книги / Симметрия в химии
..pdfГ. Джаффе, М. Орчин
СИММЕТРИЯ В ХИМИИ
Перевод с английского
H . М . КЛИМ ЕНКО
Под редакцией доктора хим,- наук
М. е. дяткиной
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «МИР»
Москва 1967
ИЗДАТЕЛЬСТВО
« М И Р »
SYMMETRY IN CHEMISTRY
H. H. JAFFÉ & MILTON ORCHIN
Professors of Chemistry, University of
Cincinnati
JOH N WILEY & SONS, IN C .
NEW YORK • LONDON • SYDNEY
Книга, написанная химиками-теоретиками, извест ными по их работам в области квантовой химии и тео рии электронных спектров поглощения, посвящена од ному из важнейших методов теоретической химии — теории групп. Она отличается от ранее изданных книг по теории групп тем, что ориентирована на читателейхимиков, гораздо проще по характеру изложения, по
строена не |
на формально |
математическом основании, |
а на наглядных примерах. |
|
|
Книга |
предназначена |
для научных работников — |
химиков-органиков, физикохимиков, кристаллографов и всех, интересующихся современной теорией химической связи и строения молекул.
Редакция литературы по химии
Инд. 2-5-4
Хорошо известно, что овладению современной тео рией химической связи и строения молекул широкими кругами химиков в значительной мере препятствует недостаточная математическая подготовка. Однако редко серьезно обсуждается вопрос о том, какие именно разделы математики необходимы в первую очередь для устранения разрыва между теми мате матическими познаниями, которые химик получает в высшей школе, и теми сведениями, без которых нельзя обойтись при изучении теории. Если бы эта проблема была поставлена раньше, то уже давно в курс мате матики для химиков, а также в число книг, обяза тельных для современного культурного химика, были бы включены разделы и книги, посвященные линей ной алгебре и в первую очередь таким ее частям, как теория матриц и теория групп. Это связано не только с особенностями расчетных методов, применяемых в настоящее время в квантовой химии, но и отражает тот факт, что теория групп применяется для изуче ния и использования такого важнейшего свойства молекул, как их симметрия. Поэтому при любом усо вершенствовании идей и методов квантовой химии теория групп всегда останется одним из основных элементов, на которых строится учение о строении молекул. Именно это обстоятельство явилось причин ной выхода в США в течение короткого времени двух книг по теории групп для химиков: вышедшая не сколько ранее книга Коттона и предлагаемая внима нию читателя книга Джаффе и Орчина. И до этого существовало довольно много книг как советских ав торов, так и переводных, посвященных самой теории
групп и ее приложениям в квантовой физике. Но все они (как, например, книги Куроша, Мурнагана, Гейне и др.) предназначены либо для математиков, либо для физиков и поэтому слишком сложны для перво го ознакомления с предметом, содержат много стро гих доказательств и деталей, не являющихся необхо димыми для химиков, слишком велики по объему. Книги Коттона и Джаффе и Орчина отличаются тем, что они написаны химиками и ориентированы на чи тателя, для которого существенна не строгость изло жения, а применения к конкретным химическим во просам. Авторы предлагаемой книги, Г. Джаффе и М. Орчин, сами являются химиками-теоретиками, известными своими работами в области квантовой хи мии и теории электронных спектров поглощения, где теория групп очень широко применяется. .Авторы на звали свою книгу не просто «Теория групп», а «Симметрия в химии», для того чтобы подчеркнуть что они ставят своей целью не только изложение кон кретных применений теории групп в расчетах свойств молекул, но и общую математическую трактовку сим метрии молекул. При этом книга должна, по замыслу авторов, отличаться от тех сведений о симметрии (чисто качественных, без математического оформле ния), которые химик получает из обычных учебникоЕ органической химии при изучении оптической актив ности и т. д.
Несмотря на то что в книге затронуты многие до вольно сложные вопросы, она отличается исключи тельной простотой изложения и, по .существу, не тре-
.бует.от читателя никакой предварительной матема тической подготовки. Это отнюдь не означает, однако, что работа над ней очень легка. Ее нужно не просто читать, з серьезно прорабатывать, возможно даже лногдй возвращаясь к прочитанному. На наш взгляд, это никоим образом не является недостатком книги.
.Для настоящего овладения современной теорией со вершенно недостаточно знакомиться с ней по попу лярным изложениям, а необходимо затратить некото рые усилия.
