Simetri molekul
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4c/Formaldehyde_symmetry_elements.svg/200px-Formaldehyde_symmetry_elements.svg.png)
Simetri molekul dalam kimia menerangkan simetri yang terdapat dalam molekul dan pengelasan molekul ini mengikut simetrinya. Simetri molekul ialah konsep asas kimia, kerana ia boleh digunakan untuk meramal atau menerangkan banyak sifat kimia molekul, seperti sama ada ia mempunyai momen dwikutub atau tidak, serta peralihan spektroskopi yang dibenarkan. Dalam melakukan ini, penggunaan teori kumpulan adalah perlu. Ini melibatkan pengelasan keadaan molekul menggunakan perwakilan tidak boleh dikurangkan daripada jadual aksara kumpulan simetri molekul. Simetri berguna dalam kajian orbital molekul, dengan aplikasi pada kaedah Hückel, teori medan ligan, dan peraturan Woodward-Hoffmann. Banyak buku teks peringkat universiti tentang kimia fizikal, kimia kuantum, spektroskopi dan kimia tak organik membincangkan simetri.[1][2][3][4][5][6] Satu lagi rangka kerja pada skala yang lebih besar ialah penggunaan sistem hablur untuk menggambarkan simetri kristalografi dalam bahan pukal.
Terdapat banyak teknik untuk menentukan simetri molekul tertentu, termasuk kristalografi sinar-X dan pelbagai bentuk spektroskopi. Notasi spektroskopi adalah berdasarkan pertimbangan simetri.
Konsep simetri kumpulan titik
Paksi putaran (Cn) | Unsur putaran tidak wajar (Sn) | ||
---|---|---|---|
Kiral tiada Sn | Tak kiral satah cermin S1 = σ | Tak kiral pusat songsangan S2 = i | |
C1 | ![]() | ![]() | ![]() |
C2 | ![]() | ![]() | ![]() |
Unsur
Simetri kumpulan titik bagi molekul ditakrifkan oleh kehadiran atau ketiadaan 5 jenis unsur simetri.
- Paksi simetri: paksi sekeliling dengan putaran menghasilkan molekul yang tidak dapat dibezakan daripada asal. Ini juga dipanggil paksi putaran n lipatan, dan disingkat Cn. Contohnya ialah paksi C2 air dan paksi C3 ammonia. Sesuatu molekul boleh mempunyai lebih daripada satu paksi simetri; yang mempunyai n tertinggi dipanggil paksi utama, dan secara konvensional diselaraskan dengan paksi-z dalam sistem koordinat Cartes.
- Satah simetri: satah pantulan di mana suatu salinan serupa molekul asal dihasilkan. Ini juga dipanggil satah cermin dan disingkat σ (sigma = "huruf s" Yunani, daripada bahasa Jerman Spiegel "cermin").[7] Air mempunyai dua: satu dalam satah molekul itu sendiri dan satu yang berserenjang dengannya. Satah simetri yang selari dengan paksi utama digelar menegak (σv) dan satu berserenjang dengannya mendatar (σh). Jenis satah simetri ketiga wujud: Jika satah simetri menegak turut membahagi dua sudut antara dua paksi putaran 2 kali ganda berserenjang dengan paksi utama, satah itu digelar dihedral (σd). Satah simetri juga boleh dikenal pasti melalui orientasi Cartes seperti (xz) atau (yz).
- Pusat simetri atau pusat penyongsangan, singkatan i. Molekul mempunyai pusat simetri apabila bagi mana-mana atom dalam molekul, atom yang sama wujud secara diametrik bertentangan dengan pusat ini dengan jarak yang sama daripadanya. Dalam erti kata lain, molekul mempunyai pusat simetri apabila titik (x,y,z) dan (−x,−y,−z) adalah sama. Contohnya, jika terdapat atom oksigen di beberapa titik (x,y,z), maka terdapat atom oksigen di titik tersebut (−x,−y,−z). Mungkin ada atau tiada atom di pusat penyongsangan itu sendiri. Contohnya ialah xenon tetrafluorida, di mana pusat penyongsangan berada pada atom Xe, dan benzena (C6H6), di mana pusat penyongsangan berada di tengah cincin.
