下载文档原格式
化学物理学中的分子结构与光谱分析化学物理学是研究化学反应与物理现象之间相互联系的学科，它的一个重要分支是对分子结构与光谱分析的研究。
分子结构与光谱分析是通过使用光谱学的理论和实验方法来研究分子的结构和性质。
光谱学是对物质与光之间相互作用的研究，通过分析物质在不同波长下吸收、发射或散射光的特征来获取信息。
分子结构与光谱分析可以揭示分子中原子之间的键合方式、分子的构象和内部振动以及分子中电子的运动情况。
首先，分子结构是化学物质的基础，它决定了分子的性质和行为。
分子结构的研究过程中，一个重要的方法是通过光谱分析来确定分子中原子的相对位置和原子之间的键合方式。
例如，近红外光谱可以通过测量样品吸收的红外辐射来研究化学物质的分子结构。
根据化学物质吸收的波长，可以推断出分子中存在的官能团和键合类型。
另外，光谱学也可以用来研究分子的构象和内部振动。
分子的构象是指分子中原子的相对位置和空间排列方式。
例如，核磁共振光谱可以通过测量核子的共振频率来确认分子的构象。
这种方法可以解析分子中不同原子的相对位置和键的长度，从而得到准确的分子结构信息。
此外，光谱学还可以在分子中的电子结构和电子运动方面提供重要的信息。
通过电子能级的吸收和发射，可以了解分子中电子的能量状态和电子运动的规律。
紫外–可见光谱可以研究分子中的电子跃迁以及吸收和发射的波长，从而结合化学反应动力学等信息，探究分子中的电子结构和反应机理。
光谱学的应用也是非常广泛的。
例如，红外光谱广泛应用于药物分析、环境监测和材料研究等领域。
通过红外光谱的指纹图谱，可以快速识别复杂物质中的组分和结构信息。
核磁共振光谱则广泛应用于药物研发、生物医学和材料科学中。
通过核磁共振的特征峰位和强度，可以获取关于分子构象、化学位移和耦合常数的信息。
综上所述，化学物理学中的分子结构与光谱分析是一门重要的学科，它通过光谱学的理论和实验方法揭示了分子结构、构象和电子结构等关键信息。
光谱学的应用广泛，不仅在化学和材料科学领域发挥着重要作用，也在生物医学和环境科学等领域有着广泛的应用前景。
《分子的空间结构》讲义一、分子结构的基本概念在我们探讨分子的空间结构之前，首先需要了解一些基本的概念。
分子是由原子通过一定的化学键结合而成的。
而原子之间的结合方式和相对位置，决定了分子的空间结构。
分子结构包括分子的形状、大小以及原子在空间中的排列方式。
了解分子的空间结构对于理解分子的物理性质、化学性质以及其在化学反应中的行为都具有至关重要的意义。
二、化学键与分子结构化学键是原子之间相互作用的一种方式，主要包括离子键、共价键和金属键。
离子键是通过正负离子之间的静电吸引力形成的，例如氯化钠（NaCl）就是典型的离子化合物。
在这种情况下，钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）以一定的比例和规则排列，形成了离子晶体，其空间结构较为规整。
共价键则是原子之间通过共用电子对形成的。
根据共用电子对的数目和原子轨道的重叠方式，共价键又分为单键、双键和三键。
例如，在甲烷（CH₄）分子中，碳原子与氢原子通过单键相连，形成了正四面体的空间结构。
而在乙烯（C₂H₄）分子中，碳原子之间通过双键相连，分子呈平面结构。
三、分子的几何形状分子的几何形状主要取决于中心原子的价层电子对数目以及电子对之间的相互排斥作用。
常见的分子几何形状有直线形、V 形、平面三角形、三角锥形和正四面体等。
直线形分子如二氧化碳（CO₂），其中心碳原子与两个氧原子通过双键相连，由于电子对之间的排斥作用，分子呈直线形。
V 形分子如水（H₂O），氧原子有两对孤对电子，它们对成键电子对产生较大的排斥，使得水分子呈 V 形。
平面三角形分子如三氟化硼（BF₃），硼原子的价层电子对数为3，且没有孤对电子，分子呈平面三角形。
三角锥形分子如氨（NH₃），氮原子有一对孤对电子，使得分子呈三角锥形。
正四面体分子如甲烷（CH₄），碳原子的价层电子对数为 4，且没有孤对电子，分子呈正四面体。
四、影响分子空间结构的因素除了化学键和价层电子对的影响外，还有其他因素会对分子的空间结构产生影响。
有机化学基础知识点核磁共振光谱与分子结构的解析核磁共振光谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR）是一种广泛应用于化学领域的分析技术，能够通过观察分子中核自旋的行为来获取分子结构以及化学环境的信息。
在有机化学中，核磁共振光谱对于研究和解析复杂的有机分子结构具有重要的意义。
本文将介绍有机化学基础知识点中与核磁共振光谱相关的内容，并探讨核磁共振光谱在分析有机分子结构中的应用。
