Simetría molecular Prof. Jesús Hernández Trujillo Facultad de Química, UNAM Simetría molecular/JHT– p. 1/3 Contenido • La noción de simetría • Simetría molecular ◦ Operaciones de simetría ◦ Elementos de simetría • Teoría de grupos ◦ Definición de grupo ◦ Grupos puntuales ◦ Clasificación de grupos puntuales • Representaciones matriciales ◦ Reresentación matricial de grupos puntuales ◦ Representaciones equivalentes y reducibles ◦ Tablas de caracteres • Aplicaciones Simetría molecular/JHT– p. 2/3 Contenido • La noción de simetría • Simetría molecular ◦ Operaciones de simetría ◦ Elementos de simetría • Teoría de grupos ◦ Definición de grupo ◦ Grupos puntuales ◦ Clasificación de grupos puntuales Ver: D. M. Bishop, Group Theory and Chemistry, Dover Publications Inc, 1993 D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Physical Chemistry. A Molecular Approach, University Science Books • Representaciones matriciales ◦ Reresentación matricial de grupos puntuales ◦ Representaciones equivalentes y reducibles ◦ Tablas de caracteres • Aplicaciones Simetría molecular/JHT– p. 2/3 La noción de simetría La noción de simetría se asocia a: • Proporción (correspondencia entre las medidas – tamaño, forma, proporción, posición – de un objeto) • Repetición regular de partes idénticas (periodicidad) • Belleza Simetría molecular/JHT– p. 3/3 Simetría especular o bilateral Simetría molecular/JHT– p. 4/3 Para sistematizar la noción de simetría: • Operación de simetría. Hacer algo a un objeto que lo deje sin cambio Simetría molecular/JHT– p. 5/3 Para sistematizar la noción de simetría: • Operación de simetría. Hacer algo a un objeto que lo deje sin cambio • La teoría de grupos aporta el lenguaje matemático a la simetría (Evariste Galois, 1811–32) Simetría molecular/JHT– p. 5/3 Para sistematizar la noción de simetría: • Operación de simetría. Hacer algo a un objeto que lo deje sin cambio • La teoría de grupos aporta el lenguaje matemático a la simetría (Evariste Galois, 1811–32) En el caso de la simetría especular: un plano de simetría Simetría molecular/JHT– p. 5/3 Simetría rotacional La simetría de los copos de nieve se debe a la estructura molecular del agua y sus interacciones Fotos: http://www.sciam.com Simetría molecular/JHT– p. 6/3 Simetría molecular/JHT– p. 7/3 Arte Castillo de la Alhambra, España Simetría molecular/JHT– p. 8/3 M. C. Escher www.mcescher.com Simetría molecular/JHT– p. 9/3 Música de mesa para dos, Mozart Simetría molecular/JHT– p. 10/3 Simetría molecular Acción que mueve los núcleos de una molécula a una posición físicamente indistinguible de la original. Operación de simetría. Entidad geométrica sobre la que tiene lugar la operación de simetría (puntos, líneas, planos) Elemento de simetría. Simetría molecular/JHT– p. 11/3 Simetría molecular Acción que mueve los núcleos de una molécula a una posición físicamente indistinguible de la original. Operación de simetría. Entidad geométrica sobre la que tiene lugar la operación de simetría (puntos, líneas, planos) Elemento de simetría. Las operaciones de simetría serán descritas matemáticamente mediante la teoría de grupos y del álgebra de operadores Simetría molecular/JHT– p. 11/3 Operaciones de simetría • Identidad: No hacer nada Notación: E Simetría molecular/JHT– p. 12/3 Operaciones de simetría • Identidad: