安徽高中化学竞赛结构化学第四章分子的对称性习题-教学文档
结构化学第四章分子的对称性习题及答案
一、填空题
1.群的表示可分为可约表示和不可约表示。
2.判断分子有无旋光性的标准是是否具有反轴。
3. 分子有无偶极矩与分子对称性有密切关系，只有属于C n和C nv这两类点群的分子才具有偶极矩，而其它点群的分子偶极矩为0。
二、选择题
1. CO2分子没有偶极矩，表明该分子是【D 】
A. 以共价键结合的
B. 以离子键结合的
C. V形的
D. 线形的，并且有对称中心
2. 根据分子的对称性，可知CCl4分子的偶极矩等于【A 】
A. 0
B. 1.03
C. 1.85
D. 1.67
3. 组成点群的群元素是什么【A 】
A. 对称操作
B. 对称元素
C. 对称中心
D. 对称面
4. CH4属于下列哪类分子点群【A 】
A. T d
B. D h
C. C3v
D. C s
5. H2O属于下列哪类分子点群【 A 】
A. C2v
B. C3v
C. C2h
D. O h
三、回答问题
1. 找出H2O分子和NH3分子的对称元素和对称操作及其所属点群，并建立其对称操作的乘积表。
课本第125页：表4.2.1和表4.2.2
课本第142页：表4.6.3。
结构化学第四章 分子对称性2
۞ 具有偶极矩分子所属的点群：
Cn, 偶极矩在转轴上； Cnv, 偶极矩在平面交线（转轴）上 Cs, 在对称面上 C1, 无对称性的分子 其它点群的分子没有偶极矩。
双原子分子的偶极矩：
同核双原子分子： 0 异核双原子分子： 0
偶极矩大，极性大，通常电负性差异大。
多原子分子的偶极矩：
对于n＝奇数，Sn＝ Cn+ h Cnh n＝偶数：
对称元素：（1）n=4的倍数：Sn 群阶（n为偶数）：n
n阶
（2）n4的倍数：Cn/2+ i
n阶
5、Dn点群 Cn+ nC2(Cn) Dn
对称元素：Cn+ nC2(Cn)
对称操作：2n个
Dn :
ˆ1, C ˆ 2 , , C ˆ n 1 , C ˆ (1) , C ˆ (1) , , C ˆ (1) ˆ, C E n n n 2 2 2
确定分子点群的流程简图
4.4 分子的偶极矩和极化率
分子的永久偶极矩和分子的结构 偶极矩的定义：偶极矩 是正负电荷重心间的距离矢量 r 与电荷量q 的乘积，即：
qr
偶极矩的方向为正电荷重心指向负电荷重心。
对于多原子分子，偶极矩为： qi ri
用来判断手性分子的几种结构特征： 含有不对称C（或 N）的化合物：有 机上，常用有无不 对称C作为有无旋 光性的标准。
例外
螺旋型分子：无论有无不对称C均有旋光性，无 例外。
螺旋型分子都是手性分子， 旋光方向与螺旋方向一致；匝
数越多旋光度越大；螺距小者
旋光度大；分子旋光度是螺旋 旋光度的代数和.