一、与核磁共振光谱相关的基础知识1. 核磁共振现象：核磁共振光谱是利用原子核间磁场的相互作用来进行分析的。
核磁共振现象是指在外加磁场的作用下，原子核的自旋将在不同能级之间发生跃迁。
这种跃迁会产生电磁辐射，形成核磁共振信号。
2. 磁共振频率：核磁共振信号的频率称为磁共振频率（Resonance Frequency）。
磁共振频率与核自旋数量、核的磁场以及外部磁场的强度有关。
3. 磁共振现象的解释：核磁共振现象的解释可由量子力学的角度进行。
根据量子力学，原子核的自旋（S）可以描述为“上自旋”和“下自旋”，分别用ms=+1/2和ms=-1/2表示。
二、解析核磁共振光谱核磁共振光谱通过观察化合物在外部磁场下的核磁共振信号，可获得化合物分子结构以及化学环境的信息。
在解析核磁共振光谱时，我们主要关注以下几个方面的内容。
1. 化学位移：化学位移是指分子中不同核的核磁共振信号在频率上的差异。
化学位移可用于确定分子中不同原子核的化学环境。
化学位移值一般以δ表示，单位是ppm（parts per million）。
2. 可观测核的选择：核磁共振光谱实验中，我们可以选择观察哪些核的共振信号。
常见的核包括1H（氢-1，质子）、13C（碳-13）、19F（氟-19）等。
3. 积分峰面积：核磁共振光谱中的峰面积与对应核的数量成正比。
通过测量峰面积，可以推断相应核的数量关系，从而解析分子结构。
4. 耦合常数：耦合常数是指在核磁共振光谱中观察到的峰的分裂情况。
第四章 分子结构测定方法的原理及应用§4-1 分子光谱 内容提要：前面几章主要是从量子力学基本原理出发，研究原子、分子的电子结构，而本章主要是学习运用现代化实验技术比如光谱、波谱等，研究物质的结构。
一方面我们要搞清这些实验方法的基本原理，另一方面要掌握利用这些实验方法可以获得那些有关物质结构的信息。
一、分子光谱的产生与分类分子光谱是对分子所发出的光或被分子吸收的光进行分光得到的光谱，它是分子内部运动的反映。
分子内部运动有转动、振动和电子运动。
它们的能量都是量子化的，分子的内部运动总能量为： E ＝E(转)+E(振)+E(电) ＝E r +E v +E e当分子从一个状态（能级）向另一个状态（能级）跃迁时，就会吸收或发射光子,便产生分子光谱。
12E E E -=∆一般光谱上用波数表示：hcE 1~∆=λ=ν(h 为普郎克：常数h=6.626×10-27erg ·s ＝6.626×10-34J ·S ）在谱学中常用波数的单位作为能量单位：1ev=8065.465cm -1（见P386表） 对于分子而言：ΔE ＝ΔE r +ΔE v +ΔE e其中：转动能级差ΔE r 最小，振动能级差ΔE v 次之，电子能级差ΔE e 较大。
ΔE r ：10 ——4～0.05ev~ν：0.8～400cm -1 位于微波和远红外光区ΔE v ：0.05～1eV~ν ：400～8000cm -1位于红外光区 ΔE e ：1～20ev~ν:8×103～1.6×l05cm -1位于紫外、可见光区只有转动能级发生跃迁时，对应的光谱称为转动光谱，在振动能级发生跃迁时，一般都伴随转动能级的跃迁，所以对应的光谱称为振动转动光谱（红外光谱）。
在电子能级发生跃迁时，一般都伴随振动转动能级的跃迁，所对应的光谱称为电子光谱。
故电子在两个能级之间的跃迁不再是一个确定的数值，而是多个相差很小的数值，表现出一组一组的“连续”谱带。
光谱学与分子结构确定光谱学是一门研究物质吸收、发射光的学科，通过对光的特性进行分析，可以确定分子结构以及物质的性质。
本文将探讨光谱学在分子结构确定中的应用。
一、UV-Visible吸收光谱法UV-Visible吸收光谱法是一种常用的光谱学方法，适用于有机化合物以及无机物的分析。
它基于化合物对紫外和可见光的吸收特性，可以推断化合物的电子结构以及键合状态。
通过测量样品在不同波长下的吸光度，可以获得吸收光谱图。
吸收光谱图中的吸收峰对应着化合物中不同电子跃迁过程，可以提供有关分子内电子状态和电子云分布的信息。
根据光谱学原理，我们可以通过分析吸收峰的位置、形状以及强度来确定分子的结构。
二、红外光谱法红外光谱法是一种使用红外线辐射与物质作用的技术，可以对物质的分子结构进行研究。
红外光谱法基于物质的IR吸收特性，通过测量物质在不同波数下吸收或散射光的能力，得到红外光谱图。
红外光谱图中的吸收峰对应着物质中的不同化学键振动或转动引起的能级变化。
根据红外光谱图中吸收峰的位置和强度，我们可以推断分子中的官能团以及键合状态，从而确定分子的结构。
三、核磁共振（NMR）光谱法核磁共振光谱法是一种通过分析原子核在磁场中的行为而测定物质结构的方法。