No hacer nada Notación: E • Rotación por 2π/n grados alrededor de un eje en el sentido de las manecillas del reloj (n entero) Notación: eje Cn Simetría molecular/JHT– p. 12/3 Operaciones de simetría • Identidad: No hacer nada Notación: E • Rotación por 2π/n grados alrededor de un eje en el sentido de las manecillas del reloj (n entero) Notación: eje Cn Si una rotación deja a la molécula en coincidencia con ella misma, entonces un eje Cn es un elemento de simetría de la molécula Simetría molecular/JHT– p. 12/3 Operaciones de simetría • Identidad: No hacer nada Notación: E • Rotación por 2π/n grados alrededor de un eje en el sentido de las manecillas del reloj (n entero) Notación: eje Cn Si una rotación deja a la molécula en coincidencia con ella misma, entonces un eje Cn es un elemento de simetría de la molécula Notación: La aplicación sucesiva de k veces una rotación alrededor de un eje Cn se denota por Cnk Simetría molecular/JHT– p. 12/3 Ejemplos: H H H H N H ¿eje? Simetría molecular/JHT– p. 13/3 Ejemplos: H C H H H H H H N H ¿eje? H N C2 H H H ¿eje? Simetría molecular/JHT– p. 13/3 Ejemplos: H C H H H H ¿eje? H H N H ¿eje? H N C2 H H ¿eje? H C3 Simetría molecular/JHT– p. 13/3 Ejemplos: H C H H H H ¿eje? H C3 (4) H N H ¿eje? H N H H C2 ¿eje? H C3 ¿eje? Simetría molecular/JHT– p. 13/3 Ejemplos: H C H H H H ¿eje? H C3 (4) H N H ¿eje? H N H H C2 ¿eje? ¿eje? H C3 C2 , C3 , C6 Simetría molecular/JHT– p. 13/3 • Reflexión en un plano. Dos casos: ◦ El plano es perpendicular al eje principal de rotación Notación: σh Ejemplo: C6 H6 Simetría molecular/JHT– p. 14/3 • Reflexión en un plano. Dos casos: ◦ El plano es perpendicular al eje principal de rotación Notación: σh Ejemplo: C6 H6 ◦ El plano es paralelo al eje principal de rotación Notación: σv Ejemplos: H2 O, piridina, CH4 , NH3 y C6 H6 Simetría molecular/JHT– p. 14/3 • Rotación – reflexión (rotación impropia): Combinación de una rotación por 2π/n en el sentido de las manecillas del reloj seguida por una reflexión en un plano perpendicular a ese eje Notación: Sn Ejemplos: Etano alternado, metano: S2 S3 (4) Simetría molecular/JHT– p. 15/3 • Rotación – reflexión (rotación impropia): Combinación de una rotación por 2π/n en el sentido de las manecillas del reloj seguida por una reflexión en un plano perpendicular a ese eje Notación: Sn Ejemplos: Etano alternado, metano: S2 S3 (4) Además: Snk = σh Cnk Snk = Cnk k impar k par Simetría molecular/JHT– p. 15/3 • Inversión. La acción de mover un punto a lo largo de la línea que pasa el origen de tal forma que sus coordenadas cambian de signo. Notación: i Ejemplos: Fe Simetría molecular/JHT– p. 16/3 Resumen elemento de simetría (objeto geométrico) eje plano punto ... ... ... operación de simetría (acción) rotación reflexión inversión Simetría molecular/JHT– p. 17/3 Teoría de grupos Grupo: Un conjunto G = {a, b, . . .} y una operación binaria (multiplicación) forman un grupo si 1. a, b ∈ G → ab ∈ G 2. a(bc) = (ab)c 3. ∃ e ∈ G tal que ea = ae ∀a ∈ G 4. ∃ b ∈ G tal que ab = ba = e. El elemento b se llama el inverso de a y se denota por b = a−1 Simetría molecular/JHT– p. 18/3 Teoría de grupos Grupo: Un conjunto G = {a, b, . . .