（2）n＝奇数：Cn，h，I2n
914708-结构化学-第四章
(x‘, y’, z‘) 的变换, 可用下列矩阵方程表达:
x' a b c x
y'
d
e
f
y
z' g h i z
图形是几何形式 矩阵是代数形式
x ' ax by cz
y
'
dx
ey
fz
z ' gx hy iz
8
恒等元素 E 和恒等操作 Ê
此操作为不动动作，也称主操作或恒等操作。任何分 子都存在恒等元素。恒等操作对向量（x, y, z）不产生任何 影响。对应单位矩阵。
Cˆ64 Cˆ32
11
旋转操作是实动作，可以真实操作实现。 若将 z 轴选为旋转轴，旋转操作后新旧坐标间的关系为:
y
(x', y')
x'
x cos sin 0 x
α
(x, y)
y'
Cˆ
(
)
y
sin
z'
z 0
cos
0
0
y
1 z
x
x ' x cos y sin
3.存在一恒等元素 若AG, E G,则EA AE A E为恒等元素
4.每个存在逆元素 若AG,则必存在B G,且AB BA E B为A的逆元素，记作A1 B
37
4.2.2 群的乘法表
以NH3分子为例
c
b
y
x
a
1. 写出所有对称操作：表头，表列
C3v E C31 C32 a b c
一个Cn轴包含n个旋转操作 ：
Cˆn
,
Cˆn2
,
Cˆn3
,
结构化学基础-4分子的对称性
S3 = h + C 3
S 4：
ˆ1 ˆ 1 ˆ 1 S 4 hC4
ˆ2 ˆ 2 ˆ 2 ˆ1 S 4 h C4 C2 ˆ4 ˆ 4 ˆ 4 ˆ S 4 h C4 E
ˆ3 ˆ 3 ˆ 3 ˆ ˆ 3 S 4 h C4 h C4
S S 5：ˆ
S 4 的操作中既没有h，也没有C4，是真正的映轴
ˆ1 C4
4 3
iˆ
4 3 3 4 2 1
iˆ
2 1
ˆ1 C4
对称元素的独立性
• 分子中的某一对称元素，不依赖于分子内 的其它元素或元素的结合而独立存在。
不同轴次的I所包含的操作
I 1：
ˆ ˆ ˆ1 ˆ I11 i 1C1 i 1
ˆ ˆ1 ˆ I 2 i 1C 2 h
ˆ ˆ ˆ ˆ I12 i 2C12 E ˆ2 ˆ ˆ 2 ˆ I 2 i 2C 2 E
I 6 C3 h
由此可知：对于反轴In有 Cn + i In ＝ 2n个操作 n为奇数
Cn/2 + h n个操作 n为偶数但不是4的倍数
In n个操作 n为4的倍数(同时有Cn/2与
之重叠)
旋转反映操作和映轴
旋转反映操作：绕轴转360/n，接着按垂直于轴的镜面 进行反映
ˆ ˆ ˆ S C n h h C n 旋转轴Cn和垂直于Cn镜面h的组合
绕轴转360n接着按垂直于轴的镜面进行反映的组合不同轴次的s所包含的操作n个操作n为偶数但不是4的倍数2n个操作n为奇数n个操作n为4的倍数2nn为奇数n为4的倍数对称操作对称元素旋转第一类对称操作实操作旋转轴第一类对称元反演第二类对称操作虚操作对称中心第二类对称元反映镜面旋转反演在一定的坐标系下对物体进行对称操作使得其对应的坐标发生改变对这种坐标的变化关系可以使用矩阵来描述
4周公度第四版结构化学第四章分子的对称性
4.1.2 反演操作和对称中心
与对称中心 i 对应的对称操作叫反演或倒反 i 。 若将坐标原点放在对称中心处，则反演操作将空间 任意一点（x, y, z）变为其负值（-x, -y, -z），反演操
作的矩阵表示为：
y
i
x
x ' 1 0 0 x ' y y 0 1 0 z' z 0 0 1
3
C
1
1 3
C32
1 2
E
3
2 2
1 C3
1
2
3
C
2 3
3
1
1 ˆ2 2 ˆ1 ˆ ˆ ˆ C3C3 C3 C3 E
操作和逆操作
ˆ 的逆，反之 A ˆ为 A ˆ ˆ BA ˆˆ E ˆ ,则 B ˆ 也为 逆操作: 若 AB ˆ 的逆。 B
写为 显然，对于 C