NMR光谱法常用于有机化学中，可以用于确定分子的结构以及分析化合物的纯度。
NMR光谱图中的峰对应着分子中不同的核磁共振信号，可以提供关于分子中原子核所在环境以及化学环境的信息。
通过分析NMR光谱图中的峰位置、强度和耦合常数等参数，可以确定分子中不同原子核的数量、类型以及它们之间的相互作用关系，进而推断出整体分子结构。
四、质谱法质谱法是一种通过测量物质中分子离子的质量来推断其分子结构的方法。
质谱法可用于分析物质的组成、确认分子式以及测定物质的分子量。
质谱法通过将样品分为离子状态，并在质谱仪中进行质量分析，得到质谱图。
质谱图中的峰对应着不同基团或分子离子的质荷比，提供了分子离子的分子式以及相对丰度信息。
第九章分子光谱和分子结构前面我们从原子光谱、原子磁性了解了原子的结构，但在生产实践和生活中接触的物体极少是孤立的原子，往往是由原子结合而成的分子或分子集团，它是物质结构的一个重要层次．本章将简要介绍分子光谱和分子结构．§9.1 分子光谱和分子能级一、分子与化学键分子由原子组成，原子通过它们间的相互作用而结合在一起．而分子中相邻原子间存在的各种不同形式的相互作用称为化学键．化学键的力是电性质的，它只与原子的外层电子有关，与原子的内层电子关系较少．这是因为各元素的物理、化学性质的周期性由最外层电子的运动决定；而且较重元素的标识X射线不因该元素所在化合物而不同．内层电子在分子中和孤立原子中几乎一样，但价电子则大不相同．原子价电子间不同的结合会形成不同的化学键，常见的二类化学键是离子键和共价键，一般还有金属键和Van der Waals键． 1.离子键当电离能很小的金属原子(如碱金属和碱土金属原子价电子易脱落)和电子亲合能很大的非金属原子(如卤族原子和氧族非金属原子容易吸往电子)非常接近时，前者失去价电子而成为正离子，后者获得前者失去的电子而成为负离子，正负离子由于Coulomb力相互吸引结合成分子；但当二离子由于运动惯性而过分接近时，它们的外层电子相互排斥的力变得显著，表现为离子间的互斥力．当引力和斥力相等时，就形成稳定的分子．这种化学键称为离子键．如NaCl分子是由Na+离子与Cl-离子组成的离子键分子．Na是碱金属元素，具有较小的电离能5.14eV，电离过程为Na + 5.14eV →Na+ + e-Cl是卤族元素，Cl原子最外层在3p上有5个电子，再得到一个就构成稳定的闭合壳层，所以吸收一个电子形成Cl -离子是放能过程，这个能量称为亲合能，Cl-的亲合能为3.72eV ，此过程为Cl + e - →Cl - + 3.72eV上述两过程共增能5.14eV －3.72eV ＝1.42eV ．虽然Na 、Cl 原子形成Na +、Cl -离子后能量增加了，但当它们相互接近时，由于正负离子的电荷将引起Coulomb 吸引位能，因此Na +、Cl -离子体系能量有可能小于Na 、Cl 原子体系的能量．ٛ 图9-1中的两条曲线分别表示离子和原子体系的位能变化．选Na 原子和Cl 原子相距无穷远时的位能为零点能，横坐标表示两离子或原子间距离，可以看到当距离小于某一数值后，离子间的位能将小于原子间的位能．ٛNa +、Cl -离子体系的位能曲线有一极小值，这是由于距离小到一定值后，两带正电原子核的Coulomb 斥力位能迅速增加，距离越小，此能量越大．位能曲线最低点对应的距离以r 0表示，称平衡距离．如NaCl 分子的r 0=2.51Å，其位能为-3.58eV ．作用力方向总是指向位能减小的方向．当r ＞r 0时，位能曲线斜率为正，作用力使离子间距离减小，为吸引力；当r ＜r 0时，位能曲线斜率为负，作用力使距离增加，为斥力；当r = r 0时，位能曲线斜率为零，作用力亦为零，所以Na+、Cl-离子有可能在r 0附近振动，形成稳定的NaCl 分子．图9-1 NaCl分子的位能曲线2.共价键许多由两个相同原子组成的双原子分子和绝大多数有机化合物的分子不是由离子组成的，它们的化学键不再是离子键．它们有一对或多对电子为两个原子共有，内层电子仍然属于原来的原子．这类分子称为共价键分子或称原子键，同极键分子．如两个氢原子靠近时，每个氢原子中电子的状态都将重新分布，使系统处于能量最低的状态，这时两个电子起着连结两个原子的作用，为两个核所共有．从量子力学分析而知这一对组成共价键的电子自旋必是反平行的．一般地说，原子外层电子中，有未组成自旋相反的电子对的电子，就有可能与其它原子中未组成电子对的电子结合成共价键．如氢原子只有一个外层电子，显然在原子中不可能与其它电子组成自旋相反的电子对，这个电子就有可能与另一氢原子中同样的电子结合成共价键．