分子極性、分子對(duì)稱性及其之間的關(guān)系

馬海華

（陽(yáng)泉師范高等?？茖W(xué)校，山西 陽(yáng)泉 045000）

在無(wú)機(jī)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、物理化學(xué)及普通化學(xué)教學(xué)中，總涉及到如何判定分子的對(duì)稱性、極性以及分子對(duì)稱性與分子極性的關(guān)系等問題，而在一些常用的大學(xué)、大專教材及參考書對(duì)這些問題說(shuō)明不夠清楚，甚至有的觀點(diǎn)不夠明確。文章就以上幾個(gè)問題，對(duì)分子極性和分子對(duì)稱性作一下系統(tǒng)的介紹與分析。

一、分子極性

（一）分子極性的概念

極性的原意是指動(dòng)植物體或其離體的兩端具有不同生理特性的現(xiàn)象。將這一名詞沿用在化學(xué)的不同領(lǐng)域時(shí)，又有其特定的含義。在化學(xué)鍵理論中，常常談起共價(jià)鍵的極性、基團(tuán)的極性和分子的極性。

分子的極性是指分子中由于電荷分布的不均勻所呈現(xiàn)的特性。用偶極矩來(lái)衡量分子的極性[μ=q(電量)×d（偶極長(zhǎng)）]，分子的極性是分子內(nèi)在的、固有的特性，它可以由分子中各個(gè)鍵的極性的矢量之和求得。下面我們以羰基為例，就分子的極性進(jìn)行一下說(shuō)明：羰基中的碳原子以σ鍵與其他三個(gè)原子相連，由于這些鍵都是碳原子的sp2雜化軌道形成的，所以它們處于同一平面內(nèi)，彼此間保持著最大的相距角度（約120°），羰基雙鍵上的電子將兩個(gè)電負(fù)性不同的原子結(jié)合在一起，因此電子并非均等地被共享，易于留動(dòng)的π電子云被強(qiáng)烈地拉向電負(fù)性較大的氧原子，故羰基是個(gè)極性基團(tuán)，具有一個(gè)偶極距，負(fù)極朝向氧一邊，正極朝向碳一邊。

（二）分子極性的判斷

分子有無(wú)極性對(duì)由分子組成的物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)均有影響，因此，我們應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)判別分子是否具有極性。一種情況為組成分子的化學(xué)鍵都是非極性鍵的，此時(shí)分子當(dāng)然不會(huì)有極性；另一種情況為組成分子的化學(xué)鍵均為極性鍵，此時(shí)分子可能有極性，也可能沒有極性。對(duì)于雙原子分子來(lái)說(shuō)，分子的極性與鍵的極性完全一致。而對(duì)于多原子分子來(lái)說(shuō)，如果由極性鍵組成且空間構(gòu)型不完全對(duì)稱的，鍵的極性不能抵消，由極性鍵組成的多原子分子也仍然有極性。例如：SO2、H2O、NH3等都是極性分子。這種說(shuō)法還可以理解為：相對(duì)于分子的中心原子而言，如果其周圍同類型的原子排布勻稱，分子構(gòu)型就是對(duì)稱的，分子為非極性分子；反之，分子構(gòu)型就是不對(duì)稱的或不完全對(duì)稱的，分子有極性，為極性分子。這樣就可以判斷大多數(shù)分子的極性情況：三原子分子ABA（直線型如CO2）、四原子分子AB3（平面三角形如BF3）、五原子分子AB4（正四面體如CH4）均是非極性分子；三原子分子ABA（V字形如SO2）、ABC（直線型如HCN）、四原子分子AB3（棱錐體如NH3）、五原子分子AB3C（四面體如CH3Cl），在這些分子中，同類型原子在中心原子周圍排布不勻稱，中心原子周圍的鍵也不同，分子都是極性分子。判斷分子極性的具體方法有化合價(jià)判斷法、孤對(duì)電子判斷法等。

1.化合價(jià)判斷法

設(shè)X為中心原子,Y為其他成鍵原子。對(duì)于由極性鍵構(gòu)成的XY2、XY3、XY4型的多原子分子，如果中心X元素化合價(jià)的絕對(duì)值和X元素所在周期表中的主族數(shù)相等(或與X原子最外層電子數(shù)相等),則分子為非極性分子；如果不相等，則為極性分子。例如：在CO2分子中,中心原子是碳,它的化合價(jià)的絕對(duì)值是4,而碳原子的外層電子數(shù)也是4（碳元素在周期表中的主族數(shù)也是4），所以CO2分子一定是非極性分子。此類分子常見的有CS2、BF3、CH4等。而像在 H2O 、NH3、SO2等一類分子中，中心原子的化合價(jià)絕對(duì)值不等于原子的最外層電子數(shù)，分子一定是極性分子。

