Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.24: Молекулярні вібрації

Коливальний рух у двоатомних молекулах часто обговорюється в контексті простого гармонічного осцилятора в квантовій механіці. Двоатомна молекула має лише єдиний зв'язок, який може вібрувати; ми говоримо, що вона має єдиний вібраційний режим. Як ви могли очікувати, коливальні рухи багатоатомних молекул набагато складніші, ніж ті, що знаходяться в двоатомних. По-перше, є більше зв'язків, які можуть вібрувати; а по-друге, крім коливань розтягування, єдиного типу вібрації, можливого в двоатомному, ми також можемо мати згинальні і крутильні коливальні режими. Оскільки зміна однієї довжини зв'язку в багатоатомній часто впливає на довжину сусідніх зв'язків, ми не можемо розглядати коливальний рух кожного зв'язку в ізоляції; натомість ми говоримо про нормальні режими, що включають узгоджений рух груп зв'язків. Як простий приклад, нормальні режими лінійної триатомної молекули наведені нижче.

альт

Як тільки ми дізнаємося симетрію молекули за її рівноважною структурою, теорія груп дозволяє нам передбачити коливальні рухи, які вона зазнає, використовуючи точно ті самі інструменти, які ми використовували вище для дослідження молекулярних орбіталів. Кожен коливальний режим перетворюється як одне з нескорочуваних уявлень точкової групи молекули. Перш ніж перейти до прикладу, ми швидко розглянемо, як визначити кількість коливальних режимів в молекулі.

Молекулярні ступені свободи — визначення кількості нормальних коливальних режимів

Атом може зазнавати тільки поступальний рух, і тому має три ступені свободи, відповідні руху вздовжx, y, and z Cartesian axes. Translational motion in any arbitrary direction can always be expressed in terms of components along these three axes. When atoms combine to form molecules, each atom still has three degrees of freedom, so the molecule as a whole has 3N degrees of freedom, where N is the number of atoms in the molecule. However, the fact that each atom in a molecule is bonded to one or more neighboring atoms severely hinders its translational motion, and also ties its motion to that of the atoms to which it is attached. For these reasons, while it is entirely possible to describe molecular motions in terms of the translational motions of individual atoms (we will come back to this in the next section), we are often more interested in the motions of the molecule as a whole. These may be divided into three types: translational; rotational and vibrational.

Так само, як і для окремого атома, молекула в цілому має три ступені поступальної свободи, залишаючи3N3 degrees of freedom in rotation and vibration.

Кількість обертальних ступенів свободи залежить від будови молекули. Загалом, існує три можливі обертальні ступені свободи, що відповідають обертанню проx, y, and z Cartesian axes. A non-linear polyatomic molecule does indeed have three rotational degrees of freedom, leaving 3N6 degrees of freedom in vibration (i.e 3N6 vibrational modes). In a linear molecule, the situation is a little different. It is generally accepted that to be classified as a true rotation, a motion must change the position of one or more of the atoms. If we define the z axis as the molecular axis, we see that spinning the molecule about the axis does not move any of the atoms from their original position, so this motion is not truly a rotation. Consequently, a linear molecule has only two degrees of rotational freedom, corresponding to rotations about the x and y axis. This type of molecule has 3N5 degrees of freedom left for vibration, or 3N5 vibrational modes.

Підсумовуючи:

  • Лінійна молекула має3N5 vibrational modes
  • Нелінійна молекула має3N6 vibrational modes.

Визначення симетрії молекулярних рухів

Вище ми згадували, що процедура визначення нормальних коливальних мод багатоатомної молекули дуже схожа на ту, яка використовувалася в попередніх розділах для побудови молекулярних орбіталей. Насправді, практично єдиною відмінністю між цими двома додатками теорії груп є вибір базової множини.

Як ми вже встановили, рухи молекули можуть бути описані з точки зору рухів кожного атома вздовжx, y and z axis. Consequently, it probably won’t come as too much of a surprise to discover that a very useful basis for describing molecular motions comprises a set of (x,y,z) axes centered on each atom. This basis is usually known as the 3N Cartesian basis (since there are 3N Cartesian axes, 3 axes for each of the N atoms in the molecule). Note that each molecule will have a different 3N Cartesian basis, just as every molecule has a different atomic orbital basis.

Нашим першим завданням при дослідженні рухів конкретної молекули є визначення символів матричних представників для3N Cartesian basis under each of the symmetry operations in the molecular point group. We will use the H2O molecule, which has C2v symmetry, as an example.

H2O has three atoms, so the 3N Cartesian basis will have 9 elements. The basis vectors are shown in the diagram below.

альт

Одним із способів визначення символів було б побудувати всі представники матриці та взяти їх сліди. Хоча ви можете спробувати цей підхід, якщо ви хочете отримати певну практику в побудові представників матриці, є простіший спосіб. Нагадаємо, що ми також можемо визначити характер представника матриці під певною операцією симетрії, пройшовши базисні функції і застосувавши такі правила:

  1. Додайте1 до символу, якщо базова функція незмінна операцією симетрії;
  2. Додати1 до символу, якщо базисна функція змінює знак під операцією симетрії;
  3. Додайте0 до символу, якщо базова функція рухається при застосуванні операції симетрії.