锂原子有3个电子，而2s 态的外层电子未能与其它电子组成自旋相反的电子对，因此能与另一锂原子中的2s 电子组成共价单键，成为锂的双原子分子．如果两个原子各有两个或三个未成对的电子，则俩俩配对可构成共价双键或三键．共价键构成的分子可分为两类．第一类是无极分子，它由同类原子构成．如H 2、O 2等，分子内键电子分布对称，正负电荷“重心”重合，因而分子不具有电偶极矩．另一类是有极分子，由不同类原子组成．如HCl ，两种原子对电子的亲合力不同，分子内键电子的分布不对称，正负电荷“重心”不重合，分子具有电偶极矩． 图9-2 分子带光谱二、分子光谱原子光谱的特征是线状光谱，一个线系中各谱线间隔都较大，只在接近线系极限处越来越密，该处强度也较弱；若原子外层电子数目较少，谱线系也为数不多．分子光谱的一般分布如图9-2所示．许多谱线形成一段一段的密集区域成为连续带状，称为光谱带．所以分子光谱的特征是带光谱．它的波长分布范围很广，可出现在远红外区(波长是cm 或mm 数量级)、近红外区(波长是μm 数量级)、可见区和紫外区(波长约在10-1μm 数量级)．分子光谱一般具有如下规律：(1)由光谱线组成光谱带；(2)几个光谱带组成一个光谱带组；(3)几个光谱带组组成分子光谱．ٛ三、分子能级据实验观察，分子光谱是由远红外光谱、近红外光谱、可见光和紫外光谱交织在一起的光谱．而远红外光谱是由于分子转动能级的变化引起的；近红外光谱是分子既有振动能级又有转动能级改变时产生的；而可见光和紫外光谱是分子既有电子能级又有振动和转动能级变化时产生的．所以分子内部既有分子转动，又有分子的振动，还有分子中电子的运动．ٛ1.分子的转动和转动能级即将分子看作一个整体绕某轴而转动．对于双原子分子，其转动轴通过分子的质心并垂直于分子轴(原子核间的联线)．转动能量是量子化的，因而形成转动能级．转动能级的间隔约10-4～10-2eV．ٛ2.分子的振动和振动能级即组成分子的各原子在其平衡位置附近所做的微小振动．如双原子分子沿着轴线振动．与振动相联系的能量称为分子的振动能．振动能量也是量子化的，因而形成振动能级．振动能级间隔约10-1eV．3.分子中的电子运动和电子能级ٛ分子中外层电子的运动形成一些定态，电子在定态间跃迁运动．这些定态各具有一定能量，也就形成了电子的能级．当分子的电子能级间产生跃迁就产生光谱．电子能级间隔约为eV量级．ٛ若用E转、E振、E电分别代表上述三种运动状态的能量，分子能量可表示为E = E转 + E振 + E电(9-1)这三种能量的变化满足Δ>Δ>ΔE E E(9-2)振电转这样，在电子能级之上可以有较小间隔的振动能级；在振动能级之上又可以有更小间隔的转动能级．这些关系如图9-3所示，图中表示了振动能级和转动能级的特点，一组振动能级的间隔随能级的上升而减小；一组转动能级的间隔随着能级的上升而增加．由于分子能级的复杂结构，从而使分子光谱比原子光谱更复杂．图9-3 双原子分子能级示意图§9.2 分子的转动能级和转动光谱在辐射过程中，分子的电子状态和振动状态都没有改变，则辐射仅由分子的转动状态的改变而引起．由于△E 转ٛ最小，相应光子的能量很小，所产生的光谱一般在远红外区域．一、分子的转动能级假设分子是刚性分子．由于刚性分子不改变原子核间相对距离，所以它的转动是一个纯粹的转动，此简化模型忽略了振动对转动的影响．对双原子分子，其转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的．分子的转动惯量ٛ (9-3) 2r I μ=其中1212m m m m μ=+是折合质量，r 是两原子核间的距离，如图9-4所示．对刚性分子r 是常数．若分子的转动角动量为P J ．据经典力学，分子的转动动能IP I E J J 22122==ω (9-4) 其中P J ＝I ω，因为转动是自由的，所以势能为零，而体系总能量就等于转动动能．分子是微观粒子，它的角动量是量子化的，即=)1(+=J J P J ⋅⋅⋅=，，，，3210J (9-5)图9-4 刚性双原子分子的转动 J 称为转动量子数．代入(9-4) 式可得转动能级)1(22+=J J I E J = (9-6)由此所得能级图如图9-5所示．相邻二转动能级的间距ٛ)1(21+=−=Δ+J J IE E E J J J = (9-7)图9-5 双原子分子转动能级 可见转动能级的分布不是等间距的，J 越大，间隔也越大．ٛٛ二、分子的转动光谱实验和理论都证明转动能级间的跃迁须服从电偶极跃迁选择定则ٛ 1±=ΔJ (9-8)ΔJ ＝＋1相当于吸收过程，ΔJ ＝-1相当于发射过程．当从能级J ＋1跃迁到能级J 的辐射频率12(1)2(14J J J J E E E h v J h h Iπ+)B J Δ−===+=+ (9-9)其中I hB 28π=称为转动常数.以波数表示2(1)Jv B J =+ B (9-10) 相邻二谱线间的波数差。