1 ˆ ˆ A B 1 ˆ ˆ BA
两个 d 反式二氯乙烯 ClHC=CHCl
平面型分子中至少有一个镜面，即 分子平面。
镜面的例子
一个 v
一个包含OH键 的平面 另一个垂直于它
两个 d
H2O
镜面的例子
CO2 , H2, HCl 等直线分子有无数个 v 镜面
4.1.4 旋转反演操作( Î n )和反轴(In )
这一个复合对称操作：先绕轴旋转3600/n(并未进入等价 图形)，接着按对称中心(在轴上)进行反演(图形才进入等价 图形)。对应的操作为:
基转角: a =(360/n)°能使物体复原的最小旋转角
ˆ C 1 ˆ C 3
360 a 360 1 360 a 120 3
ˆ C 2 ˆ C 4
结构化学第四章分子对称性
X射线晶体学对于理解分子结构和性质具有重要意义 ，尤其在化学、生物学和材料科学等领域中广泛应 用。
分子光谱方法
分子光谱方法是研究分子对称 性的另一种实验方法。通过分 析光谱数据，可以确定分子的 振动、转动和电子等运动状态 ，从而推断出分子的对称性。
04
分子的点群
点群的分类
80%
按照对称元素类型分类
分子点群可按照对称元素类型进 行分类，如旋转轴、对称面、对 称中心等。
100%
按照对称元素组合分类
分子点群可按照对称元素的组合 进行分类，如Cn、Dn、Sn等。
80%
按照分子形状分类
分子点群可按照分子的形状进行 分类，如线性、平面、立体等。
点群的判断方法
分子没有对称元素，如 NH3。
分子有一个对称元素， 如H2O。
分子有两个对称元素， 如CO2。
分子有多个对称元素， 如立方烷。
02
分子的对称性
对称面和对称轴
对称面
将分子分成左右两部分的面。
对称轴
将分子旋转一定角度后与原分子重合的轴。
对称中心
• 对称中心：通过分子中心点，将分子分成互为镜像的两部分。
具有高对称性的分子往往表现出较弱的磁性，因为它们具有较低的轨道和自旋分 裂能。相反，对称性较低的分子可能表现出较强的磁性，因为它们的轨道和自旋 分裂能较高。
对称性与化学反应活性
总结词
分子对称性对化学反应活性也有重要影响，可以通过对称性 分析来预测和解释分子的化学反应行为。
详细描述
具有高对称性的分子往往具有较低的反应活性，因为它们的 电子云分布较为均匀，难以发生化学反应。相反，对称性较 低的分子可能具有较高的反应活性，因为它们的电子云分布 较为不均匀，容易发生化学反应。
结构化学-分子的对称性
c 1 0 , c 2 c 3
1 2
将x＝－2代入久期方程，得：
2c1 c 2 c 3 0 c1 2c2 c 3 0 c1 c 2 2c3 0
c1 c2 c3
1 根据归一化条件，得：c1 c2 c3 3
这样，就得到分子的分子轨道及相应能量为：
久期方程
0 c3 0 c4 0
c3 xc4 0
丁二烯的HMO处理
(3) 解久期方程确定π分子轨道的能量：
x 1 0 0 1 x 1 0 0 0 1 x 1 0 0 1 x
展开，整理，得：
4
按第一行展开，得：
x x1 0
2
1 x 1
0
1
1 x 1
0 1 0 x
10 x 0
σ
为使久期方程有非零解，则对应的久期行列式应等于零。
x 1 1
1 x 1
1 1 0 x
展开，得：
x 3x 2 0
3
解之，得：
x1 x2 1, x3 2 c1 c2 c3 0
将x＝1代入久期方程，得：
再结合归一化条件，还是无法求出c1，c2，c3的值。因此，必须 采取对称性来进行处理。
(1) 丁二烯的分子轨道为：
ψ c11 c2 2 c3 3 c4 4
(2) 建立久期方程：
β 0 0 c1 α E β αE β 0 c 2 0 0 β αE β c 3 0 β α E c 4 0
k
HMO 法
（3）自由价Fi（即第i个原子剩余成键能力的相对大 小） Fi = Fmax - ∑Pij
