 旋转 2.1.3 反演与反映
2.1.4 旋转-反映
2.1.5 恒等操作E
2.1.6 同类对称元素与对称操作
2.1.1 对称性
2Fra Baidu bibliotek1.1 对称性
对称性就是物体或图像中各部分间所具 有的相似性。物体以及图像的对称性可定义
交 错 式 二 茂 铁
9. Td点群(四面体点群)
对称元素有4个C3轴,3个C2轴,3个S4 轴(与3个C2
轴重合)和6个d平面
Td点群属于高度对称的分子点群,但由于形象特殊,
常常可从形象上加以确定。
例如:CH4、CCl4、Ni(CO)4、SO42-、MnO4-等
分子和离子的构型均属于Td点群。
为经过某一不改变其中任何两点间距离的操 作后能复原的性质。这样的操作称为对称操

对称操作:
使物体没有变化的操作, 可分为点操作和空间操
作 对称元素: 对称操作中所凭借的元
素。
对称元素

线
对称轴

对称面
组合
反轴或 象转轴
对称中心
注意
对称操作和对称元素是两个相互联系
的不同概念,对称操作是借助于对称元素
但并非与H2S分子有关的所有的物理量也都像H2S 分子本身一样,能被C2V点群的所有操作复原。如对于 硫原子的2py、2px 、2pz轨道,在C2V点群的操作作用 下,得到如下结果:
由变换过程可知, H2S分子中硫原子上的
2px、2py 、2pz轨道的不同对称性质,可以分别
用不同的一套数字来表示。即具有不同对称性质 的物理量给出不同的一套数字。
称作C3轴。
例如:
1个C2轴
1个C3轴 3个C2轴
1个C4轴 4个C2轴
1个C5轴 5个C2轴
1个C6轴 6个C2轴
分子中常见的旋转轴
C2,C3, C4, C5,C6, C∞
以H2O为例 O
H1 H2
ˆ C 2
O
H2 H1
ˆ C 2
O
H1 H2
C2
ˆ 。 C2轴的独立动作共有2个 C 2
ˆ C 3 ˆ C 3
CH4
P4 (白磷)
10. Oh点群(八面体点群)
SF6
立方烷
11. D∞h
直线形分子的共同特点是含有C∞轴(即键轴)。对于对称的直线形分
子如CO2、H2、HCCH等,则含有无数个垂直于C∞轴的C2轴及无数
个含C∞轴的σv对称面,此外还含有一个σh对称面和一个对称中心i。 所以它们属于D∞h点群。
因此经由对称中心的反演结果,是原子位置坐标变号。
2.1.4 旋转-反映(Sn)
如果一个分子绕轴旋转后,再作垂直此轴的平面反
映,使分子的取向与原来的相重合,则称此分子具有旋
转-反映轴,以Sn表示。旋转-反映轴又叫反轴。有时又
称作非真轴。如:
2.1.5 恒等操作E
一个分子在操作后,其取向与原来的恒等不变,即 分子中的每个原子都回到了原来的位置。我们称此操作 为恒等操作,记作E.
总的来说,对于分子的对称性,即点对称性, 一共有旋转、反映、反演、旋转-反映和恒等5种点操作, 以及对应于上述操作的旋转轴、反映面、对称中心和旋 转—反映轴4种对称元素。 旋转—第一类对称操作,或实际操作; 反映、反演、旋转—反映只能在想象中实现,称作第二 类对称操作或虚操作。
2.1.6 同类对称元素与同类操作
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