浅谈形成分子轨道的对称匹配原理
2007-02-05 22:29阅读:
北京师范大学化学系的吴国庆老师写了一片文章:《浅谈形成分子轨道的对称匹配原理》,还不错,推荐看一下:
分子对称性是度量上的对称性之一,是分子可以被等分成等同部分的性质。等同部分的数目称为“阶”。阶越高,分子的对称性越高。例如,水分子是4阶的,氨分子是6阶的。水分子比氨分子对称性低。附带可以提到,教科书258页说,氨分子和水分子是“不完全对称的”分子。这种“不完全对称”的说法是难以接受的。阶为1的分子,其等同部分就是分子本身,才是不对称
分子。除此而外的所有阶不等于1的分子都是对称分子,只有对称性高低之分,没有对称性完全不完全之分。即便同属于无限阶的分子,也常有对称性高低之分。例如,二氧化碳分子和一氧化碳分子都是无限阶的高对称性分子,但前者比后者的对称性高,这正如同数学里的无穷大有高阶和低阶之分。
分子中的原子轨道和分子轨道的对称性不是一种度量上的对称性,而是指它们在分子所具有的对称操作的作用下波函数发生变化的类型。这是另一种对称性,不能跟度量上的对称性混为一谈。这种对称性,笼统地说,是属于那种对运动方程或描述物质系统状态的函数作某种数学变换后,该方程或函数保持不变的特性。属于这类对称性的最简单的例子是:对于数学运算,A+B =
B+A,运算顺序颠倒,其结果不变,称为对称的;而A–B = –(B–A),运算顺序颠倒,结果在加上一个符号后才维持原来的不变,称为反对称的。
分子中的原子轨道和分子轨道的对称性是一一考察在分子的所有对称操作的作用下波函数的变化。对称操作本来是使分子的等同部分变换,而现在我们要考察这种数学变换对波函数的影响。因此,后者这种对称性的基本类型是一定的,是由分子对称性决定。例如,水分子是4阶分子,它有4种对称操作:恒等操作(E)、2重旋转操作(C2)、2个镜面各自的反映操作(s和s’),这就决定了水分子里的原子轨道和分子轨道在这4种操作的作用下发生变化的基本类型。
为什么分子中的轨道都必须选取相同对称性的轨道来组合呢?这是因为,这样的波函数叠加,所得到的波函数才不至于相当于没有发生任何叠加,或者说,这样的叠加才是有效的。例如,若我们用氧分子里的某一个氧原子的2s轨道和另一个氧原子的不同的2p轨道去叠加,就会发现,只有当2p轨道的轴和分子的轴相同,叠加才是有效的(不论是相加还是相减),若2p轨道的轴垂直于分子的轴,叠加时2p的正值部分和2s正值部分叠加引起的波的振幅的增大和2p的负值部分和2s正值部分叠加引起的波的振幅的减小正好抵消!因此,就如同没有发生叠加!有的书上正是这样来叙述原子轨道组合成分子轨道的对称匹配原理的,但是,这只是对称匹配与否的结果而并非对称匹配的本来含义。考虑到在大一化学里难以像本文那样来讨论形成分子轨道的对成匹配原理,我们不妨只谈其结果,用图画出哪些组合是对称匹配的,哪些是对称不匹配的。这样,既形象,又好懂,尽管这并非对称匹配的本来意义。