1.4: Simetría y Propiedades Físicas
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Realizar una operación de simetría sobre una molécula no debe cambiar ninguna de sus propiedades físicas. Resulta que esto tiene algunas consecuencias interesantes, lo que nos permite predecir si una molécula puede ser quiral o polar sobre la base de su grupo puntual.
Polaridad
Para que una molécula tenga un momento dipolar permanente, debe tener una distribución de carga asimétrica. El grupo puntual de la molécula no solo determina si la molécula puede tener un momento dipolar, sino también en qué dirección puede apuntar.
Si una molécula tiene un\(C_n\) eje con\(n > 1\), no puede tener un momento dipolar perpendicular al eje de rotación (por ejemplo, una\(C_2\) rotación cambiaría los extremos de dicho momento dipolar e invertiría la polaridad, lo cual no está permitido — rotaciones con valores más altos de \(n\)también cambiaría la dirección en la que apunta el dipolo). Cualquier dipolo debe quedar paralelo a un\(C_n\) eje.
Además, si el grupo puntual de la molécula contiene alguna operación de simetría que pueda intercambiar los dos extremos de la molécula, como un plano\(\sigma_h\) espejo o una\(C_2\) rotación perpendicular al eje principal, entonces no puede haber un momento dipolar a lo largo del eje.
Los únicos grupos compatibles con un momento dipolo son\(C_n\),\(C_{nv}\) y\(C_s\). En las moléculas que pertenecen a\(C_n\) o\(C_{nv}\) el dipolo deben estar a lo largo del eje de rotación.
Chiralidad
Un ejemplo de simetría en química que ya habrás encontrado se encuentra en los pares isoméricos de moléculas llamadas enantiómeros. Los enantiómeros son imágenes especular no superponibles entre sí, y una consecuencia de esta relación simétrica es que giran el plano de luz polarizada que pasa a través de ellos en direcciones opuestas. Se dice que tales moléculas son quirales, 2 lo que significa que no pueden superponerse a su imagen especular. Formalmente, el elemento de simetría que impide que una molécula sea quiral es un eje de rotación-reflexión\(S_n\). Tal eje suele estar implícito por otros elementos de simetría presentes en un grupo.
Por ejemplo, un grupo de puntos que tenga\(C_n\) y\(\sigma_h\) como elementos también tendrá\(S_n\). De igual manera, un centro de inversión es equivalente a\(S_2\). Como regla general, una molécula definitivamente no puede tener ser quiral si tiene un centro de inversión o un plano espejo de cualquier tipo (\(\sigma_h\),\(\sigma_v\) o\(\sigma_d\)), pero si estos elementos de simetría están ausentes la molécula debe ser revisada cuidadosamente para un\(S_n\) eje antes de ella se supone que es quiral.
2 La palabra quiral tiene su origen en la palabra griega para mano (\(\chi\)\(\epsilon\)\(\rho\)\(\iota\), pronunciada 'cheri' con un ch suave como en 'loch'). Un par de manos también es un par de imágenes de espejo no superponibles, y a menudo escucharás quiralidad referida como 'mano' por esta razón.