- Paksi pantulan putaran: paksi di sekelilingnya putaran oleh , diikuti dengan pantulan dalam satah berserenjang dengannya, meninggalkan molekul tidak berubah. Juga dipanggil paksi putaran tak wajar n-lipatan, dan disingkatkan Sn. Contohnya terdapat dalam silikon tetrafluorida tetrahedral, dengan tiga paksi S4, dan konformasi berperingkat etana dengan satu paksi S6. Paksi S1 sepadan dengan satah cermin σ dan paksi S2 ialah pusat penyongsangan i. Molekul yang tidak mempunyai paksi Sn untuk sebarang nilai n ialah molekul kiral.
- Identiti, singkatan E, daripada bahasa Jerman Einheit, "perpaduan".[8] Unsur simetri ini hanya terdiri daripada tiada perubahan: setiap molekul mempunyai unsur simetri ini, yang bersamaan dengan putaran betul C1. Ia mesti dimasukkan dalam senarai unsur simetri supaya ia membentuk kumpulan matematik, di mana berdsarkan definisi, memerlukan kemasukan unsur identiti. Ia disebut demikian kerana ia dianalogikan dengan pendaraban dengan satu (perpaduan).[9]
Operasi
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e3/Xenon-tetrafluoride-3D-vdW.png/220px-Xenon-tetrafluoride-3D-vdW.png)
Lima unsur simetri telah dikaitkan dengan lima jenis operasi simetri, yang menyebabkan geometri molekul tidak dapat dibezakan daripada geometri permulaan. Mereka kadangkala dibezakan daripada unsur simetri oleh karet atau sirkumfleks. Oleh itu, Ĉn ialah putaran molekul di sekeliling paksi dan Ê ialah operasi identiti. Unsur simetri boleh mempunyai lebih daripada satu operasi simetri yang dikaitkan dengannya. Contohnya, paksi C4 bagi molekul xenon tetrafluorida (XeF4) segi empat sama dengan dua putaran Ĉ4 dalam arah bertentangan (90° dan 270°), putaran Ĉ2 (180°) dan Ĉ1 (0° atau 360°). Oleh kerana Ĉ1 bersamaan dengan Ê, Ŝ1 hingga σ dan Ŝ2 hingga î, semua operasi simetri boleh diklasifikasikan sebagai sama ada putaran wajar atau tidak.
Bagi molekul linear, sama ada putaran mengikut arah jam atau lawan jam mengenai paksi molekul oleh mana-mana sudut Φ ialah operasi simetri.
Kumpulan simetri
Kumpulan
Operasi simetri molekul (atau objek lain) membentuk kumpulan. Dalam matematik, kumpulan ialah satu set dengan operasi binari yang memenuhi empat sifat yang disenaraikan di bawah.
Kumpulan titik biasa
Jadual berikut menyenaraikan banyak kumpulan titik yang boleh digunakan untuk molekul, dilabel menggunakan notasi Schoenflies, yang biasa dalam kimia dan spektroskopi molekul. Penerangan termasuk bentuk biasa molekul, yang boleh dijelaskan oleh model VSEPR. Dalam setiap baris, perihalan dan contoh tidak mempunyai simetri yang lebih tinggi, bermakna kumpulan titik yang dinamakan merangkumi semua simetri titik.