物理化学研究中的分子结构与光谱分析物理化学是物理学和化学的交叉领域，涵盖了从基础分子和原子结构到复杂材料的宏观性质的广泛范围。
在这个领域中，分子结构和光谱分析是非常重要的研究领域。
分子结构是物理化学的重要组成部分，它涉及到分子的电子结构、原子轨道理论、化学键以及分子的构象和构型。
对于很多分子，确定其结构非常重要。
例如，药物的作用原理与分子结构密不可分，确定了分子结构之后，就可以分析其反应机制和反应性，并且可以用计算机辅助设计出针对特定疾病的药物。
另一个应用是在材料科学中，分子结构也是特别重要的，例如，电子和离子在材料中的传递和输运都取决于材料内分子结构的几何形状和电子结构等。
光谱学是研究物质的相互作用和对辐射的响应的科学，常常用来识别物质的化学和物理性质。
在化学和物理学中，光谱学被广泛应用于分析物质的结构和相互作用。
靠谱的光谱分析技术可以帮助我们确定分子物质的内在性质，从而帮助我们了解物质如何相互作用和反应。
在光谱学中，有很多不同的技术，例如，紫外-可见光谱、近红外光谱、红外光谱、核磁共振光谱和拉曼光谱等。
这些技术使用不同波长的电磁辐射来测量分子在特定波长范围内所吸收或散射的光强度。
近年来，物理化学中的分子结构和光谱分析已经变得越来越重要。
特别是当今的时代，人工智能技术的发展已经深入到了许多领域，也使得这两个领域得到了更广泛的应用。
举个例子，利用红外光谱可以快速、非破坏性地分析样品的结构，包括有机化合物，高分子，金属氧化物等物质。
在这个过程中，模型识别技术可以自动提取样品沿光路的任意位置处的光谱图，并根据样本的物理和化学信息进行准确的结构分析。
而机器学习也可以帮助处理大量的分子结构数据，从而建立更精确的分子模型，进一步探索分子的特性和反应性质。
相比之下，核磁共振（NMRI）是另一种分析分子结构和学习分子性质的重要技术。
NMRI可以提供高度精确的化学位移和耦合常数的信息，从而确定分子的构型，化学键长度和银行角度等结构参数，并且可以用来研究分子的动力学。
《分子的空间结构》讲义在我们探索物质世界的奥秘时，分子的空间结构是一个至关重要的方面。
它不仅决定了物质的物理性质，如熔点、沸点、溶解性等，还对物质的化学性质，如反应活性、选择性等产生深远影响。
一、什么是分子的空间结构分子的空间结构，简单来说，就是构成分子的原子在三维空间中的排列方式。
这种排列并非是随意的，而是受到多种因素的制约和影响。
我们以常见的水分子（H₂O）为例。
水分子由两个氢原子（H）和一个氧原子（O）组成。
氧原子位于中心，两个氢原子分别与氧原子以一定的角度相连。
这种特定的排列方式使得水分子具有极性，从而影响了水的许多独特性质，比如良好的溶解性。
再看甲烷分子（CH₄），它的中心是碳原子，四个氢原子分别位于正四面体的四个顶点上。
这种对称的结构使得甲烷分子具有非极性的特点。
二、影响分子空间结构的因素1、化学键类型共价键的类型对分子空间结构有着重要影响。
比如，单键可以自由旋转，而双键和三键则不能自由旋转，这会限制原子的相对位置。
2、原子间的斥力原子之间存在着相互排斥的作用。
为了使体系的能量最低，原子会尽可能地相互远离，从而形成特定的空间结构。
3、中心原子的杂化轨道类型中心原子的杂化轨道类型决定了其与其他原子结合的方式和角度。
例如，sp³杂化的中心原子通常会形成四面体结构，sp²杂化则可能形成平面三角形结构。
4、分子中存在的孤对电子孤对电子对成键电子对存在排斥作用，会改变分子的空间结构。
比如氨气（NH₃）分子中，氮原子有一对孤对电子，使得 NH₃分子的空间结构为三角锥形，而不是平面三角形。
三、常见分子的空间结构1、直线型如二氧化碳（CO₂）分子，碳原子与两个氧原子通过双键相连，形成直线型结构。
2、平面三角形例如，三氟化硼（BF₃）分子，硼原子采用 sp²杂化，与三个氟原子形成平面三角形结构。
3、四面体除了前面提到的甲烷（CH₄），还有四氯化碳（CCl₄）等分子也具有四面体的空间结构。
分子结构与分子光谱分子结构和分子光谱是研究分子化学的两个重要方面，它们相辅相成，共同揭示了分子的性质和行为。
本文将介绍分子结构和分子光谱的概念、原理以及它们在科学研究和实际应用中的价值。
一、分子结构分子结构是指分子中原子的排列和连接方式，它直接决定了分子的形状和性质。
分子结构的确定对于理解分子之间的相互作用以及化学反应的机理非常重要。
常用的分子结构分析方法包括：晶体学、核磁共振（NMR）、X射线衍射、质谱等。
