И. С. Дмитриев, С. Г. Семенов

Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи

От авторов

За 50 лет существования квантовая химия достигла значительных успехов в объяснении физической природы химической связи, а также в определении физико-химических свойств разнообразных соединений. Круг вопросов, решаемых методами квантовой химии, в настоящее время так широк, что охватить его в небольшой книге невозможно. Поэтому авторы ограничились лишь объяснением природы химической связи и описанием ее структуры.

Большое внимание в книге уделено истории возникновения и развития квантовомеханической теории химической связи. Создание этой теории было подготовлено не только открытием квантовой механики, но и всем предыдущим развитием теоретических и методологических основ химии, которые в начале XX века находились в состоянии кризиса, отразившего как кризисную ситуацию в физике того времени, так и противоречия растущей физикализации химии.

Однако тот факт, что квантовая механика является основой современного учения о химической связи, ни в коей мере не исключает огромной роли классической теории химического строения в формировании квантовохимических представлений. Действительно, теория строения в совокупности с огромным экспериментальным материалом не только стимулировала создание, но и постоянно корректировала последующее развитие теории химической связи. Хотя такое воздействие иногда трудно заметить за обилием математических формул, как показывает исследование истории вопроса, ни одно рассмотрение структурно-химических проблем не обходилось без использования в той или иной мере эмпирических или полуэмпирических химических представлений.

Сказанное определило общую структуру книги: в гл. 1 рассмотрены доквантовомеханические модели молекул; в гл. 2 изложены некоторые концепции современной теории строения атома, причем основное внимание уделено тем, которые играли и играют существенную роль в молекулярной квантовой химии; в гл. 3 рассказано о возникновении и развитии квантовомеханической теории химической связи; гл. 4 посвящена анализу современных проблем квантовой химии, главным образом связанных с квантовомеханической интерпретацией понятий и представлений классической теории строения.

При изложении современных вопросов теории химической связи авторы использовали аппарат матрицы плотности, позволяющий наиболее просто и адекватно интерпретировать классические понятия валентности, атомного заряда и порядка связи в терминах квантовой механики.

Авторы благодарят профессора М. Г. Веселова за ценные замечания и помощь в работе.

Глава 1. Доквантовомеханические модели химической связи

Доквантовомеханические электронные теории ковалентной химической связи

Первые представления о химическом соединении как о целостном образовании, состоящем из противоположно заряженных частиц, находящихся в статическом равновесии, появились в начале прошлого века (Берцелиус, Дэви, Эрстед и др.). Однако в дальнейшем они не получили широкого признания. Экспериментальное открытие электрона Томсоном и Вихертом (1897 г.) создало предпосылки для появления первых электронных моделей атомов и молекул, т. е. началось выявление физического содержания понятий "химическая связь", "валентность", "структура" и т. п.

На развитие представлений о природе химической связи существенно повлияли физические открытия и теории, прежде всего теория атома Резерфорда — Бора. Следует отметить, что представления о природе химической связи, выдвинутые тем или иным исследователем в первой четверти XX в., существенно зависели от того, какую модель атома он принимал (или создавал). Поэтому все теории химической связи можно классифицировать по тому, какая модель [или какой тип модели: статический или динамический, резерфордовский (ядерный) или томсоновский] была положена в ее основу.

Можно выделить два типа моделей химической связи.

I тип. К нему можно отнести модели, созданные до появления теории Бора (1913 г.), и модели, созданные после 1913 г., но основанные на иных, не воровских, принципах описания структуры атома (например, статическая модель атома и молекулы Льюиса).

II тип. Модели, авторы которых пытались обобщить теорию Бора на молекулярных системах, можно разделить на две группы а) модели качественного характера (Фаулер, Сиджвик и др.); б) модели, включающие количественное описание структуры молекулярных систем, как правило, простейших (Н+2, Н_2), на основе уравнений Гамильтона-Якоби с учетом условий квантования Вора-Зоммерфельда (Ниссен, Паули, Борн и др.). Эти работы фактически показали неспособность полуклассической теории типа теории Бора объяснить природу химического взаимодействия.

Большинство работ качественного характера (I и II типов) связаны между собой некоторыми общими идеями, подобными тем, которые высказал Льюис в 1916 г.- обобществление электронов, идентификация валентного штриха с двумя электронами, признание фундаментальной роли правила октета.

История создания различных электронных моделей строения молекул детально описана в работах [5, 6, 13, 25], поэтому авторы данной книги затрагивают лишь наиболее важные идеи и обращают внимание на работы, не рассмотренные ранее в историко-научной литературе.

Теория ковалентной связи Льюиса

Впервые свои идеи о строении молекул американский физико-химик Джидьберт Ньютон Льюис опубликовал в 1916 г., хотя первые предположения он делал гораздо раньше, еще в 1902 г. Основное внимание ученый уделил вопросу природы химической связи в неполярных молекулах.* Сопоставив полярные и неполярные соединения, чтобы выяснить, является ли разница между ними "разницей по существу или только в степени", Льюис пришел к выводу: "...углубляясь в обозрение всей области химических явлений, мы вынуждены... сделать заключение, что разница между наиболее полярными и неполярными молекулами есть разница только в степени и что отдельная молекула и даже часть молекул могут переходить от одного крайнего типа к другому не путем внезапного и резкого изменения, а путем неуловимых градаций" [59, с. 767]. Созданная Льюисом модель химической связи позволила ему объяснить природу указанных различий. Перейдем теперь к ее рассмотрению.

Остановимся сначала на первых двух постулатах Льюиса.

1. "В каждом атоме есть некоторое ядро, остающееся неизменным при всех химических превращениях и обладающее некоторым избытком положительных зарядов, их число отвечает номеру той группы периодической таблицы, к которой относится элемент".

2. "Атом состоит из ядра и внешней части или оболочки, содержащей отрицательные электроны, число которых в случае нейтрального атома равно избытку положительных зарядов ядра; число электронов в оболочке может изменяться при изменении химической природы атома от 0 до 8" [59, с. 768].

Таким образом, мы видим, что Льюис признает наличие в атоме положительно заряженного ядра. Но заряд ядра у него численно равен номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, где находится рассматриваемый элемент, а не порядковому номеру последнего. Поэтому и число электронов в каждом периоде изменяется, согласно Льюису, от нуля до восьми. Кроме того, в пояснениях к приведенным постулатам он указывает, что первый из них "имеет дело с двумя частями атома, которые в общих чертах соответствуют внутренним и внешним кольцам атома Томсона" [59, с. 768]. Все это говорит о том, что четкого выбора между двумя моделями атома (резерфордовской и томсоновской) Льюисом сделано не было. Смысл, вкладываемый им в термин "ядро" (kernel), не тождествен тому смыслу, который придавали ему Резерфорд, Бор и их единомышленники, но очень близок к понятию "внутренняя часть атома", которое использовал Томсон при обсуждении своей модели. Это хорошо видно из заключительных фраз статьи Льюиса: "Основная трудность в изучении этих элементов[1] с помощью настоящей теории связана, как я полагаю, с тем фактом, что понятие ядра атома не является однозначно и твердо определенным. Вполне вероятно, что в этих элементах может происходить перенос электронов из одной части ядра в другую или между ядром и внешней оболочкой, или, возможно, между двумя отдельными внешними оболочками одного и того же атома..." [59, с. 785].

Рассмотрим теперь третий постулат. Он включает два предположения: 1) "Атом имеет тенденцию содержать четное число электронов в оболочке" и 2) восемь электронов "располагаются симметрично в восьми углах куба" [59, с. 768].

Льюис поясняет первую мысль следующими примерами: литий имеет один электрон (на поверхности атома), фтор — семь, следовательно, электронейтральная молекула фтористого лития может быть представлена в виде LiFEs, где Е — символ электрона. Аналогично для сульфата лития можно написать Li_2SО_4E_32, для аммиака NHeEs, Для нитрата натрия NaNО_3E_24 и т. п. Отсюда Льюис приходит к выводу, что "...если атом имеет высшую (или низшую) степень окисления (polar number), то Е будет кратно восьми. В соединениях, в которых атомы имеют промежуточные степени окисления, число электронов не обязательно кратно восьми, но почти всегда четное" [59, с. 770]. Например: SО_2 = SО_2E_18, NaOCl = NaOClE_14 и т. п.

Те соединения, у которых Е — нечетное, "обладают высокой активностью и имеют тенденцию переходить в соединения с четным числом электронов" [59, с. 770]. Например: NО = NOE_11, NО_2 = NО_2E_17 и т. п.

Теперь остановимся на второй части третьего постулата — идее расположения атомных электронов в углах куба. Льюис писал: "Главным соображением для принятия кубической структуры было то, что она является наиболее симметричным расположением восьми электронов, и в ней электроны наиболее удалены" [59, с. 779-780]. Иными словами, Льюис указывает на две разнородные причины принятия им кубической модели атома: соображения симметрии, которые выступают в данном случае как своеобразный эстетический принцип, и требование минимального отталкивания электронов. Однако попытки распространения кубической модели на ненасыщенные углеводороды показали, что, опираясь на эту модель, "невозможно не только представить тройную связь, но также объяснить явление свободного вращения относительно простой связи" [59, с. 780]. Это обстоятельство заставило Льюиса изменить свои первоначальные идеи, сохранив, однако, их "рациональное зерно". В поиске новых концепций ученый обращается к началу периодической системы: "...для элементов с меньшим атомным весом, чем литий, устойчивую группу образует пара электронов — появляется вопрос, нельзя ли вообще рассматривать за основную единицу (связи.- И. Д.) пару электронов, а не октет" [59, с. 779]. В дальнейшем, как известно, концепция электронной пары получила значительное развитие.

В литературе, посвященной истории структурной химии, можно встретить мнение о том, что доквантовые электронные теории "представляли собой попытку интерпретировать простую межатомную связь как жесткий элемент структуры, обусловленный целочисленностью валентных электронов и, по существу, исключивший вариации в энергиях связей" [16, с. 94].

Однако анализ работы Льюиса показывает, что это не совсем так. Обратимся, например, к пятому постулату: "Электроны могут с легкостью переходить из одного положения в наружной оболочке к другому, они удерживаются в своем положении более или менее напряженными (constraints) связями, и эти положения, а также прочность связей определяются природой данного атома и тех атомов, которые соединены с ним" [59, с. 768]. Эта мысль конкретизируется в другом месте статьи Льюиса, где он рассматривает гомоатомные молекулы галогенов: "электроны, которые осуществляют связь между двумя атомами йода, удерживаются более слабыми силами, чем в случае брома и т. д., во всей группе [59, с. 784]. Кроме того, для гетероатомных полярных молекул взаимное влияние атомов обусловлено по Льюису различным по величине притяжением электронной пары, осуществляющей химическую связь, к разным атомам, что выражается в различной полярности соединений. Рассматривая молекулу Н_2СlС-СООН, Льюис говорит о постепенном ослаблении "разделения электронов между атомами при удалении от атома хлора" [59, с. 782]. С помощью идей Льюиса многие американские и английские химики разработали в 20-х годах электронные модели взаимного влияния атомов. Так, например, в 1923 г. ученики Льюиса Латимер и Родебуш исследовали способность электроотрицательного атома изменять свойства соседних функциональных групп.

Как сказано в работе [16], рациональный химический динамизм связан не с механическим взглядом на атомы и молекулы, а с появлением представлений о неравноценности сил и энергий химической связи и вообще химического взаимодействия, в том числе взаимного влияния атомов [16, с. 93]. Поэтому нужно отметить, что теория Льюиса вовсе не исключает указанные идеи, и когда мы говорили о ней как о статической теории, это не следует понимать буквально — она статична по сравнению с теорией Н. Бора, но не в смысле "рационального химического динамизма".

С квантовохимической точки зрения понятно, почему гипотеза о статическом атоме (при отсутствии в нем орбитального движения электронов) в совокупности с предположением о взаимной проницаемости атомных оболочек (четвертый постулат) дала возможность качественно рассмотреть ковалентную связь. Действительно, согласно теореме Гельмана-Фейнмана, распределение электронной плотности в молекуле, определяемое одночастичной матрицей плотности ρ, таково, что силы, действующие на ядра, могут быть рассчитаны по законам классической электростатики суммированием вкладов от каждого элемента статического объемного заряда, "размазанного" в пространстве с плотностью ρ. Это обусловило впоследствии успех многих квантовохимических методов, особенно тех из них, в которых развивается квазиклассический подход к определению типа ядерного полиэдра молекулы, например модель Сиджвика и Пауэлла, развитая затем Гиллеспи и Найхолмом (подробнее см. [9]).

В 20-х годах была дана качественная трактовка реакций присоединения к насыщенным молекулам, структуры ряда комплексных соединений, а также в первом приближении объяснена природа водородной связи. Это удалось сделать с помощью выдвинутой Льюисом и развитой впоследствии Сиджвиком [78, 79] концепции неподеленной (свободной) электронной пары, способной образовывать химические связи.

Значение появления этой концепции трудно переоценить. Если в конце XIX — начале XX вв. для объяснения существования многих комплексных соединений и протекания реакций присоединения к насыщенным молекулам приходилось прибегать к искусственным представлениям о "дополнительных" (скрытых, побочных) валентностях, то с появлением модели Льюиса и концепции неподеленных электронных пар необходимость в подобных построениях отпала. По словам Сиджвика: "обе ветви химии — органическая и неорганическая — получили благодаря введению электронных представлений единый теоретический фундамент" [79, с. 468].

Развитие теории ковалентной связи Ленгмюром

Большая заслуга в разработке и пропаганде идей Льюиса принадлежит американскому физикохимику Ирвингу Ленгмюру. По образному замечанию американского историка химии М. Зальцмана: "если бы не Ленгмюр, то ключ к химической связи оказался бы надолго зарытым в химической литературе" [77].

Основные идеи своей работы [57] Ленгмюр выразил в одиннадцати постулатах, большая часть которых относится к строению электронной оболочки. Модель Ленгмюра, так же как и модель Льюиса, — электростатическая. Оба автора пытаются связать ее с ранней моделью Томсона. Но у теории Ленгмюра имеются некоторые преимущества, главное из которых — принцип заполнения электронных оболочек, которые Ленгмюр разбивает на "ячейки" (cells). В каждой ячейке может находиться не более двух электронов[2]. Следует заметить, что этот принцип заполнения электронных оболочек был распространен Ленгмюром на все известные тогда химические элементы. Но главное, что интересно в данной книге,- это его взгляд на природу химической связи. Ленгмюр выделяет два типа стабильных электронных конфигураций: электронную пару и октет. При образовании химической связи все валентные электроны участвуют в образовании октетов, либо переходя от одного атома к другому, либо путем образования общих электронных пар. Общее число электронов е, число октетов п и число электронных пар р, "удерживаемых сообща (hold... in common) октетами", Ленгмюр связал формулой 2р = 8т — е.

На рис. 1 показаны некоторые схемы электронного строения молекул, взятые из работы [57].

Рис. 1. Электронные модели молекул по Ленгмюрум. а — молекулы СО_2 и F_2, б — молекула N_2

Особого внимания заслуживает десятый постулат Ленгмюра, точнее, его вторая часть: "В исключительных случаях октет может образовываться около сложного ядра, т. е. около структуры, содержащей ядра двух атомов, удерживаемых вместе парой электронов" [57, с. 888].

Примером такого "исключительного случая" является молекула азота. Необычайная стабильность и химическая инертность этой молекулы была объяснена Ленгмюром тем, что она имеет следующее электронное строение: каждое ядро атома удерживает пару электронов первой оболочки (т. е., говоря современным языком, 1s-электроны не принимают участия в химической связи); восемь из оставшихся десяти электронов образуют октет (см. рис. 1,б), внутри которого, между ядрами азота, находятся два электрона.

В этой же работе Ленгмюр впервые сформулировал принцип изоэлектронности (по его терминологии "изостерности"). В качестве одного из примеров изоэлектронных серий был рассмотрен ряд молекул: N_2, СО и CN-. Способ описания молекулы СО и аниона CN- такой же, как и молекулы N_2. В указанном отрывке из 10-го постулата и приведенных примеров можно видеть начало принципиально нового способа описания молекул, которому в квантовой химии соответствует метод молекулярных орбиталей. Разумеется, речь идет не о детальном сходстве, а об аналогии в самой постановке задачи изучения электронной структуры молекулы. Суть этой аналогии заключается в том, что и в методе молекулярных орбиталей (МО), и в отдельных построениях Ленгмюра молекула рассматривается как "многоядерный атом", т. е. допускается, что при решении молекулярной задачи можно применить принципы, подобные тем, которые используются в теории атома при анализе заполнения электронных оболочек атомов элементов.

Чтобы пояснить эту мысль, обратимся снова к работе Ленгмюра. Наиболее стабильная восьмиэлектронная оболочка атомов инертных газов представлялась ему, как и Льюису, кубом, в вершинах которого находятся электроны. С другой стороны, Ленгмюр в отличие от Льюиса рассматривает и такие модели молекул (они указаны выше), в которых последние "устроены" наподобие атомов инертных газов, т. е. оба ядра и внутренние электроны окружены октетом электронов, аналогичным октету электронов второй (L) оболочки атома.

В методе МО предполагается, что электроны находятся на орбиталях, охватывающих все ядра в молекуле. Электроны молекулы распределяются при этом по молекулярным орбиталям с учетом принципа минимума энергии и ограничений, налагаемых запретом Паули, что аналогично принципу построения электронных оболочек в теории атома.

При использовании изоэлектронного принципа Ленгмюра в тех случаях, когда речь шла о молекулах с общим октетом электронов, возникали некоторые трудности. Так, молекулы CN, СО и N_2, NO должны иметь соответственно один, два и три валентных электрона, не ггри надлежащих к первой (К) оболочке, но заключенных внутри октета. Как заметил Малликен: "...с этой точки зрения, эти молекулы должны быть подобны атомам Na, Mg и Al. Однако никакой аналогии в их химическом поведении не видно. По химическим свойствам молекула CN похожа скорее на Сl, чем на Na, (...), a N_2 — на аргон, чем на Mg" [65, с. 188].

Однако в 1925 г. Малликен обратил внимание на сходство электронного спектра молекулы CN и ряда других изоэлек-ронных ей систем с одним валентным электроном в октете (СО+, N_2+, ВО и др.) со спектром Na "в отношении природы и расположения электронных уровней".

В 1926 г. Бердж показал, что электронные уровни молекул СО и N_2 аналогичны уровням Mg. Подмеченные аналогии получили затем толчком к созданию метода МО (см. гл. 3).

Таким образом, при сопоставлении идей Льюиса (1916 г.) с идеями Ленгмюра (1919 г.) можно прийти к следующему выводу: еще до возникновения квантовой химии в недрах электронных теорий наметились два подхода к изучению электронного строения молекулы. В рамках одного из них связь между атомами осуществляется общей электронной парой (Льюис), что нашло затем свое квантовомеханическое отражение в приближении идеального спаривания метода валентных связей (ВС). Другой подход (Ленгмюр) допускает обобществление большего числа электронов, при этом на молекулы переносится принцип, аналогичный принципу заполнения электронных оболочек атома, что, будучи переведенным на современный язык, соответствует основной идее метода МО[3].

Динамические модели ковалентной связи

Характерная черта динамических моделей химической связи состоит в том, что их авторы старались найти такие траектории движения электронов в молекулах (причем рассматривались, как правило, простейшие системы: Н+2, Н_2), при которых между ядрами существовал бы некоторый эффективный отрицательный заряд. При этом модели молекул строились исходя из принятой модели атома, изоэлектронного данной молекуле. Например, орбиты электронов в молекуле Н2 определялись авторами путем мысленного расщепления ядра гелия на два ядра водорода и адиабатического разведения последних на расстояние, соответствующее длине химической связи в молекуле водорода.

При определении энергетической последовательности молекулярных термов Хунд и Малликен использовали аналогичный прием (правда, они рассматривали два крайних случая: "объединенного" и "разделенных" атомов). Получаемые в доквантовомеханических теориях электронные траектории отличались (иногда существенно!) друг от друга. Так, Н. Бор предложил в 1913 г. модель молекулы водорода, согласно которой ядра находятся в полюсах эллипсоида, а два электрона вращаются по его малому экватору (т. е. плоскость вращения перпендикулярна линии, проходящей через ядра). При вращении электроны находятся всегда в диаметрально противоположных положениях. Кинетическая энергия Екин = hω/2 (где ω — частота вращения) квантуется, так как квантуется момент импульса системы, а следовательно, и частота ω.

Другая динамическая модель молекулы Н_2 была предложена Ленгмюром в 1920 г., согласно которой электроны совершают колебательные движения по незамкнутым траекториям (рис. 2, а).

Рис. 2. Динамические модели молекулы водорода; а — по Ленгмюру; б — по Бору-Кэмблу-Паули (модель 'перекрещивающихся орбит'); в — по Зоммерфельду-Гейзенбергу

Довольно распространенной в начале 20-х годов была модель "перекрещенных" орбит (crossed-orbit model), рассмотренная в работах Кэмбла, Бора, Паули, Борна, Ниссена, Ван Флека и Крамерса. Траектории электронов в атоме Не и в молекуле Н_2, постулированные в такой модели, показаны на рис. 2, б. Расчеты Ван Флека и Крамерса показали, что орбиты должны перекрещиваться под углом 57,7°-58,2°, кроме того, существует прецессия орбит вокруг оси z. В ионе Н+2 электрон может двигаться по обеим орбитам попеременно. Квантовые условия Бора-Зоммерфельда требуют при этом, бы результирующий момент импульса системы равнялся h/2π и ее средняя кинетическая энергия была h(ωn+1/2 ωk), где ωn — круговая частота обращения электрона по n-й орбите, а ωк — частота прецессии k-й орбиты вокруг оси z.

Кроме указанных, были предложены и другие модели, напимер, Зоммерфельда и Гейзенберга ("модель проникающих эллипсов") (рис. 2, в). Однако детальный расчет движения электронов в этом случае показал, что должна иметь место прецессия орбит, в результате которой, согласно замечанию Паули, электроны должны падать на ядро Не (или водорода, если речь идет о молекуле Н_2).

Все приведенные выше динамические модели имели один существенный недостаток — при детальном анализе оказывалось, что они не могут объяснить устойчивости молекулы, хотя были использованы правила квантования Бора-Зоммерфельда или их модификации. Это наводило на мысль, что существующая квантовая теория не может объяснить электронное строение молекул. По образной характеристике Джаммера, "старая квантовая теория представляла собой жалкую смесь гипотез, принципов, теорем и вычислительных рецептов, а не логически последовательную теорию. Каждая квантовотеоретическая проблема сначала решалась в терминах классической физики, а затем это классическое решение проходило сквозь таинственное решето квантовых условий или, как это происходило в большинстве случаев, классическое решение переводилось согласно принципу соответствия на квантовый язык. Обычно процесс осуществления "корректного перевода" был предметом искусного гадания и интуиции, а не дедуктивного и систематического вывода. Фактически квантовая теория была областью особого мастерства и даже артистической техники, которая была развита до наивысшей возможной степени совершенства в Геттингене и в Копенгагене. Короче говоря, квантовая теория не обладала двумя существенными особенностями зрелой научной теории: концептуальной автономией и логической согласованностью" [56, с. 196].

Только с возникновением квантовой механики создались предпосылки для реального решения проблем химической связи и валентности. Но чтобы лучше представить себе тот сложный исторический путь, который вел от классической теории химического строения через электронные концепции к созданию квантовохимических методов, мы остановимся на попытках некоторых ученых построить формально-математическую модель, способную передать основные положения классической структурной химии.

Математические модели молекул

С тех пор как химия встала, по выражению Ф. Энгельса, "с головы на ноги", т. е. на научную основу, она так или иначе стала обращаться к математике как к наиболее универсальному языку для выражения своих законов, понятий и представлений. Особенно широкое применение математических методов в химии стало возможным после создания статистической термодинамики, феноменологической кинетики и т. п. Однако со второй половины прошлого века некоторые математики обращаются к химии, пытаясь найти корреляции между математическими структурами и теориями химии, в частности теорией химического строения. К сожалению, эта линия в истории химии, а точнее, в истории связей между химией и математикой, до сих пор оказывалась вне поля зрения историков науки. Поэтому необходимо остановиться на ней отдельно, тем более, что исследования, проводимые на стыке математики и химии в прошлом столетии, повлияли на развитие теории спин-валентности.

В XIX в. в естествознании стали складываться такие ситуации, когда сначала разрабатывался математический аппарат, а уже потом начинались поиски или "случайно" находились его внематематические интерпретации. Клейн писал в "Эрлангенской программе": "... не следует умалять значение того преимущества, которое дает хорошо выработанный формальный аппарат для дальнейших исследований тем, что он до известной степени опережает мысль..." [15, с. 428].

Хронологически первой математической работой в области структурной химии была работа английского математика Артура Кэли [32], который пытался решить задачу о подсчете числа изомеров парафинов с заданным числом атомов углерода. При этом валентность атома выступала как степень вершины графа (точнее, дерева), который математически представлял химическое соединение, а именно: единица — для атома водорода и четыре — для атома углерода. Заметим, что значение валентности отнюдь не выводилось из каких-либо математических соображений, а постулировалось (вводилось в теорию) на основании химических данных. Спустя четыре года появились работы английских математиков Сильвестра [81] и Клиффорда [34], посвященные подмеченной ими формальной аналогии между соотношениями и понятиями теории химического строения и начавшей тогда развиваться алгебраической теории инвариантов. Мы не будем останавливаться подробно на этих исследованиях, а ограничимся только теми аспектами, которые оказались "математическими предвестниками" теории спин-валентности.