} y una operación binaria (multiplicación) forman un grupo si 1. a, b ∈ G → ab ∈ G 2. a(bc) = (ab)c 3. ∃ e ∈ G tal que ea = ae ∀a ∈ G 4. ∃ b ∈ G tal que ab = ba = e. El elemento b se llama el inverso de a y se denota por b = a−1 Grupo abeliano: Si ab = ba ∀a, b ∈ G se dice que el grupo es conmutativo o abeliano Simetría molecular/JHT– p. 18/3 Ejemplos: 1. N , el conjunto de numeros naturales con la operación suma no es un grupo Simetría molecular/JHT– p. 19/3 Ejemplos: 1. N , el conjunto de numeros naturales con la operación suma no es un grupo 2. Z el conjunto de los números enteros con la operación suma es un grupo infinito Simetría molecular/JHT– p. 19/3 Ejemplos: 1. N , el conjunto de numeros naturales con la operación suma no es un grupo 2. Z el conjunto de los números enteros con la operación suma es un grupo infinito 3. G = {1, −1, i, −i} con la operación multiplicación es un grupo finito Simetría molecular/JHT– p. 19/3 Ejemplos: 1. N , el conjunto de numeros naturales con la operación suma no es un grupo 2. Z el conjunto de los números enteros con la operación suma es un grupo infinito 3. G = {1, −1, i, −i} con la operación multiplicación es un grupo finito Tabla de multiplicar: 1 −1 i −i 1 1 −1 i −i −1 −1 1 −i i i i −i −1 1 −i −i i 1 −1 Simetría molecular/JHT– p. 19/3 Ejemplos: 1. N , el conjunto de numeros naturales con la operación suma no es un grupo 2. Z el conjunto de los números enteros con la operación suma es un grupo infinito 3. G = {1, −1, i, −i} con la operación multiplicación es un grupo finito Tabla de multiplicar: 1 −1 i −i 1 1 −1 i −i −1 −1 1 −i i i i −i −1 1 −i −i i 1 −1 ¿Cuál de estos grupos es abeliano? Simetría molecular/JHT– p. 19/3 Orden de un grupo: El número de elementos que éste contiene Ejemplos de grupos abstractos: • Grupo de orden 1: G = {e} Simetría molecular/JHT– p. 20/3 Orden de un grupo: El número de elementos que éste contiene Ejemplos de grupos abstractos: • Grupo de orden 1: G = {e} • Grupo de orden 2: G = {e, a} Nótese que aa ≡ a2 6= a pues aa = a → a = e Por lo tanto, a2 = e, a = a−1 Simetría molecular/JHT– p. 20/3 Orden de un grupo: El número de elementos que éste contiene Ejemplos de grupos abstractos: • Grupo de orden 1: G = {e} • Grupo de orden 2: G = {e, a} Nótese que aa ≡ a2 6= a pues aa = a → a = e Por lo tanto, a2 = e, a = a−1 Tabla de multiplicar : e a e e a a a e Simetría molecular/JHT– p. 20/3 Orden de un grupo: El número de elementos que éste contiene Ejemplos de grupos abstractos: • Grupo de orden 1: G = {e} • Grupo de orden 2: G = {e, a} Nótese que aa ≡ a2 6= a pues aa = a → a = e Por lo tanto, a2 = e, a = a−1 Tabla de multiplicar : e a e e a a a e Ejemplo: G = {1, −1} Simetría molecular/JHT– p. 20/3 • Grupo abstracto de orden 3: G = {e, a, b} Opciones para la operación binaria: ab = a o bien ab = e Simetría molecular/JHT– p. 21/3 • Grupo abstracto de orden 3: G = {e, a, b} Opciones para la operación binaria: ab = a Opción 1. ab = a → b = e o bien ab = e Por lo tanto, no es válida Simetría molecular/JHT– p. 21/3 • Grupo abstracto de orden 3: G = {e, a, b} Opciones para la operación binaria: ab = a Opción 1. ab = a → b = e Opción 2. ab = e o bien ab = e Por lo tanto, no es válida necesariamente Simetría molecular/JHT– p. 21/3 • Grupo abstracto de orden 3: G = {e, a, b} Opciones para la operación binaria: ab = a Opción 1. ab = a → b = e Opción 2. ab = e o bien ab = e Por lo tanto, no es válida necesariamente Tabla de multiplicar parcial: e a b e