講授《結構化學》課程中“姜-泰勒效應”知識點的嘗試

李文佐,劉紹麗

(煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005)

結構化學是化學專業學生的專業必修課程，它是在原子、分子水平上研究物質的性質與其結構(包括空間結構和電子結構)的關系的科學。結構化學以量子力學為基礎，從微觀結構研究物質的性質，因此結構化學課程理論性較強、內容抽象，要求學生具有較高的邏輯思維能力和較好的數學物理基礎。然而，在教學過程中我們發現學生對結構化學存在畏難情緒，加上數理基礎薄弱，缺乏微觀分析能力，因此學起來普遍感到困難。這就需要在教學過程中靈活把握學生的理解和接受能力，進行針對性的教學。

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有幾個簡并能級，則是不穩定的，體系一定要發生畸變,使一個能級降低，以消除這種簡并性,這種現象被稱為Jahn-Teller effect，國內結構化學教材中一般翻譯為“姜-泰勒效應”。

國內諸多結構化學教材[2-4]中均在“配位化合物的結構和性質”部分講述“姜-泰勒效應”。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型，出現拉長或壓扁的四方形配位，這是因為發生了姜-泰勒效應。

然而，由于配合物結構相對復雜，不如簡單小分子的點群及其子群直觀易懂，學生普遍缺乏空間想象力，導致學生對“姜-泰勒效應”的理解存在難度。課堂上如何講好這一知識點，使得學生更加直觀更加容易的理解真正含義，我們在教學過程中做了如下嘗試。

1 理清“姜-泰勒效應”的理論內容

為了便于學生記憶，我們首先嘗試把理論內容分解成以下部分，簡稱“3wc”：

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

為什么(why)會發生，也就是發生姜-泰勒效應的前提條件是什么：存在簡并能級，不穩定；

如何(how)發生：分子構型畸變為原來所屬點群的子群；

發生的結果或后果(consequence)是什么：構型畸變，簡并消除。

當然，此處首先要復習“簡并”的概念，學生在結構化學課程中第一次接觸“簡并”是在研究三維勢箱粒子時，可以借此復習相關內容，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，其最高占據軌道為e1g表示，當失去一個電子變成C6F6+時，在D6h構型上的離子將具有簡并的電子態2E1g，根據姜-泰勒效應這一簡并電子態將不穩定，會發生畸變，構型由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+的結構示意圖。

2.2 c-C3F6+[6]

全氟代環丙烷(c-C3F6)分子是D3h點群，碳原子組成一個正三角形，其最高占據軌道為e'表示，當失去一個電子變成c-C3F6+時，在D3h構型上的離子將具有簡并的電子態2E'，根據姜-泰勒效應這一簡并電子態將不穩定，會發生畸變，構型由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+的結構示意圖。

圖1 C6F6+與c-C3F6+的結構示意圖

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，學生理解起來相對容易，能夠直觀的感受到構型的確發生了明顯畸變。

3 擴充理論內容

“姜-泰勒效應”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，稱為Renner-Teller效應[1,7]，其主要內容簡述如下：Renner-Teller理論是描述關于線型分子的振動偶合的。當一個線型分子的簡并電子態沿著某一彎曲坐標分裂成兩個非簡并電子態時，可能在分裂產生的兩個勢能面上出現能量局域最小值。對于對稱的線型三原子分子或離子的Π態，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，沒有相應于彎曲平衡構型的局域能量最低點；模式(b)中，能量較低的電子態有一個相應于彎曲平衡構型的局域能量最低點；而在模式(c)中，能量較高的電子態和能量較低的電子態都有相應于彎曲平衡構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，激發學生們的興趣，使得學生們更為容易的接受“姜-泰勒效應”的內容，對正確理解多面體配合物的構型畸變有所裨益。此外，通過介紹Renner-Teller效應，擴充了知識內容，使得學生更加喜歡結構化學課程，對講好其他內容同樣有益。同時對學生以后參與相關研究奠定了理論基礎。