2.孤對(duì)電子判斷法

設(shè)X為中心原子，Y為其他成鍵原子。對(duì)于由極性鍵構(gòu)成的XY2、XY3、XY4型的分子，如果中心原子X與Y原子成鍵后在它的最外層電子中存在孤對(duì)電子，則為極性分子；不存在孤對(duì)電子，則為非極性分子。例如：在NH3和H2O分子中，中心原子氮和氧上都有孤對(duì)電子存在，孤對(duì)電子造成分子中電荷分布不均勻、正負(fù)電荷重心不重合，此類分子是極性分子。而在BF3、CO2、CH4等類分子中,中心原子與其他原子成鍵后不存在孤對(duì)電子，在這類分子中，電荷的分布是均勻的、對(duì)稱的，正負(fù)電荷重心是重合的，這類分子屬于非極性分子。

二、分子對(duì)稱性

（一）分子對(duì)稱性的概念

對(duì)稱性就是指一個(gè)物體包含若干等同部分，這些部分相對(duì)（對(duì)等、對(duì)應(yīng)）而又相稱（適合、相當(dāng)）。分子也像日常生活中見到的物體一樣具有各種各樣的對(duì)稱性。分子對(duì)稱性有嚴(yán)格的定義：如果分子的圖形相應(yīng)與某一幾何元素（點(diǎn)、線、面）完成某種操作后，所有原子在空間的排布與操作前的排布不可區(qū)分，則稱此分子具有某種對(duì)稱性。如圖1、圖2是一些具有對(duì)稱性的分子的例子：

圖1

圖2

（二）分子對(duì)稱性的判斷

同分子的極性一樣，分子的對(duì)稱性對(duì)由分子組成的物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)有著重要影響，并且廣泛應(yīng)用于化學(xué)的許多方面，因此我們應(yīng)學(xué)會(huì)判斷分子是否具有對(duì)稱性。

由分子對(duì)稱性的定義可知，如果一個(gè)分子可進(jìn)行某種對(duì)稱操作或具有某種對(duì)稱元素，我們就說(shuō)這個(gè)分子具有某種對(duì)稱性。一般情況下，對(duì)稱操作主要包括：Ⅰ恒等操作、Ⅱ旋轉(zhuǎn)操作、Ⅲ反映操作、Ⅳ反演操作、ⅴ旋轉(zhuǎn)反映操作；對(duì)稱元素主要包括：對(duì)稱軸、對(duì)稱面（鏡面）、對(duì)稱中心、旋映軸。下面，我們就結(jié)合實(shí)例對(duì)一些常見的對(duì)稱操作和對(duì)稱元素進(jìn)行介紹。

1.對(duì)稱軸和旋轉(zhuǎn)操作

分子沿順時(shí)針方向繞某軸旋轉(zhuǎn)角度α，α=360°/n n=360°/α（n=1,2,3……）能使其構(gòu)型成為等價(jià)構(gòu)型或復(fù)原，即分子的新取向與原取向能重合，就稱此操作為旋轉(zhuǎn)操作，并稱此分子具有n次對(duì)稱軸。

圖3

如NH3（見圖3）旋轉(zhuǎn)2π/3等價(jià)于旋轉(zhuǎn)2π (復(fù)原)，基轉(zhuǎn)角α=360°/nC3-三重軸；再如平面BF3分子，具有一個(gè)C3軸和三個(gè)C2軸，倘若分子中有一個(gè)以上的旋轉(zhuǎn)軸，則軸次最高的為主軸。

2.對(duì)稱面和反映操作

如果分子被一平面等分為兩半，任一半中的每個(gè)原子通過(guò)此平面的反映后，能在另一半（映像）中與其相同的原子重合，則稱此分子具有一對(duì)稱面（鏡面），以σ表示。據(jù)此面進(jìn)行的操作叫做對(duì)稱面反映操作，或簡(jiǎn)稱反映。對(duì)稱面相當(dāng)一個(gè)鏡面，把分子構(gòu)型等分為兩部分，互為物與像。