e a b a a b b e Simetría molecular/JHT– p. 21/3 • Grupo abstracto de orden 3: G = {e, a, b} Opciones para la operación binaria: ab = a Opción 1. ab = a → b = e Opción 2. ab = e o bien ab = e Por lo tanto, no es válida necesariamente Tabla de multiplicar parcial: e a b e e a b a a b b e Además: En una tabla de multiplicar cada renglón o columna contiene cada elemento del grupo sólo una vez pues: a b d c d ab = ac → b = c Simetría molecular/JHT– p. 21/3 Por lo tanto: Tabla de multiplicar del grupo de orden 3: e a b e e a b a a b e b b e a Simetría molecular/JHT– p. 22/3 Por lo tanto: Tabla de multiplicar del grupo de orden 3: e a b e e a b a a b e b b e a Nótese que: aa ≡ a2 = b y a3 = a2 a = ba = e Es decir, a genera los demás elementos del grupo (grupo cíclico) Simetría molecular/JHT– p. 22/3 • Grupo abstracto de orden 4: G = {e, a, b, c} Existen dos opciones para la tabla de multiplicación Simetría molecular/JHT– p. 23/3 • Grupo abstracto de orden 4: G = {e, a, b, c} Existen dos opciones para la tabla de multiplicación Opción 1: Grupo cíclico (ejercicio: construirlo) Simetría molecular/JHT– p. 23/3 • Grupo abstracto de orden 4: G = {e, a, b, c} Existen dos opciones para la tabla de multiplicación Opción 1: Grupo cíclico (ejercicio: construirlo) e a b c e e a b c a a b c e b b c e a c c e a b Simetría molecular/JHT– p. 23/3 • Grupo abstracto de orden 4: G = {e, a, b, c} Existen dos opciones para la tabla de multiplicación Opción 1: Grupo cíclico (ejercicio: construirlo) e a b c e e a b c a a b c e b b c e a c c e a b Opción 2 e a b c e e a b c a a e c b b b c e a c c b a e Grupos abelianos Simetría molecular/JHT– p. 23/3 Ejemplos: • Las raíces cúbicas de 1 con la operación multiplicación forman un grupo de orden 3 Simetría molecular/JHT– p. 24/3 Ejemplos: • Las raíces cúbicas de 1 con la operación multiplicación forman un grupo de orden 3 • Las rotaciones de un triángulo equilatero en un plano forman un grupo de orden 3 Simetría molecular/JHT– p. 24/3 Ejemplos: • Las raíces cúbicas de 1 con la operación multiplicación forman un grupo de orden 3 • Las rotaciones de un triángulo equilatero en un plano forman un grupo de orden 3 • G = {1, ı, −1, −ı} con la operación multiplicación forma un grupo de orden 4 Simetría molecular/JHT– p. 24/3 Ejemplos: • Las raíces cúbicas de 1 con la operación multiplicación forman un grupo de orden 3 • Las rotaciones de un triángulo equilatero en un plano forman un grupo de orden 3 • G = {1, ı, −1, −ı} con la operación multiplicación forma un grupo de orden 4 • Las siguientes matrices forman un un grupo con la operación de multiplicación matricial. ! ! ! 1 0 0 1 −1 0 0 1 −1 0 0 −1 0 −1 1 0 ! Simetría molecular/JHT– p. 24/3 Grupos Isomorfos: Aquellos que tienen la misma estructura; sólo difieren en los símbolos que usan G y G′ son grupos isomorfos si sus elementos pueden ponerse en correspondiencia uno a uno: a ↔ a ′ , b ↔ b′ , . . . ab = c → a′ b′ = c′ Simetría molecular/JHT– p. 25/3 Grupos Isomorfos: Aquellos que tienen la misma estructura; sólo difieren en los símbolos que usan G y G′ son grupos isomorfos si sus elementos pueden ponerse en correspondiencia uno a uno: a ↔ a ′ , b ↔ b′ , . . . ab = c → a′ b′ = c′ Ejemplo: • Los grupos Z , de los números enteros, y G = {. . . 2−2 , 2−1 , 20 , 21 , 22 , . . .