М. Дяткина
Идея о написании этой книги возникла у нас, ко гда мы пересматривали и перерабатывали гл. 4 своей книги «Теория и применения ультрафиолетовой спек троскопии» (J. Wiley and Sons, New York, 1962). Мно гие «классические» вопросы, обсуждение которых включает рассмотрение симметрии (например, опти ческая активность, дипольные моменты и конформадионный анализ), обычно достаточно полно излага ются в учебниках химии, предназначенных для сту дентов. Тем более удивительно, что в таких книгах уделяется слишком мало места изложению основ тео рии симметрии и теории групп, хотя бы в упрощенной; нематематической форме. По мнению авторов, рассмо* грение с точки зрения симметрии является очень Мощным вспомогательным средством при обсуждении таких вопросов, как гибридизация, групповые и моле кулярные орбитали, правила отбора в спектрах по глощения й кристаллические структуры. Поэтому не большая по : объему книга, ' целиком посвященная симметрии в химии, но без сложной математики, была бы полезной для студентов и исследователей,' инте ресующихся этими проблемами. Возрастающая .важ,- ность абсорбционной спектроскопии, быстрое развитие структурной неорганической химии и все большее
распространение теории молекулярных орбиталей — все указывает на то, что понимание симметрии и эле ментов теории групп становится необходимой состав ной частью познаний для образованного химика. Пройдет некоторое время — и большинство химиков будет использовать точечные группы и обозначения типов симметрии с той же легкостью и пониманием, с какой почти все химики теперь пользуются конформационными представлениями.
Мы начали собирать материал для этой книги в ноябре 1962 г. Вскоре после этого появилась вели колепная книга Коттона *, в которой были затронуты многие вопросы, касающиеся данной темы, в особен ности применение теории групп к анализу электрон ных спектров. Поэтому мы решили остановиться бо лее подробно на других вопросах с тем, чтобы эти две книги дополняли друг друга. Тем не менее мы не отошли от своей основной цели — дать полное, но нё математическое обсуждение симметрии и ее проявле ний и применений.
Прочитав три части первой главы, которые совер шенно не содержат математики, читатель сможет легко отнести почти любую рассматриваемую моле кулу к соответствующей точечной группе. В книге широко используется техника стереографического про ецирования элементов симметрии в различных то чечных группах, ибо, по нашему опыту, эта техника облегчает понимание кратных операций симметрии и, кроме того, полезна при разнесении операций симмет* рии по классам и при определении порядка точечной группы.
* C o t t o n F. A., Chemical Applications of Group Theory, J. Wiley and Sons, New York, 1963,
В гл. 4 рассматриваются трансляции и вращения молекулы при соответствующих операциях симметрии. При этом читатель знакомится с такими понятиями, как «тип симметрии» и «таблица характеров», а так же с классификацией нормальных колебаний и моле кулярных орбиталей. Для тех, кто не изучал вектор ной и матричной алгебры или хотел бы освежить свои знания в этой области, в гл. 4 включено элемен тарное обсуждение векторов и матриц, которое, однако, не выходит за рамки минимума сведений, не обходимого для качественного понимания теории групп.
В гл. 5 рассматриваются некоторые применения теории симметрии и простой теории групп к вопросу об образовании групповых орбиталей, к определению числа нормальных колебаний и к проблеме правил отбора в абсорбционной спектроскопии.
Гл. 6 посвящена симметрии кристаллов; этот вопрос редко затрагивается в «чисто химических» книгах.
Во всех главах отступления от основных вопросов или обсуждение элементарных математических поня тий вынесены в петит, чтобы читатель, знакомый с та ким материалом, мог пропускать эти разделы, не пре рывая основной нити рассуждений.
В приложениях даны полные таблицы характеров, таблицы чисел нормальных колебаний различных ти пов симметрии, таблицы прямых сумм возбужденных состояний и комбинационных состояний вырожденных колебаний.
Данная книга рекомендуется в качестве дополни тельного пособия как для студентов, так и для аспи рантов, которые хотят обладать достаточными сведе ниями для понимания структурных проблем.
Мы надеемся, что эта книга заинтересует и боль шую группу химиков-практиков, которые получили химическое образование до того, как применение идей симметрии и теории групп нашло такое широкое рас пространение и стало столь необходимым для пони мания современной литературы.
Г. Джаффе М. Орчин