例如，水分子有兩個(gè)對(duì)稱面，一個(gè)面是分子平面，它包含有3個(gè)原子；另一個(gè)面垂直上述分子平面，并且平分H-O-H鍵角（見圖4）。

圖4

3.對(duì)稱中心和反演操作

分子構(gòu)型中具有一個(gè)幾何點(diǎn)i（總是分子的重心），從分子中任一原子至i點(diǎn)連接的線段延長(zhǎng)到相等距離處必有一相同原子，并且對(duì)于分子所有原子都成立。則稱i點(diǎn)為此分子的對(duì)稱中心。通過(guò)對(duì)稱中心使分子復(fù)原的操作叫反演。C-C鍵的中點(diǎn)便是對(duì)稱中心，如果從一個(gè)Cl原子至中心連一直線，則在其延長(zhǎng)線的相等距離處會(huì)遇到第二個(gè)Cl原子。對(duì)于兩個(gè)H原子也存在同樣的關(guān)系。例如C2H4Cl2(見圖5)

圖5

4.旋映軸和旋轉(zhuǎn)反映操作

若分子繞某軸旋轉(zhuǎn)2π/n，再用垂直此軸的平面進(jìn)行反映操作，得到分子的等價(jià)構(gòu)型，將該軸與平面組合所得的對(duì)稱元素稱為旋映軸，以Sn表示。在CH4分子中，存在著S4軸，繞垂直軸z軸旋轉(zhuǎn)2π/4。在經(jīng)xy平面反映，則使分子的取向與原來(lái)的相重合。例如CH4(見圖6)

圖6

（三）三分子極性與分子對(duì)稱性的關(guān)系

通過(guò)對(duì)分子對(duì)稱性與分子極性的介紹我們可以看出，分子對(duì)稱性反映了組成分子的原子在空間的對(duì)應(yīng)情況，分子的極性反映的是分子中正、負(fù)電荷重心的對(duì)應(yīng)情況；而分子的對(duì)稱性在反映組成分子的原子在空間的對(duì)稱性的同時(shí)，也反映了分子中原子核和電子云分布的對(duì)稱性，因而二著之間存在著密切聯(lián)系。

（1）具有對(duì)稱中心或?qū)ΨQ元素公共交點(diǎn)的分子沒有偶極矩,即分子為非極性分子。

例如：ABA直線分子有多重旋轉(zhuǎn)軸和二重旋轉(zhuǎn)軸并相交于一點(diǎn)（見圖7）。AB3平面正三角形分子，分子所在平面是鏡面，又有三重旋轉(zhuǎn)軸并兩對(duì)稱元素僅僅相交于一點(diǎn)（見圖8）。AB4正四面體分子，為方便把其放入立方體內(nèi)，有三重旋轉(zhuǎn)軸和四重旋轉(zhuǎn)反軸并兩對(duì)稱元素相交于一點(diǎn)（見圖9）。這些分子都是非極性的。

圖7

圖8

圖9

（2）如果分子只有一個(gè)Cn（n＞1）軸，或只有一個(gè)對(duì)稱面，或者一個(gè)Cn軸包含在一個(gè)對(duì)稱面內(nèi)，分子都可能有偶極矩，即分子為極性分子。例如：H2O分子（見圖10）有一個(gè)C2軸，但它與兩個(gè)對(duì)稱面不相交，分子為極性分子，再如NH3（圖11）分子有一個(gè)C3軸，但它是三個(gè)對(duì)稱面的交線，分子為極性分子。

圖10

圖11

三、結(jié)論

分子的極性和分子的對(duì)稱性均為分子內(nèi)在的、固有的特性，它們不僅對(duì)由分子組成的物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)有很大影響，而且在高分子材料、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，因此我們應(yīng)該對(duì)其有一個(gè)全面、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。這里我們對(duì)分子極性和分子對(duì)稱性的概念及判定條件作了一個(gè)簡(jiǎn)要概括，對(duì)分子極性與對(duì)稱性之間的關(guān)系作了一下簡(jiǎn)單的論述，這有助于我們從本質(zhì)上更深刻地認(rèn)識(shí)、理解分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，使我們更好地從事相關(guān)方面的工作，對(duì)我們進(jìn)行有關(guān)物質(zhì)分子方面的科研和知識(shí)的學(xué)習(xí)也將有很大幫助。

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