} son isomorfos. Simetría molecular/JHT– p. 25/3 Grupos Isomorfos: Aquellos que tienen la misma estructura; sólo difieren en los símbolos que usan G y G′ son grupos isomorfos si sus elementos pueden ponerse en correspondiencia uno a uno: a ↔ a ′ , b ↔ b′ , . . . ab = c → a′ b′ = c′ Ejemplo: • Los grupos Z , de los números enteros, y G = {. . . 2−2 , 2−1 , 20 , 21 , 22 , . . .} son isomorfos. ։ Analiza cuáles de los grupos de la página anterior son isomorfos Simetría molecular/JHT– p. 25/3 Grupos puntuales • Son de interés los grupos cuyos elementos consisten en las operaciones de simetría correspondientes a una molécula • La operación de multiplicación o combinación es la realización de una operación de simetría seguida de otra • Satisfacen las propiedades de grupo Simetría molecular/JHT– p. 26/3 Grupos puntuales • Son de interés los grupos cuyos elementos consisten en las operaciones de simetría correspondientes a una molécula • La operación de multiplicación o combinación es la realización de una operación de simetría seguida de otra • Satisfacen las propiedades de grupo Casos: Dado que los elementos de simetría se intersectan en un punto, estos grupos se llaman grupos puntuales En moléculas: Estos no tienen un punto fijo pero tienen simetría traslacional y se llaman grupos espaciales En cristales infinitos: Simetría molecular/JHT– p. 26/3 Clasificación de grupos puntuales Tomado de: Group Theory and chemistry, D. M. Bishop, Dover Simetría molecular/JHT– p. 27/3 Diagrama de flujo Tomado de: Group Theory and chemistry, D. M. Bishop, Dover Simetría molecular/JHT– p. 28/3 Diagrama de flujo Tomado de: Group Theory and chemistry, D. M. Bishop, Dover Simetría molecular/JHT– p. 29/3 Ejemplos: 1. C2v = {E, C2 , σv , σv′ } Ejemplo: H2 O 2. C4 = {E, C4 , C42 = C2 , C43 } 3. C2h = {E, C2 , i, σh } 4. S4 = {E, S4 , C2 , S43 } Estos grupos son isomorfos Simetría molecular/JHT– p. 30/3 Ejemplos: 1. C2v = {E, C2 , σv , σv′ } Ejemplo: H2 O 2. C4 = {E, C4 , C42 = C2 , C43 } 3. C2h = {E, C2 , i, σh } 4. S4 = {E, S4 , C2 , S43 } Estos grupos son isomorfos • Escribe las tablas de multiplicar de los grupos C2h y C2v Simetría molecular/JHT– p. 30/3 Otro ejemplo: C3v = {E, σv , σv′ , σv′′ , C3 , C32 } Además: C32 = C3−1 Tabla de grupo: E σv σv′ σv′′ C3 C32 E E σv σv′ σv′′ C3 C32 σv σv E C3 C32 σv′ σv′′ σv′ σv′ C32 E C3 σv′′ σv σv′′ σv′′ C3 C32 E σv σv′ C3 C3 σv′′ σv σv′ C32 E C32 C32 σv′ σv′′ σv E C3 Simetría molecular/JHT– p. 31/3 Representaciones matriciales de grupos puntuales • Las matrices que representan a las operaciones de simetría de un grupo puntual tienen la misma tabla de multiplicar Simetría molecular/JHT– p. 32/3 Representaciones matriciales de grupos puntuales • Las matrices que representan a las operaciones de simetría de un grupo puntual tienen la misma tabla de multiplicar • Reemplazamos la geometría de las operaciones de simetría con el álgebra de matrices Simetría molecular/JHT– p. 32/3 Representaciones matriciales de grupos puntuales • Las matrices que representan a las operaciones de simetría de un grupo puntual tienen la misma tabla de multiplicar • Reemplazamos la geometría de las operaciones de simetría con el álgebra de matrices • Se considera el efecto de la operación de simetría sobre un vector de posición o sobre un conjunto de funciones base (por ejemplo en ℜ3 o en