Kumpulan titik | Operasi simetri[10] | Huraian ringkas geometri | Contoh | ||
---|---|---|---|---|---|
C1 | E | kiral; tiada simetri | ![]() bromoklorofluorometana (kedua-dua enantiomer ditunjukkan) | ![]() asid lisergik | ![]() L-leusina dan semua α-asid amino kecuali glisina |
Cs | E σh | satah cermin | ![]() tionil klorida | ![]() Asid hipoklorus | ![]() kloroiodometana |
Ci | E i | pusat songsangan | ![]() asid meso-tartarik | ![]() asid musik (asid meso-galaktarik) | (S,R) 1,2-dibromo-1,2-dikloroetana (bentuk anti) |
C∞v | E 2C∞Φ ∞σv | linear | ![]() hidrogen fluorida (dan semua molekul dwiatom atom berbeza) | ![]() nitrus oksida (dinitrogen monoksida) | ![]() asid hidrosianik (hidrogen sianida) |
D∞h | E 2C∞Φ ∞σi i 2S∞Φ ∞C2 | linear dengan pusat songsangan | ![]() oksigen (dan semua molekul dwiatom sama atom) | ![]() karbon dioksida | ![]() asetilena (etuna) |
C2 | E C2 | "geometri buku terbuka", kiral | ![]() hidrogen peroksida | ![]() hidrazina | ![]() tetrahidrofuran (berpintal) |
C3 | E C3 C32 | "bilah kipas", kiral | ![]() trifenilfosfina | ![]() trietilamina | ![]() asid fosforik |
C2h | E C2 i σh | rata dengan pusat songsangan, tiada satah menegak | ![]() <i id="mwAoM">trans</i>-1,2-dikloroetilena | ![]() <i id="mwAos">trans</i>-dinitrogen difluorida | ![]() <i id="mwApM">trans</i>-azobenzena |
C2v | E C2 σv(xz) σv'(yz) | bersudut (H2O) atau jongkang-jongket (SF4) | ![]() air | ![]() sulfur tetrafluorida | ![]() diklorometana |
C3h | E C3 C32 σh S3 S35 | "bilah kipas" | ![]() asid borik | ![]() floroglusinol (1,3,5-trihidroksibenzena) | |
C3v | E 2C3 3σv | piramid kaki tiga | ![]() ammonia (dengan songsangan piramid diabaikan) | ![]() fosforus oksiklorida | ![]() kobalt tetrakarbonil hidrida, HCo(CO)4 |
C4v | E 2C4 C2 2σv 2σd | piramid kaki empat | ![]() xenon oksitetrafluorida | ![]() pentaborana(9), B5H9 | ![]() anion nitroprusida, [Fe(CN)5(NO)]2− |
C5 | E 2C5 2C52 | simetri putaran ganda lima | ![]() protein reaktif C | ||
C5v | E 2C5 2C52 5σv | kompleks "bangku" | ![]() Ni(C5H5)(NO) | ![]() koranulena | |
D2 | E C2(x) C2(y) C2(z) | berpilin, kiral | ![]() bifenil (berpencong) | ![]() twistana (C10H16) | sikloheksana berpilin |
D3 | E C3(z) 3C2 | heliks ganda tiga, kiral | ![]() kation tris(etilenadiamina)kobalt(III) | ![]() anion tris(oksalato)ferum(III) | |
D2h | E C2(z) C2(y) C2(x) i σ(xy) σ(xz) σ(yz) | rata dengan pusat songsangan, satah menegah | ![]() etena (etilena) | ![]() pirazina | ![]() diborana |
D3h | E 2C3 3C2 σh 2S3 3σv | rata bucu tiga atau bipiramid kaki tiga | ![]() boron trifluorida | ![]() fosforus pentaklorida | ![]() siklopropana |
D4h | E 2C4 C2 2C2' 2C2" i 2S4 σh 2σv 2σd | rata bucu empat | ![]() xenon tetrafluorida | ![]() anion oktaklorodimolibdat(II) | ![]() trans-[CoIII(NH3)4Cl2]+ (atom H diabaikan) |
