1611143556-2273da8470727e985a6fa41fb7d7276c (825019), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Хотя внутренние области электронных оболочек при соединении атомов в молекулу меняются мало, но движение внешних электронов может измениться существенным образом, причем эти электроны как бы «коллективизируются» атомами. В некоторых молекулах внешние части электронных оболочек перестраиваются так, что вокруг одних ядер в среднем находится меньше, а вокруг других ядер — больше электронов, чем это положено в нейтральных атомах; такие молекулы как бы состоят из ионов (например, молекула КС! — из положительного иона К+ и отрицательного ионаС! ). Вдругихслучаях (например, Н„О,, НС!) атомы в молекуле остаются в среднем электрически нейтральными.
Зто различие, однако, имеет лишь количественный характер, и между двумя указанными крайними ситуациями возможны различные промежуточные случаи. Характерным свойством химического взаимодействия атомов является его насыи(аемость. Зто значит, что атомы, вступающие благодаря этому взаимодействию в соединение друг с другом, теряют способность взаимодействовать таким же образом с другими атомами. Различные мопекулы тоже взаимодействуют друг с другом; это взаимодействие называют вам-дер-ваальсовым в отличие от химического взаимодействия атомов, приводящего к образованию молекул. Взаимодействие двух молекул нельзя, вообще говоря, изобразить просто в виде кривой 0=(/(г), как это было сделано выше для атомов, поскольку взаимное расположение молекул характеризуется большим числом параметров: наряду с расстоянием г между молекулами существенна также и их взаимная ориентация.
Но если представить себе взаимодействие молекул как бы усредненным по всем возможным их ориентациям, то оно тоже сможет быть изображено в виде такой кривой. Зта кривая похожа на кривую взаимодействия атомов в молекуле в том отношении, что на больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, а на малых расстояниях — отталкиваются. Силы притяжения между молекулами быстро убывают с увеличением расстояния между ними. Еще быстрее происходит увеличение сил отгалкива- й Зй| молекулн ния при сближении молекул, так что молекулы ведут себя при сближении, как твердые.
взаимно не проникающие, тела. Глубина же минимума на кривой ван-дер-ваальсова взаимодействия очень мала — она измеряется несколькими десятыми или даже сотыми долями электрон-вольта (см. Ч 68), в то время как глубина потенциальной ямы на кривой химического взаимодействия составляет несколько электрон-вольт. Другое существенное отличие между обоими видами взаимодействия состоит в том, что ван-дер-ваальсовы силы, в отличие от химических, не обладают свойсгвом насыщаемости.
Ван-дер-ваальсово взаимодействие существует между всеми молекулами, так что если две молекулы сближаются друг с другом благодаря этому взаимодействию, то они продолжают притягивать и другие молекулы. Поэтому силы молекулярного притяжения не приводят к образованию «сверхмолекулхч а только содействуют общему стремлению всех молекул сблизиться друг с другом. Это стремление осуществляется при переходе вещества в конденсированное состояние — жидкое или твердое. Глава И УЧЕНИЕ О СИММЕТРИИ й 40. Симметрия молекул Понятие симметрии играет в физике фундаментальную роль. Симметрия представляет собой одну из важнейших качественных характеристик того или иного физического объекта и во многих случаях оказывает решающее влияние на характер происходящих с этим объектом явлений.
Мы начнем с изучения симметрии, которой могут обладать отдельные молекулы. Свойства симметрии складываются нз различных элементов симметрии, которые мы прежде всего определим. Говорят, что молекула обладает осью симметрии и-го порядка, если она совмещается сама с собой при повороте вокруг этой оси на угол 2п/и, где п — какое-либо целое число: а=2, 3, 4,... (такую ось принято обозначать символически буквой С„).
Так, наличие у молекулы оси симметрии 2-го порядка (С,) означает, что молекула совмещается сама с собой при повороте на 180', другими словами, наряду с каждым атомом А, В, ... в молекуле существуют другие такие же атомы А', В', ..., расположенные по отношению к атомам А, В, ... и оси так, как это показано на рис. 1. Если молекула обладает осью симметрии 3-го порядка, то она совмещается сама с собой при поворотах на углы !20 и 240'; наряду с каждым атомом А в молекуле существуют еще два таких же атома А' и А", расположенных так, как это показано на рис.
2. Молекула обладает плоскостью симметрии, если она совмещается сама с собой при зеркальном отражении в этой плоскости (этот элемент симметрии обозначают символом о). Это значит, что каждому атому А в молекуле соответствует другой такой же атом А', расположенный на про- ф 40) СИММЕТРИЯ МОЛЕКУЛ долженин опущенного из точки А на плоскость перпендикуляра на таком же расстоннии от плоскости (рнс. 3). Наряду с зеркальным отражением в плоскости можно ввести понятие об »отражении в точке>, которое приводит ь" г л~», А'»-- — -»А 8'». Рис. Е Ряс. 2.