结构化学第四章练习题(含答案)
第四章分子对称性习题1、NF3分子属于_____________点群。
该分子是极性分子，其偶极矩向量位于__________上。
2、画出正八面体配位的Co(en)33+的结构示意图，指明其点群。
3、写出下列分子所属的点群：CHCl3，B2H6，SF6，NF3，SO32-4、下列说法正确的是：---------------------------- ( )(A) 凡是八面体络合物一定属于O h点群(B) 凡是四面体构型的分子一定属于T d点群(C) 异核双原子分子一定没有对称中心(D) 在分子点群中对称性最低的是C1群，对称性最高的是O h群5、判别分子有无旋光性的标准是__________。
6、偶极矩μ=0，而可能有旋光性的分子所属的点群为____________；偶极矩μ≠0，而一定没有旋光性的分子所属的点群为___________。
7、下列各组分子中，哪些有极性但无旋光性？----------------------------------- ( )(1)I3-(2)O3(3)N3-分子组：(A) 1，2 (B) 1，3 (C) 2，3 (D) 1，2，3 (E) 28、在下列空格中打上"+"或"-"以表示正确与错误。
分子所属点群C i C n vD n T d D n d分子必有偶极矩分子必无旋光性9、HCl的偶极矩是3.57×10-30C·m，键长是1.30Å。
如果把这个分子看作是由相距为1.30 Å 的电荷+q与-q组成的，求q并计算q/e。
(e=1.602×10-19C)10、分子有什么对称元素？属于何种点群？写出该群的乘法表。
11、CO2分子没有偶极矩，表明该分子是：-------------------------------------( )(A) 以共价键结合的(B) 以离子键结合的(C) V形的(D) 线形的，并且有对称中心(E) 非线形的11、一个具有一个三重轴、三个二重轴、三个对称面和一个对称中心的分子属于_______________________点群。
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安徽高中化学竞赛结构化学第四章分子的对称性习题-教学文档1. 下列哪种对称操作是真操作（B)A．反映 B．旋转 C．反演2. 下列哪种分子与立方烷具有完全相同的对称性：(C)A．C60 B．金刚烷 C．SF63. 设想从乙烷分子的重叠构象出发,经过非重叠非交叉构象,最后变为交叉构象. 点群的变化是：(B)A. D3→D3h→D3dB. D3h→D3→D3dC. C3h→C3→C3V4. S在室温下稳定存在的形式为正交硫, 其中的分子是S8环, 分子点群为(B)A.C4vB. D4dC. D8h5. 对s、p、d、f 原子轨道分别进行反演操作，可以看出它们的对称性分别是(B)A．u, g, u, g B. g, u, g, u C. g, g, g, g 6. CH4分子中具有映轴S4 (B )A．但旋转轴C4和与之垂直的镜面都不独立存在B．旋转轴C4和与之垂直的镜面也都独立存在C．旋转轴C4也存在，而与之垂直的镜面不存在7. 对映异构体的旋光大小相等、方向相反(B )A. 其中偏振面顺、逆时针旋转者分别称为右旋体和左旋体，记作（+）和（-）B. 其中偏振面顺、逆时针旋转者分别称为左旋体和右旋体，记作（-）和（+）C. 对映异构体的等量混合物称为内消旋体，用（±）标记.8. CH4分子中具有映轴S4 ( A)A．但旋转轴C4和与之垂直的镜面都不独立存在B．旋转轴C4和与之垂直的镜面也都独立存在C．旋转轴C4也存在，而与之垂直的镜面不存在9. 对映异构体的旋光大小相等、方向相反( A )A. 其中偏振面顺、逆时针旋转者分别称为右旋体和左旋体，记作（+）和（-）B. 