un espacio de funciones) Simetría molecular/JHT– p. 32/3 Representaciones matriciales de grupos puntuales • Las matrices que representan a las operaciones de simetría de un grupo puntual tienen la misma tabla de multiplicar • Reemplazamos la geometría de las operaciones de simetría con el álgebra de matrices • Se considera el efecto de la operación de simetría sobre un vector de posición o sobre un conjunto de funciones base (por ejemplo en ℜ3 o en un espacio de funciones) • Sea G un grupo. Una representación matricial D(G) de dimensiones n × n es un homomorfismo de G a D(G), donde: Homomorfismo: Dados dos grupos G y G′ , varios elementos de G pueden tener la misma imagen en G′ Simetría molecular/JHT– p. 32/3 Representaciones matriciales de operaciones de simetría • Identidad 1 0 0 D(E) = 0 1 0 0 0 1 Simetría molecular/JHT– p. 33/3 Representaciones matriciales de operaciones de simetría • Identidad 1 0 0 D(E) = 0 1 0 0 0 1 • Rotación de θ = 2π/n grados en el sentido de las manecillas del reloj alrededor del eje z : cos θ sen θ 0 D(Cn ) = −sen θ cos θ 0 0 0 1 La inversa de D(Cn ) se obtiene al sustituir θ por −θ: cos θ −sen θ 0 D(Cn )−1 = sen θ cos θ 0 0 0 1 Simetría molecular/JHT– p. 33/3 • Inversion −1 0 0 D(i) = 0 −1 0 0 0 −1 Simetría molecular/JHT– p. 34/3 • Inversion −1 0 0 D(i) = 0 −1 0 0 0 −1 • Reflexión en un plano horizontal y en uno vertical 1 0 0 D(σh ) = 0 1 0 0 0 −1 1 0 0 D(σv ) = 0 −1 0 0 0 1 Simetría molecular/JHT– p. 34/3 • Rotación impropia: Rotación alrededor del eje Cn seguida de reflexión en un plano horizontal 1 0 0 cos θ sen θ 0 D(Sn ) = 0 1 0 −sen θ cos θ 0 0 0 −1 0 0 1 cos θ sen θ 0 = −sen θ cos θ 0 0 0 −1 Simetría molecular/JHT– p. 35/3 Representaciones matriciales del grupo C2h En este caso θ = 2π/2 = π −1 0 0 D(C2 ) = 0 −1 0 0 0 1 Simetría molecular/JHT– p. 36/3 Representaciones matriciales del grupo C2h En este caso θ = 2π/2 = π −1 0 0 D(C2 ) = 0 −1 0 0 0 1 H Cl Cl H Simetría molecular/JHT– p. 36/3 Representaciones matriciales del grupo C2h En este caso θ = 2π/2 = π −1 0 0 D(C2 ) = 0 −1 0 0 0 1 H Cl Cl H Tabla de multiplicar del grupo: E C2 i σh E E C2 i σh C2 C2 E σh i i i σh E C2 σh σh i C2 E Simetría molecular/JHT– p. 36/3 Representaciones matriciales del grupo C2h En este caso θ = 2π/2 = π −1 0 0 D(C2 ) = 0 −1 0 0 0 1 Tabla de multiplicar del grupo: E C2 i σh E E C2 i σh C2 C2 E σh i H Cl Cl H Tabla de multiplicar de las representaciones matriciales: i i σh E C2 σh σh i C2 E D(E) D(E) D(E) D(C2 ) D(C2 ) D(i) D(i) D(σh ) D(σh ) D(C2 ) D(C2 ) D(E) D(σh ) D(i) D(i) D(i) D(σh ) D(E) D(C2 ) D(σh ) D(σh ) D(i) D(C2 ) D(E) Simetría molecular/JHT– p. 36/3 Representaciones matriciales del grupo C2h En este caso θ = 2π/2 = π −1 0 0 D(C2 ) = 0 −1 0 0 0 1 Tabla de multiplicar del grupo: E C2 i σh E E C2 i σh C2 C2 E σh i H Cl Cl H Tabla de multiplicar de las representaciones matriciales: i i σh E C2 σh σh i C2 E D(E) D(E) D(E) D(C2 ) D(C2 ) D(i) D(i) D(σh ) D(σh ) D(C2 ) D(C2 ) D(E) D(σh ) D(i) D(i) D(i) D(σh ) D(E) D(C2 ) D(σh ) D(σh ) D(i) D(C2 ) D(E) Verifica este resultado Simetría molecular/JHT– p. 36/3 Es decir, • El siguiente conjunto de operaciones de simetría es un grupo: C2h = {E, C2 , i, σh } • Las correspondientes representaciones matriciales forman un grupo: C2h = {D(E), D(C2 ), D(i), D(σh )} Simetría molecular/JHT– p. 37/3