к новому элементу симметрии — центру симметрии (нли центру инверсии); этот элемент обозначают символом й Если молекула обладает центром симметрии в некоторой точке ( (рис. 4), то каждому атому А соответствует другой .,»л л' д Ф. Г ! -»е Ю» — — я» — -»л А'» Рис. 4. Рис. 3. такой же атом А', находящийся на продолжении проведенной из точки А в точку ( прямой, причем расстояние А'( равно расстоянию Ай Наконец, последний тип элементов симметрии — зеркально-поворотная ось п-го порядка (ее обозначают символом 5„). Молекула обладает этой симметрией, если она совмещается сама с собой при повороте вокруг некоторой оси на угол 2п/п и последующем отражении в плоскости, перпендикулярной этой оси.
Порядок и зеркально-поворотной оси может быть только четным числом (если п †нечетн число, например п=З, то, повторив зеркальный поворот (гл. ю ученик о снмметгии б раз, легко убедиться, что ось 5, в действительности свелась бы к совокупности двух независимых элементов симметрии: оси симметрии С и перпендикулярной ей плоскости симметрии о). Так, если молекула обладает зеркально-поворотной осью 4-го порядка, то наряду с каждым атомом А в ней существуют еще три таких же атома А', А", А"', расположенных так, как это показано на рис. 5.
Очевидно, что наличие такой оси автоматически означает на- Л у — я —,"Чл личие также и простой оси симметрии вдвое более низкого порядка — в дан- 1 ном случае оси С,. 1 1 ! (Отметим, что зеркально-поворотная ось 2-го порядка эквивалентна центру симметрии, расположенному в точке пе- 1 , ',~ ресечения осн с плоскостью, в которой .Ь~д'" производится отражение.
Поэтому о., не '-+- -э является новым элементом симметрии.1 А' Таковы те элементы, из которых мо- жет складываться симметрия молекулы. ряс. з. Приведем несколько примеров, демон- стрирующих, каким образом возникают различные комбинации этих элементов, определяющие симметрию молекулы. Молекула воды Н,О имеет форму равнобедренного треугольника (рис. 6). Ее симметрия складывается из оси 2-го И И Рис. 7. Рис. б. порядка (высота треугольника) и двух проходящих через эту ось взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии. Молекула аммиака МН, имеет форму правильной трехгранной пирамиды с атомом Х в вершине и атомами Н в углах основания (пирамида, кстати сказать, довольно плоская — ее высота примерно в 4 раза меньше длины реб- 8 40) СИЧМРТРИЯ МОЛЕКУЛ ра основания).
Ее симметрия складывается из вертикальной оси 3-го порядка (рис. 7) и трех проходящих через нее плоскостей симметрии, образующих друг с другом углы в 60'; каждая плоскость проходит через высоту и один из атомов Н. Еще большим числом эчементов симметрии обладает молекула бензола С,Н„атомы которой лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (рис. 8). Плоскость расположения атомов является, очевидно, плоскостью симметрии молекулы. Кроме того, молекула имеет ось ш ~ г г'Сг 1 ! ! эи Рис. 8. Рис. 9.
симметрии 6-го порядка, проходящую через центр шестиугольника перпендикулярно его плоскости. Центр шестиугольника является центром симметрии. Далее имеется шесть осей 2-го порядка, три из которых соединяют диаметрально противоположные атомы, а три другие делят пополам противоположные стороны шестиугольника (на рис. 8 показано по одной из этих осей). Наконец, шесть плоскостей, проведенных через эти оси С, перпендикулярно плоскости рисунка, дают еще шесть плоскостей симметрии.
Рассмотрим еще молекулу метана СН„которая представляет собой правильный тетраэдр (фигура с четырьмя одинаковыми гранями, представляющими собой равносторонние треугольники); атомы Н находятся в четырех вершинах тетраэдра, а атом С вЂ” в его центре (рис. 9). Эта молекула имеет четыре оси симметрии 3-го порядка, каждая 5 Л. Д. Ла Даг ИР. 1ЗО (гл. я учение о снмметгни из которых проходит через одну из вершин и центр тетраэдра.
Три зеркально-поворотные оси симметрии 4-го порядка проходят через середины противоположных ребер тетраэдра. Наконец, имеется шесть плоскостей симметрии, каждая из которых проходит через одно из ребер и середину противоположного ребра (на рис. 9 показано по одному из перечисленных видов элементов симметрии). ф 41. Зеркальная изомерня Своеобразное явление связано с наличием или отсутствием у молекулы достаточной симметрии. Если отразить достаточно асимметричную молекулу в зеркале, то получится молекула, подобная исходной, но все же с ней не совпадающая. Такова„например, молекула СНС1Вг1, получающаяся заменой трех атомов Н в молекуле метана СН„тремя разл ичными атомами С1, Вги 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