其中偏振面顺、逆时针旋转者分别称为左旋体和右旋体，记作（-）和（+）C. 对映异构体的等量混合物称为内消旋体，用（±）标记.10. 丙二烯分子属于D 2d 点群. 由此推测 ( C ) A. 分子中只有σ键B. 分子中有一个大π键Π33C. 分子中有两个互相垂直的小π键11. 己三烯电环化反应, 在加热条件下保持什么对称性不变？( B )A ．C 2B.mC. m 和C 212. 旋光性分子的对映异构体可用R 与S 区分, 分别取自拉丁词右和左的首字母；旋光方向用（+）与（-）区分, 分别代表右旋和左旋( C) A ．R 型分子的旋光方向必定是（+），S 型分子必定是（-）B ．R 型分子的旋光方向必定是（-），S 型分子必定是（+）C ．一般地说，由R 、S 构型不能断定分子的旋光方向 13. 一个分子的分子点群是指：( A ) A ．全部对称操作的集合 B ．全部对称元素的集合 C ．全部实对称操作的集合14. 对于CO 2和H 2O ，下列哪种说法是正确的：( A )A. CO 2振动的红外与拉曼活性是互斥的，而H 2O 则否B. SO 2振动的红外与拉曼活性是互斥的，而H 2O 则否C. 它们都属于C 2v 点群15. 群中的某些元素若可以通过相似变换联系起来，它们就共同组成( A ) A.一个类 B. 一个子群 C.一个不可约表示 16. 对一个可约表示进行约化得到几个不可约表示。
则二者的关系是(A) A.直和B.直积C.无关 17. 丙二烯属于D 2d 点群，表明它有( B )(A) 两个小π键 (B) 一个34∏ (C) 两个33∏ 二简答题1. CO 和CO 2都是直线型分子，试写出这两个分子各自的对称元素。
答案1. CO: C ∞, ∞个σv ;CO 2: C ∞, ∞个C 2, ∞个σv , σh . 2. 分别写出顺式和反式丁二稀分子的对称元素。
2. 顺丁二烯: C2, σv, σv/;反丁二烯: C2, σh, I3.指出下列几何构型所含的对称元素，并确定其所属对称点群：（1）菱形(2) 蝶形(3)三棱柱(4) 四角锥(5) 圆柱体(6) 五棱台3. (1)菱形: C2, C2', C2”, σh " D2h;(2) 蝶形: C2, σv, σv' "C2v(3) 三棱柱: C3,3C2,3σv, σh" D3h;(4) 四方锥: C4, 4σv" C4v(5) 圆柱体: C∞, ∞个C2, ∞个σv, σh. "D∞h(6) 五棱台: C5,5σv" C5v4.H2O属C2v点群，有4个对称元素：E、C2、、，试写出C2v点群的乘法表。
45 . BF3为平面三角形分子，属D3h点群，请写出其12个对称元素，并将其分为6类。
5. E,{C31, C32},{C2,C2',C2”},σh, {S31,S32}, {σv, σv',σv”}6.二氯乙烯属C2h点群，有4个对称元素：E、C2、、i，试造出C2h点群的乘法表。
6.7.判断下列分子所属的点群：苯、对二氯苯、间二氯苯、氯苯、萘。
7. 苯D6h; 对二氯苯D2h ; 间二氯苯C2v; 氯苯C2v;萘D2h8.指出下列分子中的对称元素及其所属点群：SO2（V型）、P4（四面体）、PCl5（三角双锥）、S6（船型）、S8（冠状）、Cl2。
