文档介绍：分子对称性与偶极矩、旋光性的关系
分子的对称性与偶极矩
偶极矩是表示分子中电荷分布情况的物理量。正负电荷重心不重合的分子称为极性分子,它有偶极矩。偶极矩是个矢量,通常规定其方向是由正电重心指向负电重心,偶极矩是正负电重心间的距离与电荷量q的乘积。
偶极矩的单位为库仑米(C·m),若有电量为一个元电荷(×10-19C)的正负电荷相距10-10m,则其偶极矩为μ=×10-29 C·m=(Debye,德拜)=×10-18cm·esu(cgs单位)。
分子对称性与偶极矩
由于对称操作产生一个与原来分子在物理上不可分辨的构型,所以偶极矩矢量在对称操作后其方向必须保持不变。
如果分子有一真旋转轴,其偶极矩必定位于此轴上;如果有两个或者更多个不重合的旋转轴,分子不能有偶极矩,因为偶极矩不能位于两个不同的轴上。
如果有一对称面,其偶极矩必定在此平面内;如果有几个对称面,其偶极矩必定在这些平面的交线上。
有对称中心的分子不能有偶极矩,因为反演操作把偶极矩矢量倒反了,如果偶极矩只在对称中心上,其矢量的大小为零,所以有对称中心的分子,没有偶极矩。
分子偶极矩的对称性判据:
分子中有对称中心、象转轴(n≥2)、或至少有两个对称元素相交于一点, 满足其中任何一条的分子没有偶极矩,为非极性分子.
这样,v、Cs时,分子有偶极矩。
根据上述内容,可由分子的对称性推测分子有无偶极矩,同时也可以由分子有无偶极矩以及偶极矩的大小了解分子结构的信息。
H2O2
C2H2
分子
μ(10-30C·m)
点群
分子构型
0
D∞h
C2
C2H4
0
D2h
N2H4
C2v
分子
μ(10-30C·m)
点群
分子构型
C12N2H8
C12S2H8
0
D2h
C2v
另外,根据偶极矩可以判断分子为邻位、间位和对位异构体,例如二氯苯的三种异构体。
μ(10-30C·m)
0
对位
间位
邻位
点群
异构体
D2h
C2v
C2v
分子构型
对于偶极矩与对称性关系的研究,引出一些有实际用途的结论。例如:
(1) 烷烃的偶极矩近似为零;
(2) 同系物的偶极矩近似相等。
对此,我们可以如下理解:
烷烃中的C也像CH4那样形成四面体。偶极矩矢量可以按键的取向分解为“键矩”。所以CH4的偶极矩为零,可以看作是4个C-H键矩矢量加和的结果,也可看作是1个C-H键矩和反向的-CH3键矩矢量加和的结果。由此得到结论:-CH3键矩与-CH键矩大小相等。利用这一结论可将所有的烷烃偶极矩简化为CH4的偶极矩(当然,这种简化具有近似性)。例如:
而CH4的偶极矩为零,所以烷烃偶极矩也近似为零。
分子对称性与旋光性
有些分子具有使平面偏振光的偏振面旋转的能力,我们称这些分子具有旋光性。
分子有无旋光性(或称光学活性)是分子结构的重要特征。分子的旋光性和分子的对称性有密切的联系。