Каждому атому X, Y, ... в рамках указанной формальной аналогии сопоставлялся некоторый двумерный вектор, например:

Тогда можно образовать некоторую алгебраическую форму F(X, Y,...), в которую векторы X, Y,... входят в соответствующих целых неотрицательных степенях VX, VY ,..., причем VI сопоставляется с валентностью 1-го атома. Эта форма остается инвариантной относительно унитарного преобразования компонент (х+, х-), (у+, у-) и т. п.[4]

Для двух векторов (двух атомов) X и Y простейшим инвариантом будет следующее выражение: которому формально сопоставлялась единичная химическая связь и которое первоначально называли одночленным инвариантом. Одночленным инвариантам давалась следующая графическая интерпретация: если X и Y обозначить точками на плоскости, то [XY] представляет собой отрезок, соединяющий эти точки.

Далее, математически можно ввести также некоторый "свободный" вектор L. Не вдаваясь в подробности, касающиеся математических свойств L, можно указать, что графически одночленному инварианту, составленному из L и одного из "обычных" векторов," например X, соответствует направленный отрезок, начало которого лежит в точке X, а конец остается свободным X → L. Выражение [XL] можно интерпретировать как свободную валентность атома X.

Если между атомами X и Y существует несколько химических связей, например k, то математически этому случаю соответствует выражение [XY]k. Аналогично целое неотрицательное число f в выражении [XL]f указывает на число свободных валентностей атома X.

Произведению инвариантов, не содержащих свободного вектора, можно сопоставить некоторую классическую структурную формулу. Однако не все произведения одночленных инвариантов, составленные для совокупности атомов с заданными валентностями, будут независимы. Поясним сказанное примером молекулы бензола, в которой каждый из атомов углерода образует по одной связи с двумя соседними атомами углерода и ближайшим атомом водорода. Так как, согласно классической теории, углерод четырехвалентен, то необходимо рассмотреть возможные сочетания оставшихся нереализованными шести единиц валентности по одной от каждого углеродного атома.

Можно составить довольно много всевозможных произведений одночленных инвариантов:

но только пять из них являются линейно независимыми (например, I, V, VI, VII и VIII). Оставшиеся инварианты можно представить в виде линейной комбинации этих пяти, в частности:

Выбранным линейно независимым инвариантам соответствуют структуры, изображенные на рис. 3. Первые две из них называются структурами Кекуле, остальные три — структурами Дьюара.

Исследования "химико-алгебраической аналогии", начатые Сильвестром и Клиффордом, были затем продолжены в работах по теории инвариантов В. Г. Алексеева [1, 45]. Различаясь по способу математической интерпретации постулатов теории химического строения, эти работы оказались сходными в трактовках понятий валентности и химической связи, которые обладали следующими особенностями: а) валентность того или иного элемента определялась из химических, а не из математических соображений; б) валентность явно или неявно выступала как сумма кратностей связей, образуемых данным атомом с другими, причем единичной химической связи между атомами X и Y соответствовал одночленный инвариант [XY].

Указанная аналогия была скептически встречена некоторыми математиками (Нетер, Штуди). Штуди, например, писал, что "было бы слишком фантастическим ожидать, будто химия когда-либо извлечет пользу из этой ветви алгебры". Однако появлением квантовой механики положение изменилось. Если в XIX — начале XX вв. речь шла, по словам Вейля, "о исто формальной, хотя и очень впечатляющей математической аналогии", то в конце 20-х годов говорится уже о "существеннейшем звене в квантовомеханической теории химической связи, которой указанная аналогия имеет ... удивительно конкретное воплощение" (Вейль).

Выше мы рассмотрели основные направления теоретических исследований, которые подготовили почву для перехода от классической теории химического строения к квантовомеханической. Итак, можно выделить два подготовительных этапа создания квантовой теории химической связи. Первый, формально-математический, включает работы 1870 г.- 1900-х гг. (Кэли, Сильвестр, Клиффорд, Гордан, В. Г. Алексеев), в которых были предприняты попытки построения математических моделей молекул, основанные на теории инвариантов бинарных форм и теории химического строения. Второй подготовительный этап, электронный (1900-1926 гг.), включает работы, посвященные созданию электронных (как статических, так и динамических) моделей атомов и молекул.

При этом на обоих подготовительных этапах каждой ковалентной связи (валентному штриху) сопоставлялись некоторые дискретные объекты: либо это были компоненты двумерных векторов в формально-математических моделях, либо — отдельные электроны, занимающие определенные положения в атомах и молекулах (статические модели) или же двигающиеся по определенным траекториям (динамические модели). Как в математических, так и в физико-химических работах содержались рациональные идеи, вошедшие после соответствующей кванто-вомеханической интерпретации в квантовую химию: идея двухцентровой двухэлектронной связи (Льюис), возможность обобществления нескольких электронов вокруг двух и большего числа ядер (Ленгмюр), идея неподеленной электронной пары (Льюис, Сиджвик), разделение электронных и ядерных движений (Вор, Ван Флек, Зоммерфельд и др.), идея одноэлектронного приближения (Бор), сопоставление ковалентной связи некоторого математического выражения [XY], антисимметричного относительно перестановки своих компонент (Сильвестр, Алексеев и др.) и т. п.

Рис. 3. Линейно-независимые инварианты и соответствующие им структуры бензола

Создание в 1925-1926 гг. квантовой механики позволило глубоко проникнуть в сущность явлений и процессов, протекающих в атомах и молекулах, выявить физический смысл понятия химической связи и других понятий классической химии.

В конце 20-х годов были установлены общие квантовомеханические принципы и приближения, необходимые для описания многоэлектронных систем. Как и в период разработки электронных моделей (1900-1926 гг.) строения вещества, каждая квантовомеханическая модель химической связи существенно опиралась на квантовомеханическую (шредингеровскую) модель атома. На протяжении всей последующей эволюции теории многоэлектронных систем указанная взаимосвязь между теорией атома и теорией молекул сохранялась. Поэтому прежде чем приступить к рассмотрению основных этапов развития молекулярной квантовой химии и некоторых ее современных проблем, в следующей главе мы остановимся на основных понятиях и представлениях квантовой теории строения атома.

Глава 2. Квантовомеханическое описание строений атома

В настоящей главе кратко изложены некоторые результаты квантовомеханической теории строения атома, причем основное внимание уделено тем ее аспектам, которые представляют интерес для теории химической связи.

Некоторые особенности квантовомеханического описания явлений микромира

В квантовой механике состояние N-электронной системы описывается волновой функцией зависящей от пространственных координат (ri) и спиновых переменных (σi) всех электронов. Эта функция должна удовлетворять уравнению Шредингера

(2.1)

где — оператор Гамильтона (гамильтониан), определяющий рассматриваемую систему и для атома с зарядом ядра Z,имеющий вид

(2.2)

Не следует думать, что любое решение уравнения Шредингера (2.1) имеет физический смысл. В действительности на функцию Ψ накладываются определенные ограничения. В частности, для связанных состояний с дискретным спектром Е должно выполняться условие нормировки:

(2.3)

Для многоэлектронных систем чрезвычайно важным является требование антисимметричности волновой функции относительно перестановок тождественных частиц (электронов):

(2.4)

Одним из следствий этого требования, называемого принципом Паули, является то, что для трех и большего числа электронов основным состоянием не будет состояние с наименьшим собственным значением гамильтониана, так как последнему соответствует не имеющая физического смысла симметричная волновая функция.

Значение принципа Паули в теории химической связи исключительно велико, и мы в дальнейшем неоднократно будем к нему обращаться. Сейчас отметим только, что любую антисимметричную N-электронную функцию Ψ можно представить в виде линейной комбинации так называемых "детерминантов Слэтера", составленных из одноэлектронных волновых функций (спин-орбиталей):

(2.5)

где

(2.6)

и индекс I при детерминанте Слэтера ΦI обозначает определенную совокупность ортонормированных спин-орбиталей ψi(rσ), которая называется спин-орбитальной конфигурацией.

В общем случае в разложение многоэлектронной волновой функции входит бесконечно много детерминантов Слэтера. Часто ограничивают это разложение одним или несколькими детерминантами. Качество такой аппроксимации зависит от качества включенных в ΦI спин-орбиталей. Наилучшие спин-орбитали получаются в методе самосогласованного поля Хартри-Фока, на котором мы подробно остановимся в третьей главе.

Электронные конфигурации атомов, термы и тонкая структура энергетических уровней

Атомные спин-орбитали, описывающие одноэлектронные состояния в атоме, приближенно (без учета спин-орбитального взаимодействия) можно представить в виде произведения бесспиновой одноэлектронной волновой функции, называемой орбиталью, на одноэлектронную спиновую функцию, которая является собственной функцией оператора проекции собственного момента импульса электрона

(2.7)

Собственные функции η(σ), соответствующие положительному cобственному значению обозначаются как α(σ), a отрицательному

Слэтеровский детерминант, составленный из N спин-орбиталей, является N-электронной функцией, удовлетворяющей принципу Паули и соответствующей определенным проекциям N-электронных орбитального и спинового моментов, определяемых квантовыми числами ML и MS. Однако однодетерминантная волновая функция не обязательно будет собственной для операторов квадрата полного орбитального и полного спинового моментов. Собственные функции этих операторов представляются линейными комбинациями детерминантов Слэтера, соответствующих одним и тем же значениям квантовых чисел в пределах выбранной конфигурации.

Под электронной конфигурацией атома понимается определенное распределение электронов по nl-оболочкам:

(2.8)

Каждая (nрlр)-оболочка представляет набор спин-орбиталей, из которых νp заселены, т. е. включены в детерминант Слэтера. Эти νp спин-орбитали можно выбрать из (nрlр)-оболочки способами. Следовательно, конфигурации К соответствует однодетерминантных функций, причем их число определяется фактически лишь незамкнутыми оболочками, для которых νp<. Например, для конфигурации ls^22s^22p^2 атома углерода можно построить детерминантов. Из них можно составить далее 15 линейных комбинаций, соответствующих определенным значениям квантовых чисел L и S и образующих атомные термы.

Термом называется совокупность многоэлектронных функций определенной конфигурации, характеризующаяся общими для; всех функций терма значениями квантовых чисел полных орбитального и спинового моментов (L и S). Отдельные волновые функции терма различаются по квантовым числам проекций указанных моментов (ML и MS). Если не принимать во внимание взаимодействие орбитального и спинового моментов, то все волновые функции терма отвечают одному и тому же (2L + 1)(2S + 1) — кратно вырожденному энергетическому уровню атома. Спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению этого вырожденного уровня на уровни тонкой структуры, характеризуемые квантовым числом полного спин-орбитального момента J. Поправка на спин-орбитальное взаимодействие определяется приближенным выражением

(2.9)

из которого следует правило Ланде для константы спин-орбитального взаимодействия

(2.10)

Легко убедиться, что

(2.11)

т. е. энергия терма равна средневзвешенному значению энергетических уровней тонкой структуры:

(2.12)

Согласно правилам Хунда, энергия EKLS,J будет наименьшей, если: 1) квантовое число S максимально; 2) при равных S максимально квантовое число L; 3) при равных S и L квантовое число J максимально при AKLS<0 и минимально при AKLS> 0.

В качестве примера использования правил Хунда рассмотрим структуру энергетических уровней атома углерода для конфигурации ls^22s^22p^2 (рис. 4). Из пятнадцати однодетерминантных шестиэлектронных функций этой конфигурации можно составить девять функций терма 3Р (L = 1 и S = 1), пять функций терма 1D (L = 2 и S = 0) и единственную функцию терма 1S (L = 0 и S = 0). Наименьшей энергии отвечает терм 3Р, обладающий максимальной мультиплетностью по спину. За ним следует терм 1D, поскольку он характеризуется большим значением квантового числа L, чем терм 1S, при равной спиновой мультиплетности.

Рис. 4. Структура энергетических уровней атома углерода

Спин-орбитальное взаимодействие приводит к расщеплению лишь терма 3Р, так как для остальных термов полный спиновый момент равен нулю (а мультиплетность — единице). Для терма 3Р константа А > 0 и, следовательно, уровни тонкой структуры этого терма возрастают в последовательности 3Р_0, 3P_1, 3Р_2, где нижний индекс указывает значения квантового числа J.

Строго говоря, орбитальные энергии εnl различны для разных термов одной конфигурации. Согласно расчету Клементи, атомным орбиталям 1s^22s^22p^2-конфигурации углерода в зависимости от терма соответствуют анергии εnl (в атомных единицах):

Таким образом, расстояние между энергетическими уровнями 2s- и 2p-АО при переходе от терма 3Р к терму 1S увеличивается почти на 0,16 ат. ед., что соответствует 4,3 эВ или 98 ккал/моль.

В большей степени орбитальные энергии зависят от атомной конфигурации. Эту зависимость можно показать на примере рассмотренной выше 1s^22s^22p^2-конфигурации и возбужденных 1s^22s^22p^3- и 1s^22р^4-конфигураций атома углерода [70]. Из множества термов, соответствующих этим конфигурациям, выберем термы 3Р и 1D:

Под полной электронной энергией атомной конфигурации следует понимать средневзвешенное значение энергии ее термов:

(2.13)

Было бы ошибкой отождествлять энергию конфигурации с суммой орбитальных энергий

(2.14)

Эта величина, как и орбитальные энергии, определяется не только конфигурацией, но и термом атомного состояния. Кроме того, Eoрб составляет лишь часть, причем меньшую часть, полной электронной энергии термов.

По мере увеличения заряда атомного ядра погрешности, связанные с пренебрежением одноэлектронным спин-орбитальньм взаимодействием, увеличиваются, и приходится учитывать расщепление каждой (nl)-оболочки на две подоболочки, различаю щиеся новым спин-орбитальным квантовым числом j:

При этом атомные спин-орбитали уже не могут быть представлены как произведение орбитали и спиновой функции (α или β), и конфигурация атома характеризуется распределением электронов по (nlj)-оболочкам:

Рис. 5. Структура энергетических уровней атома свинца

Многоэлектронные волновые функции, соответствующие уровням тонкой структуры, строятся в этом приближении, называемом приближением j-j-связи, непосредственно из детерминантов "расщепленной" конфигурации.

Схему j-j-связи иллюстрирует пример атома свинца, основная конфигурация которого (...6s^26p^2) аналогична основной конфигурации атома углерода (...2s^22p^2), но существенно отличается от последней структурой энергетических уровней (рис. 5)

Следует подчеркнуть, что выбор квантовых чисел, определяющих состояние атома, зависит от того, в каком приближении мы его рассматриваем. Так, без учета спин-орбитального взаимодействия состояние атома характеризуется квантовыми числами L и S. Однако при учете этого взаимодействия уже нельзя говорить о сохранении орбитального и спинового моментов по отдельности, и соответствующие им квантовые числа L и S не будут более "хорошими" квантовыми числами. Вместо них следует использовать квантовое число J, характеризующее полный спин-орбитальный момент импульса, который в этом приближении будет сохраняться. В то же время если спин-орбитальное расщепление энергетических уровней достаточно мало, можно установить соответствие между уровнями тонкой структуры и определяемыми в более грубом приближении энергетическими уровнями термов. Точно так же для тяжелых атомов квантовое число l, характеризующее одноэлектронный орбитальный момент импульса, перестает служить "хорошим" квантовым числом, лишь только мы учитываем спин-орбитальное взаимодействие на одноэлектронном уровне.

Атомные орбитали и их графическое представление

Рассмотрим атом водорода — простейший из атомов, включающий лишь один электрон, который взаимодействует с ядром по закону Кулона. Задача определения электронных состояний атома водорода (квантовомеханическая проблема Кеплера) — одна из немногих задач квантовой механики, имеющих точное аналитическое решение. Такая возможность обусловлена тем, что в этом случае гамильтониан допускает разделение переменных в сферической системе координат (r, υ, φ), т. е. орбиталь ψ, описывающая движение электрона в поле ядра, может быть представлена в виде произведения трех функций и каждая из них зависит только от одной независимой переменной:

(2.15)

При этом орбиталь ψnlm характеризуется тремя квантовыми числами: n, l и m (табл. 1).

Таблица 1. Атомные орбитали атома водорода для n = 1, 2, 3

Квантовое число l, целое и неотрицательное, определяет орбитальный момент импульса электрона, точнее его квадрат: l(l + 1).

Квантовое число m, целое и не превышающее по абсолютной величине l, представляет проекцию орбитального момента импульса на произвольно выбранную ось квантования z.

Главное квантовое число n нумерует орбитальную энергию εn в порядке возрастания:

(2.16)

Характерным для атома водорода является то, что энергия εn не зависит от квантового числа орбитального момента импульcа и определяется главным квантовым числом n:

(2.17)

Для многоэлектронных атомов проблема усложняется. Хотя одноэлектронное приближение и сферическая модель самосогласованного поля позволяют произвести разделение переменных r, υ, φ и в этом случае, точное аналитическое выражение для радиальных функций R(r), к сожалению, не получается. Они определяются в приближении самосогласованного поля решением уравнений Хартри-Фока (см. гл. 3). Соответствующие орбитальные энергии εnl зависят как от главного, так и от орбитального квантовых чисел, причем главное квантовое число n нумерует εnl с фиксированным l в порядке возрастания целыми числами, начиная с (l + 1).

Радиальная зависимость орбиталей в многоэлектронных атомах может быть довольно сложной, но их узловая структура подобна узловой структуре орбиталей атома водорода: радиальная функция Rnl(r) характеризуется (n-l-1) узлом, т. е. обращается в нуль при (n-l-1) конечном значении r > 0.

Графическое представление радиальных функций. Для графического представления радиальных функций используется либо график самой функции Rnl(r), либо график соответствующей ей плотности вероятности локализации электрона на расстоянии r от атомного ядра:

(2.18)

причем функция ρnl(r) нормирована на единицу:

(2.19)

Следует отметить, что в соответствии с условием формировки сферических функций интегрирование по углам υ и φ не приводит к появлению множителя 4π, который иногда ошибочно включается в выражение для ρnl(r).

Примеры графического представления радиальных функций приведены на рис. 6.

Рис. 6. Графическое представление радиальных функций

Графическое представление угловой зависимости атомных орбиталей. Для графического представления сферических функций

(2.20)

используются полярные диаграммы, т. е. графики функций

(2.21)

в сферической системе координат.

Полярная диаграмма описывает распределение вероятности локализации электрона по направлениям, заданным углами υ и φ. Легко видеть, что полярные диаграммы аксиально симметричны, если атомные орбитали характеризуются определенными значениями квантового числа m, т. к. в этом случае их зависимость от угла должна иметь вид

и

(2.22)

На рис. 7 приведены сечения полярных диаграмм плоскостью yz. Полные поверхности получаются вращением их вокруг оси z.

">

Рис. 7. Полярные диаграммы

Изовероятностные поверхности. Соответствующее атомным орбиталям распределение плотности вероятности локализации электрона в определенной точке трехмерного пространства может характеризоваться семейством изовероятностных поверхностей (или поверхностей равной вероятности), определяемых уравнением

(2.23)

где С — некоторая константа.

В частности, распределение электронной плотности, соответствующее ns-орбитали, описывается одной или несколькими (в зависимости от значения главного квантового числа n и конкретного значения константы С) концентрическими сферами: для 1s — одна сфера радиуса n(С), для 2s — либо одна сфера радиуса r_1(C)(C_2< C≤ C_1), либо две сферы радиусов r_1(C) и r_2(C)(С = С_2), либо три сферы радиусов r_1(С), r_2(С) и r_3(С)(0<С<С_2) (рис. 8).

Рис. 8. К определению изовероятностных поверхностей для 2s-АО

В качестве других примеров на рис. 9 приведены изовероятностные поверхности для 1s-, 2s-, 2p-, 3s-, 3p- и Зd-орбиталей атома водорода.

Вещественные атомные орбитали. До сих пор мы рассматривали комплексные атомные орбитали, характеризующиеся определенными значениями проекции орбитального момента импульса. Однако в квантовой химии часто используют вещественные комбинации таких орбиталей, определяемые по формулам

(2.24)

(2.25)

Здесь индекс μ = |m| уже не имеет смысла проекции момента импульса. К сожалению, на это обстоятельство не всегда обращают внимание. Во многих учебниках состояние электрона в атоме характеризуется квантовыми числами n, l и m, а для иллюстрации приводятся графические изображения вещественных АО.

Если выразить через декартовы координаты (x, y, z), то каждая из этих функций окажется пропорциональной некоторому полиному от х, у и z, который обычно указывается при вместо индекса μ.

Легко убедиться, что между комплексными и вещественными атомными орбиталями существует следующее соответствие:

Поверхности, представляющие вещественные могут не обладать аксиальной симметрией (рис. 10).

О порядке заполнение атомных орбиталей

Как правило, порядок заполнения электронных nl-оболочек по мере увеличения атомного номера элемента: 1s, 2s, 2р, 3s, 3р, 4s, 3d, 4р, 5s,..,-объясняется тем, что орбитальные энергии в многоэлектронном атоме возрастают в той же последовательности. Так, например, "опережающее" заполнение 4s-АО в атомах К и Са по сравнению с 3d-AO связывают с тем, что ε4s< ε3d. Hо тогда встает вопрос: почему ε4s< ε3d. Обычно ответ сводится к тому, что преимущество 4s-AO обусловлено наличием трех "внутренних" локальных максимумов, которые обеспечивают их большее проникновение в остов по сравнению с 3d-AO, не имеющими таких максимумов.

Рис. 9. Изовероятностные поверхности для 1s, 2s, 2p, 3s, 3p и 3d-AO, характеризуемых определенными значениями проекции момента импульса m числа на рисунке)

Однако это объяснение нельзя признать удачным. Во-первых, разница в узловой структуре орбиталей одинаковой симметрии сама по себе еще не гарантирует определенное соотношение их энергий. Во-вторых (и это самое важное!), появление локальных максимумов, обусловленных ортогональностью 4s-АО к s-орбиталям остова, следует рассматривать скорее как проявление эффекта "выталкивания" этих орбиталей из остова. Не будь условий ортогональности, 4s-орбиталь "провалилась" бы в остов, превратившись в безузловую 1s-AO, имеющую только один большой максимум на ядре. Следует также заметить, что учет условий ортогональности возможен и при использовании безузловых 4s-орбиталей, но с соответствующей заменой потенциала эффективного поля, действующего на описываемые этой орбиталью электроны, псевдопотенциалом, который отличается от исходного некоторой положительной добавкой. Иными словами, условия ортогональности должны приводить к увеличению орбитальных энергий.

Рис. 10. Изовероятностные поверхности для вещественных 1s, 2s, 2p, 3s, 3p и 3d-AO

На самом деле порядок заполнения орбиталей обусловлен не отношением их энергий, а требованием минимума полной энергии атома, которая, как отмечалось выше, отлична от суммы одноэлектронных энергий. Более того, сами энергии орбиталей зависят от выбора конфигураций, т. е. от порядка их заполнения. Приходится признать, что порядок заполнения АО, определяющий структуру периодической системы, пока еще не нашел удовлетворительного объяснения.

* * *

В заключение этой главы отметим, что понятие об атомных орбиталях является одним из основных понятий современной теории химической связи. Это проявляется, в частности, в том, что приближенные многоэлектронные волновые функции, описывающие электронную структуру молекул, обычно строятся из орбиталей атомов, образующих рассматриваемую молекулу. Способы построения таких приближенных функций могут быть различными. Именно этим различием обусловлено существование нескольких квантовохимических методов исследования природы химической связи, специфика и историческое развитие которых обсуждаются в следующей главе.

Глава 3. Развитие основных концепций квантовомеханнческой теории химической связи

Объяснение природы химической связи в молекуле водорода. Метод Гайтлера-Лондона

Современная квантовая химия берет начало с работы немецких ученых Вальтера Гайтлера и Фрица Лондона "Взаимодействие нейтральных атомов и гомеополярная связь с точки зрения квантовой механики", опубликованной в 1927 г. [50].

Используя математический аппарат квантовой механики, Гайтлер и Лондон решили задачу об изменении энергии двух электронейтральных атомов водорода, находящихся в основном состоянии, когда их ядра сближаются до конечного расстояния R. Задача решалась в терминах квантовомеханической теории возмущений, использованной незадолго до этого Вернером Гейзенбергом при анализе состояний двухэлектронной системы атома Не. Исследование Гейзенберга в известной мере подготовило почву для создания теории гомеополярной (ковалентной) химической связи, однако, как будет показано дальше, между его подходом и методом Гайтлера-Лондона имеются некоторые различия.

Гайтлер и Лондон аппроксимировали двухэлектронную функцию, описывающую электронное состояние молекулы Н_2, произведением одноэлектронных функций (орбиталей) а(r) и b(r) изолированных атомов водорода, центрированных на конечном расстоянии друг от друга. Разумеется, обе функции имеют при этом одинаковый вид:

(3.1)

и отвечают локализации i-го электрона соответственно около ядра A и В.

Однако, как замечают авторы, их выводы остаются в силе, если а(r) и b(r) "различны и по своей структуре, так что приведенное рассмотрение распространяется на значительно более общий случай" [50, с. 457], т. е. на другие молекулы.

В качестве невозмущенных собственных функций Гайтлер и Лондон выбрали такие, которые соответствуют локализации одного электрона у ядра А, а другого — у ядра В. Если несвязанные атомы А и В рассматривать как единую систему, то произведение соответствующих им собственных функций представляет собой собственную функцию этой системы, причем можно построить две двухэлектронные функции вида: а(r_1)*b(r_2) (первый электрон около ядра A, второй — около ядра В); a(r_2)b(r_1) (первый электрон около ядра В, второй — около ядра А).

Обе возможности соответствуют одной и той же энергии системы (удвоенной энергии атома водорода) — случай двукратного вырождения. Любые две линейные комбинации

(3.2)

удовлетворяющие условиям нормировки и ортогональности:

(3.3)

[где — интеграл перекрывания атомных орбиталей а(r) и b(r)] следует рассматривать как невозмущенные собственные функции двухэлектронной задачи. Коэффициенты k, l, m, n можно определить из одних только условий симметрии. При этом оптимальные функции нулевого приближения теории возмущений для рассматриваемого существенно вырожденного случая будут иметь вид:

(3.4)

Очевидно, что функции нормированны и ортогональны.

Применив стандартную теорию возмущений, Гайтлер и Лондон нашли, что поправки к энергии нулевого приближения, соответствующие функциям , определяются формулами:

(3.5)

или в объединенной форме:

(3.6)

где

Наиболее интересным с химической точки зрения является второй параграф работы Гайтлера и Лондона, посвященный анализу формул. Прежде всего авторы указывают на трудность физической интерпретации полученного в предыдущем параграфе результата, согласно которому "два нейтральных атома могут взаимодействовать двумя различными способами... От истинного понимания этого обстоятельства мы еще, вероятно, далеки. Но желательно выяснить, по крайней мере с математической точки зрения, причину появления этой замечательной двойственности (zweideutigkeit)" [50, с. 458].

С этой целью Гайтлер и Лондон используют следующие рассуждения. При бесконечном удалении ядер энергия системы двукратно вырождена соответственно двум возможным распределениям неразличимых электронов по электронейтральным атомам водорода. "В то время как в классической механике существует возможность четко различать электроны, "наклеить этикетку" (электрон для этого необходимо поместить в достаточно глубокую потенциальную яму и изолировать от всякого доступа энергии), что-либо подобное в квантовой механике невозможно. Если в некоторый момент времени известно, что один электрон находится в потенциальной яме, никогда нельзя быть уверенным, что уже в следующий момент он не обменяется с другим электроном" [50, с. 460].

При сближении атомов упомянутое выше двукратное вырождение снимается и сходный энергетический уровень Е_0 расщепляется на два Чтобы выяснить относительное расположение этих уровней, авторы обратились к теории Штурма-Лиувилля, согласно которой безузловой собственной функции соответствует наименьшее собственное значение.

Таким образом, уже из ацализа узловой структуры функции следует, что

Снятие вырождения связано при этом, как указывают Гитлер и Лондон, "с неисчезновением собственной функции атома А в окрестности атома В и наоборот... Это обстоятельство свидетельствует о том, что должна существовать конечная вероятность для электрона атома А принадлежать атому В. Величину следует трактовать как частоту, с которой в среднем происходит обмен электронами" [50, с. 461].

При этом авторы подчеркивают различие между понятием резонанса у Гейзенберга и понятием обмена. В то время как резонанс, согласно Гейзенбергу, означает, что электроны находящиеся в различных состояниях (описываемых собственными функциями одной и той же системы ортогональных функций), обмениваются своей энергией, в случае, рассмотренном Гайтлером и Лондоном, электроны "меняются своими местами", причем состояния этих электронов характеризуются одной и той же энергией и описываются неортогональными функциями, принадлежащими к различным системам. Далее мы подробно обсудим понятия обмена и частоты обмена.

Выполненные Гайтлером и Лондоном вычисления показали, что в окрестности равновесного межъядерного расстояния R_0 величина Е+, представляющая изменение энергии при сближении атомов как функцию от R, отрицательна и имеет минимум, тогда как кривая, показывающая зависимость Е- от R, такого минимума не имеет (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость энергии молекулы водорода от межъядерного расстояния

Кулоновский интеграл (Е_11) и интеграл перекрывания (S) Гайтлер и Лондон выразили в аналитическом виде. Для интеграла они ограничились оценкой. Впоследствии японский физик Сугиура вычислил этот интеграл и нашел следующие значения для Eмин и R_0: Eмин=3,2 эВ (экспериментальное значение 4,75 эВ), R_0 = 0,80 оА) (экспериментальное значение 0,741 оА). Но и для расчета Сугиуры из ряда приближенных вычислений Гайтлера и Лондона было ясно, что по порядку величины Емин и R_0 совпадают с экспериментальными, чего не давала ни одна доквантовомеханическая теория ковалентной связи.

Было показано также, что большая часть энергии связи, характеризуемая Eмин, обусловлена обменным интегралом E_12, принимающим в окрестности равновесного межъядерного расстояния большие по абсолютной величине отрицательные значения.

Следует отметить, что при обсуждении молекулы Н_2 Гайтлер и Лондон не учитывали существования у электронов спина, что было сделано ими в следующих частях работы при обсуждении взаимодействия между атомами гелия (система четырех электронов).

При этом авторы ссылались на принцип Паули, "который оказался столь плодотворным при обсуждении электронной конфигурации отдельного атома и который они использовали в расширенном смысле, для системы двух взаимодействующих атомов, чтобы получить более узкий выбор квантовомеханически разрешенных способов их взаимодействия" [50, с. 466]. Гайтлер и Лондон формулируют принцип Паули следующим образом: "выбранные собственные функции системы при обмене двух электронов меняют (сохраняют) свой знак, если электроны имеют одинаковые (разные) спины (так называемая спиновая функция при этом не учитывается)" [50, с. 467].

Отметим, что в 1927 г. принцип Паули еще не был сформулирован в общем виде, на что и указано в работе Гайтлера и Лондона [50, примечание к с. 468]. Используя принцип Паули в приведенной формулировке и рассуждения, аналогичные предыдущим, авторы пришли к выводу о том, что "два атома Не (а также и все другие благородные газы) не могут отличаться друг от друга с точки зрения их спинов — в противоположность двум атомам водорода (и любым другим атомам с незамкнутыми оболочками) — и поэтому два атома могут существовать только по отдельности" [50, с. 467].

Общий вывод, к которому приходят Гайтлер и Лондон, таков: "... силы притяжения, приводящие к образованию гомеополярной связи в молекуле, исчезают как только химическая валентность насыщена... Между двумя системами, у которых спины электронов могут быть ориентированы только одним единственным образом (как это мы видели в случае Не), может существовать одно-единственное собственное колебание (Eigenschwingung)..., которое имеет один узел, и поэтому для таких систем, как и для Не, можно ожидать отталкивание. Этот случай, очевидно, имеет место уже тогда, когда, по крайней мере, одна из систем имеет замкнутую оболочку, так, например, для Н_2 + Н_2, Не + Н, Н + Н_2 и т. п. Невозможность образования молекул Н_3, Н_4, НеН из невозбужденных атомов обусловливаетcя, впрочем, уже отсутствием вакансий в K -оболочке" [50, с. 468]. Этот вывод впоследствии распространен Лондоном и Гайтлером на более общий случай многоатомных молекул и составил идейную основу теории спин-валентности.

В конце своей работы авторы отмечают, что в рамках предложенного ими метода в принципе возможен учет ионных членов a(r_1)a(r_2) и b(r_1)b(r_2), соответствующих локализации обоих электронов у одного из ядер. Из соображений симметрии ясно, что эти два члена должны входить в двухэлектронную функцию с одинаковым весом. Однако, по мнению авторов, вклад этих функций достаточно мал, чтобы их можно было в первом приближении не учитывать.

Метод Гайтлера-Лондона в применении к молекуле водорода был впоследствии усовершенствован в работах Уанга, Розена, Вейнбаума и др.

Эти усовершенствования:

1) учитывали сжатие электронных облаков атомов водорода при образовании ими молекулы Н_2; минимизировав энергию относительно значения эффективного заряда Z* (для изолированного атома Н Z* = Z = 1) при равновесном межъядерном расстоянии R_0, получили оптимальное значение Z* = 1,166;

2) учитывали поляризацию атомных орбиталей в молекуле Н2 путем замены сферически-симметричной ls-функции на функцию вида

где помимо эффективного заряда Z* введен параметр поляризации χ; значения этих параметров определяли из вариационного принципа, т. е. минимизацией полной энергии системы;

3) включали в разложение двухэлектронной функции молекулы ионные структуры Н-Н+ и Н+Н-.

Наконец, в 1933 г. Джеймсом и Кулиджем была предпринята попытка учета электронной корреляции посредством введения в двухэлектронную волновую функцию молекулы Н_2 межэлектронного расстояния r_12.

Вычисления с функциями Джеймса и Кулиджа приводят к очень точным результатам (табл. 2), сравнимым по точности с экспериментом, но связаны с большими вычислительными трудностями.

Таблица 2. Результаты различных расчетов молекулы водорода

Вернемся, однако, к рассмотрению статьи Гайтлера и Лондона, а именно, обратимся к анализу понятий "обмена" и "частоты обмена", которые сыграли такую важную роль при объяснении природы химической связи. Следует отметить, что термин "обмен" употребляется Гайтлером и Лондоном в двух смыслах:

во-первых, как отражение того, что при образовании молекулы водорода из двух атомов имеется конечная вероятность обнаружения около атома НА электрона, принадлежащего первоначально атому НВ;

во-вторых, под обменом понимался периодический по времени процесс, происходящий с некоторой частотой обмена, равной разности энергетических уровней Е+ и Е- (соответствующих синглет-триплетному расщеплению исходного атомного терма) в единицах кванта действия h:

(3.7)

Иными словами, Гайтлер и Лондон считали возможным дать сформулированной ими существенно квантовомеханической теории химической связи в молекуле Н_2 псевдоклассическую интерпретацию в терминах происходящего с определенной частотой ν синхронного перескока электронов от атома к атому. Такая трактовка обменного интеграла получила довольно широкое распространение среди физиков и химиков, особенно в первое десятилетие существования квантовой химии. Тяготение к классическому осмыслению результатов квантовой механики в первые годы после ее создания было вполне естественным явлением. Однако допустимость и целесообразность классической интерпретации квантовомеханических понятий вызывает сомнения. Так, говоря об обмене, необходимо прежде всего подчеркнуть, что классическое понимание этого термина противоречит принципу неразличимости электронов, в силу которого нельзя сказать, какой из них в данный момент времени принадлежит одному атому, а какой — другому. Такое псевдоклассическое понимание обмена противоречит также постановке задачи, так как с самого начала речь шла о стационарных состояниях и рассматривалось стационарное уравнение Шредингера.

В действительности понятие обмена отражает перераспределение электронной плотности, получаемое в нулевом приближении теории возмущений, вследствие учета перестановочной симметрии. Говоря об обменном интеграле и связанных с ним эффектах, следует отметить ту существенную роль, которую в них играет перекрывание орбиталей а(r) и b(r), т. е. интеграл S. Действительно, при нулевом значении этого интеграла, фтогональные орбитали) обменный интеграл сводится к двух-электронному , который является положительным, и, следовательно, энергетический уровень триплетного состояния в этом случае лежит ниже синглетного (ср. с правилом Хунда для атомов). Лишь существенное перекрывание атомных орбиталей обеспечивает большое и отрицательное значение обменного интеграла и связывающий характер основного (синглетного) состояния молекулы Н_2 в методе Гайтлера-Лондона. Именно это легло в основу принципа максимального перекрывания Полинга-Малликена, согласно которому предполагается, что интегралы перекрывания могут рассматриваться как критерий прочности химической связи, а локализованные химические связи можно описывать сильно перекрывающимися парами орбиталей непосредственно связанных атомов.

Завершая обсуждение понятия обмена, подчеркнем, что появление интеграла Е_12 определяется не только специфическим законом квантовой механики систем тождественных частиц, но и выбором математического аппарата, а именно, квантовомеханической теорией возмущений для вырожденного случая и построения двухэлектронных функций нулевого приближения из атомных орбиталей. Вообще говоря, одна и та же функция, описывающая состояние многоэлектронной системы, может быть представлена различным образом. Соответственно этому существует и неоднозначность в разложении энергии на составные части и неоднозначность выбора понятий, в терминах которых описывают многоэлектронную систему. Важно лишь "подтвердить, что не было пропущено ничего действительно существенного" (Э. Вигнер).

Из факта, что понятие обмена связано с определенными аппроксимациями (и в ряде методов, например в методе Джеймса и Кулиджа, не используется), не следует делать вывод, будто оно не отражает физической или химической реальности. Всякое конкретное понятие ограничено определенной моделью и преходяще, как и последняя. Но на определенном уровне приближения в нем выражены определенные черты, аспекты объективной реальности. Какие же стороны реальности отражает понятие обмена? Отчасти мы уже ответили на этот вопрос, когда говорили о существенной роли перекрывания атомных орбиталей. Действительно, то обстоятельство, что при образовании молекулы электроны, принадлежавшие ранее одним атомам, могут находиться в околоядерном пространстве других, является существенной чертой образования химической связи.

Кроме того, важной особенностью описания системы тождественных частиц является учет свойств перестановочной симметрии ее волновой функции без введения каких-либо новых динамических взаимодействий. Представляя (приближенно!) волновую функцию молекулы через произведения волновых функций отдельных электронов и учитывая свойства симметрии волновой функции, мы приходим к понятию квантового обмена, отражающему свойства системы тождественных микрочастиц (электронов), описываемой в рамках одноэлектронного приближения.

Хотя в первой работе Гайтлера и Лондона необходимость учета перестановочной симметрии была осознана еще не в полной мере, в их последующих работах (1928-1932 гг.) свойства симметрии волновых функций явились основой для создания общей теории многоэлектронных систем.

Наряду с молекулой Н_2 Гайтлером и Лондоном была рассмотрена задача о взаимодействии двух атомов Не, каждый из которых находится в основном состоянии. Ввиду того что перестановочная симметрия многоэлектронных функций не была учтена должным образом, рассуждения авторов не могут считаться вполне корректными, хотя они и привели к правильному результату: атомы Не, обладающие замкнутыми электронными оболочками, не проявляют способности к химическому взаимодействию.

Впоследствии в литературе высказывались сомнения относительно применимости теории возмущений в задаче о молекуле водорода и обращалось внимание на необходимость более детального исследования волновых функций электронов в области потенциального барьера [10]. В указанных работах были получены точные асимптотические формулы для синглет-триплетного расщепления термов в молекуле на больших межатомных расстояниях. В то же время следует подчеркнуть, что метод Гайтлера-Лондона приводит к правильным значениям энергии и правильным волновым функциям системы при бесконечном разделении ядер, чего нельзя, к сожалению, сказать о методе МО — наиболее распространенном методе современной квантовой химии.

Обобщение метода Гайтлера-Лондона. Создание теории спиновой и орбитальной валентности

После объяснения на основе квантовой механики природы химической связи в молекуле водорода были предприняты многочисленные попытки обобщить подход Гайтлера-Лондона на более сложные молекулы, что привело к созданию метода валентных связей. Хотя последний и не является оптимальным для проведения количественных расчетов, он существенно повлиял на развитие квантовой теории химической связи и валентности, что обусловило его необычайно широкую популярность среди ми ков.

В 20-30-х годах метод ВС разрабатывали в основном немецкие, американские и советские теоретики, среди которых следует назвать имена Гайтлера, Лондона, Вейля, Теллера, Борна, )линга, Слэтера, Ю. Б. Румера и др. При этом получили звитие различные направления: одни ученые разрабатывали авным образом математические вопросы теории многоэлектронных систем (Гайтлер, Румер, Вейль, Лондон, Слэтер, Борн), другие — сосредоточили свое внимание на развитии физико-химических основ теории (Полинг, Слэтер). Центром математического направления был Геттинген. И не случайно. Геттингенский университет представлял собой тогда один из крупнейших научных центров мира, особенно в области математики и теоретической физики. С Геттингеном связано творчество таких выдающихся ученых, как Клейн, Гильберт, Вейль, Минковский, Нетер, Борн и многих других.

На развитии математики в Геттингенском университете следует остановиться особо. Начиная с 60-х годов XIX в. центр тяжести математических исследований постепенно переносится с теории функций на другие области математики и прежде всего на алгебру. В начале XX в. процесс алгебраизации геометрии, топологии, некоторых классических глав анализа принимает особенно интенсивный характер.

Важнейшим направлением научного творчества многих гет-тингенских математиков и физиков-теоретиков становится теория групп. Во второй половине XIX — начале XX вв. немецкие ученые занимали лидирующее положение в этой области математики. В работах Шура, Фробениуса, Гордана и других были заложены основы теории представлений. Именно в Германии раньше, чем где-либо, была понята важность теоретико-групповых концепций для физики и в первую очередь для ее новых разделов-теории относительности и квантовой механики. Для квантовой химии это обстоятельство имело большое значение, ибо в период, когда еще не были разработаны эффективные приближенные способы решения многоэлектронной задачи, теория групп давала надежный и мощный метод исследования молекулярных систем. Однако далеко не все физики-теоретики того времени были знакомы с теорией групп и понимали необходимость ее изучения. Работы геттингенских ученых часто называли "групповой чумой" (gruppenpest). Большую роль в распространении теоретико-групповых концепций в квантовой механике сыграли монографии Вейля [85] и Вигнера [8].

В квантовую химию сначала проникла теория групп перестановок, а позже, примерно с 1932 г., в рамках метода МО стали учитывать пространственную симметрию молекулы. Такая последовательность естественна, так как при обобщении метода Гайтлера-Лондона на многоэлектронные системы необходимо было прежде всего уметь строить правильные (с точки зрения принципа Паули) волновые функции системы. Первые шаги в этом направлении были сделаны Гайтлером [48] и Лондоном [60, 61]. Остановимся сначала на работе Гайтлера.

Объектом исследования являлся некоторый атом А, взаимодействующий с другим атомом В (или системой атомов). Как А, так и В обладают по п валентных электронов каждый. Предполагалось, что вырождение в рассматриваемой многоэлектронной системе АВ имеет исключительно обменную природу, т. е пространственное и резонансное вырождение отсутствуют*. Это означает, в частности, что А и В представляют собой либо тождественные, либо различные, но находящиеся в одинаковых квантовомеханических состояниях системы.

Электроны каждой из систем А и В находятся в различных одноэлектронных (бесспиновых!) состояниях, т. е. описываются волновыми функциями, зависящими только от пространственных, но не спиновых переменных. При этом электроны дважды занятых состояний, соответствующие замкнутым оболочкам, не рассматриваются. "Существенной особенностью системы АВ по сравнению с молекулой водорода,- отмечает Гайтлер,- является то, что даже при отсутствии взаимодействия между А и В состояния этих многоэлектронных подсистем могут характеризоваться несколькими термами, подобно тому, как, например, конфигурации 1s2s атома Не соответствуют два терма: синглетный (1S) и триплетный (3S)"[48, с. 838]. В зависимости от того, в каком состоянии находились А и В до их сближения, между ними осуществляются взаимодействия различного рода: либо притяжение и образование стабильной молекулы, либо отталкивание.

Это взаимодействие, как показал Гайтлер, можно оценить в первом приближении теории возмущений, решая уравнение

(3.8)

где Р — перестановки 2n-электронов, образующие некоторую группу S2n; bik — матричные элементы некоторого ортогонального неприводимого представления этой группы, реализованного на многоэлектронных функциях определенного терма; JP — параметры возмущения, соответствующие обмену электронов между двумя одноэлектронными бесспиновыми состояниями; δik — символ Кронекера; х — обусловленная возмущением поправка к энергии (в первом приближении). При этом Гайтлер специально отмечает, что он будет "проводить вычисление возмущений только для таких систем А и В, каждой из которых соответствуют антисимметричные термы" [48, с. 848]. Однако речь здесь идет об антисимметрии относительно перестановок только пространственных координат. Далее Гайтлер отмечает, что "представление[5] для А или В означает, что эти системы имеют полностью антисимметричные термы" [48, с. 850]. Но при этом возникает вопрос: какому спиновому состоянию отвечает такой антисимметричный терм? Поскольку принцип Паули в его общей формулировке не принимался во внимание, то и ясного, обоснованного ответа на этот вопрос не было. Фактически Гайтлер просто воспользовался результатом работы [50], согласно которому антисимметричной координатной функции молекулы Н_2 соответствует триплетное состояние (параллельные спины). Применительно к системам А и В это означало, что каждая из них имеет несколько неспаренных электронов, "но это,- замечает Гайтлер,- как раз и есть тот случай, когда мы можем ожидать образование молекулы" [48, с. 848].

Перестановки электронов внутри системы А или В мы, следуя работе [48], будем обозначать далее буквой R, прочие перестановки (между А и В) — буквой Q. Соответственно можно различать параметры JQ И JR.

Основным допущением теории Гайтлера является предположение, что J^2Q гораздо меньше J^2R, и потому J^2Q можно пренебречь, учитывая только члены, линейные по JQ. Такое допущение для равновесного межъядерного расстояния может оказаться довольно грубым. Поэтому можно было надеяться лишь на то, что теория даст правильный порядок величины энергии диссоциации. Упрощая секулярное уравнение (3.8), Гайтлер получил для энергии диссоциации выражение

(3.9)

где квантовое число ξ пробегает значения

Параметр J_0 представляет собой кулоновский интеграл, а — среднее значение обменного интеграла, характеризующее взаимодействие А и В.

Согласно Гайтлеру, в рассматриваемом случае, как и в случае взаимодействия двух атомов водорода, величина отрицательна и при не слишком малых расстояниях преобладает над J_0[6]. Кроме того, можно надеяться, что для различных взаимодействующих атомов рассматриваемые интегралы имеют не только одинаковый (отрицательный) знак, но и общий порядок величины. Тогда в зависимости от знака коэффициента при обменном интеграле следует ожидать либо притяжения атомов вплоть до образования ими устойчивой молекулы, либо их отталкивания. В первом случае указанный множитель должен быть положительным, во втором — отрицательным. В частности, основному состоянию соответствует ξ = n и наибольшая прочность связи, так как при этом Dξ принимает наименьшее (с учетом знака) значение:

(3.10)

Обсуждаемое состояние (ξ = n) коррелирует с теми термами изолированных А и В, для которых спиновые моменты электронов одной системы (А или В) антипараллельны спиновым моментам другой (В или А).

Кроме состояния с ξ = n могут существовать и состояния с меньшими ξ. Например, в таких соединениях азота, как N_2, NH_3 и т. п., имеется по три валентных электрона в незамкнутой оболочке атома N. Эти три электрона могут соответствовать квартетному состоянию, причем именно это состояние наивысшей мультиплетности по спину является основным для изолированного атома. При учете взаимодействия двух атомов азота или одного атома азота с тремя атомами водорода множитель при может принимать четыре значения: +3, +1, -3, -9, которые определяются значениями ξ = 3, 2, 1,0.

Гайтлер не определял численное значение JQ, он лишь качественно представил кривые энергии взаимодействия Dξ (R) для молекулы N_2 (рис. 12).

Рис. 12. Кривые энергии взаимодействия атомов Dξ (R) для молекулы N_2 по Гайтлеру

Независимо от Гайтлера аналогичный подход был развит Лондоном, работы которого [60, 61] отличались, по существу, лишь более детальным изложением вопроса, а также более подробным исследованием химических примеров. В частности, им была установлена связь между валентностью атома и его спектроскопической мультиплетностью (магнитной тонкой структурой). По определению Лондона, валентность атома равна полному электронному спину в единицах h/2 и поэтому на единицу меньше мультиплетности рассматриваемого атомного состояния [61, с. 49]. Кроме того, Лондон указал на возможность спектроскопического определения кратности ковалентной химической связи.

Пусть атомы характеризуются валентностью V_1 и V_2 и, следовательно, мультиплетностью по спину M_1 = V_1 + 1 и М_2 = V_2 + 1. Если при взаимодействии атомов связываются по одной валентности каждого атома, то в молекуле остается V(1) = V_1 + V_2 — 2 свободных валентностей и ее спиновая мультиплетность M(1) = M_1 + M_2 -3 (в круглых скобках указана кратность связи). В случае двойной связи V(2) = V_1 + V_2 — 4 и М(2) = M_1 + М_2 — 5.

В общем случае j-кратной связи

(3.11)

(3.12)

Равенство j нулю означает отсутствие валентной связи.

Изложенный выше формализм, развитый независимо Гайтлером и Лондоном в 1927-1928 гг., интерпретирует понятие валентности как число спиновых моментов, спаренных при образовании молекулы. Однако в рамки этого формализма не укладывались молекулы, основное состояние которых является триплетным (В_2, O_2 и др.)" Так, в случае молекулы В_2 спаривания спиновых моментов электронов не происходит и, согласно (3.11), химическая связь вообще не должна образовываться. В связи с этим можно было бы повторить слова Хаксли, видевшего великую трагедию науки "в умерщвлении прекрасной теории мерзким фактом". Однако приведенные примеры, на наш взгляд, указывают не на ошибочность концепции спин-валентности, а на необходимость дополнения ее концепцией орбитальной валентности*. Идеи, позволившие осуществить такое обобщение[7] были впервые высказаны Гайтлером в июне 1929 г. [49] и явились естественным обобщением созданной им и Лондоном теории ковалентной связи.

"Прежняя теория валентности,- писал Гайтлер,- рассматривала лишь те случаи, когда имело место только обменное вырождение. Однако для галогенов и элементов группы кислорода[8] это уже не верно. Их основным состоянием является Р-состояние, что говорит о наличии вырождения по магнитному квантовому числу. Расчеты автора показывают, что учет этого вырождения приводит к величине энергии связи между моментами количества движения l (bahnimpulsen l) того же порядка, что и энергия обмена. Вероятно, эта энергия также ответственна за образование молекул. Кроме рассматривавшейся ранее спин-валентности существует еще другой вид валентности (line zweite Arte Valenz)- l-валентность для атомов с l>0. При этом могут насыщаться только валентности одинакового вида. Вероятно, здесь мы имеем более сложные соотношения, чем в случае спиновых валентностей" [49, с. 547]. В качестве примера использования концепции орбитальной валентности обратимся к молекуле В_2. Атом бора в основном состоянии характеризуется электронной конфигурацией 1s^22s^22p и термом 2Р. В соответствии с этим электронную структуру молекулы В2 можно было бы описать двухэлектронной функцией Гайтлера-Лондона, составленной, однако, из р-орбиталей атома бора[9]. Спариванию одноэлектронных спиновых моментов соответствовало бы расщепление молекулярного терма на два — синглетный и триплетный — согласно схеме

причем в соответствии с теорией Гайтлера и Лондона основному состоянию должен соответствовать синглетный терм. Но, как известно, основное состояние молекулы В_2 является триплетным, и поэтому указанный подход не применим. Образование химической связи в молекуле В_2 объясняется не спариванием спиновых моментов, а, очевидно, другими причинами. Для определения этих причин обратимся к идее Гайтлера о том, что образование связи обусловлено расщеплением вырожденных атомных термов при химическом взаимодействии, но не будем предполагать, что это вырождение является вырождением по спину. Так, для молекулы В_2 наряду с рассмотренным выше взаимодействием спиновых моментов может осуществляться взаимодействие орбитальных моментов по схеме

Здесь квантовые числа λ и Λ определяют абсолютную величину проекции момента импульса на ось молекулы. Так как рассматривается триплетное (по спину) состояние молекулы, принцип Паули и соображения симметрии требуют учета лишь значения λ = 1; т. е. дважды вырожденных 2pπ-орбиталей. Состояние с S = 1 и Λ = 0 соответствует 3∑-терму молекулы В_2. Реализация именно этого терма означает, что расщепление атомных 2P-термов вследствие спаривания орбитальных моментов (λ = 1) больше, чем расщепление, обусловленное спариванием спиновых моментов.

Обычно утверждают, что понятие спаривания для молекул В_2,O_2 и т. п. вообще теряет смысл и парамагнетизм этихмолекул может быть адекватно объяснен только в рамках метода МО. Но это утверждение справедливо лишь отчасти. Действительно, как уже отмечалось, спаривание спиновых моментов в таких молекулах не осуществляется или осуществляется не в полной мере. Однако мы можем говорить о спаривании орбитальных моментов λ. Согласно методу МО для я-электронной системы (λ = 1) можно построить две МО, π+ и π-, соответствующие двум возможным проекциям момента λ = ±1 на ось молекулы, а из них двухэлектронную функцию-детерминант

Здесь выражение в квадратных скобках совершенно аналогично выражению для двухэлектронной спиновой функции (спин-инварианта): Таким образом, наряду с понятием спин-валентности V(S) вводится эквивалентное ему понятие орбитальной валентности V(l). Формулы (3.11) и (3.12) остаются справедливыми и для V(l). Например, для молекулы В_2:

)(3.14)

и

(3.15)

а также

(3.16)

и

(3.17)

где

Следует подчеркнуть, что как спиновая, так и орбитальная валентность характеризуют состояние атома в молекуле. Их значения определяются не только природой данного атома, но и тем, с какими атомами он связан в молекуле. Так, спин-валентность бора в В_2 равна нулю (V(S) = 0), и связь образуется за счет единичной орбитальной валентности (V(l) = 1). В молекуле ВН, наоборот, реализуется единичная спин-валентность и нулевая орбитальная валентность. Свободный атом бора характеризуется нулевыми значениями и той, и другой валентностей.

Рассмотрение молекулы O_2 аналогично приведенному выше и отличается от него лишь учетом σ-связи и формальной заменой π-электронов на "дырки" в π-электронной оболочке. При этом полная валентность V = V(S) + V(l) = 1 + 1 = 2 и полная кратность связи j = j(S) + j(l) = 1 + 1 = 2.

К сожалению, идея орбитальной валентности не получила широкого распространения и была забыта. Это, на наш взгляд, объясняется тем, что химия триплетных состояний и свободных радикалов получила значительное развитие лишь в последние годы. Однако описание электронной структуры таких, в большинстве своем нестабильных, частиц проводится в настоящее время в терминах метода МО.

Обратимся теперь к некоторым математическим аспектам рассмотренных выше работ. Их авторы одни из первых осознали ту важную роль, которую играет теория групп перестановок в анализе электронной структуры молекул как систем тождественных частиц. Выражение свойств симметрии волновой функции с помощью теории групп перестановок позволяет построить так называемую "бесспиновую" схему квантовой химии, получившую развитие в работах И. Г. Каплана [14], Матсена [69] и др. Однако это потребовало более детального исследования перестановочной симметрии координатных волновых функций, соответствующих состоянию с заданным полным спином, которая обеспечивает в соответствии с принципом Паули антисимметричность полной многоэлектронной функции относительно перестановки пространственных координат и спиновых переменных двух электронов. Решающий шаг в этом направлении был сделан лишь в 1940 г. В. А. Фоком [26]. Если же говорить о работах Гайтлера и Лондона конца 20-х годов, то, как заметил Ван Флек, "формулировка математической секулярной проблемы, связанная со спариванием спинов... была скорее курьезом ранней истории". Очевидно, этот "курьез" явился следствием того, что развитие альтернативного (бесспинового) подхода натолкнулось на существенные трудности. Действительно, правильные (с точки зрения перестановочной симметрии, точнее, принципа Паули) координатные волновые функции получены не были, что и привело к переоценке роли спинового спаривания[10]. Впоследствии, когда такие функции удалось получить, доминирующее положение в квантовой химии уже занимал детерминантный метод Слэтера (см. гл. 2), разработанный им в теории многоэлектронных атомов и распространенный затем Борном на молекулы. Успешное применение метода Слэтера, позволяющего при определении многоэлектронных волновых функций обойтись без использования теории групп, привело к постепенному исчезновению "перестановочно-групповой чумы". В свете сказанного, утверждение, что основы "бесспиновой" квантовой химии были заложены в конце 20-х годов (например, [69]), следует принимать с указанными выше оговорками.

В 30-х годах круг исследователей, занимающихся проблемами квантовой химии, несколько расширился — появились работы Румера, Вейля, Борна, Теллера и др. В результате была разработана общая теория возмущений по межэлектронному взаимодействию, при этом также широко использовалась теория групп перестановок (метод Гайтлера-Лондона-Румера-Вейля). В основе теории геттингенских авторов лежали следующие рассуждения.

Многоатомная молекула рассматривалась ими как единая многоэлектронная система. Состояния электронов в отдельных атомах (А, В, С ...) описывались одноэлектронными функциями φiA(r), φjB(r) и т. п. Многоэлектронную функцию системы при отсутствии взаимодействия между атомами можно представить в виде произведения этих одноэлектронных функций:

(3.18)

Ввиду неразличимости электронов, помимо функции (3.18), можно написать еще ряд функций, полученных из нее перестановкой координат электронов. Всего, таким образом, мы получим ЛМ функций. При учете взаимодействия между атомами все эти функции можно использовать в качестве нулевого приближения в теории возмущений. Многоэлектронные функции молекулы должны представляться их линейными комбинациями, коэффициенты которых определяются секулярными уравнениями порядка N\. Так как для систем, представляющих химический интерес, порядок соответствующих секулярных уравнений становится чрезвычайно большим, необходимо использовать любую возможность для его уменьшения путем деления рассматриваемой секулярной задачи на более простые. Как было показано работами Гайтлера, Румера и Вейля, эта задача может быть решена в значительной степени с учетом перестановочной симметрии и принципа Паули. При этом разрабатывался математический аппарат, соответствующий теории спин-валентности. Для большинства молекул в их основных состояниях полный спиновый момент имеет нулевое значение. Учитывая, что операторы спинового момента действуют на спиновые переменные отдельных электронов, а не на их пространственные координаты, можно представить многоэлектронные функции в виде произведения двух сомножителей, один из которых зависит только от пространственных, а другой только от спиновых переменных. Последний может быть построен из одноэлектронных спиновых функций а и р, удовлетворяющих уравнениям

(3.19)

где — оператор проекции одноэлектронного спинового момента на ось квантования z. Так, например, для молекулы водорода, включающей два электрона, как было показано Гайтлером и Лондоном, можно построить четыре двухэлектронные спиновые функции:

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

Только первая из этих функций соответствует синглетному состоянию и инвариантна по отношению к повороту осей квантования, так как при любом их выборе проекция нулевого спинового момента равна нулю. Поэтому эта функция, обозначаемая как [β], была названа Вейлем спин-инвариантом.

При рассмотрении более общего случая молекул с любым четным числом электронов многоэлектронная спиновая функция χ(σ_1,...,σN) строилась в виде произведения таких спин-инвариантов. Как и в случае построения функций Ф(r_1,..., rN), в силу неразличимости электронов можно построить множество функций (многоэлектронных спин-инвариантов) χ(σ_1,...,σN), отличающихся перестановкой электронов или так называемой схемой спинового спаривания. Эти функции, как правило, образуют линейно-зависимый набор, т. е. некоторые из них являются линейными комбинациями остальных и должны быть исключены из рассмотрения. Формула, определяющая число линейно-независимых функций, была получена Румером [76]. Им же было предложено графическое правило, позволяющее выявить и устранить линейные зависимости между функциями, полученными путем спинового спаривания. Согласно правилу Румера, каждой одноэлектронной спиновой функции следует сопоставить точку на плоскости, расположив точки таким образом, чтобы они лежали на окружности или на другой выпуклой кривой. Затем эти точки соединяются друг с другом штрихами, каждый из которых является графическим представлением определенного простейшего спин-инварианта. Как показал Румер, многоэлектронные функции, соответствующие диаграммам с непересекающимися штрихами, линейно независимы, а остальные содержащие, по крайней мере, одно пересечение, являются, их линейными комбинациями.

В качестве примера можно привести шестиэлектронную систему. В этом случае можно составить пять диаграмм Румера с непересекающимися штрихами (рис. 13, а). Им соответствуют следующие спин-инварианты:

(3.24)

Функция (рис. 13,б) будет представлять собой линейную комбинацию функций (3.24):

Рис. 13. Диаграммы Румера: а — с непересекающимися и б — с пересекающимися штрихами для молекулы бензола

К сожалению, правило Румера применимо лишь в том случае, когда число электронов не слишком велико. Если учитывать электроны атомов, образующих молекулу, то оно оказывается практически неприемлемым[11]. Но иногда в рассмотрение включается лишь часть электронов. Например, при изучении плоских органических молекул часто ограничиваются учетом только одной π-орбитали от каждого атома. Именно в этом случае правило Румера нашло применение.

В литературе иногда обращают внимание на аналогию между классическими структурными формулами и диаграммами Румера. Однако при этом нельзя упускать из виду того, что между ними имеются существенные различия. Структурные формулы характеризуют связи различной кратности между атомами, что изображается соответствующим числом валентных штрихов. В диаграммах Румера штрихи характеризуют связи отдельных орбиталей (возможно, но не обязательно, атомных). Поэтому чтобы изобразить диаграмму Румера для бензола, мы должны соединить штрихами 30 точек (для π-электронной подсистемы бензола только 6 точек).

Классические структурные формулы определяют индивидуальные химические соединения, характеризуемые индивидуальными геометрическими свойствами и распределением валентностей атомов по химическим связям. При этом вещества, отвечающие разным структурным формулам, обладают разными ядерными конфигурациями, т. е. различным расположением атомов в пространстве. Диаграммы Румера определяют базис для описания состояний электронной системы соединения при фиксированной и одинаковой для всех диаграмм ядерной конфигурации, т. е. все диаграммы соответствуют одномуитому же химическому соединению.

Теперь следует подробнее сказать о том, как в методе Гайтлера-Лондона-Румера-Вейля (ГЛРВ) учитывался принцип антисимметрии. Согласно принципу Паули, функция Ψ, описывающая состояние многоэлектронной системы, должна быть антисимметрична относительно перестановки пространственных и спиновых переменных любых двух электронов и обращаться в нуль, если эти переменные совпадают. Это достигается действием иператора антисимметризации

(3.25)

где — оператор перестановок пространственных и спиновых переменных; εP = +1 для четных перестановок и (-1) — для нечетных. В результате получаем функцию

(3.26)

удовлетворяющую необходимому условию антисимметричности.

По методу ГЛРВ в нулевом приближении теории возмущений можно считать справедливым равенство

(3.27)

Уравнения, соответствующие первому приближению теории возмущений, получаются умножением равенства (3.27) слева на функции и интегрированием получаемых выражений по всем переменным, кроме спиновых.

Гамильтониан системы можно представить в виде суммы

(3.28)

где — оператор возмущения, включающий межэлектронные взаимодействия, отсюда

(3.29)

Уравнения первого порядка теории возмущений приводятся к виду

(3.30)

где ; Qab — кулоновский и Ааb — обменный интегралы; — оператор транспозиции орбиталей а и b; Е — Е_0 — поправка первого порядка к полной энергии системы. Если интегралы Q и A известны, то уравнение (3.30) позволяет определять энергию многоатомной системы, судить о прочности химических связей в ней и их свойствах.

К середине 30-х годов число работ, посвященных математическим аспектам многоэлектронной проблемы, постепенно уменьшается, и уже примерно с 1935 г. подобные исследования не проводятся. Это привело, в свою очередь, к тому, что развитие метода ВС в последующие десятилетия было сильно заторможено. Причины прекращения попыток создания на основе метода ВС строгой неэмпирической теории многоэлектронных систем, по нашему мнению, состоят в следующем:

во-первых, теория была слишком сложной и громоздкой для ее численной реализации, тем более, что достаточно мощной вычислительной техники в то время еще не было;

во-вторых, метод ГЛРВ практически исчерпал свои возможности для развития качественной интерпретации природы химической связи;

в-третьих, некоторые ученые (Гайтлер, Лондон, Теллер) начали работать в других областях физики, отойдя от квантово-химических проблем;

в-четвертых, не следует забывать также о драматических событиях в немецкой науке (распад научных школ, эмиграция ученых и т. п.), которые связаны с приходом к власти фашистов.

Все это вместе взятое привело к тому, что ведущее место в квантовой химии (речь идет о методе ВС!) заняли работы представителей американской школы и прежде всего исследования Полинга. Однако многие результаты, полученные немецкими теоретиками, легли затем в основу современного формализма метода ВС.

Обобщенный формализм метода ВС как реализация идей Гайтлераг Лондона, Румера и Вейля

Обратимся теперь к рассмотрению метода ВС в его современной формулировке. При этом мы будем пользоваться некоторыми понятиями и концепциями, анализ исторического развития которых будет дан ниже. В этом отношении изложение будет иметь отчасти ретроспективный характер, что позволит нам, с одной стороны, четче выявить основное позитивное содержание работ Гайтлера, Лондона, Румера, Вейля и других авторов, а с другой — установить связь между рассмотренной выше формальной химико-алгебраической аналогией и основными понятиями теории спин-валентности, т. е. связать с ней ее "математическую предысторию". Наиболее важным, однако, является то, что в свете излагаемой здесь общей теории станет более ясной взаимосвязь обсуждаемых концепций гибридизации и резонанса, которые исторически возникли независимо друг от друга. А это, в свою очередь, позволит лучше понять внутреннюю логику развития квантовой химии.

Как мы видели выше, основная идея метода ВС заключается в предположении, что атомы или, точнее, атомные орбитали при образовании молекулы в значительной степени сохраняют свою индивидуальность. Из орбиталей отдельных атомов A, Б, ..., находящихся на конечном расстоянии друг от друга, но условно считающихся невзаимодействующими, строится многоэлектронная бесспиновая функция-произведение

(3.31)

где и т. п. При этом φа1,...,φаp могут быть (в общем случае) не сферическими орбиталями изолированного атома, а их линейными комбинациями, т. е. гибридными атомными орбиталями.

Совокупность всех орбиталей ф называется в методе ВС конфигурацией, а каждый из наборов (φа1,...,φаp)- валентной конфигурацией ГA атома A. Некоторые из атомных орбиталей входят в ГА дважды (т. е. φаi = φаj) и называются спаренными. Число неспаренных орбиталей в конфигурации ГА называется спин-валентностью атома A, находящегося в соответствующем валентном состоянии. Это определение спин-валентности является обобщением, данным Лондоном. Действительно, если пренебречь гибридизацией атомных орбиталей, то оба определения станут идентичными, т. е. спин-валентность окажется равной мультиплетности основного (низшего) терма, уменьшенной на единицу.

Функция Φ домножается на функцию Θ(σ_1,...,σN), зависящую от спиновых переменных всех электронов. Многоэлектронная функция Ψ, определяющая электронное состояние молекулы, должна быть собственной для оператора квадрата полного спинового момента N-электронной системы, которую представляет молекула. Так как действует только на функцию Θ указанное условиt накладывает определенные ограничения только на Θ, но не на Φ.

Подавляющее число веществ, способных к длительному существованию, состоит из молекул с нулевым полным спином, т. е. находится в синглетном состоянии. Для простоты изложения в дальнейшем будут рассматриваться только такие молекулы.

Каждой атомной орбитали φ соответствует одна из двух одноэлектронных спиновых функций α(σ) и β(σ), которые являются собственными для одноэлектронного оператора проекции спинового момента на ось квантования [см. (3. 19)].

Функция Θ может быть построена из одноэлектронных спиновых функций следующим образом:

• из пары функций α(σ) и β(σ) составляется двухэлектронная функция

(3.32)

• перемножением N/2 функций γ, зависящих от спиновых переменных различных электронов, получается функция

(3.33)

Необходимость индексации функции Θ обусловлена неоднозначностью ее построения из функций γ.

Если конфигурация N-электронной системы содержит п неспаренных АО, то, как это было показано Гайтлером и Румером [51-52], можно построить линейно-независимых Θχ. Например, для π-электронной системы бензола, включающей шесть электронов и столько же атомных π-орбиталей, можно построить пять независимых Θχ (χ = 1,...,5).

Таким образом, оказывается необходимым рассмотрение функции вида

(3.34)

содержащей числовые коэффициенты Сχ, которые должны определяться минимизацией полной электронной энергии молекулы.

Согласно принципу Паули, функция состояния многоэлектронной системы должна быть антисимметричной относительно всевозможных перестановок (riσi) → (rj, σj). Функция Ψ^0, однако, такой не является, и поэтому ее следует антисимметризовать. Учитывая, что Ф является произведением орбиталей φ, легко видеть, что процедура антисимметризации сохраняет соответствие между парой орбиталей {φi, φj} и некоторой двух-электронной спиновой функцией у для каждого слагаемого в сумме (3.34), характеризующегося некоторым индексом χ и называемого структурой ВС. Можно сказать поэтому, что орбитали φi и φj в некоторой структуре ае спарены. Таким образом, одно из центральных понятий ранних квантовохимических работ — понятие спаривания электронов (точнее, атомных орбиталей) — сохраняется и в более общей теории при правильном учете принципа антисимметрии.

Если каждой орбитали φi сопоставить точку на плоскости, то спаривание двух орбиталей можно представить графически отрезком, соединяющим две соответствующие точки. Так, например, одна из структур молекулы аммиака NH_3 может быть представлена диаграммой I (рис. 14). Здесь прерывистой линией обведена группа точек, соответствующих орбиталям атома азота. Стягивая каждую из таких групп в одну точку, можно получить диаграмму II связей атомов в структуре ВС. Аналогично для молекулы азота N_2 получаем диаграмму III.

Рис. 14. Диаграммы связей атомов в молекулах NH_3 и N_2

Иногда возможно с достаточной степенью точности представить электронное строение молекулы одной структурой (приближение идеального спаривания). Тогда кратность связи атомов отождествляется с числом штрихов, соединяющих соответствующие этим атомам группы точек на диаграмме связей, а сами диаграммы вида II становятся идентичными химическим структурным формулам.

В других случаях необходимо учитывать несколько структур . Например, для молекулы бензола следует принимать во внимание по крайней мере две структуры Кекуле. В таких "неклассических" случаях значения кратностей связей должны, очевидно, усредняться по структурам с учетом веса (ωχ) каждой структуры χ в разложении полной многоэлектронной функции Ψ:

(3.35)

где если атомные орбитали аиЬ спарены в структуре χ; 0 — в противном случае;

А и В обозначают атомы и с оответствующие им наборы атомных орбиталей.

Вес структур зависит, вообще говоря, как от коэффициентов Сχ , так и от перекрывания соответствующих многоэлектронных функций. Вследствие неортогональности последних понятие веса не является ни простым, ни однозначным. Удовлетворительное определение этого понятия, к сожалению, до сих пор отсутствует. Однако в ряде случаев вес структур определяется исключительно из соображений симметрии. Для π-электронной системы бензола, например, вес двух кекулевских структур (рис. 15) одинаков, так как эти структуры эквивалентны по симметрии. Поэтому если пренебречь прочими структурами, то ωχ = 0,5 (χ = 1,2), и с учетом σ-системы, описываемой в приближении идеального спаривания единственной структурой, кратность связи двух соседних атомов углерода равна

(3.36)

Рис. 15. Кекулевские структуры молекулы бензола

Аналогично для соседних атомов углерода и водорода

(3.37)

(см. рис. 15).

Проблему более серьезную, чем определение веса отдельной структуры, представляет неоднозначность выбора самих структур. Так, для π-электронной системы бензола линейно-независимый базис может включать пять структур, характеризуемых диаграммами I-V (рис. 16)[12].

Рис. 16. Линейно-независимые структуры молекулы бензола, отвечающие стандартным таблицам Юнга

Очевидно, что каким бы ни был вес этих структур, π-электронные составляющие кратностей связей С_2С_3, С_4С_5 и C_1C_6 равны нулю, и, следовательно, эти связи, в отличие от связей С_1C_2, С_3С_4 и C_5С_6, оказываются одинарными. Значения кратностей для остальных связей также не согласуются с симметрией молекулы бензола. Набор структур Кекуле и Дьюара для бензола позволяет получить разумные значения кратностей связей. Однако в общем случае сформулированная проблема пока не решена.

Валентность атома А можно определить как сумму кратностей связей, образуемых атомом А:

(3.38)

где или 1 — вклад атомной орбитали в валентность атома А.

В рамках метода ВС с использованием единственной для каждого атома А валентной конфигурации ГА (без учета ионных структур) для синглетных состояний V(χ)a в действительности не зависит от χ. Учитывая это обстоятельство, а также то, что вес всех структур в сумме равен единице, валентность атома можно представить в виде суммы

(3.39)

В соответствии с последним равенством валентность атома А оказывается равной числу неспаренных орбиталей в валентной конфигурации ГА этого атома, т. е. его спин-валентности, и не зависит, следовательно, ни от выбора линейно-независимого набора структур, ни от используемого способа определения веса отдельной структуры.

Возвращаясь к рассмотренной ранее формальной "химико-алгебраической аналогии", можно сказать, что ее физический смысл был вскрыт в методе валентных связей. Оказалось, что двухкомпонентному вектору соответствует пара одноэлектронных спиновых функций α(σ) и β(σ), одночленному инварианту соответствует двухэлектронная спиновая функция которая на заре квантовой химии называлась спин-инвариантом. Кроме того, произведению одночленных инвариантов в соответствующих степенях отвечает понятие структуры в методе ВС, а валентности как показателю степени VX , в которой X входит в F(X, Y,...), — число неспаренных орбиталей в валентной конфигурации ГX.

Развитие метода ВС в работах Полинга. Концепция гибридизации

До сих пор мы рассматривали преимущественно квантово-химические исследования представителей геттингенской школы теоретической физики, выполненные в 1929-1932 гг. В то же самое время в США Полингом и Слэтером был развит альтернативный подход к проблеме электронной структуры молекул, в основе которого были положены две фундаментальные концепции — гибридизации атомных орбиталей и резонанса структура нашедшие впоследствии широкое распространение среди химиков. Остановимся сначала на первой из указанных концепций. Она была сформулирована независимо Хундом, Слэтером, Малликеном[13] и Полингом, причем последний представил ее в наиболее четком и удобном для химиков виде.

В Копенгагене, в Архиве Н. Бора, хранится тетрадь с черновыми записями Полинга, относящимися к 1927-1929 гг., т. е. ко времени его стажировки в Европе. На обложке тетради надпись: "Статья Лондона. Общие идеи о связях",[14]- и далее приписка, относящаяся, по-видимому, к более позднему времени: "Здесь мы имеем первое обсуждение гибридизации".

Анализ этого документа показывает, что толчком к созданию Полингом концепции гибридизации послужило изучение им теории эффекта Штарка на атоме водорода, разработанной Шредингером в 1926 г. Эффектом Штарка называют изменение энергетических уровней атомов, молекул и твердых тел под действием электрического поля, обнаруживаемое по сдвигу и расщеплению спектральных линий. Это явление, открытое в 1913 г., было затем интерпретировано Шредингером на основе теории возмущений. При этом вследствие специфического для атома водорода вырождения энергетических уровней по квантовому числу l в отсутствие внешнего электрического поля (что соответствует нулевому приближению теории возмущений) из вырожденных функций должны быть образованы определенные линейные комбинации, называемые правильными функциями нулевого приближения:

(3.40)

"Коэффициенты этих линейных комбинаций определяются из секулярного уравнения, включающего матричные элементы вида

(3.41)

В силу нечетности оператора возмущения отличными от нуля будут лишь недиагональные матричные элементы с совпадающими значениями квантовых чисел m и m'. В частности, для n = 2, соответственно двукратному вырождению по l = 0 и 1, получается секулярное уравнение второго порядка

(3.42)

где

Правильные функции нулевого приближения

(3.43)

являются в этом случае эквивалентными гибридными атомными орбиталями (sp_0 — гибридизация) атома водорода в однородном электрическом поле. Обе функции, ψ_1 и ψ_2, соответствуют нулевой проекции орбитального момента импульса на направление внешнего поля, т. е. являются орбиталями σ-типа. Дважды вырожденные орбитали π-типа ψ21,+1 и ψ21,-1 в аксиальном электрическом поле остаются негибридизованными, и их энергетические уровни не изменяются.

Все сказанное выше справедливо для возбужденных состояний атома водорода с присущим ему специфическим вырождением. Для прочих атомов энергетические уровни зависят как от n, так и от l. Однако и в этом случае также можно было ожидать эффективное смешение атомных орбиталей одного слоя (т. е, орбиталей с одинаковыми n, но разными l), если расстояние между уровнями Еnl и Еnl' достаточно мало по сравнению с энергией возмущения. Такая ситуация, по мнению Полинга, должна реализоваться в молекулах, где атомы находятся в сильном электрическом поле, создаваемом ядрами и электронами других атомов молекулы. Анизотропия этого поля приводит к тому, что орбитальный момент импульса электрона не сохраняется и квантовое число l теряет смысл, поэтому возможно смешение атомных орбиталей как с одинаковыми, так и с различными значениями l. В то же время возможность гибридизации функций разных слоев представляла ь Полингу сомнительной ввиду большой разности в соответствующих энергиях. Исключение могут представлять атомы перех дных элементов, в которых энергии (n — 1) d-AO сопоставимы энергиями ns- и nр-АО.

Следует отметить, однако, что более глубокий анализ проблемы обнаруживает существенное несоответствие между традиционным — назовем его условно "химическим" — представлением о гибридизации, ве ущим свое начало от работ Полинга 1928 и 1931 гг. [71-72], и тем — назовем его условно "физическим" — представлением, к которому приводят изложенные выше рассуждения, натолкнувшие Полинга на идею гибридизации. Так, для молекулы метана, согласно химическим представлениям, атомные орбитали углерода должны быть гибридизованы в четыре (гибридных) АО hi, ориентированных к атомам водорода и обеспечивающих представление локализованных на связях C-Hi двухцентровых МО в виде

(3.44)

Преобразования тетраэдрической группы симметрии переводят гибридные АО hi друг в друга. Эти орбитали были названы поэтому Леннард-Джонсом (1949 г.) "эквивалентными" относительно точечной группы симметрии молекулы (Td). В тоже время правильные функции нулевого приближения должны классифицироваться по неприводимым представлениям (НП) этой группы. Такими трансформационными свойствами обладают негибридные 2s-, 2р-орбитали атома углерода. При этом 2s-АО преобразуются по полносимметричному,а трехкратно вырожденные 2р-АО-по трехмерному НП группы Td. Таким образом, анализ концепции гибридизации, основанный на эффекте Штарка, приводит к весьма своеобразной ее формулировке, при которой атомные орбитали углерода в молекуле СH_4 оказываются негибридизованными в традиционном смысле этого слова. Можно сказать, что при таком подходе мы получаем скорее концепцию антигибридизации, чем гибридизации.

Разумеется, ни в 1928 г., ни даже в 1931 г. проведенный выше анализ был еще невозможен, так как пространственная симметрия молекулы учитывалась в то время только качественно, без привлечения математического аппарата теории групп. С исторической точки зрения необходимость введения концепции гибридизации была обусловлена потребностью объяснить в терминах метода ВС такие явления, как локализованный характер химических связей во многих соединениях, их направленность o в пространстве, аддитивность и трансферабельность ассоциируемых с отдельными связями молекулярных свойств, а также геометрию молекул. При этом геометрическим аспектам придавалось особое значение. По мнению Полинга и многих других химиков, именно гибридизация атомных орбиталей является фактором, определяющим симметрию молекулы, а отчасти и ее геометрические параметры. К сожалению, при этом произошло обращение причинно-следственных связей между гибридизацией и симметрией. Часто утверждают, что первая является причиной последней. Так, например, в молекуле метана промотирование электрона из 2s- в 2р-состояние с образованием 2s2р^3-конфигурации углерода позволяет образовать четыре эквивалентные АО, эффективно перекрывающиеся с 1s-AO атомов водорода. Очевидно, что при этих рассуждениях исходным пунктом является известная (тетраэдрическая) симметрия молекулы метана, из которой делается вывод о характере гибридизации в этой же молекуле. Но когда от этой молекулы переходят к другим насыщенным соединениям углерода и утверждают, что вследствие тетраэдрической гибридизации орбиталей атома углерода его соседи должны находиться в углах тетраэдра, то создается иллюзия, что причиной такой геометрической структуры этих соединений является тетраэдрическая гибридизация. В действительности же в основе этих рассуждений лежит несвязанное с концепцией гибридизации предположение о сходстве геометрической структуры рассматриваемых соединений. Более того, выполненные недавно детальные расчеты электронной структуры молекулы метана [89] для основной и искаженной геометрических конфигураций показали, что для тетраэдрической конфигурации полная электронная энергия этой молекулы отнюдь не o минимальна. Тетраэдрической конфигурации метана соответствует максимум полной электронной энергии (рис. 17)!

Рис. 17. Зависимость ядерной (1), электронной (2) и полной энергии (3) молекулы метана от валентного угла (Td →C3U)

Возникает вопрос: почему же тогда для молекулы СН_4 реализуется тетраэдрическая геометрия? Как видно из рис. 17 причиной образования такой высокосимметричной структуры является то, что для нее минимальной оказывается энергия Межъядерного отталкивания четырех атомов водорода[15]. Таким образом, гибридизация АО не только не объясняет особенностей геометрического строения соединений углерода (и, очевидно, не только углерода), но в известной мере противоречит экспериментальным фактам. Конечно, противоречие снимается, если не пытаться объяснять геометрическое строение химических соединений гибридизацией образующих их атомов, а рассматривать определенный тип гибридизации как следствие определенной геометрии соединения.

Но не является ли тогда концепция гибридизации излишней? Было бы весьма печально, если б одно из фундаментальных понятий теории химической связи оказалось ненужным или даже ложным. Однако, как мы уже отмечали, объяснение геометрии молекул является лишь одной из задач, для решения которой привлекалась указанная концепция. Не менее важной являлась задача объяснения аддитивности и трансферабельности молекулярных свойств, обусловленных локализацией химических связей. Эта проблема в настоящее время успешно решается в рамках метода молекулярных орбиталей (см. гл. 4). Но уже в рамках метода ВС введенные Полингом представления о гибридизации позволили ему объяснить эквивалентность связей С-Н в метане, которая до этого казалась парадоксальной.

"Я тогда интересовался,- вспоминал впоследствии Полинг,- химическими связями, пытался понять, что они собой представляют. Это была головоломная проблема... Физики уверяли, что атом углерода имеет на внешней оболочке разные электроны — два s-электрона и два p-электрона — с разными, естественно, орбиталями. Но химики говорили, что этого не может быть, так как углерод образует четыре одинаковые связи... Как можно было примирить эти суждения? Я много размышлял над этой проблемой, и мне пришла в голову мысль, что s- и р-орбитали могут как-то сочетаться друг с другом, перемешиваться так, что образуются четыре одинаковые связи. Но подтвердить свою догадку точным математическим расчетом я не мог, задача была слишком сложна. Прошел почти год. И вдруг меня осенило, что смешанные, или гибридные, орбитали углерода можно рассчитать с помощью простых алгебраических действий. Для этого важно учесть зависимость электронных s- и р-орбиталей от направления в пространстве и сложить их так, чтобы гибридные орбитали приняли максимально вытянутую форму. В тех местах, где гибридные орбитали наиболее вытянуты, как раз и образуются химические связи между атомами" [19, с. 94-95]. При этом Полинг независимо от других исследователей ввел понятие о валентном состоянии атома в молекуле, отличном от его основного свободного состояния. Остановимся теперь более подробно на работе Полинга 1931 г. [72]. Обобщая метод Гайтлера-Лондона на многоатомные молекулы, он сформулировал шесть постулатов, отражающих основные свойства двухэлектронных связей.

1. Двухэлектронная связь образуется при взаимодействии неспаренных атомных электронов.

2. Образование связи сопровождается спариванием спиновых моментов отдельных электронов.

3. Спаренные электроны некоторой связи не могут одновременно принадлежать другим связям.

4. Для двухэлектронной связи определяющими являются те резонансные интегралы, которые включают лишь по одной атомной орбитали от каждого атома.

5. Из двух атомных орбиталей с одинаковой зависимостью более прочную связь образует та, амплитуда которой в направлении связи больше. Для заданной атомной орбитали связь образуется в направлении ее ориентации.

6. Из двух атомных орбиталей с общей угловой зависимостью более прочную связь обеспечивает орбиталь с меньшим средним радиусом (соответствующая более низкому энергетическому уровню).

Далее Полинг рассматривает случай двух атомов A и B, связанных двухэлектронной связью. Он полагает для простоты, что все прочие электроны в системе спарены и представляют собой или неподеленные пары, или пары электронов, связывающие атомы A и В с другими атомами. При этом Полинг предлагает использовать в качестве атомных орбиталей не только сферические функции, характеризуемые квантовыми числами l и m, но и их линейные комбинации, т. е. гибридные атомные орбитали. "Допустим,- пишет Полинг,- что атом А представляет для образования связи несколько одноэлектронных собственных функций приблизительно одинаковой энергии и что изменение в энергии проникновения в остов (атома) (in energy of penetration info the core) пренебрежимо мало по сравнению с энергией связи. Тогда мы можем принять для одноэлектронных собственных функций следующее выражение[16]:

(3.45)

в котором — численные коэффициенты, a — определенный набор одноэлектронных собственных функций типа тех, которые получаются при разделении переменных в волновом уравнении в полярных координатах. Из функций ψn,lA, можно образовать такую группу функций, которая будет относиться к атому Лик связанным с ним атомам, кроме атома B, так что все электроны оказываются спаренными, кроме одного... Из орбиталей атома В можно образовать аналогичную группу с одним неспаренным электроном.

Тогда энергия взаимодействия двух групп может быть рассчитана с помощью вариационного принципа путем замены собственной функции молекулы на собственные функции этих двух групп так, чтобы при этом удовлетворялись требования симметрии" [72, с. 1369].

Иными словами, введенные Полингом гибридные орбитали должны определяться минимизацией полной энергии молекулы относительно коэффициентов . Однако учитывая, что резонансные интегралы, определяющие в значительной степени полную энергию системы, тем больше, чем сильнее перекрываются соответствующие орбитали, Полинг предложил заменить вариационный критерий выбора гибридных АО более простым критерием их максимального перекрывания.

В частном случае, когда имеются s- и p-АО с одинаковыми и фиксированными радиальными функциями, перекрывание определяется исключительно угловой зависимостью атомных орбиталей. Эта угловая зависимость такова, что "р-электроны будут образовывать более прочные связи, чем s-электроны, причем связи, образованные р-электронами атома, ориентируются под прямыми углами относительно друг друга" [72, с. 1371]. Однако эти АО (s- и р-типа) могут быть преобразованы в гибридные орбитали, которые обеспечивают образование более прочных связей в определенных направлениях.

Таким образом, концепция гибридизации Полинга сводилась к предположению, что каждая гибридная атомная орбиталь ориентирована по определенной связи, т. е. ее угловая зависимость характеризуется максимальной амплитудой в направлении атома, связь с которым она обеспечивает. Следуя работе Гайтлера и Лондона, Полинг полагает, что взаимодействие между химически связанными атомами можно рассматривать как возмущение. Для учета последнего в случае вырождения энергетических уровней необходимо построение правильных функций нулевого приближения. Одна из этих функций соответствует наименьшей (отрицательной) энергии возмущения. Полинг предложил в качестве такой функции выбрать гибридную орбиталь,- ориентированную в направлении связи. В соответствии с теорией возмущений можно ожидать, что гибридизация будет тем более существенной, чем меньше разность энергий s- и р-АО по сравнению с энергией возмущения, обусловленной химическим взаимодействием. Вид гибридных орбиталей в некоторых случаях можно было определить из условий их ортонормированности и эквивалентности. Если бы 2s- и 2р-АО имели одинаковую радиальную зависимость

то гибридные АО имели бы вид

(3.46)

Именно такое представление гибридных АО и было дано Полингом (только в иных обозначениях). В действительности же радиальные атомные функции для разных значений квантового числа l различаются. Однако это обстоятельство не могло быть учтено в 30-х годах, хотя бы потому, что аналитические АО многоэлектронных атомов еще не были вычислены. Форму гибридной орбитали, точнее ее угловую зависимость, можно характеризовать полярной диаграммой:

(3.47)

Эта диаграмма может быть построена независимо от того, совпадают или нет радиальные функции, входящие в атомные орбитали. На рис. 18 приведены примеры этих диаграмм.

Рис. 18. Полярные диаграммы для spsub0/sub-гибридных АО углерода (одна из двух эквивалентных гибридных АО изображена сплошной линией, вторая — штриховой)

Теория гибридизации интенсивно обсуждается в современной литературе [22, 63, 73, 74, 88, 89], поэтому интерес к ней выходит за чисто исторические рамки. В связи с этим остановимся здесь на некоторых вопросах, связанных с попытками расширить первоначальную концепцию Полинга.

Вид гибридных орбиталей (т. е. коэффициенты гибридизации) при достаточно высокой симметрии окружения рассматриваемого атома может определяться из условий ортонормированности и эквивалентности гибридных орбиталей, как и в данном примере молекулы метана. В общем же случае необходимо привлечение дополнительных принципов, количественно определяющих коэффициенты гибридизации, таких, как, например, принцип максимального перекрывания. Согласно этому принципу, химическую связь образует пара сильно перекрывающихся гибридных атомных орбиталей, относящихся к соседним "непосредственно связанным" атомам в молекуле. Неподеленные электронные пары или вакантные орбитали описываются гибридными орбиталями либо неперекрывающимися, либо слабо перекрывающимися со всеми остальными АО как рассматриваемого, так и всех прочих атомов молекулы. Кроме того, по интегралам перекрывания для двух гибридных АО, обеспечивающих химическую связь атомов, можно судить о прочности этой связи, причем предполагается, что при отсутствии перекрывания атомных орбиталей образование химической связи невозможно.

При использовании принципа максимального перекрывания в его обобщенной формулировке, данной Малликеном в 1950 г., следует преобразовать орбитали каждого атома так, чтобы они, оставаясь ортогональными друг к другу, максимально (или минимально) перекрывались с АО других атомов, образующих молекулу[17]. Используя аналитические шестиэкспоненциальные функции Клементи, мы провели для примера расчеты гибридных орбиталей в молекулах NН_3, Н_2O и др. Для гидридов АНn (n < 4) орбитали атома А могут быть унитарно преобразованы таким образом, что выделяются отдельные гибридные АО, строго ортогональные ко всем остальным орбиталям атомов молекулы. Например, для молекулы аммиака полносимметричная гибридная АО азота

(3.48)

ортогональна не только к другим орбиталям атома азота, но и к 1s-АО водорода. Аналогично для молекулы воды гибридная орбиталь кислорода

(3.49)

и 2py-АО также ортогональны ко всем прочим АО в молекуле. Очевидно, что приведенные гибридные орбитали согласно принципу максимального перекрывания должны описывать неподеленные электронные пары атомов N и О.

Эти результаты свидетельствуют о том, что принцип максимального перекрывания приводит к явно завышенному вкладу s-орбиталей в гибридные АО неподеленных пар. Соответственно завышенным оказывается вклад s-AO в образование химической связи[18].

Теперь вернемся к работам Полинга. Следует отметить, что сам он не следовал строго принципу максимального перекрывания. Фактически Полинг использовал другой критерий, а именно требование ориентации гибридных АО по линии связи, и оперировал при этом исключительно с угловыми функциями, полагая, что радиальные компоненты 2s- и 2р-АО тождественны. Существенным (и, можно сказать, парадоксальным) было то, что такой подход, называемый часто "теорией направленных валентностей" (термин Полинга), давал результаты более разумные, чем те, которые можно было получить, строго следуя принципу максимального перекрывания. Поэтому вряд ли можно утверждать, что последний, учитывающий наряду с угловой также и радиальную зависимость АО, явился развитием теории направленных валентностей.

Не очень ясен вопрос и о другом ограничении ранней концепции гибридизации, суть которого состоит в том, что под преобразованием АО понимались не все унитарные преобразования, затрагивающие орбитали как с одинаковыми, так и с различными квантовыми числами момента импульса, а лишь ортогональные (т. е. вещественные) преобразования вещественных АО, в результате чего получались вещественные гибридные функции. Последние же не могут образовывать между направлениями своей ориентации угол меньше 90°.Это ограничение особенно сильно сказалось в органической квантовой химии, так как вынуждало химиков использовать старую идею Байера о напряженных химических связях, что приводило к многочисленным искусственным построениям, подробно рассмотренным в монографии Г. В. Быкова [5]. В 1967-1969 гг. Мартенссоном была выдвинута теория комплексной гибридизации [68], по которой углы между гибридными АО могут быть и меньше 90°.

Однако получаемые при этом волновые функции системы являются комплексными и не могут быть преобразованы в вещественные, хотя гамильтониан задачи не содержит членов, отвечающих магнитным взаимодействиям. Таким образом, вопрос о том, что же является развитием концепции Полинга — теория Мартенссона или модифицированная идея Байера, остается открытым.

В заключение этого параграфа остановимся на месте понятия гибридизации в логической структуре метода ВС. Использование гибридных орбиталей является необходимым условием представления многоэлектронной функции молекулы одной структурой (приближение идеального спаривания). Иными словами, концепция гибридизации позволяет наиболее просто интерпретировать классические структурные формулы в терминах метода ВС и в этом смысле она альтернативна концепции резонанса.

Кроме того, гибридные орбитали образуют оптимальный базис для представления локализованных молекулярных орбиталей. Таким образом, концепция гибридизации оказывается полезной при согласовании квантовомеханического описания молекул с их описанием в рамках классической теории строения.

Теория резонанса

Концепция (или теория) резонанса была предложена Полингом в начале 30-х годов. Основная идея ее заключалась в следующем. Если Ψ_0 представляет некоторую волновую функцию системы, то интеграл (Н^ — оператор Гамильтона) должен быть больше или равен энергии наинизшего состояния Е_0. Чем ближе Ψ к этой собственной функции, тем меньше будет разность Е — Е_0. Допустим, что мы нашли функцию Ψ_1, которая представляет возможные состояния системы, например состояние, соответствующее некоторой электронной формуле Льюиса. Тогда при замене Ψ на Ψ_1 в указанном интеграле можно рассчитать электронную энергию E_1, как функцию от межъядерных расстояний. Аналогично функция Ψ_2, соответствующая альтернативной электронной формуле, может быть использована для расчета Е_2. Если уровень Е_1 лежит значительно ниже уровня E_2, то функция Ψ_1 будет лучше аппроксимировать основное состояние системы, чем Ψ_2, и если другие альтернативы отсутствуют, то можно принимать во внимание только электронную формулу, соответствующую Ψ_1. Вообще говоря, если Ψ_1 и Ψ_2 имеют одинаковый характер симметрии и, что особенно важно, одинаковую мультиплетность (т. е. одно и то же число неспаренных электронов), то может быть найдено значение E, соответствующее функции aΨ_1 + bΨ_2. Когда Е_1 и E_2 не очень различаются и когда члены, соответствующие взаимодействию между состояниями Ψ_1 и &Ψ_2 велики, то оказывается, что функцией, дающей наилучшее приближение к собственной функции основного состояния системы, будет не Ψ_1 и не Ψ_2, а их линейная комбинация с коэффициентами а и b, являющимися величинами одного порядка. В этом случае ни одна электронная формула сама по себе не может быть сопоставлена молекуле. Необходимы обе структуры, хотя одна из них, возможно, будет иметь больший вес, чем другая. "Молекула,- отмечает Полинг,- могла бы рассматриваться как быстро флуктуирующая между двумя электронными формулами, и ее стабильность получается большей, чем для любой из этих формул благодаря "энергии резонанса этих флуктуации" [72, с. 996-997]. Впоследствии теория резонанса была развита Полингом, Уэландом и другими авторами, которые применили ее к широкому кругу химических соединений.

Достаточно подробно генезис этой теории был рассмотрен в монографии Г. В. Быкова [5]. Поэтому, избегая повторений, мы остановимся в дальнейшем только на тех вопросах, которые не были должным образом освещены в литературе.

Наибольшее распространение концепция резонанса нашла в органической химии. При этом популярность ее была так велика, что она часто отождествлялась с методом ВС. Когда же гипертрофирование роли резонанса электронных структур было подвергнуто критике, такое отождествление отрицательно сказалось на отношении многих химиков к методу ВС и привело к неправильному пониманию роли и логической структуры последнего. Историческое значение концепции резонанса состоит, во-первых, в том, что она определила одно из возможных направлений развития метода ВС. Во-вторых, она позволила глубже понять соотношение между классической и квантовой теориями строения химических соединений, вскрыв те стороны физической и химической реальности, которые не могли быть адекватно отражены классической теорией строения.

Чтобы яснее представить роль резонанса в логической структуре этого метода, попытаемся ответить на следующий вопрос: возможен ли "безрезонансный" метод ВС, и если да, то каковы будут его особенности. С ретроспективной точки зрения иной возможный путь развития метода ВС мог состоять в сохранении приближения идеального спаривания, но при этом пришлось бы обобщить концепцию гибридизации, т. е. использовать в качестве базисных функций не атомные, пусть даже гибридные (в обычном смысле слова) орбитали, а их линейные комбинации, вообще говоря, не ортогональные[19]. Уравнениями, определяющими эти линейные комбинации, являются уравнения Годдарда [43]. В некотором смысле этот метод, названный Годдардом "обобщенным методом ВС", является одновременно и обобщением метода МО. Иными словами, концепция резонанса служила не только одним из способов выражения метода ВС, который придал мышлению химиков большую гибкость, но и явилась своеобразным водоразделом, отделяющим два наиболее распространенных метода квантовой химии, ВС и МО, так как "безрезонансный" вариант метода ВС представляет собой такую модификацию последнего, которая придает ему черты метода МО.

Проиллюстрируем этот тезис на примере молекулы бензола. В методе ВС для описания π-электронной системы молекулы бензола необходим учет пяти независимых структур, характеризуемых диаграммами I-V (см. рис. 16). Эти диаграммы могут быть построены с использованием схем и таблиц Юнга.

Антисимметричная собственная функция оператора может быть получена из произведения координатной Φ и спиновой Χ функций действием оператора Годдарда

(3.50)

где

(3.51a)

(3.51б)

(3.51в)

где — операторы перестановки пространственных координат; — операторы перестановки спиновых переменных; — матричные элементы неприводимого представления [λ] группы перестановок N-электронов; f — размерность этого представления.

В методе Годдарда используется специальный выбор функций Φ и Χ в виде произведений одноэлектронных функций:

(3.52)

(3.53)

Многоэлектронной волновой функции метода Годдарда можно сопоставить определенную схему спинового спаривания, которой будет соответствовать некоторая обобщенная диаграмма Румера[20]. Действительно, как показал Годдард, действие оператора на произведение Φ и Χ эквивалентно действию оператора Юнга на X с последующей антисимметризацией:

(3.54)

что при соответствующем выборе X полностью соответствует построению многоэлектронной функции метода ВС. Например, для π-электронной системы бензола выбору

будет соответствовать схема спинового спаривания, выражаемая следующей диаграммой:

(3.56)

Таким образом, вместо пяти диаграмм в обобщенном методе ВС мы имеем только одну. Эта диаграмма совпадает по внешнему виду с диаграммой V (см. рис. 16). Однако в то время как диаграммы I-V характеризуют спаривание атомных π-орбиталей, в диаграмме (3.56) спаренными следует считать линейные комбинации последних (молекулярные орбитали) φk, которые определяются уравнениями вида[21]

(3.57)

Существенно, что этим уравнениям может быть дана интерпретация в рамках модели независимых частиц (МНЧ), т. е. отдельному электрону можно приписать определенное состояние, характеризуемое орбиталью φk. Следуя Годдарду, можно указать три условия, обеспечивающие возможность такой интерпретации:

1. N электронам сопоставляется не более чем N различных орбиталей;

2. каждая орбиталь должна быть собственной функцией некоторого эффективного гамильтониана, определяющего движение электрона в поле ядер и в усредненном поле других электронов;

3. это усредненное поле может быть нелокальным, но оно должно быть самосогласованным.

В отличие от метода Годдарда метод ВС в своей обычной формулировке не удовлетворяет условиям (2) и (3) и поэтому не может быть интерпретирован в терминах МНЧ. В то же время он допускает обобщение в рамках метода Годдарда, удовлетворяющее всем трем указанным выше условиям, в силу чего его интерпретация в терминах МНЧ становится возможной.

Разумеется, в начале30-х годов (и позже) сформулированный выше подход не мог быть реализован, главным образом, потому, что ввиду отсутствия необходимой вычислительной техники теория развивалась в основном на базе полуэмпирических и эмпирических методов, а также интуитивного обобщения методов, развитых для простых систем и близких (по крайней мере, в семантическом плане) классической теории строения. Конечно, отсутствие вычислительной техники, обеспечивающей преодоление математических трудностей многоэлектронной задачи, при стремлении к прогрессу в понимании электронной структуры атомов и молекул способствовало развитию фундаментальных концепций, сохранивших свое значение и до настоящего времени. Однако при этом наибольшее развитие получали те идеи и методы, которые могли плодотворно использоваться в условиях существования большого разрыва между качественными и количественными сторонами теории.

Обратимся теперь к другому вопросу — о реальности резонансных структур. Сначала несколько замечаний о терминологии. Мы считаем, что термин "резонансные структуры" можно применять лишь в том случае, если речь идет об эквивалентных структурах метода ВС. Например, нельзя называть резонансными структуры бутадиена или циклооктатетраена .

В каждом из этих примеров первая структура может использоваться в качестве структурной формулы соединения, а вторая — не может, так как ее вес пренебрежимо мал. Действительно, длина одинарной связи в такой структуре оказывается меньше, чем длина двойной, что противоречит известным эмпирическим закономерностям, связывающим кратность связи с ее длиной. О резонансе и резонансных структурах имеет смысл говорить, когда соответствующие этим структурам квантовомеханические средние значения энергии[22] равны или близки. Однако не следует связывать резонанс, понимаемый в указанном выше смысле, с какими-либо колебаниями, осцилляциями, пульсациями или флуктуациями, как это делал Полинг и другие авторы. Такие псевдоклассические представления, имеющие сомнительную ценность в отношении электронной системы молекулы, совершенно ошибочны в отношении атомных ядер, которые на данном уровне рассмотрения (электронная задача в адиабатическом приближении) следует считать неподвижными. В случае "резонанса" структур соединение обычно нельзя охарактеризовать классической структурной формулой, которая не противоречила бы его свойствам. Например, для бензола ни одна из двух классических формул Кекуле не отражает симметрии молекулы, ее физических и химических свойств. Аналогично формула не является вполне адекватной для молекулы нафталина, так как следует принимать во внимание еще хотя бы две структуры:

Резонанс структур в органической химии обычно обусловлен сопряжением одинарных и двойных связей углерод-углерод, особенно в плоских циклических системах (ароматические углеводороды и гетероциклы). Поэтому концепция резонанса некоторое время лежала в основе теории таких соединений, пока ее не сменил метод МО ЛКАО.

Иногда с понятием о резонансных структурах связывают понятие об "электронных изомерах". При этом их определяют как химические соединения, характеризуемые одной и той же ядерной конфигурацией, но различным распределением электронной плотности. Такое представление является безусловно ошибочным, так как именно распределение электронной плотности и определяет равновесную ядерную конфигурацию. Электронным изомерам поэтому неизбежно должны соответствовать различные ядерные конфигурации, так что это понятие сводится к обычному понятию изомерии (см. подробнее работу [2]).

В свете сказанного выше закономерен вопрос: какие же стороны объективной реальности отражает концепция резонанса?

Необходимость учета нескольких резонансных структур связана прежде всего с тем, что не всегда возможно приписать химическую связь отдельным парам атомов, т. е. химическая связь может быть делокализована между тремя и большим числом атомов. Такой делокализации соответствует резонанс ковалентных структур. В то же время в соединениях с локализованными двухцентровыми связями последние могут быть (и обычно являются) поляризованными. Для отражения полярности связи следует учитывать ионно-ковалентный резонанс. В некоторых случаях без учета резонанса структур может получаться качественно неправильное описание электронной структуры молекулы, в частности, может нарушаться соответствие между симметрией молекулы и распределением в ней электронной плотности, примером чему может служить молекула бензола. Одноструктурное представление соединения, принятое в классической теории химического строения, является приближенным с точки зрения квантовохимической теории, описывающей строение химических соединений (в рамках метода ВС) несколькими резонансными структурами. Иными словами, понятие резонанса на уровне приближения, определяемом методом ВС, в концентрированном, предельно схематичном виде отражает всю эволюцию теории химического строения — от приписывания каждому индивидуальному соединению определенной классической структурной формулы до учета делокализации электронов в квантовой теории. Тем самым в принципиальном отношении появление концепции резонанса исторически явилось завершением круга идей, лежащих в основе метода ВС.

Основные черты развития теории химической связи в рамках метода МО

Выше мы рассмотрели процесс становления квантовомехаческой теории ковалентной химической связи в рамках метода ВС. Одновременной в значительной степени независимо в теоретической химии возник другой способ описания электронной структуры молекул — метод МО. Исходным пунктом его развития явилось изучение эмпирических закономерностей в области молекулярной спектроскопии. Это, в свою очередь, привело к тому, что в формирование квантовомеханической теории ковалентной связи методы ВС и МО внесли различный вклад. Как будет показано далее, сама постановка задачи в теории МО не предполагала поначалу изучение природы химической связи. Каждый из указанных методов описывал определенные аспекты строения молекул, давая о нем комплементарную информацию. Сравнительный анализ начальных этапов эволюции обоих подходов к молекулярной проблеме приводит к выводу, что такое развитие квантовой химии обусловлено не только возможностью различного математического представления N- электрон ной волновой функции молекулы, но и двумя типами исследовательской практики при изучении химических соединений.

В основе химического изучения лежит важнейшая особенность его объекта — существование рядов или серий веществ, содержащих тождественные части (ряды гомологов, соединения с различными заместителями и т. п.). При этом наряду с использованием фундаментальных физических принципов широкое распространение в химии получило сопоставление свойств в указанных рядах соединений, проводимое эмпирическим или полуэмпирическим путем и опирающееся на представление о молекуле как системе взаимодействующих атомов. Физический же подход предполагает в первую очередь сопоставление различных спектроскопических состояний одного и того же вещества.

Отмеченные различия особенно четко проявились в первые годы существования квантовой химии (1927-1929 гг.). Однако уже в 1929 г. благодаря работам Герцберга и Леннард-Джонса намечается перелом в развитии метода МО — начинает формироваться молекулярно-орбитальная трактовка понятий кратности связи, валентности и т. п. И наконец, важнейшим событием тех лет явилось создание Хартри и Фоком (1928-1930 гг.) метода самосогласованного поля. Именно в таком порядке мы будем излагать раннюю историю метода МО.

Квантовомеханичеекая интерпретация молекулярных спектров и ее роль в создании метода молекулярных орбиталей

Основные положения квантовомеханической теории молекулярных спектров были сформулированы в серии статей Хунда, опубликованных в 1927-1930 гг. под общим заголовком "К интерпретации молекулярных спектров" [54]. В них были заложены основы метода молекулярных орбиталей — доминирующего метода расчета электронной структуры молекул в современной квантовой химии. В первой из статей указанной серии — [54, I], преследуя цель качественного объяснения природы молекулярных спектров, Хунд рассмотрел простейшую модель молекулы — квантовомеханическую систему с одной степенью свободы, потенциальная энергия которой характеризуется существованием нескольких минимумов. Существенным является то, что при этом он отметил возможность установить соответствие между стационарными состояниями рассматриваемой модельной системы и состояниями, которые отвечают бесконечному удалению потенциальных минимумов друг от друга. Тем самым была установлена адиабатическая взаимосвязь между состояниями двух разделенных атомов или ионов, состояниями двухатомной молекулы и состояниями атома, образованного путем мысленного сближения атомов вплоть до объединения их ядер. Ранее аналогичные идеи высказывали некоторые авторы (например, Кондон), но они были сформулированы недостаточно четко. Практическая ценность отмеченных Хундом корреляций состояла в том, что они позволили во многих случаях получить качественно правильную схему взаимного расположения энергетических термов двухатомной молекулы.

Работа Хунда [54, II] была посвящена исследованию характерных свойств полосатых спектров двухатомных молекул (как гомо-, так и гетеронуклеарных). В дальнейшем наряду с электронной он рассматривал также колебательную и вращательную структуры этих спектров [54, III-V]. Мы остановимся только на первых двух работах, наиболее повлиявших на процесс создания молекулярно-орбитальной теории молекул.

Согласно Хунду, электронную систему двухатомной молекулы можно представить как построенную путем последовательного добавления в поле двух атомных ядер по два электрона. При этом возникает вопрос: какое квантовое состояние займет каждый из добавляемых электронов, т. е. какова последовательность одноэлектронных квантовых состояний? Очевидно, что она зависит как от зарядов атомных ядер, так и от расстояния между ними. Хунд рассматривает два случая — малые и большие межъядерные расстояния R.

Если R мало по сравнению с эффективными размерами электронных оболочек атомов, то молекулярные термы должны быть подобны термам атомным[23]. При этом атомному Р-терму будут соответствовать два близких по энергии атомному D-терму — три молекулярных:

Одноэлектронные состояния образуют при малых R ту же последовательность, что и в атоме: 1s, 2s, 2p, 3s, 3р, 4s, 3d,..., если система электронейтральна или ее заряд мал; и 1s, 2s, 2p, 3s, 3р, 3d, 4s,..., если суммарный заряд ядер существенно больше числа электронов.

Простейшим случаем, рассмотренным Хундом, является атом, содержащий замкнутые электронные оболочки и один р-электрон в незамкнутой оболочке. Такой атом находится в состоянии 2Р. Мысленное расщепление ядра приводит к понижению сферической симметрии до аксиальной и, следовательно, к расщеплению 2Р-терма на при допущении, что 2∏-терм лежит выше терма 2∑.

При наличии сверхзамкнутой оболочки лишь одного d-электрона 2D-терм объединенного атома порождает молекулярные 2∏-, - и 2Δ-термы, приведенные здесь в порядке возрастания их энергии. При наличии пяти эквивалентных р-электронов соответствующий 2Р-терм порождает -состояния, причем последнее имеет большую энергию. При добавлении еще одного электрона из двух указанных выше термов, 2∏ и 2∑, возникает терм

Приведенные выше рассуждения Хунда относились к случаю, когда расстояние между ядрами являлось достаточно малым, чтобы расщепление атомных термов было существенно меньше, чем расстояние между ними на шкале энергии. Если теперь несколько увеличить межъядерное расстояние и (одновременно) взаимодействие электронов считать несколько меньшим, то энергетическая последовательность электронных уровней будет определяться в первую очередь квантовыми числами n и l, во вторую очередь — квантовым числом |m| и только в третью очередь — квантовыми числами полного спина и абсолютной величиной проекции полного орбитального момента импульса на ось молекулы. Последовательность одноэлектронных состояний характеризуется тогда рядом

Обратимся теперь к рассмотренному Хундом случаю разделенных атомов. При достаточном разведении атомных ядер термы двухатомной молекулы должны перейти в атомные термы. Если заряды ядер одинаковы (гомонуклеарная молекула), то атомные орбитали могут порождать молекулярные орбитали согласно схеме:

Атомные 1s-уровни при сближении ядер расщепляются на два молекулярных одноэлектронных σ-уровня, один из которых соответствует молекулярной орбитали, симметричной относительной плоскости, равноотстоящей от ядер и перпендикулярной к оси молекулы. Этот уровень, согласно Хунду (а также Гайтлеру и Лондону), лежит ниже, чем второй σu-уровень, соответствующий антисимметричной орбитали.

При мысленном сведении ядер до их слияния симметричная молекулярная оуорбиталь переходит в 1s-орбиталь объединенного атома, антисимметричная — в 2р-орбиталь. Поэтому эти состояния Хунд обозначает символами 1sσ и 2рσ т. е. он рассматривает молекулу с точки зрения объединенного атома. Такой взгляд был впоследствии подвергнут критике Леннард-Джонсом и Герцбергом.

Для четырех первых электронов двухатомной молекулы при большом межъядерном расстоянии реализуется конфигурация (1sσ)2(2pσ)2. Если затем добавить к ним пятый, то ему будет соответствовать 2s-орбиталь разъединенных атомов. Две таких орбитали, принадлежащие разным атомам, при сближении ядер преобразуются в симметричную и антисимметричную молекулярные σ-орбитали, причем энергия первой ниже, чем энергия второй, что следует из корреляции этих МО с орбиталями объединенного атома: симметричной МО соответствует 2sσ-AO, антисимметричной — 3pσ.

Таким образом, следует ожидать следующую последовательность одноэлектронных состояний двухатомной молекулы в порядке возрастания соответствующих им энергетических уровней: 1sσ, 2pσ, 2sσ, 3pσ, ...

Для первых восьми электронов при больших межъядерных расстояниях реализуется конфигурация (1sσ)2(2pσ)2(2sσ)2(3pσ)2. Девятый электрон соответствует 2р-орбитали разъединенного атома. Шесть таких орбиталей (по три от каждого атома) преобразуются при сближении ядер в следующие МО: симметричную σg-МО, антисимметричную σu-МО и две двукратно вырожденные симметричные πu-МО. Устанавливая соответствие между МО и АО объединенного атома, Хунд определил, что первая из названных выше МО является sσ (или dσ)-орбиталью, вторая- рσ-орбиталью, третья — pσ — и последняя dπ-орбиталями. При этом состояние 3sσ по энергии должно лежать ниже, чем 4рσ, а 2рπ ниже, чем 3dπ. По мнению Хунда, наиболее вероятной является следующая последовательность одноэлектронных состояний в порядке возрастания их энергии:

Таким образом, в 1927-1929 гг. Хундом были в качественном виде сформулированы некоторые важные идеи (одноэлектронного приближения, соответствия между атомными и молекулярными состояниями и т. п.), получившие затем более глубокую разработку. Однако его рассуждения о природе химической связи не являются специфическими для метода молекулярных орбиталей, а соответствуют более общему уровню рассмотрения, на котором не проявляются различия методов ВС и МО.

Другим исследователем, внесшим большой вклад в развитие молекулярно-орбитальной теории, был американский ученый Малликен. В 1925 г., изучая закономерности в молекулярных спектрах и сопоставляя их с атомными, он отметил сходство в спектральных характеристиках молекул CN, CO+, N_2+, ВО, BeF со спектром Na. Подобные аналоги были установлены в 1925-1927 гг. в работах Мекке, Бэрджа, Шпонер и других на примере молекул СО и N_2 и атома Mg, молекулы NO и атома Аl и т. п. Так, сопоставляя структуру молекулярных и атомных спектров, Бэрдж предположил, что энергетические уровни, связанные с валентными электронами молекулы, соответствуют "во всех существенных аспектах", т. е. по характеру вырождения, мультиплетности и взаимному расположению на энергетической шкале, уровням, на которых находятся валентные электроны в изоэлектронных, точнее изовалентноэлектронных, атомах. По предложению Бэрджа, молекулярные уровни стали обозначаться теми же буквами (s, p, d, f,... и т. п.), что и атомные, но только заглавными. Его обозначения 1S, 1Р, lD, 2S, 2Р соответствуют современным: (с подуровнями 2∏1/2 и 2∏3/2).

Указанные аналогии натолкнули Малликена на мысль, что каждому электрону в молекуле можно приписать определенную орбиту [64-65]. Например, электроны в молекулах CN и ВО должны характеризоваться квантовыми числами, аналогичными квантовым числам в атоме Na (хотя эти молекулы имеют на два K-электрона больше). Созданная Малликеном теория в значительной степени основана на изложенных выше идеях Хунда. Малликен отмечает, что интерполяция между случаями строгб разделенных атомов и объединенного атома, проводившаяся Хундом, оказывается полезной для оценки электронного состояния двухатомных молекул. В частности, модель объединенного атома позволяет использовать принцип Паули для определения максимально возможного числа электронов, соответствующих любым заданным квантовым числам. Квантовые числа, характеризующие электронное состояние молекулы, получаются из квантовых чисел, соответствующих электронному состоянию объединенного атома в предположении, что этот атом помещен в сильное электрическое поле. Наложение последнего эквивалентно мысленному расщеплению ядра объединенного атома на отдельные ядра, входящие в молекулу.

Однако реальная последовательность термов по энергии может отличаться (и весьма значительно!) от последовательности, имеющей место в сильном электрическом поле. Распределение электронов для основного состояния молекулы может соответствовать их распределению в некотором возбужденном состоянии объединенного атома, и наоборот.

Так как основная часть информации о прочности химических связей основана на спектроскопических данных, Малликен высказал предположение, что при анализе электронной структуры молекулы может оказаться полезным метод, аналогичный использованному Бором для определения электронной конфигурации атомов. Этот метод состоит в том, что все электроны мысленно удаляются из атома, а затем по одиночке возвращаются в атом, занимая доступные орбиты с наиболее низкой энергией. Конечно, применение этого метода к молекулам затруднялось тем, что отсутствовала достаточная информация об энергетической последовательности орбит в молекуле. Для решения этой проблемы были использованы корреляции между предельными случаями объединенного и изолированного атомов. Развитие метода Хунда Малликеном, по мнению последнего, "состояло прежде всего в попытке определить квантовые числа отдельных электронов" [65, с. 190]. При понижении сферической симметрии изолированного атома до аксиальной электроны, характеризующиеся одними и теми же квантовыми числами n и l, но различными |m|[24], уже не будут эквивалентными. Их энергия теперь зависит также от абсолютной величины квантового числа m. Таким образом, атомная оболочка ns не расщепляется, в то время как оболочки np,nd,... расщепляются на две, три,... оболочек. Одна из них (σ-типа) характеризуется нулевым значением проекции одноэлектронного момента импульса на ось квантования. Она может заполняться не более чем двумя электронами с противоположными спинами. Каждой из остальных оболочек (π-, σ-...типов) соответствуют два не нулевых, равных по абсолютной величине, но различающихся знаком, значения проекции момента импульса. Соответственно эти оболочки могут заполняться не более чем четырьмя электронами.

Таким образом, как было показано Малликеном, электронные оболочки в молекуле определяются бблыпим набором квантовых чисел, а их максимальная заселенность электронами понижается. Если замкнутые оболочки в атоме содержат 2, 6, 10,... электронов, то в линейной молекуле они содержат либо 2, либо 4 электрона.

Электронные оболочки и соответствующие им одноэлектрон-ные энергетические уровни Малликен классифицировал на связывающие (bonding) и несвязывающие (unbonding). Под связывающим он понимал такой уровень, удаление электрона с которого приводит к ослаблению химической связи, в отличие от случая удаления электрона с несвязывающего уровня[25], В качестве критерия прочности связи он использовал три экспериментально наблюдаемые величины: энергию диссоциации (D), равновесное межъядерное расстояние (R_0) и частоту колебания (ω_0) связи двухатомной молекулы. Укорочению химической связи должно, по мнению Малликена, соответствовать увеличение D и ω_0.

Наиболее сложной проблемой было определение энергетической последовательности одноэлектронных состояний в молекуле. Поскольку о теоретическом расчете в то время не могло быть и речи, то Малликену пришлось использовать различную информацию (в основном экспериментальную): потенциалы ионизации, энергии электронных переходов и их интенсивности, эмпирически установленные правила отбора и т. п. Кроме того, он ввел дополнительное предположение о том, что число σ-, π-, δ-...электронов при переходе от объединенного атома к разделенным не изменяется. Однако такой переход неоднозначен, во-первых, потому, что в процессе разъединения могут получиться атомы в различных состояниях, а во-вторых, потому что объединенный атом может "расщепляться различными спобами" (например, и т. д.).

Ввиду неоднозначности указанного перехода существенным является использование принципа изоэлектронности, а также предположения о сохранении числа σ-, π-... электронов.

Заканчивая обсуждение работ Хунда и Малликена, остановимся на их оценке. Прежде всего следует отметить, что Хундом и Малликеном была дана вполне удовлетворительная интерпретация молекулярных спектров на основе квантовой механики. Была прослежена связь молекулярных спектров с атомными. Вместе с тем был достигнут прогресс в понимании квантовомеханической природы валентности атомов и удалось объяснить некоторые особенности их химического поведения. Существенным элементом теории Хунда-Малликена была идея одноэлектронного приближения в ее простейшей формулировке. Все эти результаты составляют непреходящую ценность их работ.

В то же время следует отметить, что метод МО[26] выступает р их исследованиях преимущественно как качественная полу-^мпирическая теория молекулярных спектров. Описание молекул велось в терминах энергий и мультиплетностей термов, а не волновых функций, которые определяют распределение электронной плотности в системе. Изучались фактически корреляционные диаграммы "термы разделенных атомов — термы объединенного атома", но не детальное изменение энергии отдельных термов (или одноэлектронных состояний) при изменении межъядерного расстояния, характеризующееся потенциальными кривыми взаимодействия атомов.

Иными словами, речь шла об отношении величин, а не о функциональном отношении Е = E(R). Особенность функциональной зависимости состоит в том, что она может включать "особые точки" (например, экстремумы), в которых объект переходит в особое состояние и происходит образование нового качества.

Для того чтобы расширить значение метода Хунда-Малликена, необходимо было прежде всего выйти за рамки чисто качественных полуэмпирических построений и найти способ количественного теоретического расчета. Новой постановке задачи способствовали работы Леннард-Джонса и Герцберга.

Развитие метода МО в работе Леннард-Джонса

Почти сразу после своего возникновения метод Хунда-Малликена подвергся критике со стороны многих исследователей. Так, Герцберг [53] отметил трудности, с которыми сталкивались попытки интерпретировать некоторые экспериментальные факты, например, распад молекулярного иона N_2+ (основное состояние) на атом N (основное состояние) и ион N+ (возбужденное состояние) на основе указанного метода.

Более того, он указал путь, позволяющий усовершенствовать эту теорию. Основываясь на идее Гайтлера и Лондона, согласно которой атомные орбитали в молекуле отчасти сохраняют свою индивидуальность, Герцберг предложил в качестве рабочей гипотезы сохранять за отдельными электронами в молекуле те квантовые числа, которыми они характеризовались в разъединенных атомах. Идеи Герцберга нашли поддержку в работе Леннард-Джонеа [58]. Последний считал недопустимым сопоставлять электронам в молекуле квантовые числа состояний, которые не могут быть реализованы. Значительно важнее, по его мнению, знать, что происходит с молекулой при ее диссоциации, чем рассматривать мысленный, физически нереализуемый процесс сжатия молекулярного полиэдра до слияния ядер[27]. Далее он обращает внимание на то, что систематика одноэлектронных состояний по Хунду и Малликену становится слишком сложной для молекул, включающих тяжелые атомы. Даже для атомов, высшие одноэлектронные состояния которых характеризуются главным квантовым числом 2, электронные оболочки пришлось бы обозначать символами 3dπ, 4pσ..., которые нелегко интерпретировать. Наконец, наиболее убедительным аргументом против использования квантовых чисел объединенного атома для описания многоатомной системы, приведенным Леннард-Джонсом, является абсурдность такого подхода в случае кристаллов. Так, куску свинца должен соответствовать объединенный атом с астрономическим зарядом ядра и всего лишь двумя 1s-электронами, двумя 2s-электронами и т. п., хотя ясно, что при образовании кристалла состояния 1s, а также состояния других электронов внутренних оболочек должны оставаться почти неизменными.

Предлагая характеризовать электроны в молекуле квантовыми числами разъединенных атомов, Леннард-Джонс полагал, что принцип Паули можно считать выполняющимся, если, например, два 1s-электрона принадлежат к одному ядру или два — к другому. Более того, он считает возможным в некоторых случаях относить завершенные (замкнутые) оболочки к отдельным атомам. Таким образом, Леннард-Джонс различает атомные и молекулярные уровни даже в молекулах, причем только последние он считает ответственными за образование химической связи, что было, вообще говоря, нетривиальным моментом, так как детального теоретического анализа электронной структуры молекул в то время еще не было сделано.

Далее Леннард-Джонс ввел широко используемые в настоящее время при качественном рассмотрении химической связи диаграммы, связывающие одноэлектронные уровни молекулы с соответствующими уровнями разъединенных атомов. Однако эти диаграммы, отличались от современных отсутствием разрыхляющих состояний. В этом состоит ограниченность подхода Леннард-Джонса, связанная, по нашему мнению, с не вполне правильным пониманием работы Гайтлера и Лондона. В самом деле, исключая разрыхляющие одноэлектронные состояния, Леннард-Джонс исходил из того, что они порождаются одноэлектронными состояниями атомов, одно из которых (или оба) дважды занято, тогда как по Гайтлеру и Лондону взаимодействие таких состояний не должно способствовать образованию химической связи. Однако этот аргумент нельзя признать справедливым по крайней мере по двум причинам.

1. Одноэлектронные уровни характеризуют энергию отдельных электронов, но не полную электронную энергию молекулы, которая отлична от суммы одноэлектронных. Взаимодействие замкнутых электронных оболочек приводит к расщеплению соответствующих одноэлектронных уровней, и хотя это расщепление практически не приводит к упрочению химической связи, оно может проявляться в спектрах молекулы.

2. Безусловно, ошибочным является исключение из рассмотрения разрыхляющего уровня, когда он заполнен только одним электроном, т. е. предположение о невозможности образования трехэлектронных связей, характеризуемых диаграммой вида

Существование таких связей с точки зрения простого метода Гайтлера-Лондона невозможно, но в действительности они реализуются (например, в ионе Не+2 и т. п.).

Историческая роль работы Леннард-Джонса состоит в том, что, во-первых, сопоставление одноэлектронных состояний в молекуле с соответствующими одноэлектронными состояниями разъединенных атомов и приписывание молекулярным электронам квантовых чисел образующих молекулу атомов заложило фундамент для развития метода МО ЛКАО — основного метода современной квантовой химии. Во-вторых, Леннард-Джонсом была высказана идея о разделении всех молекулярных электронов на электроны внутренних, замкнутых атомных оболочек и валентные электроны, определяющие в основном химические свойства молекулы аналогично тому, как это делалось в методе ВС. Эта идея используется, в частности, в современных полуэмпирических методах квантовой химии.

Формирование метода самосогласованного поля

Фундаментальное значение для разработки теории многоэлектронных систем имели работы Хартри, Гоунта и Фока, в которых был сформулирован метод самосогласованного поля (ССП). Основная идея этого метода по Хартри [47] состояла в том, что каждому электрону атома сопоставлялась некоторая одноэлектронная функция (орбиталь), аналогично тому, как в полуклассической теории атома Бора-Зоммерфельда предполагалось, что каждый атомный электрон движется по определенной орбите. Следует отметить, что в рамках квантовоме-ханической теории молекулярных спектров эта идея независимо развивалась Хундом и Малликеном, которые, однако, не предприняли попыток вычисления одноэлектронных функций, ограничиваясь, как мы видели выше, их классификацией по симметрии и энергии посредством задания соответствующих квантовых чисел.

Хартри опирался на трактовку одноэлектронной волновой функции ψ, данную Шредингером и развитую затем Клейном, согласно которой квадрат модуля |ψ|2 дает объемную плотность распределения электрического заряда в состоянии, описываемом функцией ψ. Отмечая, что такая интерпретация не является бесспорной, Хартри указывает в то же время, что она позволяет построить физически разумную модель как для стационарных состояний электронных оболочек атомов, так и для процессов излучения[28]. Принимая во внимание доказанную ранее Унзольдом теорему о сферической симметрии распределения заряда в замкнутых оболочках атомов, Хартри отмечает, что приближение центрального поля в квантовой механике является более удовлетворительным, чем в старой квантовой теории.

Хартри показал далее, что указанные допущения (одноэлектронное приближение и приближение центрально-симметричного поля) позволяют свести задачу к одномерному уравнению, определяющему движение одного электрона в центрально-симметричном некулоновском поле, создаваемом ядром и всеми прочими электронами:

(3.58)

где введенная Хартри радиальная функция Р(r) определяет радиальную плотность заряда на расстоянии г от ядра, т. е. P^2dr при соответствующей нормировке функции Р является зарядом, локализованным в пространстве между двумя сферами радиусов r и r+δr; V — потенциал притяжения рассматриваемого электрона к ядру (с учетом его отталкивания от других электронов); величинае характеризует энергию электрона в состоянии, определяемом функцией Р; l — квантовое число орбитального момента импульса.

Основная трудность решения уравнения (3.58) состояла в том, что потенциал V определяется через искомые функции Р, так что уравнение оказывается нелинейным.

Хартри разработал метод решения таких уравнений, названный им процедурой самосогласования. Согласно этому методу сначала задается некоторое исходное поле (initial field), затем в это поле вносится поправка, учитывающая то, что данный электрон взаимодействует лишь с другими электронами, но не сам с собой, в результате чего получается соответствующий исходному полю потенциал V. С этим потенциалом уравнение (3.58) решается как линейное относительно Р. Соответствующее вычисленным радиальным функциям распределение заряда в атоме обусловливает новое поле, являющееся конечным для данной итерации процедуры самосогласования. Если это конечное поле достаточно близко к исходному, то решение уравнения (3.58) считается завершенным. В противном случае процедура повторяется с использованием конечного поля предыдущей итерации в качестве исходного поля последующей. Таким образом, процедура самосогласования может быть охарактеризована приводимой ниже диаграммой:

Разработанный им метод Хартри иллюстрировал расчетами для атома Не и ионов . Выбор объектов не случаен, ибо теория была сформулирована лишь для атомов и ионов с замкнутыми оболочками. Кроме того, в ней не фигурирует явно полная многоэлектронная функция, методы построения которой были развиты позднее.

Теория Хартри, как было впервые показано Гоунтом в феврале 1928 г. [41], соответствует представлению полной N-электронной функции в виде простого произведения одноэлектронных функций

(3.59)

где xi — совокупность пространственных (xi, yi, zi) и спиновой (σi) переменных для i-го электрона.

Гоунт подчеркивает, что "полная волновая функция должна быть антисимметричной относительно любой перестановки пространственных и спиновых координат двух электронов, тогда как функции, не включающие спиновые переменные, могут иметь различный характер симметрии" [41, с. 329]. Простая же мультипликативная функция (3.59), очевидно, не удовлетворяет сформулированному условию антисимметрии. Гоунт показал, что в первом приближении полную антисимметричную функцию системы N электронов можно аппроксимировать суммой

(3.60)

где ∑ — символ суммирования по всем перестановкам переменных (x_1, x_2,..., xN), причем xi = (ri, σi); знак "+" относится к четным, а "-" — к нечетным перестановкам. Очевидно, что данное Гоунтом выражение (3.60) определяет детерминант, составленный из спин-орбиталей ψp(xa):

(3.61)

Независимо от Гоунта (и почти на год позже) такое представление многоэлектронной функции было предложено Слэтером (1929 г,) [80] и названо его именем (детерминант Слэтера)[29].

В начале 1928 г. появилась работа Уолера и Хартри [83], в которой был дан анализ перестановочной симметрии многоэлектронной функции для систем как с замкнутыми, так и с открытыми оболочками. При этом полная функция системы строилась из бесспиновых орбиталей в виде произведения двух детерминантов. В один из них включались орбитали со спином вверх, а в другой — со спином вниз:

Такое представление функции обеспечивает ее антисимметричность относительно перестановок в каждой из двух групп аргументов ri, разделенных вертикальной чертой. (Заметим, что волновая функция Уолера-Хартри не содержит спиновых переменных![30]) Однако функция (3,62) необладает определенной симметрией относительно перестановок аргументов между указанными двумя группами[31].

В основу современной теории самосогласованного поля легла работа Фока [39], впервые доложенная им 17 декабря 1929 г. на заседании Русского физико-химического общества и напечатанная в 1930 г. в журнале "Zeitschrift fur Physik" и в 1931 г. в "Трудах ГОИ". Фок показал, что при использовании функции Уолера-Хартри и вариационного начала "для волновой функции отдельных электронов получаются уравнения, которые отличаются от уравнений Хартри тем, что содержат члены, передающие так называемый квантовый обмен" [39, с. 126].

При сопоставлении двух методов построения волновой функции Гоунта-Слэтера и Уолера-Хартри необходимо отметить следующее:

а) первый обладает перед вторым тем преимуществом, что он строже учитывает антисимметрию полной многоэлектронной волновой функции относительно перестановок, а именно: однодетерминантная функция Гоунта-Слэтера антисимметрична относительно перестановок электронов не только с одинаковыми, но и с различными значениями спиновых переменных, в то время как в методе Уолера-Хартри электроны с различными значениями спиновых переменных считаются различимыми, и многоэлектронная функция в этом методе не обладает определенной симметрией относительно перестановок координат таких электронов[32];

б) с другой стороны, как показал Фок, функция Уолера-Хартри может быть домножена на многоэлектронную спиновую функцию, являющуюся собственной функцией оператора к в то время как детерминантная функция Слэтера в общем случае не удовлетворяет этому условию. Второе из указанных обстоятельств обусловливает преимущество функции Уолера-Хартри, особенно при обобщении метода ССП на системы с ненулевым полным спиновым моментом. Такие системы широко изучаются в современной химии и биохимии как экспериментально, так и теоретически, поэтому интерес к методу Уолера-Хартри в последнее время возрос. Плодотворность идеи Фока об использовании вариационного начала также проявилась в полной мере в последние годы, когда были развиты методы прямой минимизации функционала электронной энергии.

В 1930-1940 гг. метод Хартри-Фока использовался в основном при расчетах атомных структур, что объясняется возможностью введения дополнительных упрощений, связанных со сферической симметрией задачи (приближение центрального поля).

В 1951 г. ученик Малликена Рутан сформулировал метод Хартри-Фока для молекулярных систем с замкнутыми оболочками [75]. Особенность метода Рутана, отличающая его от исходного метода ССП, состояла в представлении молекулярных орбиталей в виде линейной комбинации атомных. Таким образом, идеи, разработанные в 1920-1930 гг. в теориях Хунда-Малликена, Хартри-Фока, Леннард-Джонса и Слэтера, нашли свое выражение в рамках единого формализма.

С внедрением в начале 50-х годов в практику квантовохимических исследований быстродействующих ЭВМ начался качественно новый этап развития теории строения молекул. Основное внимание исследователей сосредоточилось не столько на качественных аспектах теории химической связи, сколько на развитии методов количественного расчета молекулярных свойств. Однако рассмотрение этой стороны развития теории не входит в нашу задачу. Мы ограничимся в дальнейшем обсуждением лишь некоторых новых результатов, относящихся к описанию структуры химической связи, а также квантовомеханической интерпретации понятий классической теории химического строения.

Глава 4. Современные методы исследования структуры химической связи

Матрица плотности и некоторые замечания о квантовомеханическом описании одкозяектронных и многоэлектронных состояний

В квантовой механике состояние частицы с энергией е описывается волновой функцией ψ(r), которая удовлетворяет уравнению Шредингера

(4.1)

При этом любому физическому состоянию частицы можно сопоставить множество волновых функций, отличающихся друг от друга множителем exp(iα) с вещественным параметром а, не зависящим от координат частицы. Иными словами, волновая функция ψ'(r) = exp (iα)ψ(r), и в частности ψ'(r) = — ψ(r) (α = π), так же как и ψ(r), будет собственной функцией гамильтониана с тем жезначением энергии ε. Если волновая функция ψ(r) нормирована на единицу:

(4.2)

то такому же условию нормировки будет удовлетворять волновая функция ψ'(r). Математические ожидания всех физических величин, представленных операторами и вычисляемых как интегралы

(4.3)

также не меняются при рассматриваемом преобразовании. Именно это обстоятельство и доказывает, что волновые функции ψ и ψ' описывают одно и то же состояние частицы.

Действие оператора на ψ(r) определяется по формуле

(4.4)

Функция μ в (4.4) называется ядром оператора в его интегральном представлении. При таком представлении операторов легко видеть, что математическое ожидание

(4.5)

определяется фактически не функцией ψ(r), а произведением двух ψ-функций

(4.6)

которое называется матрицей плотности для частицы, нахо дящейся в определенном состоянии. Строго говоря, матрица плотности ρ(r|r') не может быть матрицей в обычном смысле этого слова, если координаты r, нумерующие ее строки, и координаты r', нумерующие ее столбцы, не дискретны. Тем не менее термин "матрица плотности" для ρ(r|r') является общепринятым.

Матрица плотности становится истинной матрицей, если она представлена в некотором базисе функций Xk(r), т. е. определяется совокупностью матричных элементов Pkl, по которым можно воспроизвести ρ(r|r') согласно равенству

(4.7)

В качестве функций Xk(r) в квантовой химии чаще всего используются атомные орбитали, центрированные на ядрах атомов, образующих молекулу. Например, для молекулы Н_2+ матрица плотности в двухцентровом базисе 1s-орбиталей атомов водорода имеет вид

где S — интеграл перекрывания базисных АО.

Матричные элементы Рkl получаются из коэффициентов разложения МО в базисе АО:

по формуле

Зависимость матрицы плотности ρ(r|r') от r и r' не следует понимать в том смысле, что она зависит от координат двух частиц.

В действительности r и r' представляют собой две различные (но возможно и совпадающие) точки пространства, в которых может быть локализована одна рассматриваемая частица. При этом плотность вероятности локализации ее в некоторой точке r равна диагональному элементу . Именно эту функцию характеризуют часто используемые в квантовой химии карты распределения электронной плотности. Функция ρ(r) содержит информацию, достаточную для вычисления математических ожиданий тех весьма многочисленных физических величин, операторы которых не включают интегрирования или дифференцирования. Например, дипольный момент d электронной системы относительно центра координат представлен одноэлектронным оператором с ядром[33]:

(4.8)

и определяется по формуле

(4.9)

Использование матрицы плотности вместо волновой функции устраняет указанную выше неоднозначность в квантовомехани-ческом описании состояния частицы. В то же время такое описание является более общим и позволяет характеризовать одночастичные состояния для систем, содержащих несколько различных или тождественных частиц, хотя точное описание этих состояний с помощью волновых функций невозможно.

Пусть некоторое состояние W-электронной системы задано антисимметричной нормированной функцией Ψ(x_1,..., xN), где хi обозначает совокупность пространственных координат (ri) и спиновой переменной (σi) i-гo электрона. Тогда N-электронная матрица плотности ρN определяется аналогично одноэлектронной (4.6):

(4.10)

Диагональные элементы матрицы плотности ρN характеризуют вероятность того, что первый электрон локализован в точке x_1, в то время как второй — в точке х_2, третий — в точке х_3 и т д. Конечно, в силу неразличимости электронов их нумерация является произвольной.

Рассматриваемые N электронов могут входить в состав системы включающей также и другие частицы. Например, молекулы состоят из электронов и атомных ядер, образующих единую систему. Пусть состояние последней определяется нормированной функцией Φ(x_1,..., xN,ξ), причем ξ обозначает совокупность переменных всех частиц, не являющихся электронами (т. е. ядер). Состояние N-электронной системы в общем случае не может описываться Ψ-функцией и в этом смысле не является чистым[34]. Но оно может характеризоваться N-частичной редуцированной матрицей плотности:

(4.11)

Термин "редуцированная" в применении к матрице плотности означает, что некоторые переменные в левом и правом наборах ее аргументов отождествляются и затем по ним проводится интегрирование.

Подобным образом определяются редуцированные матрицы плотности для k-электронных подсистем N-электронной системы:

(4.12)

Целесообразность введения множителя обусловлена тождественностью электронов. В частности, редуцированная одноэлектронная матрица плотности определяется через N-электронную равенством

(4.13)

и нормирована на число электронов N:

(4.14)

Часто используют бесспиновую матрицу плотности

(4.15)

где проведено интегрирование (или суммирование) по спиновой переменной σ.

Отметим теперь некоторые используемые в дальнейшем математические свойства редуцированных матриц плотности.

Вследствие антисимметричности N-электронной функции Ψ (или Φ) относительно перестановок электронных переменных

(4.16)

k-частичные матрицы плотности при антисимметричны в левой и правой группах аргументов, разделенных вертикальной чертой:

(4.17a)

(4.17б)

Из определения ρk следует также, что

(4.18)

Учитывая сказанное на с.102 об интегральном представлении операторов , мы можем утверждать, что матрица плотности является ядром некоторого эрмитового оператора k-частичной плотности вероятности ρk:

He следует думать, однако, что этот оператор соответствует некоторой наблюдаемой физической величине. Его роль в квантовой теории состоит в том, что он характеризует состояние N-электронной системы в той мере, в какой это необходимо для определения ожидаемого значения любой физической величины, представленной суммой k-электронных операторов. При этом последние не зависят от состояния рассматриваемой многоэлектронной системы. Среднее значение оператора для некоторого k-электронного состояния определяет заселенность этого состояния. Собственные функции оператора называются функциями "естественных" k-частичных состояний, а собственные значения — естественными заселенностями n(k)ν. Функции определяющие одночастичные состояния с заселенностями называются естественными спин-орбиталями и удовлетворяют уравнению

(4.20)

Бесспиновые ψν(r), удовлетворяющие аналогичному уравнению на собственные значения матрицы плотности ρ(r|r') называются "естественными" орбиталями.

В качестве примера рассмотрим молекулу водорода Н_2. Естественные молекулярные орбитали для этой молекулы определяются исключительно из соображений симметрии (если их ищут в виде линейной комбинации двух атомных 1s-орбиталей) и классифицируются на симметричную (g) и антисимметричную (u) МО:

В то же время естественные заселенности связывающего (ψg) и разрыхляющего (ψu) одноэлектронных состояний зависят от способа построения полной двухэлектронной функции молекулы Н_2 из одноэлектронных (табл. 3).

Таблица 3. Естественные заселенности в молекуле H_2 [35]

Матрицу плотности ρ(r|r'), как и матрицы плотности более высокого порядка, можно представить через "естественные" заселенности и соответствующие естественные функции в виде естественного разложения:

(4.21)

Такое представление матрицы плотности обобщает приведенное выше выражение (4.6) для одноэлектронной матрицы плотности "чистого" состояния одного электрона с определенной ψ-функцией. В случае многоэлектронной системы отдельному электрону уже нельзя сопоставить какую-либо функцию ψ(r). Состояние электрона в многоэлектронной системе является "смешанным" и описывается одноэлектронной матрицей плотности ρ(r|r') или набором функций ψν(r) и соответствующих им "чистых" состояний. При этом вероятность пребывания электрона в состоянии, определяемом функцией ψν, характеризуется естественной заселенностью nν.

Вследствие антисимметричности многоэлектронной функции Ψ(x_1,...,xN) относительно перестановок естественные заселенности орбиталей лежат в пределах 0≤nν≤2, т. е. каждое бесспиновое состояние может быть занято не более чем двумя электронами, причем этим двум электронам сопоставляются спин-орбитали с разными спиновыми множителями, а именно ψν(r)α(σ) и ψν(r)β(σ). Нормировка одноэлектронной матрицы плотности на число электронов в системе (N) означает, что сумма всех естественных заселенностей равна N.

Многоэлектронные функции Ψ(x_1,...,xN) содержат очень большую информацию, значительная часть которой, как правило, не представляет физического интереса. Дело в том, что операторы, соответствующие наблюдаемым физическим величинам, являются суммами одно- и двухчастичных операторов

(4.22)

Каждый из операторов i действует только на одну переменную (xj), и каждый из операторов ij действует только на две переменные (хi и хj. Поэтому при вычислении ожидаемых значений одноэлектронные физические величины определяются исключительно одноэлектронной, а дьухэлектронныефизические величины — двухэлектронной матрицей плотности. Последняя заключает в себе фактически всю необходимую информацию о состоянии многоэлектронной системы.

Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что использование формализма матрицы плотности в. квантовохимических расчетах должно существенно упрощать их физическую и химическую интерпретацию.

Наиболее полное и строгое изложение метода матрицы плотности в теории молекул дано в монографии М. М. Местечки на [17].

Канонические и локализованные молекулярные орбитали

Молекулярные орбитали fiопределяются обычно как собственные функции некоторого одноэлектронного гамильтониана :

(4.23)

В качестве должен использоваться в принципе оператор Хартри-Фока (фокиан), оптимальным образом учитывающий согласованное взаимодействие электронов в молекуле (см. гл. 3). Этот оператор часто аппроксимируется полуэмпирическими модельными одноэлектронными гамильтонианами. В любом случае предполагается, что симметрия гамильтониана соответствует симметрии молекулы. При этом собственные функции гамильтониана, инвариантного относительно преобразований некоторой точечной группы симметрии, должны преобразовываться по неприводимым представлениям этой группы. Молекулярные орбитали, обладающие такими свойствами симметрии и определяемые как собственные функции одноэлектронного гамильтониана, называются каноническими молекулярными орбиталями. Уже из свойств симметрии канонических МО ясно, что их нельзя сопоставить отдельным химическим связям в молекуле. Канонические МО существенно делокализованы и не отражают экспериментально подтверждаемые аддитивность и транс-ферабельность (т. е. переносимость из одной, в другую родственную молекулу) многих молекулярных свойств.

В то же время каждой канонической МО соответствует одно-электронная энергия εi, которая, согласно теореме Купманса, определяет потенциал ионизации молекулы, то есть энергию удаления электрона из i-гo одноэлектронного состояния в молекуле. Эти орбитали могут успешно использоваться и при оценках энергий электронных возбуждений.

В однодетерминантном приближении канонические МО являются одновременно естественными молекулярными орбиталямц в том смысле, что одноэлектронная плотность представима в виде естественного разложения:

(4.24)

Весьма существенным обстоятельством является (N/2)-кратное вырождение естественных заселенностей n_1 = ...nN/2 = 2. Это вырождение обусловлено однодетерминантным приближением и может быть названо случайным в отличие от вырождения, наблюдаемого при достаточно высокой симметрии молекулы. Иными словами, в одноэлектронном (точнее однодетерминантном) приближении все МО, определяемые уравнением (4.23), классифицируются на "занятые" МО, заселенные парами электронов, и "свободные" или виртуальные МО, не включаемые в детерминант Слэтера и характеризуемые нулевыми электронными заселенностями.

Очевидно, что в силу указанного вырождения естественное разложение и распределение электронной плотности не изменяются при унитарном преобразовании орбиталей fi. В частности, унитарным преобразованием канонических МО можно попытаться построить МО, локализованные на отдельных атомах и связях. Такие локализованные молекулярные орбитали могут преобразовываться по приводимым представлениям точечной группы симметрии молекулы и в этом отношении существенно отличаются от канонических МО. Если некоторое преобразование симметрии меняет местами эквивалентные атомы или связи, то локализованные на этих атомах и связях МО также должны поменяться местами.

В качестве примера рассмотрим молекулу метана СН4. Канонические МО, представленные линейными комбинациями валентных АО для молекулы метана, могут иметь вид:

Орбиталь f_0 является полносимметричной (неприводимое представление a_1 тетраэдр и ческой группы симметрии Td). Орбитали f_1, f_2, f_3 преобразуются по трехмерному неприводимому представлению t_2 и соответствуют одному и тому же трехкратно вырожденному одноэлектронному уровню εt2, определяющему первый потенциал ионизации молекулы метана.

Указанные канонические МО можно преобразовать в четыре эквивалентные относительно преобразований группы Тd, локализованные МО:

где i = 1, 2, 3, 4 и hiC — гибридные АО атома углерода, определяемые равенствами:

Как гибридные АО hiC, так и локализованные преобразуются по приводимому четырехмерному представлению группы Тd: при операциях симметрии, образующих эту группу, либо не изменяется, либо переводится в другую локализованную МО. Именно в этом смысле гибридные АО hiC и локализованные называются эквивалентными. Легко видеть, что могут быть отнесены к отдельным связям С-Hi, и их локализация на отдельных связях будет тем более строгой, чем меньше разность |b-d|. Локализацию можно считать абсолютной, если а = с и b = d, но в действительности эти равенства не выполняются строго.

Каждой из эквивалентных локализованных МО соответствует одно общее значение одноэлектронной энергии:

(4.25)

(4.26)

которому, однако, нельзя сопоставить потенциал ионизации или иную наблюдаемую характеристику молекулы.

Следует отметить также тесную связь понятий локализации МО и гибридизации АО, которую иллюстрирует рассмотренный выше пример. Гибридизация АО должна обеспечивать представление локализованных молекулярных орбиталей минимальным числом базисных гибридных атомных орбиталей. В свою очередь каждая гибридная АО должна участвовать в минимальном числе локализованных МО.

Как правило, построение локализованных МО из одних лишь соображений симметрии не является возможным и необходимо привлечение дополнительных критериев и определенной методики локализации. К настоящему времени разработано несколько методов преобразования канонических МО, найденных тем или иным путем, в МО, локализованные на отдельных атомах и связях. Некоторые из этих методов мы рассмотрим ниже.

Методы Эдмистона-Рюденберга и Бойса. В методе, предложенном Эдмистоном и Рюденбергом [38], определяются ор-битали самосогласованного поля, которые отделены друг от друга насколько это возможно, хотя на них заранее не накладывается условие определенной локализации в пространстве или на отдельных атомах и связях.

Среднее межорбитальное разделение характеризуется суммой кулоновских двухэлектронных интегралов:

(4.27)

причем унитарное преобразование локализации

(4.28)

должно обеспечивать минимальность величины J(2). В силу равенства

(4.29)

и инвариантности первой суммы в правой части этого равенства относительно преобразования (4.28) минимум величины J(2) соответствует максимуму

(4.30)

J(1) характеризует в среднем плотность орбиталей fi в смысле интеграла

(4.31)

определяющего энергию отталкивания двух электронов, находящихся в одном и том же i-м одноэлектронном состоянии, заданном орбиталью fi. Из равенства

(4.32)

и инвариантности следует далее, что минимум J(2) и максимум J(1) обеспечивают минимальное значение суммы обменных двухэлектронных интегралов:

(4.33)

На возможность использования энергии обменного взаимодействия К в качестве критерия локализации МО указывали Леннард-Джонс и Попл. Минимизация К позволяет максимально приблизить выражение для энергии электронного взаимодействия к виду, соответствующему аппроксимации многоэлектронной функции простым произведением спин-орбиталей. В этом случае каждому электрону, точнее каждой паре электронов, можно приписать определенную локализованную орбиталь. Такое соответствие между электронами и орбиталями нарушается при антисимметризации N-электронной функции-произведения, т. е при учете неразличимости электронов и связанной с ней антисимметричностью точной многоэлектронной функции относительно перестановок электронов.

Об уменьшении при локализации МО обменной энергии электронного взаимодействия, а также об увеличении J(1) и уменьшении J(2) по сравнению со значениями, соответствующими каноническим МО, можно судить по данным табл. 4, полученным в работе [82] для гидридов бора.

Таблица 4. J(1), J(2) и K для исходных канонических и локализованных МО

В табл. 5 приведены результаты Эдмистона и Рюденберга по локализации МО в молекулах N_2, СО и BF. Первая из этих молекул характеризуется симметрией D∞h, гетеронуклеарные СО и BF — симметрией C∞ν. Их канонические МО должны поэтому классифицироваться на σ- и π-орбитали. Каждая из рассматриваемых изоэлектронных молекул содержит десять электронов в σ-системе и четыре — в π-системе. Четыре из десяти σ-электронов принадлежат атомным остовам в том смысле, что описываются МО (iA), локализованными на внутренних (остовных) σ-оболочках. Эти орбитали практически идентичны атомным 1s-орбиталям. Следующие четыре σ-электрона описываются локализованными МО (lА), представляющими неподеленные электронные пары атомов. Оставшиеся два электрона должны относиться, очевидно, к связывающей σ-орбитали. Однако локализация МО по методу Эдмистона и Рюденберга приводит к связывающим МО иной симметрии. Эти локализованные МО (bi) не могут быть отнесены ни к σ-, ни к π-типу. Они образуют систему трех эквивалентных, так называемых банановых МО, переводящихся друг в друга преобразованиями группы С3υ и определяемых с точностью до произвольного поворота относительно молекулярной оси. В ряду молекул N_2, CO, BF характер трех эквивалентных связывающих МО bi монотонно меняется от строго ковалентного для N_2 до существенно поляризованного в направлении атома фтора для молекулы BF. В последнем случае они подобны неподеленным парам атома фтора.