晶体学是一种常见的用于确定分子结构的方法。
通过晶体学技术，可以获得分子的三维结构，进而研究分子的空间构型、键长、键角等参数。
晶体学的发展使得分子结构研究成为可能，从而为有机合成、药物研发等领域提供了重要的依据。
核磁共振是一种通过观察分子中核自旋的行为来研究分子结构的方法。
核磁共振谱图提供了分子内部原子之间的关系以及各个原子的环境信息。
通过对核磁共振信号的解析，可以推断出分子的结构和化学环境，为有机合成和反应机制的研究提供了有力的支持。
二、分子光谱分子光谱是研究分子与光的相互作用的一门学科。
通过分析分子在不同波长的光照射下的吸收、散射或发射行为，可以获取有关分子结构、振动状态、能级和电子结构的信息。
常用的分子光谱方法包括：红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱等。
红外光谱是分析分子结构和化学键的常用方法。
分子中的原子和化学键在特定的频率下会吸收红外辐射，通过测量吸收谱图可以研究分子中的化学键类型和取代基团的存在、相对数量以及它们的相互作用。
拉曼光谱是通过分子或晶体在激光照射下散射光的频率变化来研究分子结构和谱带的一种光谱技术。
拉曼光谱具有非破坏性、无需分离样品等特点，广泛应用于化学、生物和材料科学领域。
紫外可见光谱用于研究分子中的电子跃迁行为。
分子在紫外可见光照射下吸收或发射特定波长的光，通过测量吸收或发射谱图可以得到分子的电子结构和能级分布信息。
三、分子结构与分子光谱的应用分子结构和分子光谱在化学、生物学和材料科学等领域有着广泛的应用价值。
《分子的空间结构》讲义一、分子结构的基本概念在化学的世界里，分子是构成物质的基本单元之一。
而分子的空间结构，简单来说，就是指分子中原子的空间排列方式。
这一排列方式对于分子的性质、化学反应以及物质的物理性质都有着至关重要的影响。
要理解分子的空间结构，首先得明白原子是如何结合形成分子的。
原子之间通过化学键相互连接，常见的化学键有共价键、离子键和金属键。
在大多数分子中，共价键起着主导作用。
共价键是原子之间通过共用电子对形成的。
而这些共用电子对的分布情况，决定了分子的空间结构。
例如，在双原子分子中，如氢气（H₂）、氧气（O₂）等，由于只有两个原子，其结构相对简单，呈直线型。
二、影响分子空间结构的因素1、价层电子对互斥理论（VSEPR）这一理论认为，分子中中心原子周围的价层电子对（包括成键电子对和孤电子对）会尽可能地相互远离，以使它们之间的排斥力最小，从而形成稳定的分子空间结构。
以甲烷（CH₄）为例，碳（C）原子的价层电子对数为 4，这 4 对价层电子对呈正四面体分布，因此甲烷分子的空间结构为正四面体。
2、杂化轨道理论原子在形成分子时，为了增强成键能力和使分子的空间结构更稳定，中心原子的若干不同类型、能量相近的原子轨道会重新组合，形成一组新的轨道，称为杂化轨道。
比如在乙烯（C₂H₄）分子中，碳原子采用 sp²杂化，形成三个在同一平面上夹角为 120°的 sp²杂化轨道，分别与两个氢原子和另一个碳原子形成共价键，所以乙烯分子是平面型结构。
3、分子间作用力除了化学键决定分子的内部结构外，分子间作用力也会对分子的堆积方式和宏观性质产生影响。
例如，水分子（H₂O）中，氧原子有两对孤电子对，使得水分子呈V 型结构。
由于水分子之间存在氢键，使得水在常温下是液态，并且具有较高的沸点。
三、常见分子的空间结构1、直线型分子像二氧化碳（CO₂），碳原子位于两个氧原子的中间，呈直线型结构。
这种结构使得二氧化碳分子在物理性质上具有相对较低的沸点和熔点。
第一章 原子结构基本知识概述第二章 观察到的分子光谱及其用经验公式的表示方法第一节 可见光谱与紫外光谱第二节 红外光谱与射频光谱第三章 双原子分子的转动与振动 第一节 用刚性转子模型与谐振子模型解释红外光谱的主要轮廓（1）刚性转子（2）谐振子（3）和观察到的红外光谱的比较第二节 红外光谱较精细结构的解释（1）非谐振子（2）非刚性转子（3）振动转子（4）对称陀螺当作对称陀螺的双原子分子 到目前为止，我们在考察中一直用简单的转子来作为分子转动的模型，并且暗暗假设整个分子绕原子核连线的转动惯量为零。
