講授《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程中“姜-泰勒效應(yīng)”知識(shí)點(diǎn)的嘗試

李文佐,劉紹麗

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課程，它是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)(包括空間結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu))的關(guān)系的科學(xué)。結(jié)構(gòu)化學(xué)以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，從微觀結(jié)構(gòu)研究物質(zhì)的性質(zhì)，因此結(jié)構(gòu)化學(xué)課程理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象，要求學(xué)生具有較高的邏輯思維能力和較好的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)。然而，在教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)存在畏難情緒，加上數(shù)理基礎(chǔ)薄弱，缺乏微觀分析能力，因此學(xué)起來普遍感到困難。這就需要在教學(xué)過程中靈活把握學(xué)生的理解和接受能力，進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)。

1937 年，A .Jahn 和E .Teller[1]指出:在對(duì)稱的非線性分子中，如果有一個(gè)體系的基態(tài)有幾個(gè)簡(jiǎn)并能級(jí)，則是不穩(wěn)定的，體系一定要發(fā)生畸變,使一個(gè)能級(jí)降低，以消除這種簡(jiǎn)并性,這種現(xiàn)象被稱為Jahn-Teller effect，國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)化學(xué)教材中一般翻譯為“姜-泰勒效應(yīng)”。

國(guó)內(nèi)諸多結(jié)構(gòu)化學(xué)教材[2-4]中均在“配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)”部分講述“姜-泰勒效應(yīng)”。如八面體的CuL4L'2(L和L'為配體)配位離子中，一般均偏離正八面體構(gòu)型，出現(xiàn)拉長(zhǎng)或壓扁的四方形配位，這是因?yàn)榘l(fā)生了姜-泰勒效應(yīng)。

然而，由于配合物結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不如簡(jiǎn)單小分子的點(diǎn)群及其子群直觀易懂，學(xué)生普遍缺乏空間想象力，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)“姜-泰勒效應(yīng)”的理解存在難度。課堂上如何講好這一知識(shí)點(diǎn)，使得學(xué)生更加直觀更加容易的理解真正含義，我們?cè)诮虒W(xué)過程中做了如下嘗試。

1 理清“姜-泰勒效應(yīng)”的理論內(nèi)容

為了便于學(xué)生記憶，我們首先嘗試把理論內(nèi)容分解成以下部分，簡(jiǎn)稱“3wc”：

誰(who)會(huì)發(fā)生姜-泰勒效應(yīng)，也就是理論的適用對(duì)象是誰：對(duì)稱的非線性分子；

為什么(why)會(huì)發(fā)生，也就是發(fā)生姜-泰勒效應(yīng)的前提條件是什么：存在簡(jiǎn)并能級(jí)，不穩(wěn)定；

如何(how)發(fā)生：分子構(gòu)型畸變?yōu)樵瓉硭鶎冱c(diǎn)群的子群；

發(fā)生的結(jié)果或后果(consequence)是什么：構(gòu)型畸變，簡(jiǎn)并消除。

當(dāng)然，此處首先要復(fù)習(xí)“簡(jiǎn)并”的概念，學(xué)生在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中第一次接觸“簡(jiǎn)并”是在研究三維勢(shì)箱粒子時(shí)，可以借此復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，加深對(duì)簡(jiǎn)并的理解。

2 利用文獻(xiàn)中更加簡(jiǎn)單直觀的例子，結(jié)合圖形來說明

如我們分別列舉了以下例子：

2.1 C6F6+[5]

全氟代苯分子(C6F6)與苯分子(C6H6)一樣是D6h點(diǎn)群，碳原子組成一個(gè)正六邊形，其最高占據(jù)軌道為e1g表示，當(dāng)失去一個(gè)電子變成C6F6+時(shí)，在D6h構(gòu)型上的離子將具有簡(jiǎn)并的電子態(tài)2E1g，根據(jù)姜-泰勒效應(yīng)這一簡(jiǎn)并電子態(tài)將不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生畸變，構(gòu)型由D6h對(duì)稱性降低為D2h對(duì)稱性(D2h群是D6h群的一個(gè)子群)。此時(shí)碳原子組成的不再是正六邊形，而是一個(gè)壓縮的六邊形。圖1給出了C6F6與C6F6+的結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 c-C3F6+[6]

全氟代環(huán)丙烷(c-C3F6)分子是D3h點(diǎn)群，碳原子組成一個(gè)正三角形，其最高占據(jù)軌道為e'表示，當(dāng)失去一個(gè)電子變成c-C3F6+時(shí)，在D3h構(gòu)型上的離子將具有簡(jiǎn)并的電子態(tài)2E'，根據(jù)姜-泰勒效應(yīng)這一簡(jiǎn)并電子態(tài)將不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生畸變，構(gòu)型由D3h對(duì)稱性降低為C2v對(duì)稱性(C2v群是D3h群的一個(gè)子群)。此時(shí)三個(gè)碳原子組成的不再是正三角形，而是一個(gè)等腰三角形。圖1也給出了c-C3F6與c-C3F6+的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 C6F6+與c-C3F6+的結(jié)構(gòu)示意圖

這些例子在講授“分子對(duì)稱性”時(shí)均講過，尤其是這些分子和陽離子的點(diǎn)群比較容易接受，學(xué)生理解起來相對(duì)容易，能夠直觀的感受到構(gòu)型的確發(fā)生了明顯畸變。

3 擴(kuò)充理論內(nèi)容

“姜-泰勒效應(yīng)”的適用對(duì)象僅限于非線性分子，那么對(duì)線性分子情況又如何呢？事實(shí)上，線性分子也有類似的效應(yīng)，稱為Renner-Teller效應(yīng)[1,7]，其主要內(nèi)容簡(jiǎn)述如下：Renner-Teller理論是描述關(guān)于線型分子的振動(dòng)偶合的。當(dāng)一個(gè)線型分子的簡(jiǎn)并電子態(tài)沿著某一彎曲坐標(biāo)分裂成兩個(gè)非簡(jiǎn)并電子態(tài)時(shí)，可能在分裂產(chǎn)生的兩個(gè)勢(shì)能面上出現(xiàn)能量局域最小值。對(duì)于對(duì)稱的線型三原子分子或離子的Π態(tài)，Pople和Loguest-Higgins[8]報(bào)道了Renner-Teller分裂的三種模式(a)、(b)和(c)(見圖2)。在Pople-Loguest-Higgins圖的模式(a)中，沒有相應(yīng)于彎曲平衡構(gòu)型的局域能量最低點(diǎn)；模式(b)中，能量較低的電子態(tài)有一個(gè)相應(yīng)于彎曲平衡構(gòu)型的局域能量最低點(diǎn)；而在模式(c)中，能量較高的電子態(tài)和能量較低的電子態(tài)都有相應(yīng)于彎曲平衡構(gòu)型的局域能量最低點(diǎn)。

圖2 Pople和Loguest-Higgins報(bào)道的Renner-Teller分裂的三種模式

通過列舉簡(jiǎn)單直觀的實(shí)例，激發(fā)學(xué)生們的興趣，使得學(xué)生們更為容易的接受“姜-泰勒效應(yīng)”的內(nèi)容，對(duì)正確理解多面體配合物的構(gòu)型畸變有所裨益。此外，通過介紹Renner-Teller效應(yīng)，擴(kuò)充了知識(shí)內(nèi)容，使得學(xué)生更加喜歡結(jié)構(gòu)化學(xué)課程，對(duì)講好其他內(nèi)容同樣有益。同時(shí)對(duì)學(xué)生以后參與相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)。