ДляH2O, this gives us the following characters for the 3N Cartesian basis (check that you can obtain this result using the rules above and the basis vectors as drawn in the figure):

Operation:EC2σv(xz)σv(yz)χ3N:9131

Є ще більш швидкий спосіб опрацювати персонажів3N Cartesian basis if you have a character table in front of you. The character for the Cartesian basis is simply the sum of the characters for the x, y, and z (or Tx, Ty, and Tz) functions listed in the character table. To get the character for the 3N Cartesian basis, simply multiply this by the number of atoms in the molecule that are unshifted by the symmetry operation.

TheC2v character table is shown below.

C2vEC2σvσvh=4A11111z,x2,y2,z2A21111xy,RzB11111x,xz,RyB21111y,yz,Rx

x transforms as B1, y as B2, and z as A1, so the characters for the Cartesian basis are

Operation:EC2σv(xz)σv(yz)χ3N:3111

Ми множимо кожен з них на кількість незміщених атомів (3 for the identity operation, 1 for C2, 3 for σv і1 for σv), щоб отримати символи для3N Cartesian basis.

χ3N:9131

Заспокійливо, ми отримуємо ті ж символи, що і раніше. Який з трьох методів ви використовуєте, щоб дістатися до цього моменту - вирішувати вам.

Тепер у нас є символи для молекулярних рухів (описаних в3N Cartesian basis) under each symmetry operation. At this point, we want to separate these characters into contributions from translation, rotation, and vibration. This turns out to be a very straightforward task. We can read the characters for the translational and rotational modes directly from the character table, and we obtain the characters for the vibrations simply by subtracting these from the 3N Cartesian characters we’ve just determined. The characters for the translations are the same as those for χCart. Знаходимо символи для обертань, складаючи разом символи дляRx, Ry, and Rz from the character table (or just Rx and Ry if the molecule is linear). For H2O, we have:

Operation:EC2σv(xz)σv(yz)χ3N:9131χTrans:3111χRot:3111χVib=χ3NχTransχRot:3131

Символи в останньому рядку - це суми символів для всіх молекулярних коливань. Ми можемо дізнатися симетрії окремих коливань, використовуючи рівняння зменшення (Рівняння (15.20)) для визначення внеску з кожного незвідного подання.

У багатьох випадках вам навіть не потрібно буде використовувати рівняння, і ви можете з'ясувати, які нескорочувані уявлення сприяють лише оглядом таблиці символів. У даному випадку єдиною комбінацією нескорочуваних уявлень, здатних дати необхідні значення дляχVib є2A1+B1. As an exercise, you should make sure you are also able to obtain this result using the reduction equation.

Поки що все це може здатися трохи абстрактним, і ви, мабуть, хочете знати, що таке вібраціїH2O actually look like. For a molecule with only three atoms, it is fairly easy to identify the possible vibrational modes and to assign them to the appropriate irreducible representation.

альт

Для більшої молекули проблема може стати набагато складнішою, і в цьому випадку ми можемо генерувати SALC3N Cartesian basis, which will tell us the atomic displacements associated with each vibrational mode. We will do this now for H2O.

Атомні переміщення з використанням декартової основи 3N

Як і раніше, ми генеруємо SALC кожної симетрії шляхом застосування відповідного оператора проекції до кожної з базисних функцій (або в даному випадку базисних векторів)fi in turn.

ϕi=gχk(g)gfi

У цьому випадку ми маємо9 basis vectors, which we will label xH, yH, zH, xO, yO, zO, xH, yH, zH, describing the displacements of the two H atoms and the O atom along Cartesian axes. For the SALCs of A1 symmetry, applying the projection operator to each basis vector in turn gives (check that you can obtain this result):

ϕ1(xH)=xHxH+xHxH=2xH2xHϕ2(yH)=yHyHyH+yH=0ϕ3(zH)=zH+zH+zH+zH=2zH+2zHϕ4(xO)=xOxO+xOxO=0ϕ5(yO)=yOyOyO+yO=0ϕ6(zO)=zO+zO+zO+zO=4zOϕ7(xH)=xHxH+xHxH=2xH2xHϕ8(yH)=yHyHyH+yH=0ϕ9(zH)=zH+zH+zH+zH=2zH+2zH

Ми бачимо, що рух, характерний дляA1 vibration (which we have identified as the symmetric stretch and the bending vibration) may be summarized as follows:

  1. 2(xHxH)- два атома водню рухаються в протилежних напрямках уздовжx осі.
  2. 2(zH+zH)- два атома водню рухаються в одному напрямку вздовжz осі.
  3. 4zO- атом кисню рухається уздовжz осі.
  4. Немає руху жодного з атомів уy напрямку.