但是，实际上却有一些电子绕着这两个原子核在旋转着，结果，绕原子核连线的转动惯量就不是准确的等于零，虽然由于电子的质量很小，这一转动惯量很小．因此，在双原子分子的情形中，比简单转子更好的模型应该是一个有点像在轴上装有一个飞轮的哑铃系统，这样的系统是对称陀螺的更普遍情形的一个例子，对称陀螺的定义如下：如果对通过刚体质心的各个不同的轴算出此刚体的转动惯量，则从熟知的经典力学定理可以求出，在三个互相垂直的方向上转动惯量为最大值或最小值．这三个方向称为主轴，相应的三个转动惯量称为主转动惯量．如果这个刚体有对称轴，则它们是与主轴重合的．这三个主转动惯量一般是不同的．如果其中有两个主转动惯量相等，则这种刚体就称为对称陀螺．如果不细究电子运动的详细情形，而把两个原子核看作是被“刚性”电子云简单包围着的，则双原子分子显然是一个对称陀螺，因为绕着和核间轴成直角并通过重心的所有各轴的转动惯量I B 是彼此相等的．绕着核间轴的转动惯I A 比I B 小得多。
不过，相应的角动量却具有同一数量级，因为电子的转动比重的原子核的转动快得多。
角动量 与简单转子的情形不同，按照经典力学，对称陀螺的总角动量一般不垂直于图形轴（核间轴），因为此时除了绕垂直于图形轴的轴的转动之外，还可以有绕图形轴的转动．这两个相应的角动量相加起来给出总角动量P ．大小和方向都恒定的只是总角动量，而它在图形轴上的分量（即绕图形轴的角动量）虽然大小是恒定的，但方向却不是恒定的．事实上，图形轴与P成恒定的角度以频率(l/2π)(P/I B )绕P 转动，此频率相当于简单转子的转动频率（参见第5l页）．图形轴的这种运动称为章动。
在目前情形中，总角动量在图形轴方向上的恒定分量是电子的转动所产生的．根据量子力学，当略去电子自旋时（参见第五章），总角动量在图形轴方向上的分量（在目前情形中即电子角动量）只能是h/2π的整数倍．因此，把这个角动量记作Λ时，我们有 2h πΛ=Λ （Ⅲ.144）式中Λ是电子绕核间轴的角动量量子数，像以前一样，用J 标记的总角动量只能取如下的值：J = （Ⅲ.145） 图55给出对称陀螺的角动量矢量图．总角动量在与核间轴成直角的方向上的分且用R 标记,它实质上仅代表原子核的转动．由于Λ与J 具有整数值，R 显然不能具有整数值（除开偶然的情形之外）.R 的量值完全由Λ和J 决定，并且没有和R相关联的量子数．只有当Λ=0时，总角动最J才垂直于核间轴（此时R=J )．当Λ≠0时，总角动量J与核间轴所成的角小于90°．在任何情形中，整个系统绕J转动的频率，都与具有同样I B 与同样J 的简单转子的频率相同[参见公式Ⅲ.26]从图55可以清楚地看出，J 总是大于Λ。
因此，当给定Λ时，量子数J 的可能值为J=Λ，Λ+1，Λ+2，Λ+3，…… （Ⅲ.146） 因为J 的量值由公式（Ⅲ.145）给出，Λ的量值由公式（Ⅲ.144）给出，所以，即使在J 具有最小的值J=Λ时，角动量矢量J 也不会精确地指向核间轴的方向．如果电子绕核间轴转动的方向相反，则Λ具有相反的方向，此时得到的是图55中用虚线画出的矢量图．对于给定的R ，所得到的J 值相同，换句话说，对于每一个J 值，这个系统有与Λ的两个方向相对应的两种运动方式．能级 对称陀螺的波动方程可以严格地求解，它是赖歇和拉德马赫及克罗尼 希与拉比最先解出的。
结果求得的能级由下式给出（以cm -1为单位）（Ⅲ.147） 2()(1)()F J B J A B =++−Λ式中 28B h B cI π= 28Ah A cI π== （Ⅲ.148） 像以前所用的一样，I B =μr 是分子绕垂直于核间轴的轴的“寻常”转动惯量，I 2A 是电子绕核间轴的转动惯量。
由于I A 很小，常数A 比B 大得多。
在给定的电子态中，Λ是常数，并且一般地说只具有很小的（整数的）值（参见第五章）。
结果，对称陀螺的转动能级是和简单转子的转动能级相同的，不过量值变动了(A −B)Λ（在给定的电子态中，它是恒定的），并且根据公式（Ⅲ.146)，不存在J <Λ的那些2能级。
图56给出Λ=2的情形的能级图作为一个例子。
那些不出现的转动能级（J <Λ的转动能级）在图中用虚线指出。
公式（Ⅲ.147）并没有考虑Λ的方向的意义；这就是说，在图55中用实线矢量图与虚线矢量图代表的两个态其有完全相同的能量（这两个态是互相简并的）。
因此，图56中的每一个能级，实际上都是由两个互相重合的能级所组成的。
能级公式（Ⅲ.147）可以很容易地导出．在经典力学中，刚体转动的的动能由下式给出： 222222*********y x z x x y y y z x y zP P P E I I I I I I ωωω=++=++ （Ⅲ.149） 式中 x ，y ，z 是三个主轴的方向；I x ，ωx ，P x 分别是绕x 轴的转动惯量、角速度与角动量，与其他俩个主轴有关的量可以此类推。
在目前情形中， (参见图55)，I 22,z P =Λ2222x y P P R J +==−Λ2Z =I A ，I y =I x =I B 。
