Симметрия глазами химика - Харгиттаи И.
ISBN 5-03-000276-6
Скачать (прямая ссылка):
41. Shubnikov A. V, Belov N. V. and others, Colored Symmetry. A Series of Publications from the Institute of Crystallography, Academy of Sciences of the U.S.S.R., Moscow, 1951-1958, Holser W.T., Ed., Pergamon Press, New York, 1964.
42. Curie P., «C'est la dissymetrie qui cree le phenomene», J. Phys. Paris, 3, 393 (1894).
43. Бернал Дж. Возникновение жизни. Пер. с англ.-М.: Мир, 1969.
44. Prelog V, Science, 193, 17 (1976).
45. См.: Haidane J. В. S., Nature, 185, 87 (1960), который цитирует Pasteur L., С. R. Acad. Sei. Paris, June 1, 1874.
46. Anet F.A.L, Miura S.S., Siegel J., Mislow K., J. Am. Chem. Soc, 105, 1419 (1983).
47. Umemoto T., Otsubo T., Sakata Y, Misumis S., Tetrahedron Lett., 593 (1973); Umemoto T., Otsubo T., Misumi S., Tetrahedron Lett., 1573 (1974).
48. Coxeter H. S. M., Regular Polytopes, Third Edition, Dover Publications New York 1973.
49. Белов HB., Очерки по структурной минералогии. - M.: Недра, 1976.
50. Kepler J., Mysterium cosmographicum, 1595.
51. Koestler A., The Sleepwalkers, The Universal Library, Grosset and Dunlap New York, 1963.
52. Schneer C.J., Am Sei., 71, 254 (1983).
53. Fejes Toth L, Regular Figires, Pergamon Press, New York, 1964.
54. Copernicus N.. De Revolutionibus Orbium Caelestium, 1543, цитируется в книге Kepes G., The New Landscape in Art and Science, Theobald and Co Chicago 1956.
55. Pearce P., Pearce S., Polyhedra Primer, Van Nostrand Reinhold Co., New York 1978.
3
Молекулы, их форма и геометрическое строение
Молекула-это не просто набор атомов, из которых она состоит. Молекула существует благодаря тому, что эти атомы взаимодействуют друг с другом. Поэтому в некоторых случаях лучше рассматривать молекулу в виде совокупности ядер тех атомов, которые входят в состав молекулы, и распределения электронной плотности. Обычно именно геометрия и симметрия распределения атомных ядер в пространстве принимаются за геометрию и симметрию самой молекулы.
Молекулы являются конечными образованиями; в описании их симметрии присутствует по крайней мере особая точка. По этой причине к ним вполне применимы точечные группы. Для молекул не существует никакого внутреннего ограничения, налагаемого на их симметрию. В отличие от этого на симметрию кристаллов налагаются строгие ограничения, о чем будет сказано позже. Это объясняется тем, что молекулы в иерархии структур занимают более фундаментальный уровень, чем кристаллы. В частности, многие кристаллы построены из молекул.
Молекулы, существующие в газовой фазе, считают свободными молекулами. Они так удалены в пространстве друг от друга, что своими взаимодействиями не искажают геометрическое строение соседей. В конденсированных фазах (жидкости, расплавы, аморфные тела и кристаллы) ситуация заметно изменяется, и между молекулами существуют взаимодействия. При изложении материала данной главы допускается отсутствие искажений геометрического строения молекул со стороны окружающей их среды независимо от конкретных условий. Возможное влияние межмолекулярных взаимодействий будет рассмотрено позже, при обсуждении свойств кристаллов.
Молекулы никогда не находятся в покое. Они постоянно совершают колебания. Молекулы, существующие в газе и жидкости, кроме колебательного движения совершают также вращательное и поступательное движение. Колебания молекул представляют собой относительные смещения ядер, отсчитанные от их равновесных положений; они происходят во всех агрегатных состояниях, включая кристаллическое, и даже при наиболее низких температурах. Масштаб колебательного движения достаточно велик, составляя несколько процентов от самих межъядер-
У4
Глава 3
ных расстояний. Обычно совершается от 1012 до 1014 колебаний в секунду.
Соображения симметрии являются основой любого описания колебаний молекул, как это будет показано подробно в последующем изложении. Однако первоначальное рассмотрение симметрии молекул основано на полном пренебрежении их колебательным движением. Мы приведем многочисленные примеры, иллюстрирующие различные типы симметрии, а также обсудим простую теоретическую модель, которая облегчает понимание сущности законов, определяющих форму и симметрию в мире молекул. При этом рассмотрение будет ограничено простыми случаями, т. е. наиболее симметричными системами. Важная роль внутримолекулярных колебаний наряду с некоторыми вытекающими отсюда следствиями, включая движение большой амплитуды, будет обсуждена в последнем разделе данной главы.
3.1. Формулы и изомеры
Эмпирическая формула химического соединения выражает его состав. Например, формула С2Н402 означает, что молекула состоит из двух атомов углерода, четырех атомов водорода и двух атомов кислорода. Однако такая запись не дает никаких сведений о порядке соединения атомов в молекуле. Эта эмпирическая формула соответствует одновременно метилформиату, уксусной кислоте и гликолевому альдегиду. Только по структурным формулам этих соединений, приводимым на рис. 3-1, мы можем отличить их друг от друга. Это явление называется структурной изомерией. Формулы, показанные на рис. 3-1, в упрощенном виде можно изобразить так:
