分子极性、分子对称性及其之间的关系

马海华

（阳泉师范高等专科学校，山西 阳泉 045000）

在无机化学、结构化学、物理化学及普通化学教学中，总涉及到如何判定分子的对称性、极性以及分子对称性与分子极性的关系等问题，而在一些常用的大学、大专教材及参考书对这些问题说明不够清楚，甚至有的观点不够明确。文章就以上几个问题，对分子极性和分子对称性作一下系统的介绍与分析。

一、分子极性

（一）分子极性的概念

极性的原意是指动植物体或其离体的两端具有不同生理特性的现象。将这一名词沿用在化学的不同领域时，又有其特定的含义。在化学键理论中，常常谈起共价键的极性、基团的极性和分子的极性。

分子的极性是指分子中由于电荷分布的不均匀所呈现的特性。用偶极矩来衡量分子的极性[μ=q(电量)×d（偶极长）]，分子的极性是分子内在的、固有的特性，它可以由分子中各个键的极性的矢量之和求得。下面我们以羰基为例，就分子的极性进行一下说明：羰基中的碳原子以σ键与其他三个原子相连，由于这些键都是碳原子的sp2杂化轨道形成的，所以它们处于同一平面内，彼此间保持着最大的相距角度（约120°），羰基双键上的电子将两个电负性不同的原子结合在一起，因此电子并非均等地被共享，易于留动的π电子云被强烈地拉向电负性较大的氧原子，故羰基是个极性基团，具有一个偶极距，负极朝向氧一边，正极朝向碳一边。

（二）分子极性的判断

分子有无极性对由分子组成的物质的物理、化学性质均有影响，因此，我们应当学会判别分子是否具有极性。一种情况为组成分子的化学键都是非极性键的，此时分子当然不会有极性；另一种情况为组成分子的化学键均为极性键，此时分子可能有极性，也可能没有极性。对于双原子分子来说，分子的极性与键的极性完全一致。而对于多原子分子来说，如果由极性键组成且空间构型不完全对称的，键的极性不能抵消，由极性键组成的多原子分子也仍然有极性。例如：SO2、H2O、NH3等都是极性分子。这种说法还可以理解为：相对于分子的中心原子而言，如果其周围同类型的原子排布匀称，分子构型就是对称的，分子为非极性分子；反之，分子构型就是不对称的或不完全对称的，分子有极性，为极性分子。这样就可以判断大多数分子的极性情况：三原子分子ABA（直线型如CO2）、四原子分子AB3（平面三角形如BF3）、五原子分子AB4（正四面体如CH4）均是非极性分子；三原子分子ABA（V字形如SO2）、ABC（直线型如HCN）、四原子分子AB3（棱锥体如NH3）、五原子分子AB3C（四面体如CH3Cl），在这些分子中，同类型原子在中心原子周围排布不匀称，中心原子周围的键也不同，分子都是极性分子。判断分子极性的具体方法有化合价判断法、孤对电子判断法等。

1.化合价判断法

设X为中心原子,Y为其他成键原子。对于由极性键构成的XY2、XY3、XY4型的多原子分子，如果中心X元素化合价的绝对值和X元素所在周期表中的主族数相等(或与X原子最外层电子数相等),则分子为非极性分子；如果不相等，则为极性分子。例如：在CO2分子中,中心原子是碳,它的化合价的绝对值是4,而碳原子的外层电子数也是4（碳元素在周期表中的主族数也是4），所以CO2分子一定是非极性分子。此类分子常见的有CS2、BF3、CH4等。而像在 H2O 、NH3、SO2等一类分子中，中心原子的化合价绝对值不等于原子的最外层电子数，分子一定是极性分子。

2.孤对电子判断法

设X为中心原子，Y为其他成键原子。对于由极性键构成的XY2、XY3、XY4型的分子，如果中心原子X与Y原子成键后在它的最外层电子中存在孤对电子，则为极性分子；不存在孤对电子，则为非极性分子。例如：在NH3和H2O分子中，中心原子氮和氧上都有孤对电子存在，孤对电子造成分子中电荷分布不均匀、正负电荷重心不重合，此类分子是极性分子。而在BF3、CO2、CH4等类分子中,中心原子与其他原子成键后不存在孤对电子，在这类分子中，电荷的分布是均匀的、对称的，正负电荷重心是重合的，这类分子属于非极性分子。

二、分子对称性

（一）分子对称性的概念

对称性就是指一个物体包含若干等同部分，这些部分相对（对等、对应）而又相称（适合、相当）。分子也像日常生活中见到的物体一样具有各种各样的对称性。分子对称性有严格的定义：如果分子的图形相应与某一几何元素（点、线、面）完成某种操作后，所有原子在空间的排布与操作前的排布不可区分，则称此分子具有某种对称性。如图1、图2是一些具有对称性的分子的例子：

