李文佐,劉紹麗

(煙臺大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺 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、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，進行針對性的教學(xué)。

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

國內(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)拉長或壓扁的四方形配位，這是因為發(fā)生了姜-泰勒效應(yīng)。

然而，由于配合物結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不如簡單小分子的點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“姜-泰勒效應(yīng)”的理解存在難度。課堂上如何講好這一知識點，使得學(xué)生更加直觀更加容易的理解真正含義，我們在教學(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，簡稱“3wc”：

誰(who)會發(fā)生姜-泰勒效應(yīng)，也就是理論的適用對象是誰：對稱的非線性分子；

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

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

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

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

2 利用文獻中更加簡單直觀的例子，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點群，碳原子組成一個正六邊形，其最高占據(jù)軌道為e1g表示，當失去一個電子變成C6F6+時，在D6h構(gòu)型上的離子將具有簡并的電子態(tài)2E1g，根據(jù)姜-泰勒效應(yīng)這一簡并電子態(tài)將不穩(wěn)定，會發(fā)生畸變，構(gòu)型由D6h對稱性降低為D2h對稱性(D2h群是D6h群的一個子群)。此時碳原子組成的不再是正六邊形，而是一個壓縮的六邊形。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點群，碳原子組成一個正三角形，其最高占據(jù)軌道為e'表示，當失去一個電子變成c-C3F6+時，在D3h構(gòu)型上的離子將具有簡并的電子態(tài)2E'，根據(jù)姜-泰勒效應(yīng)這一簡并電子態(tài)將不穩(wěn)定，會發(fā)生畸變，構(gòu)型由D3h對稱性降低為C2v對稱性(C2v群是D3h群的一個子群)。此時三個碳原子組成的不再是正三角形，而是一個等腰三角形。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“分子對稱性”時均講過，尤其是這些分子和陽離子的點群比較容易接受，學(xué)生理解起來相對容易，能夠直觀的感受到構(gòu)型的確發(fā)生了明顯畸變。

3 擴充理論內(nèi)容

“姜-泰勒效應(yīng)”的適用對象僅限于非線性分子，那么對線性分子情況又如何呢？事實上，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)容簡述如下：Renner-Teller理論是描述關(guān)于線型分子的振動偶合的。當一個線型分子的簡并電子態(tài)沿著某一彎曲坐標分裂成兩個非簡并電子態(tài)時，可能在分裂產(chǎn)生的兩個勢能面上出現(xiàn)能量局域最小值。對于對稱的線型三原子分子或離子的Π態(tài)，Pople和Loguest-Higgins[8]報道了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；模式(b)中，能量較低的電子態(tài)有一個相應(yīng)于彎曲平衡構(gòu)型的局域能量最低點；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。

圖2 Pople和Loguest-Higgins報道的Renner-Teller分裂的三種模式

通過列舉簡單直觀的實例，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)，擴充了知識內(nèi)容，使得學(xué)生更加喜歡結(jié)構(gòu)化學(xué)課程，對講好其他內(nèi)容同樣有益。同時對學(xué)生以后參與相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)。