點群(point group)
每個分子都有一份完整而有限的動作清單,做了之後它看上去依然不變——這就是它的對稱操作。把這整份清單打成一個包、起一個簡短的名字,你就得到了這個分子的點群。它好比護照上的印章:你告訴另一位化學家某分子是「C2v」或「Td」,就等於用寥寥幾個字交出了它完整的對稱概況。
這個集合之所以叫群,是因為它服從數學家所要求的規則:任意兩個操作連續做,結果仍在集合之內(封閉性);恆等 E 什麼都不做;每個操作都有一個把它撤銷的逆操作;組合次序滿足結合律。它之所以叫點群(而不是用於晶體的空間群),是因為在每一個操作下至少有一個點——通常是分子的中心——保持不動。常見的分子點群配有標準的熊夫利斯(Schoenflies)標記:C2v(水)、C3v(氨)、D3h(BF3,平面三角形)、Td(甲烷,四面體)、Oh(SF6,八面體)、D-無窮-h(像 CO2 那樣的線性對稱分子)、C-無窮-v(像 CO 那樣的線性不對稱分子),等等。
命名點群並非為記帳而記帳——它是打開該群字符表的鑰匙,從此一切都按規則推導而不再靠猜。一旦你知道某配合物是 Oh,你立刻就能說出它的 d 軌道如何分裂(分成 t2g 和 eg 兩組)、它哪些振動會出現在紅外或拉曼光譜、它能否有偶極矩、以及哪些配體軌道組合被允許與哪些金屬軌道成鍵。點群是結構無機化學的組織原則。
水屬於 C2v:它的操作是 E、一條 C2 軸、兩個豎直鏡面(sigma-v)。氨是 C3v(E、一條 C3 軸及其旋轉、三個 sigma-v 面)。八面體 SF6 是 Oh,這個高對稱群含 48 個操作。
水 = C2v,氨 = C3v,八面體 SF6 = Oh。
這個領域的標記用化學家偏好的熊夫利斯體系(C2v、D3h、Td);晶體學家則常用另一套赫爾曼-毛甘(Hermann-Mauguin,國際)體系。同樣的分子,兩套命名約定——別混用。