D5h | E 2C5 2C52 5C2 σh 2S5 2S53 5σv | pentagon | ![]() anion siklopentadienil | ![]() rutenosena | ![]() C70 |
D6h | E 2C6 2C3 C2 3C2' 3C2‘’ i 2S3 2S6 σh 3σd 3σv | heksagon | ![]() benzena | ![]() bis(benzena)kromium | ![]() koronena (C24H12) |
D7h | E C7 S7 7C2 σh 7σv | heptagon | ![]() kation tropilium (C7H7+) | ||
D8h | E C8 C4 C2 S8 i 8C2 σh 4σv 4σd | oktagon | ![]() anion siklooktatetraenida (C8H82−) | ![]() uranosena | |
D2d | E 2S4 C2 2C2' 2σd | pintalan 90° | ![]() alena | ![]() tetrasulfur tetranitrida | ![]() diborana(4) (teruja) |
D3d | E 2C3 3C2 i 2S6 3σd | pintalan 60° | ![]() etana (rotamer bertingkat) | ![]() dikobalt oktakarbonil (isomer tak bersambung) | ![]() sikloheksana (konformasi kerusi) |
D4d | E 2S8 2C4 2S83 C2 4C2' 4σd | pintalan 45° | ![]() sulfur (konformasi mahkota S8) | ![]() dimangan dekakarbonil (rotamer bertingkat) | ![]() ion oktafluoroksenat (geometri unggul) |
D5d | E 2C5 2C52 5C2 i 2S103 2S10 5σd | pintalan 36° | ![]() ferosena (rotamer bertingkat) | ||
S4 | E 2S4 C2 | ![]() 1,2,3,4-tetrafluorospiropentana (isomer meso) | |||
Td | E 8C3 3C2 6S4 6σd | tetrahedron | ![]() metana | ![]() difosforus pentoksida | ![]() adamantana |
Th | E 4C3 4C32 i 3C2 4S6 4S65 3σh | piritohedron | |||
Oh | E 8C3 6C2 6C4 3C2 i 6S4 8S6 3σh 6σd | octahedron atau kubus | ![]() sulfur heksafluorida | ![]() molibdenum heksakarbonil | ![]() kubane |
I | E 12C5 12C52 20C3 15C2 | ikosahedron atau dodecahedral kiral | ![]() rinovirus | ||
Ih | E 12C5 12C52 20C3 15C2 i 12S10 12S103 20S6 15σ | ikosahedron atau dodecahedral | ![]() Buckminsterfullerene | ![]() anion dodekaborat | ![]() dodekahedrana |
Rujukan
- ^ Quantum Chemistry, 3rd ed. John P. Lowe, Kirk Peterson ISBN 0-12-457551-X
- ^ Physical Chemistry: A Molecular Approach by Donald A. McQuarrie, John D. Simon ISBN 0-935702-99-7
- ^ The chemical bond, 2nd ed. J.N. Murrell, S.F.A. Kettle, J.M. Tedder ISBN 0-471-90760-X
- ^ Physical Chemistry, 8th ed. P.W. Atkins and J. de Paula, W.H. Freeman, 2006 ISBN 0-7167-8759-8, chap.12
- ^ G. L. Miessler and D. A. Tarr Inorganic Chemistry, 2nd ed. Pearson, Prentice Hall, 1998 ISBN 0-13-841891-8, chap.4.
- ^ Molecular Symmetry and Spectroscopy, 2nd ed. Philip R. Bunker and Per Jensen, NRC Research Press, Ottawa (1998)ISBN 9780660196282
- ^ "Symmetry Operations and Character Tables". University of Exeter. 2001. Dicapai pada 29 May 2018.
- ^ LEO Ergebnisse für "einheit"
- ^ Pfenning, Brian (2015). Principles of Inorganic Chemistry. John Wiley & Sons. ISBN 9781118859025.
- ^ Miessler, Gary L. (1999). Inorganic Chemistry (ed. 2nd). Prentice-Hall. m/s. 621–630. ISBN 0-13-841891-8.
Character tables (all except D7h)