因此 22222B B J E 2AI I I ΛΛ=−+ 把从公式(Ⅲ.144)和（Ⅲ.145）得到的J 与Λ的量值代入上式，并化为项值（cm -1），便立即得到能量公式（Ⅲ.147）到目前为止，找们一直假设对称陀螺是刚性的。
在非刚性的对称陀螺的情形中，为了计及离心力的影响，在能量公式（Ⅲ.147）中必须加上−DJ 2(J+1)2这一项。
正像以前在转子情况下那样，对于振动的对称陀螺，也必须使用转动常数的有效值B +υ和D υ，它们对于不同的振动能级是略有不同的。
这样，我们得到…… （Ⅲ.150） 222()(1)()(1)F J B J J A B D J J υυυυ=++−Λ−+式中B υ和D υ由以前的公式（Ⅲ.116）和（Ⅲ.117）给出。
红外光谱 要从上面给出的对称陀螺的本征函数推导出选择定则那是相当复杂的。
依Λ=0或Λ≠0的不同，得到的结果也不同。
在目前的讨论中，我们假设在跃迁时Λ不变；这就是说，这里不考虑电子跃迁，这个向题将在后面几章中讨论。
于是当Λ＝0时，ΔJ ＝±1， （Ⅲ.153）当Λ≠0时，ΔJ ＝0，±1 （Ⅲ.154） 这样，在第一种情形中（Λ=0)，由于在公式（Ⅲ.147）中不出现(A −B)Λ2这一项，选择定则与以前相同，一切都恰好与前面我们讨论简单转子时相同。
我们得到的两支与转动振动谱带的两支完全相同，因而我们可以这样来处理这种情形，仿佛绕原子核连线的转动惯量为零那样。
在第二种情形中（Λ≠0)，除了相差一个恒定的移动之外，能量关系式是相同的。
但是，此时除了ΔJ ＝±1的跃迁外，还出现ΔJ=0的跃迁，也就是说，还有一个由下式给出的线系：0'()''()F J F J νν=+− （Ⅲ.155） 这个线系称为Q 支。
把公式（Ⅲ.147）代入上式，并且用B υ代替B ，就得出这个支的公式'''2''''''20()()()Q B B B B J B B J υυυυυυνν=+−Λ+−+− （Ⅲ.156）R 支与P 支的公式中也必须加上(B υ′′−B υ′)Λ2这一项，这俩个公式在其他方面是和以前相同的[方程（Ⅲ.133），（Ⅲ.134）和（Ⅲ.136）]。
因为在红外光谱中，B υ′很接近B υ′′，Q 支的所有谱线都很靠近ν0的位置。
因此，可以预期，在Λ＝0时出现零隙的地方，将有一条相对来说较强的“谱线”。
不仅如此，由于公式（Ⅲ.146）对J 值的限制，在P 支与Q 支开始的地方，有一条或更多条谱线消失（更详细的讨论可参见第129,199,209,214等页）。
把观察到的红外光谱与对称陀螺的理论光谱相比较，结果表明，几乎所有的情形中，观察到的红外光谱都与第一种情形（Λ＝0）的理论光谱完全相符。
这就是说，用寻常的简单转子模型能够再现这些光谱的全部细节。
反过来我们可以由此得出结论说，对于能观察到这种简单红外光谱的分子，在电子基态中Λ=0；也就是说，电子的运动是这样的：此运动不产生绕核间轴的角动量。
到目前为止，对双原子分子来说，在红外光谱中已经找到Q 支（即中央“谱线”）的唯一事例是一氧化氮（NO ）的情形。
因此，在这一情形中，我们应该得出结论说，电子有一绕核间轴的角动量（Λ≠0）。
这个结论已通过研究这种分子的电子带光谱而证实了。
但是，由于电子自旋的作用，会产生双重分裂，这一现象将在第五章中较详细地讨论。
正如从选择定则立即可以看出的，对称陀螺的纯转动光谱是与简单转子的光谱相同的，不管Λ是不是等于零；但是到目前为止，Λ≠0的情形还没有人研究过。
（5）量子态的热分布；转动振动光谱中的强度我们在第一章中已经看到，谱线的强度不仅与跃迁几率和频率ν有关，并且还与初态中的分子数有关．因此，要从理论上预测强度，除了需要知道跃迁几率之外，还必须知道处在各个不同初态中的分子数．由于几乎所有的红外光谱与喇曼光谱都是在热平衡的条件下观察到的，我们就只需要考察分子在热平衡时在各个不同量子态之间的分布．这一分布对于了解双原子气体的各种热力学性质也是很重要的（参见第八章第二节）.振动 按照麦克斯韦-波尔兹曼分布律，经典振动能在E 与E ＋dE 之间的分子数dN E 正比于，这里K 是每个分子的气体常数（即玻耳兹曼常数）,T 是绝对温度．当T=300 °K （室温），函数 (=，这里E 是以cm /E KT e d −E T /E KT e −/0.6952E e −-1为单位的）的图形如图58所示．按照经典力学，E 值是不受限制的，所以按照图58，在300 °K 下，大多数分子都在振动，虽然振动的能量（振幅）很小．在量子力学中，振动能只可取（Ⅲ.76）的分立值，居于每个振动态中的分子数仍旧正比于波尔兹曼因子。
零点能可以忽略不计，以为把这个能量加在指数上，仅意味着增加了一个对于所有振动能级（包括零能级）都是恒定的因子。