8. SO2 C2v, P4 T d, PCl5 D3h, S6(椅式) D3d，S8 D4d, Cl2 D∞h9.指出下列有机分子所属的对称点群：①②③④⑤9. ①D2h②C2v ③D3h④C2v⑤D2hC2vE E C2σvσv' C2C2 E σv' σv σvσvσv' E C2σv' σv' σv C2 EC2hE E C2σh i C2C2 E i σh σhσh i E C2 i i σh C2 E10 . CoCl63＋是八面体构型的分子，假设两个配位为F原子取代，形成CoCl4F2分子，可能属于什么对称点群？10. CoCl4F23+分子有2种异构体, 对二氟异构体为D4h, 邻二氟异构体为C2v11.环丁烷具有D4h对称，当被X或Y取代后的环丁烷属什么对称点群？①②③④⑤⑥⑦⑧11. ①C s②C2v③C s④C4v⑤D2h⑥C2v⑦C i⑧C2h12 找出下列分子对称性最高的点群及其可能的子群：①C60②二茂铁（交错型）③甲烷12. (1) C60 I h子群: D5d, D5, C5v, C5, D3h, D3, C3v, C3等.(2) 二茂铁D5d,子群D5, C5v等.(3)甲烷T d, 子群C3v, C3, D2d, D2等.13.根据偶极矩数据，推测分子立体构型及其点群：①C3O2(μ＝0) ②H-O-O-H (μ＝6.9×10-30C·m)③H2N-NH2(μ＝6.14×10-30C·m) ④F2O (μ＝0.9×10-30C·m)⑤N≡C－C≡N(μ＝0)13. ①C3O2直线形D∞h②双氧水C2③NH2NH2鞍马型C2V④F2O V形C2v⑤NCCN 线形D∞h14.已知连接苯环上C－Cl键矩为5.17×10-30C·m，C－CH3键矩为-1.34×10-30C·m，试推算邻位、间位、对位C6H4ClCH3的偶极矩（实验值分别为4.15×10-30、5.49×10-30、6.34×10-30C·m）14. 8.7(邻), 5.0×10-30C﹒m (间), 0 (对)15.指出下列分子所属的点群，并判断其有无偶极矩、旋光性①②IF5③环己烷（船式和椅式）④SO42－（四面体）⑤（平面）⑥⑦XeOF4（四方锥）⑧15. ①~⑧均无旋光性; ①、③船式、⑦、⑧有偶极矩, 其余无。
16.已知C6H5Cl 和C6H5NO2偶极矩分别为1.55D 和3.95D, 试计算下列化合物的偶极矩: (1) 邻二氯苯(2) 间二硝基苯(3) 对硝基氯苯(4) 间硝基氯苯(5) 三硝基苯16. (1) 2.68D, (2) 3.95D, (3) 2.40D, (4) 3.45D, (5) 0 .17 已知立方烷C8H8为立方体构型，若2个H、3个H分别为Cl取代：①列出可形成的C8H6Cl2、C8H5Cl3可能的构型与所属的点群；②判别这些构型有无偶极矩、旋光性。
17. C8H6Cl2二氯原子可有邻、间、对3种关系，分别对应C2v，C2v，D3d对称性C8H5Cl3三氯原子也有3种排列方式, 分别属于C3v,C s,C s点群.18 下列分子具有偶极矩，而不属于C nv群的是①H2O2 ②NH3③CH2Cl2④H2C=CH218. H2O219 由下列分子的偶极矩数据，推测分子的立体构型及所属的点群⑴CS2μ=0⑷N2O μ=0.166D⑵SO2μ=1.62D ⑸O2N－NO2μ=0⑶PCl5μ=0⑹H2N－NH2μ=1.84D19. (1)CS2:直线形,D∞h; (2)SO2:V形,C2v; (3)PCl5: 三角双锥,D3h ;(4)N2O C￥v(5)O2N-NO2 :平面形,D2h; (6)NH2-NH2, 锥形,C2v.20.将分子或离子按下类条件归类：CH3CH3，NO2+, (NH2)2CO,C60,丁三烯，B(OH)3,CH4,乳酸⑴既有极性又有旋光性⑵既无极性有无旋光性⑶无极性但由旋光性⑷有极性但无旋光性20. (1)有极性及旋光性: 乳酸(2)无极性无旋光性: C60, CH4,B(OH)3，丁二烯，NO2+ .(3)无极性有旋光性: 交叉CH3-CH3;(4)有极性无旋光性: (NH2)2CO21. 对D6点群求出各表示的直积，并确定组成它们的不可约表示A1×A2，A1×B1，B1×B2，E1×E221. A1UA2=A2 ; A1UB1=B1 ;B1UB2=A2 ; E1UE2=E1?B1?。