图1

图2

（二）分子对称性的判断

同分子的极性一样，分子的对称性对由分子组成的物质的物理、化学性质有着重要影响，并且广泛应用于化学的许多方面，因此我们应学会判断分子是否具有对称性。

由分子对称性的定义可知，如果一个分子可进行某种对称操作或具有某种对称元素，我们就说这个分子具有某种对称性。一般情况下，对称操作主要包括：Ⅰ恒等操作、Ⅱ旋转操作、Ⅲ反映操作、Ⅳ反演操作、ⅴ旋转反映操作；对称元素主要包括：对称轴、对称面（镜面）、对称中心、旋映轴。下面，我们就结合实例对一些常见的对称操作和对称元素进行介绍。

1.对称轴和旋转操作

分子沿顺时针方向绕某轴旋转角度α，α=360°/n n=360°/α（n=1,2,3……）能使其构型成为等价构型或复原，即分子的新取向与原取向能重合，就称此操作为旋转操作，并称此分子具有n次对称轴。

图3

如NH3（见图3）旋转2π/3等价于旋转2π (复原)，基转角α=360°/nC3-三重轴；再如平面BF3分子，具有一个C3轴和三个C2轴，倘若分子中有一个以上的旋转轴，则轴次最高的为主轴。

2.对称面和反映操作

如果分子被一平面等分为两半，任一半中的每个原子通过此平面的反映后，能在另一半（映像）中与其相同的原子重合，则称此分子具有一对称面（镜面），以σ表示。据此面进行的操作叫做对称面反映操作，或简称反映。对称面相当一个镜面，把分子构型等分为两部分，互为物与像。

例如，水分子有两个对称面，一个面是分子平面，它包含有3个原子；另一个面垂直上述分子平面，并且平分H-O-H键角（见图4）。

图4

3.对称中心和反演操作

分子构型中具有一个几何点i（总是分子的重心），从分子中任一原子至i点连接的线段延长到相等距离处必有一相同原子，并且对于分子所有原子都成立。则称i点为此分子的对称中心。通过对称中心使分子复原的操作叫反演。C-C键的中点便是对称中心，如果从一个Cl原子至中心连一直线，则在其延长线的相等距离处会遇到第二个Cl原子。对于两个H原子也存在同样的关系。例如C2H4Cl2(见图5)

图5

4.旋映轴和旋转反映操作

若分子绕某轴旋转2π/n，再用垂直此轴的平面进行反映操作，得到分子的等价构型，将该轴与平面组合所得的对称元素称为旋映轴，以Sn表示。在CH4分子中，存在着S4轴，绕垂直轴z轴旋转2π/4。在经xy平面反映，则使分子的取向与原来的相重合。例如CH4(见图6)

图6

（三）三分子极性与分子对称性的关系

通过对分子对称性与分子极性的介绍我们可以看出，分子对称性反映了组成分子的原子在空间的对应情况，分子的极性反映的是分子中正、负电荷重心的对应情况；而分子的对称性在反映组成分子的原子在空间的对称性的同时，也反映了分子中原子核和电子云分布的对称性，因而二着之间存在着密切联系。

（1）具有对称中心或对称元素公共交点的分子没有偶极矩,即分子为非极性分子。

例如：ABA直线分子有多重旋转轴和二重旋转轴并相交于一点（见图7）。AB3平面正三角形分子，分子所在平面是镜面，又有三重旋转轴并两对称元素仅仅相交于一点（见图8）。AB4正四面体分子，为方便把其放入立方体内，有三重旋转轴和四重旋转反轴并两对称元素相交于一点（见图9）。这些分子都是非极性的。

图7

图8

图9

（2）如果分子只有一个Cn（n＞1）轴，或只有一个对称面，或者一个Cn轴包含在一个对称面内，分子都可能有偶极矩，即分子为极性分子。例如：H2O分子（见图10）有一个C2轴，但它与两个对称面不相交，分子为极性分子，再如NH3（图11）分子有一个C3轴，但它是三个对称面的交线，分子为极性分子。

图10

图11

三、结论

分子的极性和分子的对称性均为分子内在的、固有的特性，它们不仅对由分子组成的物质的物理、化学性质有很大影响，而且在高分子材料、有机化学、物理化学、结构化学、无机化学等诸多领域有着非常广泛的应用，因此我们应该对其有一个全面、准确的认识。这里我们对分子极性和分子对称性的概念及判定条件作了一个简要概括，对分子极性与对称性之间的关系作了一下简单的论述，这有助于我们从本质上更深刻地认识、理解分子的结构与性质，使我们更好地从事相关方面的工作，对我们进行有关物质分子方面的科研和知识的学习也将有很大帮助。

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