梁麗娜 閆彬(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院畢節(jié)循環(huán)經(jīng)濟研究院,貴州 畢節(jié) 551700)
C60分子的對稱性研究
梁麗娜 閆彬(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院畢節(jié)循環(huán)經(jīng)濟研究院,貴州 畢節(jié) 551700)
分子的對稱性是分子的一項重要性質(zhì),具有對稱性的分子的許多性質(zhì)均受其對稱性的影響。C60分子具有高度的對稱性。C60分子的許多優(yōu)異性能,如超導(dǎo)、強磁性、耐高壓等都與C60分子的對稱性有關(guān)。因此要分析C60分子的性質(zhì),分析C60分子的對稱性就十分有必要。本文列出C60分子的所有對稱元素和對稱操作,幫助學生對C60分子的對稱性有更全面的認識。
C60;分子對稱性;Ih點群;對稱元素;對稱操作。
C60是由60個碳原子組成的碳多面體原子簇,是由12個五邊形和20個六邊形組成的中空球狀32面體結(jié)構(gòu),在建筑學Buckminster Fuller所發(fā)明的短程線圓屋頂?shù)膯⑹鞠?,H.W.Kroto等人采用了足球狀來闡明C60分子的完美對稱性結(jié)構(gòu)[1],其分子結(jié)構(gòu)酷似一個足球。C60的結(jié)構(gòu)構(gòu)成已被紅外吸收光譜[2]和X射線衍射實驗所驗證[3]。另外,在掃描隧道顯微鏡(STM)下也觀察到了C60球形分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu),證明了C60分子確實是一個足球結(jié)構(gòu)[4]。
其中每個碳原子均以SP2雜化軌道與其相鄰的3個碳原子以σ鍵相互鍵合,而每個碳原子另外剩余的一個P軌道,則與C60分子的籠內(nèi)與籠外形成的離域大鍵。
C60的結(jié)構(gòu)中的棱即化學鍵,有六元環(huán)與六元環(huán)間的碳碳6,6位鍵,和五元環(huán)與六元環(huán)間的碳碳5,6位鍵兩種鍵型[5],碳碳6,6位鍵是雙鍵,為富電子區(qū),可進行親核加成,游離基加成,環(huán)加成等反應(yīng)。碳碳5,6位鍵為單鍵。
C60分子具有高度的對稱性,屬于Ih點群(二十面體點群)[6]。它的全部對稱性屬于正二十面體分子點群Ih群,存在二度、三度與五度對稱軸以及對稱中心。所有60個碳原子全部等價[7]。C60是三維歐幾里得空間可能存在的對稱性最高的分子,C60的高度對稱性使得球面上的碳原子能分攤外部壓力,因此C60分子不僅十分穩(wěn)定而且異常堅固,若將C60分子以航天飛機的軌道速度與鉆石碰撞,C60分子將繼續(xù)保持原狀而反彈回來[4]。
C60分子具有多個高次軸,顯然屬于立方群。對稱軸:C60分子是32面體結(jié)構(gòu),32個面中有12個五邊形和20個六邊形。所以有6個C5軸和10個C3軸。另外還有15個C2軸,15個σ、1個i、6個S10(貫穿正二十面體相對的兩角頂或正十二面體相對的正五邊形面心)、10個S6(貫穿正二十面體相對的正三角形面心或正十二面體相對的兩角頂)。
總體說來,C60分子共有63個對稱元素:6個C5,10個C3,15個C2,15個σ,1個i,6個S10,10個S6。這些對稱元素構(gòu)成C60分子的對稱元素系。
與C60分子的對稱元素系對應(yīng)的全部對稱操作構(gòu)成一個對稱操作群G。下面我們逐一列出G的對稱元。
(1)與對稱元素C5旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的對稱操作有:
1個 C5旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)1個C(15即繞C5軸逆時針旋轉(zhuǎn)72o的對稱操作),1個C(25即繞C5軸逆時針旋轉(zhuǎn)144o的對稱操作),1個C35(即繞C5軸逆時針旋轉(zhuǎn)216o的對稱操作),1個C(54即繞C5軸逆時針旋轉(zhuǎn)288o的對稱操作),和E,共5個對稱操作。6個C5旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)25個對稱操作。
(2)與對稱元素C3旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的對稱操作有:
1個 C3旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)1個C(13即繞C3軸逆時針旋轉(zhuǎn)120o的對稱操作),1個C(23即繞C3軸逆時針旋轉(zhuǎn)240o的對稱操作)和E,共3個對稱操作。10個C3旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)21個對稱操作。因為前面已經(jīng)提到E,所以刨除E,有20個對稱操作。
(3)與對稱元素C2旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的對稱操作有:
1個 C2旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)1個C(12即繞C2軸逆時針旋轉(zhuǎn)180o的對稱操作)和E,共2個對稱操作。15個C2旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)16個對稱操作。因為前面已經(jīng)提到E,所以刨除E,有15個對稱操作。
(4)與對稱元素σ對應(yīng)的對稱操作有:
1個σ對應(yīng)1個σ操作和E。15個σ對應(yīng)16個對稱操作。因為前面已經(jīng)提到E,所以刨除E,有15個對稱操作。
(5)與對稱元素i對應(yīng)的對稱操作有:
1個i對應(yīng)1個i操作和E。1個i對應(yīng)2個對稱操作。因為前面已經(jīng)提到E,所以刨除E,有1個對稱操作。
(6)與對稱元素S10對應(yīng)的對稱操作有:
1個S10對應(yīng)1個S110=σ1C110=σC110操作,1個S120=σ2C12
0=C15操作,1個S130=σ3C130=σC130操作,1個 S140=σ4C140=C25操作,1個S150=σ5C150=σC12=i操 作 ,1個S160=σ6C160=C35操作。1個S170=σ7C170=σC170操 作 ,1個 S180=σ8C180=C45操作,1個S190=σ9C190=σC190操作,1個S1100=σ10C1100=E操作。即1個S10對應(yīng)4個獨立的對稱操作,所以6個S10對應(yīng)24個獨立的對稱操作。
(7)與對稱元素S6對應(yīng)的對稱操作有:
1個S6對應(yīng)1個S16=σ1C16=i1C23操作,1個S26=σ2C26=C13操作,1個S36=σ3C36=σC12=i操作,1個 S46=σ4C46=C23操作,1個S56=σ5C56=σC56=i1C13操作,1個S66=σ6C66=E操作。即1個S6對應(yīng)2個獨立的對稱操作,所以10個S6對應(yīng)20個獨立的對稱操作。
C60分子共有63個對稱元素,與這63個對稱元素對應(yīng)的有120個獨立的對稱操作,這些對稱操作構(gòu)成一個120階的對稱操作群。C60分子的對稱操作群可寫成G={E,24C5,20C3,15C2,i,24S10,20S6,15σ}。G群中共有1+24+20+15+1+24+20+15=120個元。即120階。
[1]H.W.Kroto;J.R.Heath;S.C.O'Brien;R.F.Curl;R.E.Smalley.C60:Buckminsterfullerene.NATURE,1985,Vol.318,No.6042,162-163.
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