Асиметрична стрейч маєB1 symmetry, and applying the projection operator in this case gives:

ϕ1(xH)=xH+xH+xH+xH=2xH+2xHϕ2(yH)=yH+yHyHyH=0ϕ3(zH)=zHzH+zHzH=2zH2zHϕ4(xO)=xO+xO+xO+xO=4xOϕ5(yO)=yO+yOyOyO=0ϕ6(zO)=zOzO+zOzO=0ϕ7(xH)=xH+xH+xH+xH=2xH+2xHϕ8(yH)=yH+yHyHyH=0ϕ(zH)=zHzH+zHzH=2zH2zH

У цьому коливальному режимі дваH atoms move in the same direction along the x axis and in opposite directions along the z axis.

Зараз ми показали, як теорія груп може бути використана разом з3N Cartesian basis to identify the symmetries of the translational, rotational and vibrational modes of motion of a molecule, and also to determine the atomic displacements associated with each vibrational mode.

Молекулярні коливання з використанням внутрішніх координат

Хоча було досить просто досліджувати атомні переміщення, пов'язані з кожним коливальним режимомH2O using the 3N Cartesian basis, this procedure becomes more complicated for larger molecules. Also, we are often more interested in how bond lengths and angles change in a vibration, rather than in the Cartesian displacements of the individual atoms. If we are only interested in looking at molecular vibrations, we can use a different procedure from that described above, and start from a basis of internal coordinates. Internal coordinates are simply a set of bond lengths and bond angles, which we can use as a basis for generating representations and, eventually, SALCs. Since bond lengths and angles do not change during translational or rotational motion, no information will be obtained on these types of motion.

ДляH2O, the three internal coordinates of interest are the two OH bond lengths, which we will label r and r, and the HOH bond angle, which we will label θ . Якби ми хотіли, ми могли б розділити нашу основу на дві різні основи, одну, що складається лише з довжин зв'язків, щоб описати вібрації розтягування, і одну, що складається лише з кутів зв'язку, щоб описати вібрації згинання. Однак нинішній приклад досить простий, щоб розглядати всі основні функції разом.

Як завжди, нашим першим кроком є опрацювання символів представників матриці для цієї основи під кожну операцію симетрії. Наслідки різних перетворень на обраній нами основі та характери відповідних представників:

E(r,r,θ)=(r,r,θ)χ(E)=3C2(r,r,θ)=(r,r,θ)χ(C2)=1σv(xz)(r,r,θ)=(r,r,θ)χ(σv)=3σv(yz)(r,r,θ)=(r,r,θ)χ(σv)=1

Це ті ж символи, що ми знайшли перед використанням3N Cartesian basis, and as before, we can see by inspection of the character table that the representation may be reduced down to the sum of irreducible representations 2A1+B1. We can now work out the symmetry adapted linear combinations of our new basis set to see how the bond lengths and angle change as H2O vibrates in each of the three vibrational modes.

Знову ж таки, ми будемо використовувати оператор проекції,ϕi=Σgχk(g)gfi застосований до кожної базової функції по черзі.

По-перше,A1 vibrations:

ϕ1(r)=r+r+r+r=2(r+r)ϕ2(r)=r+r+r+r=2(r+r)ϕ3(θ)=θ+θ+θ+θ=4θ

З цих SALC ми можемо ідентифікуватиϕ1ϕ2, що ідентично) з симетричним розтягуванням, при якому обидві довжини зв'язку змінюються по фазі один з одним, іϕ3 з вигином.

Тепер дляB1 vibration:

ϕ4(r)=rr+rr=2(rr)ϕ5(r)=rr+rr=2(rr)ϕ6(θ)=θθ+θθ=0

ϕ4 and ϕ5не є лінійно незалежними, і будь-який з них може бути обраний для опису асиметричної розтяжки, при якій одна зв'язок подовжується, а інша вкорочується.

Примітка: При використанні внутрішніх координат важливо, щоб всі координати в основі були лінійно незалежними. Якщо це так, то кількість внутрішніх координат в основі буде такою ж, як і кількість коливальних режимів (3N5 or 3N6, depending on whether the molecule is linear or non-linear). This requirement is satisfied in the H2O example above. For a less straightforward example, consider the methane molecule, CH4. It might appear that we could choose a basis made up of the four C-H bond lengths and the six H-C-H bond angles. However, this would give us 10 basis functions, and CH4 has only 9 vibrational modes. This is due to the fact that the bond angles are not all independent of each other. It can be tricky to come up with the appropriate internal coordinate basis to describe all of the molecular motions, but all is not lost. Even if you can’t work out the appropriate bond angles to choose, you can always take a basis of bond lengths to investigate the stretching vibrations of a molecule. If you want to know the symmetries of the bending vibrations, you can use the 3N Cartesian basis method to determine the symmetries of all of the vibrational modes and compare these with the stretching mode symmetries to identify the bending modes.

Дописувачі та авторства

Template:ContribVallance