Симметрия и дипольный момент

Поскольку при операциях симметрии молекула переходит сама в себя, дипольный момент молекулы должен быть инвариантным относительно операции симметрии молекулы. Это значит, что при операции симметрии молекулы её дипольный момент должен сохраняться. Руководствуясь этим принципом, можно устанавливать, является ли молекула полярной, и как может быть направлен вектор дипольного момента относительно системы ядер. Рассмотрим примеры.

Пусть молекула имеет плоскость симметрии (σ). Тогда вектор дипольного момента должен располагаться в плоскости σ (см. рис.7.7а).

Рис.7.7.Преобразование вектора дипольного момента молекулы

при операциях симметрии:

а. плоскость симметрии σ; b. Ось симметрии n – го порядка; n=2. c. центр инверсии i.

Если молекула имеет ось симметрии, то дипольный момент должен быть направлен вдоль этой оси (рис.7.7b). Если молекула имеет центр инверсии, то дипольный момент должен быть равен нулю (рис.7.7с). Если молекула обладает зеркально – поворотной осью (S₂ или S_n), то дипольный момент должен одновременно располагаться в горизонтальной плоскости симметрии (σ_h) и вдоль оси симметрии (С_n). Это возможно, если дипольный момент молекулы равен нулю.

Рассмотрим примеры.

1. У всех двухъядерных молекул имеется ось симметрии (). Если нет других элементов симметрии, дипольный момент направлен вдоль этой оси (Z):

Z

2. Нелинейные многоядерные молекулы, имеющие плоскость симметрии σ, характеризуются и направлением дипольного момента в этой плоскости (рис.7.8):

3. Плоские молекулы XY₃, обладающие осью симметрии третьего порядка (С₃) и плоскостью симметрии (σ), перпендикулярной оси симметрии, имеют дипольные моменты, равные нулю (μ=0). (См. рис.7.9).

Рис. 7.8. Плоские молекулы. Плоскость экрана является плоскостью

симметрии молекул. Дипольные моменты расположены в плоскости

экрана.

Рис.7.9. Плоские неполярные молекулы, имеющие ось симметрии С₃ и

перпендикулярную этой оси плоскость симметрии.

Решается и обратная задача: установить геометрию молекулы по известному дипольному моменту. Например,

1. У молекул Н₂О, SO₂, (CH₃)₂O . Следовательно, они имеют угловой узел: .

У молекул CO₂, CS₂ . Их узел линейный:

.

2. У молекул NH₃, PH₃, N(C₂H₅)₃ . Это исключает их плоскую форму.

3. Молекула с брутто- формулой С₆Н₆ имеет дипольный момент μ=1,1Д. Можно установить, что это – молекула фульвена:

4. С помощью представлений о дипольном моменте легко объяснить особенности электрических свойств веществ, имеющих изомерные цис- и транс- формы. Рассмотрим в качестве примера ди-хлорэтилен. У транс – формы (а) имеется центр инверсии i. Дипольный момент молекулы транс- ди-хлорэтилена равен нулю (рис.7.10а).

μ=0 μ=1,8Д μ=1,2Д

а б в

Рис.7.10. Дипольные моменты изомеров ди-хлорэтилена.

У цис- формы (б) дипольный момент самый большой (1,8Д), но есть ещё и третий изомер, у которого дипольный момент равен 1,2 Д (рис.7.10в).

В некоторых случаях векторная модель Томсона удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. Но часто возникают сильные расхождения. Квантовая химия связывает это с неравномерностью распределения электронного заряда на связях.

Дата добавления: 2014-01-07