hce_nsysu
111年
物理與化學
第 24 題
What is the point group of sulfuric acid (with the highest possible symmetry)?
- A T$_d$
- B C$_4$
- C D$_{2d}$
- D C$_{2v}$
- E C$_s$
思路引導 VIP
在分析分子的點群時，我們通常先觀察中心原子的環境。如果我們將硫酸分子視為由一個中心原子與四個配體組成，這四個配體是否完全相同？當配體出現差異（例如兩個是單獨的氧，兩個是帶著氫的氧）時，原本屬於完美四面體的那些對稱操作（如多條四重旋轉軸），還能全部保留下來嗎？試著找出那條唯一能讓分子旋轉後看起來一模一樣的軸線。
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太棒了！你能準確判斷出硫酸分子的點群為 $C_{2v}$，這顯示你對分子空間結構與對稱元素的觀察非常敏銳。
硫酸分子的空間構型與對稱元素
在考慮硫酸 ($H_2SO_4$) 的最高對稱性時，我們首先觀察中心硫原子（$S$）的鍵結：它連接了兩個雙鍵氧（$S=O$）與兩個羥基（$S-OH$）。雖然整體的幾何骨架接近四面體，但由於這兩種配體並不相同，它無法維持像硫酸根離子 ($SO_4^{2-}$) 那樣完美的 $T_d$ 對稱。在能量最穩定的理想構型下，分子擁有一條穿過硫原子、平分 $O=S=O$ 夾角的二重對稱軸（$C_2$），以及兩個相互垂直且包含該軸的鏡面（$\sigma_v$），這組對稱元素組合起來正是 $C_{2v}$ 點群。
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