Таблица 5. Орбитали Эдмистона-Рюденберга в молекулах N_2, CO и BF

Практическая реализация метода Эдмистона-Рюденберга предполагает использование формализма самосогласованного поля и вычисление большого числа двухэлектронных интегралов, что представляет довольно сложную математическую задачу. Количество таких интегралов, как и время, необходимое для максимизации J(1) (или минимизации J(2) и К), очень быстро растет с увеличением числа электронов в системе и числа базисных АО, используемых для представления МО.

Следует отметить также, что метод Эдмистона и Рюденберга, строго говоря, не гарантирует соответствия между локализованными МО и отдельными атомами или связями. Впрочем, это обстоятельство может рассматриваться не только как недостаток, но и как достоинство метода, поскольку он допускает в принципе представление МО в базисе, существенно отличающемся от многоцентрового базиса АО.

В вычислительном отношении более удобным, чем метод Эдмистона-Рюденберга, является метод Бойса [31]. В качестве критерия, определяющего степень локализации МО, в этом методе используется сумма квадратов расстояний (Ri) между центрами тяжести орбиталей:

(4.34)

где

(4.35)

Локализованные по Бойсу МО характеризуются максимальным разделением в пространстве по критерию В и одновременно минимальными среднеквадратическими радиусами, точнее минимальным значением суммы их квадратов:

(4.36)

Недостатком метода Бойса является то, что он не обеспечивает эффективного разделения валентных и остовных АО. Например, 1s- и 2s-орбитали сферически-симметричны и никаким преобразованием нельзя изменить расстояния между их центрами тяжести (которое всегда равно нулю). С другой стороны, смешение остовной 1s-орбитали с валентными np-орбиталями должно приводить к увеличению расстояния от нулевого до некоторого конечного (для гибридных АО) значения. Максимуму значения В при этом должна соответствовать тетраэдрическая гибридизация 1s- и nр-АО. В действительности наряду с остовной 1s-орбиталью следует принимать во внимание и валентную ns-AO. Именно она должна смешиваться с другими валентными АО. Но с учетом сказанного выше ясно, что метод Бойса может приводить к завышенному вкладу остовных АО в связывающие МО.

Метод проецирования. Метод проецирования, предложенный в работах Полака [73] и позднее развитый Роби [74], основан на том, что одноэлектронная матрица плотности ρ_1(x|x') в однодетерминантном приближении является ядром оператора проектирования на подпространство занятых молекулярных спин-орбиталей. Поэтому для любой нормированной спин-орбитали ψ проекционная норма

(4.37)

удовлетворяет неравенству

(4.38)

причем если спин-орбиталь ψ целиком принадлежит подпространству занятых молекулярных спин-орбиталей, и если спин-орбиталь ψ ортогональна к этому подпространству.

Следуя Полаку, локализованную на атоме А МО, описывающую неподеленную электронную пару или орбиталь внутренней оболочки атома, можно определять как линейную комбинацию орбиталей атома А (т. е. как гибридную АО этого атома):

(4.39)

максимизирующую проекционную норму . Если бесспиновая одноэлектронная матрица плотности ρ(r|r') представлена в базисе АО g матрицей

(4.40)

и базис g характеризуется матрицей перекрывания S, причем S'a = 0 для а, а' ∈ А, то столбец Ua, представляющий искомую гибридную АО ha, является собственным вектором матрицы Q(A) образуемой матричными элементами (SPS)aa' ∈ А, и этот собственный вектор отвечает максимальному собственному значению nа. Когда последнее равно двум, гибридная АО ha будет в точности совпадать с естественной МО, описывающей неподеленную электронную пару; когда na ≈ 2, гибридная АО ha будет аппроксимировать такую орбиталь.

Двух-, трех- ... и K-центровые МО, локализованные на атомных группах (связях) G = (A_1,..., AK) и представленные линейными комбинациями вида

(4.41)

определяются в методе проецирования аналогичным образом, т. е. посредством диагонализации матриц Q(G) при условии ортонормированности

(4.42)

Согласно работам [73, 74], процедура локализации МО осуществляется в следующей последовательности:

1) сначала определяются одноцентровые , локализованные на остовных и валентных оболочках отдельных атомов;

2) одноцентровые исключаются из исходного базиса преобразованием

(4.43)

и канонической ортонормировкой линейно-зависимого набора орбиталей g';

3) в полученном ортонормированием базисе, включающем меньшее число орбиталей, чем исходный базис АО g, определяются двухцентровые МО ;

4) если число найденных и в сумме отлично от числа всех занятых канонических МО, аналогичным образом определяются многоцентровые последовательно для К = 3, 4,..., пока число локализованных МО не сравняется с числом занятых канонических МО.

Таблица 6. Одноэлектронная матрица плотности для молекулы метана, представленная в ортогонализованном (по Лёвдину) базису АО

Следует отметить, однако, что такую последовательность построения локализованных МО не всегда можно считать оправданной. Например, нет оснований для поиска локализованных трехцентровых МО диборана в подпространстве занятых МО, более узком, чем рассматриваемое при построении двухцентровых МО этой молекулы.

Существенным недостатком метода проектирования является то, что он приводит к неортогональным наборам локализованных МО. В частности, орбиталь hа, принадлежащая атому А и перекрывающаяся с орбиталью hb, атома В, принадлежит отчасти и последнему атому, а перекрывание МО l, локализованной на связи АВ, и МО l локализованной на связи АС, означает, что l и делокализованы на связи АС и АВ соответственно. В работах [73, 74] предлагалось ортогонализовывать наборы по методу Лёвдина [62]. Однако локализация получаемых таким образом МО не будет оптимальной в смысле максимума проекционной нормы . Поэтому метод проектирования удобно применять в тех случаях, когда требуется выделить лишь одну локализованную МО, например МО, реализующую донорно-акцепторную связь в аддукте Н_3В. NH_3.

Представляется разумным формулировать метод проектирования в ортогонализованном по Лёвдину многоцентровом базисе АО, орбитали которого могут рассматриваться как "модифицированные АО", представляющие атомы в химическом соединении. К такому базису относятся фактически результаты полуэмпирических расчетов МО в приближении полного пренебрежения дифференциальным перекрыванием. Следует отметить, что ортогонализация многоцентрового базиса АО g обеспечивает ортогональность гибридных АО неподеленных электронных пар, но двухцентровые или многоцентровые локализованные МО, определяемые методом проектирования, остаются при этом неортогональными, если связиi на которых они локализованы, имеют общие атомы.

Рассмотрим теперь в качестве примера, иллюстрирующего метод проектирования, данные по локализации МО и гибридизации АО в молекуле метана, полученные нами на основе расчетов в приближении полного пренебрежения дифференциальным перекрыванием. В табл. 6 приведена одноэлектронная матрица плотности Р для молекулы метана, равновесная геометрия и ориентация в пространстве которой определяются данными табл. 7. Вычислим двухцентровую МО, локализованную на связи С-H_1. Для этого выделим из матрицы Р блок, соответствующий орбиталям атома углерода и атома водорода H_1:

и приведем его унитарным преобразованием к диагональному виду

(4.44)

Таблица 7. Декартовы координаты атомов в молекуле метана,Ао

Собственные значения nl равны 2,000; 1,150; 1,009; 1,009; 0,000. Таким образом, одна из одноцентровых орбиталей, представленная в базисе АО

столбцом

оказывается естественной МО, строго локализованной на связи С-Н_1 и заселенной двумя электронами. Эту локализованную МО можно записать в виде следующей линейной комбинации базисных атомных орбиталей:

или

где

гибридная АО углерода, ориентированная вдоль связи С-Н_1, Существенно, что s-характер этой гибридной орбитали равен 33%, что соответствует sр^2-гибридизации атома углерода и явно противоречит распространенному в химической литературе мнению о sp^3-гибридизации углерода в метане и других насыщенных соединениях. Такое противоречие является следствием того что метод проектирования приводит к неортогональным наборам локализованных МО и гибридных АО, в то время как в теоретической химии обычно используется понятие об ортогональных орбиталях. Ортогонализация неортогонального набора четыоех эквивалентных гибридных АО hiC по методу Лёвдина приводит в рассматриваемом случае (СН_4) к четырем ортогональным эквивалентным гибридным АО, которые идентичны гибридным АО углерода в метане, полученным из соображений симметрии. Вместе с тем следует отметить, что завышенный s-характер неортогональных гибридных АО углерода не является случайным. Как повышенная заселенность 2s-орбитали углерода в метане (1,2 против 1,0 для каждой из 2р-орбиталеЙ) он отражает "энергетическую предпочтительность" 2s-орбитали углерода по сравнению с его 2р-орбиталыо. В связи с этим уместно привести потенциалы ионизации свободного, т. е. химически не связанного, атома углерода, соответствующие его валентным орбиталям. Для 2s^22p^2-конфигурации I2s = 16,6 эВ и I2p = 12 4 эВ; для 2s2p^3-конфигурации I2s = 24,7 эВ и I2p = 12,4 эВ.

Существенно для понимания особенностей метода проектирования то, что в отличие от обсуждавшихся ранее методов этот метод не приводит к смешиванию МО σ- и π-типа локализованных на кратных связях, например, в молекулах N_2, CO, BF, C_2H_2 и C_4H_4. Однако вычисленные методом проецирования локализованные МО σ- и π-типа могут быть переведены дополнительным унитарным преобразованием в эквивалентные банановые МО аналогичные тем, которые были получены Эдмистоном и Рюденбергом (см. табл. 4.3).

Метод эталонной матрицы плотности. Метод эталонной матрицы плотности был предложен в 1968 г. Мак-Вини и Дель Ре [63] и получил дальнейшее развитие в работе [22].

Следуя Мак-Вини и Дель Ре, допустим, что МО могут быть локализованы в орбитали неподеленных и связывающих электронных пари, возможно, в вакантные орбитали некоторых атомов. Это означает, что каждую локализованную МО можно представить либо гибридной атомной орбиталью (ГАО), либо линейной комбинацией двух ГАО, относящихся к непосредственно связанной паре атомов. Будем предполагать пока, что заселенности этих гибридных АО равны, т. е. связи строго ковалентны. При учете поляризации двухцентровых локализованных связей орбитали неподеленных электронных пар и вакантные АО следовало бы рассматривать как случай предельной поляризации и выделять его особо не имело бы смысла. В силу сделанных допущений одноэлектронная матрица плотности в ортонормированном по методу Лёвдина многоцентровом базисе ГАО состоит из целых чисел 0, 1,2, причем каждой связывающей электронной пара соответствует блок , неподеленной электронной паре — диагональный элемент 2 и остальные элементы матрицы плотности равны нулю. Такая идеализированная матрица плотности называется эталонной.

Коэффициенты гибридизации, образующие матрицу

(4.45)

где А, В, С, ...- атомы в молекуле и одновременно соответствующие им наборы АО, определялись Мак-Вини и Дель Ре из условия минимума суммы орбитальных энергий

(4.46)

b предположении, что матрица Фока F(P) фиксирована и не меняется при преобразовании U. Однако Eoрб составляет лишь часть полной электронной энергии Eэл, и то обстоятельство, что изменение δEэл совпадает с δEорб в линейном по δР приближении, не может служить обоснованием критерия Мак-Вини и Дель Ре, так как величина Еэл должна быть стационарной относительно варьирования матрицы плотности, и определяюдими для ее изменения следует считать приближения более высокого порядка. В то же время вследствие зависимости F от матрицы плотности и, следовательно, от U точная минимизация Еэл относительно U является довольно сложной задачей.

Более простым в вычислительном отношении является метод, основанный на минимизации (посредством гибридизации АО) :реднеквадратического отклонения заданной в гибридном базисе матрицы плотности Ph от эталонной [22]. Для его реализации не требуется решения задачи самосогласованного поля при определении локализованных МО и соответствующих им ГАО, если эта задача уже решена в целях определения канонических МО или матрицы плотности. Основанием для такого выбора критерия оптимальности гибридных АО может служить то, что полная электронная энергия молекулы стационарна относительно малых вариаций одноэлектронной матрицы плотности

(4.47)

т.е.

(4.48)

при условии, что исходная матрица плотности Р вычислена в приближении самосогласованного поля и δР — достаточно малая (в смысле евклидовой нормы ||δP||) эрмитова матрица, определяемая формулой (4.47).

В качестве примера, иллюстрирующего формализм метода эталонной матрицы плотности, рассмотрим локализацию МО σ-типа в молекуле HCN. Предполагая, что в этой молекуле имеется одна неподеленная электронная пара, две остовные орбитали и две двухцентровые орбитали σ-типа, реализующие ковал ентные связи НС и CN, эталонную матрицу плотности записывают в виде

Исходная матрица плотности, вычисленная по методу МО, в ортонормированном базисе сферических АО

существенно отличается от :

Однако преобразованием гибридизации АО базиса g:

(4.49)

и его ортогонализацией:

(4.50)

можно добиться того, что по отношению к новому базису

(4.51)

матрица плотности примет вид

В отличие от исходной матрицы Р матрица Ph может аппроксимироваться эталонной матрицей . Последняя отвечает строгой локализации МО, которые в ортонормированном (по Лёвдину) базисе представлены столбцами матрицы

Виртуальные МО также могут быть локализованы, причем каждой занятой связывающей МО

(4.51)

соответствует виртуальная разрыхляющая

(4.52)

Остальные локализованные виртуальные МО являются просто вакантными гибридными АО.

Если исходный набор МО

(4.53)

включающий и виртуальные МО, преобразуется в набор строго локализованных МО (также включающий виртуальные МО) преобразованием

(4.54)

то матрица Т, осуществляющая строгую локализацию исходных МО f, определяется как

(4.55)

где

В рассматриваемом примере (HCN) гибридные АО выражаются через исходные сферические АО согласно следующим равенствам:

Из этих выражений видно, что в приближении строгой локализации МО гибридные АО h_1C и h_1N являются орбиталями электронных пар остова, h_3N-ГAO представляет неподеленную электронную пару азота, остальные ГАО образуют МО σ-типа, локализованные на связях НС и CN. Степень локализации МО характеризуется среднеквадратическим отклонением матрицы плотности Рh от эталонной :

(4.56)

и удвоенной суммой квадратов интегралов перекрывания строго локализованных с исходными f:

(4.57)

ω не может превосходить числа электронов N (в рассматриваемой системе ω< 10), и локализация будет тем точнее, чем ближе значения ω и N.

Метод эталонной матрицы плотности обобщается для случаев, когда необходимо учитывать полярность локализованных двухцентровых МО. Такое обобщение можно осуществить при замене в эталонной матрице плотности блоков

и при определении параметров поляризации t вариационным методом [63]. Строго ковалентным связывающим МО при этом будет соответствовать значение t = π/2, а неподеленным электронным парам и вакантным ГАО — t = 0 или π. Строго говоря, такое обобщение рассматриваемого метода уже не позволяет называть его методом эталонной матрицы плотности. Легко убедиться, однако, что учет полярности связей, как правило, возможен и с фиксированной эталонной матрицей , т. е. результаты ее вариационного определения могут быть предсказаны заранее. При этом для ГАО неподеленных электронных пар (hl) ll = 2, Для вакантных ГАО (hi) ii = 0, а для валентных ГАО ha и hb, образующих локализованную ab, эталонные заселенности aa, bb и порядки связей ab определяются равенствами

и условием инвариантности атомных зарядов относительно гибридизации АО.

Коэффициенты разложения строго локализованных МО по ортогонализованным ГАО выражаются через их заселенности по формулам

Для молекулы HCN заселенность 1s-орбитали водорода равна 0,855 и, следовательно, заселенность гибридной АО углерода h_2C равна 1,145. Так как сумма заселенностей всех σ-орбиталей углерода составляет 4,099, заселенность его h_3С-ГАО равна 0,954. Определяя теперь порядки связей (недиагональные элементы матрицы Р) как среднегеометрические значения соответствующих заселенностей (диагональных элементов матрицы ), получаем

Вычисления свидетельствуют, что при учете полярности локализованных МО матрица Рh остается практически неизменной. Коэффициенты гибридизации также почти не меняются. В то же время максимум ω повышается до 9,98 (w ≈ 10), а минимум θ понижается до 0,25. Таким образом, учет полярности локализованных МО заметно улучшает аппроксимацию "точной" матрицы плотности Рh эталонной матрицей , хотя и является несущественным для определения характера гибридизации АО.

Метод эталонной матрицы плотности допускает обобщение на системы с многоцентровыми связями [22]. Типичным примером химического соединения ОМ, которого нельзя локализовать исключительно в одноцентровые и двухцентровые МО, является молекула диборана В_2Н_6 (рис. 19). Два из шести атомов водорода в этой молекуле имеют по два равноотстоящих соседних атома (B_1 и В_2). Каждый из атомов бора, в свою очередь, связан с четырьмя атомами водорода. Следует учитывать также возможность непосредственного химического взаимодействия атомов бора друг с другом.

Рис. 19. Молекула диборана

"Внешние" связи ВН в диборане, очевидно, реализуются двухцентровыми МО, образуемыми 1s-орбиталями водорода и гибридными АО бора. Еще не зная конкретного вида этих ГАО (h), можно определить их заселенности по известным заселенностям =n1sH. Предположим далее, что две другие валентные МО локализуются на трехцентровых связях B_1H_1'B_2 и B_1H_2'B_2 и что каждая из них образована 1sH'i орбиталью водорода и гибридными АО бора hi1' и hi2' причем

Таким образом определяются диагональные элементы эталонной матрицы плотности (). Недиагональные элементы ab, как было показано в работе [22], могут быть вычислены как геометрические средние значения диагональных элементов независимо от того, каким связям (двухцентровым или трехцентровым) они соответствуют.

Росле того как построена матрица , максимизацией ω(4.57) вычисляются оптимальные ГАО бора В_1:

и ГАО атома В_2, отличающиеся от указанных лишь знаком коэффициента при 2pz-орбитали.

Гибридные АО бора h_1 и h_2, ориентированные к периферийным атомам водорода H_1 и Н_2, образуют угол 120°; угол h'j-орбиталями, ориентированными к мостиковым атомам водорода H'j, существенно меньше и составляет 102° (ср. с углами на рис.19).

Интересный елучай представляет молекула циклопропана, особенностью которой, отличающей ее от молекул большинства других органических соединений, является аномально-малый угол между связями С-С. Три атома углерода в циклопропане образуют правильный треугольник с углами в 60°, что существенно меньше обычных значений 109,5° для насыщенных и 120° для сопряженных ненасыщенных соединений (рис. 20).

Рис. 20. Молекула циклопропана

Для описания структуры химической связи в циклопропане были предложены две модели. Согласно модели Коулсона и Моффита [36], в циклопропане реализуются три локализованные двухцентровые двухэлектронные связи углерод-углерод. Образующие эти связи гибридные АО ориентированы навстречу друг другу, но не строго по линии С-С, а под некоторым углом к ней (рис. 21). Из условия ортогональности вещественных гибридных АО следует, что этот угол не может быть меньше 15°. Особые химические свойства циклопропана, близкие к свойствам алкенов (хотя он относится к насыщенным углеводородам), объясняются в рамках модели Коулсона и Моффита тем, что "банановые" МО циклопропана подобны эквивалентным банановым МО, которые получают — π-типа в алкенах.

Рис. 21. Модель Коулсона и Моффита для молекулы циклопропана

Согласно модели Уолша [84], в циклопропане реализуются две трехцентровые межуглеродные связи, одна — двухэлектронная, а другая — четырехэлектронная (рис. 22). Двухэлектронной связи соответствует полносимметричная трехцентровая МО, четырехэлектронной — две вырожденные МО, образованные "чистыми" 2р-орбиталями углерода и преобразующиеся по двумерному неприводимому представлению группы симметрии молекулы D3h).

Рис. 22. Модель Уолша для молекулы циклопропана

Метод эталонной матрицы плотности позволяет сравнить качество альтернативных моделей и вычислить отвечающие им коэффициенты гибридизации АО углерода. Вычисленный s-xaрактер ГАО, реализующих двухцентровые углерод-углеродные связи в модели Коулсона и Моффита, χs = 18%, и вычисленное значение угла между этими ГАО (принадлежащими общему атому углерода) равно 102°, что означает их отклонение на 21° от линии, связывающей атомные ядра. Гибридные АО, реализующие трехцентровые двухэлектронные связи в модели Уолша, определяются значением χs = 35% и ориентацией к центру молекулы циклопропана. Наконец, гибридные АО, реализующие углерод-водородные связи, как свидетельствуют вычисления, почти не зависят от выбора модели и ориентированы вдоль линии С-Н.

Погрешности, вносимые в одноэлектронную матрицу плотности молекулы циклопропана локализацией МО, характеризуются величинами:

Таким образом, модель Коулсона-Моффита, предполагающая более высокую степень локализации МО, не уступает по точности модели Уолша и даже несколько превосходит ее. Однако различие в точности рассматриваемых моделей достаточно мало, и ни одну из них нельзя считать ошибочной.

Анализ заселенности атомных орбиталей

[23]

В квантовой химии функции Ψ, описывающие состояния многоэлектронных систем, обычно выражаются через АО или подобные им более элементарные функции, центрированные на различных ядрах молекулы. Такой выбор одноэлектронного базиса {φ} основан на предположении, что атом, представленный определенным набором орбиталей в таком базисе, сохраняет в молекуле свою индивидуальность. В связи с этим встает задача построения формализма, позволяющего характеризовать состояния химически связанных атомов и установить корреляции между этими состояниями и состояниями невзаимодействующих атомов.

Анализ заселенностей орбиталей, представляющих атом в молекуле, в значительной степени определяет его валентное состояние и является Эффективным средством исследования природы химической связи, ее анатомии, аддитивности и трансферабельности связанных с атомами молекулярных свойств или их зависимости от окружения рассматриваемого атома в различных соединениях. Анализ заселенностей АО позволяет осуществить выбор базисных функций, соответствующих валентным состояниям атомов, и необходим при расчете электронной структуры молекул и кристаллов полуэмпирическими методами с самосогласованием по формальным зарядам и валентным конфигурациям

атомов. Однако анализ заселенностей осложняется перекрыванием атомных орбиталей в молекуле.

Если последние ортогональны, т. е. не перекрываются, то их заселенности определяются однозначно. При этом заселенность па имеет смысл вероятности нахождения электрона в состоянии, заданном атомной орбиталью φа, и может быть выражена как математическое ожидание:

(4.58)

Если атомные орбитали неортогональны, то положение осложняется. Понятие заселенности отдельной АО становится неоднозначным и распадается на дополняющие друг друга понятия полной, неподеленной и аддитивной заселенности и заселенности перекрывания, которые связаны с различными способами ортонормировки атомно-орбитального базиса {φ}.

Полные заселенности (n+а) орбиталей φа неортогонального базиса {φ} определяются аналогично заселенностям ортогонального базиса:

(4.59)

Предполагая, что оператор электронной плотности ρ представлен в базисе {φ} матрицей , определение (4.59) можно переписать также в виде

(4.60)

Детальное исследование заселенностей n+a было проведено Дэвидсоном [37] и Роби [74], которые показали, в частности, что

где n_1 — наибольшая из естественных заселенностей. Это неравенство, как и аналогичные неравенства для определяемых ниже заселенностей n-a и n^0а, следует из условия антисимметрии многоэлектронной функции Ψ(х_1,..., хN) относительно перестановок электронных координат.

Неподеленную заселенность (n-а) орбитали φа можно определить как заселенность ее компоненты, которая ортогональна ко всем прочим орбиталям φ:

(4.62)

где

(4.63)

aS в формуле (4.63) обозначает матрицу перекрывания, полученную из полной матрицы S вычеркиванием интегралов перекрывания Sab, включающих рассматриваемую орбиталь φа.Такая ортогонализация (аналогичная ортогонализации по методу Шмидта) исключает из полной заселенности n+а ту ее часть, которая принадлежит не только φа, но и остальным орбиталям неортогонального базиса (рис. 23).

Рис. 23. Геометрическая иллюстрация к определению неподеленной электронной заселенности

Учитывая отмеченное Галлупом и Норбеком [40] равенство

(4.64)

выражение(4.62) можно привести к чрезвычайно простому виду

(4.65)

В частном случае одноэлектронной системы, состояние которой описывается орбиталью

(4.66)

диагональные элементы матрицы плотности равны

(4.67)

(4.68)

Эта формула, то чиее ее правая часть, приводилась в работе [40], но лишь в качестве промежуточного результата. Окончательное выражение для заселенностей (по Галлупу и Норбеку) получалось путем нормирования n-а на единицу:

(4.69)

Обобщение формулы (4.69) на многоэлектронные системы, очевидно, должно осуществляться заменой |Са|2 на Раа:

(4.70)

Однако такой подход к проблеме является ошибочным. Расчеты свидетельствуют, в частности, о чрезмерно больших значениях n(GN) для АО внутренних оболочек и неподеленных электронных пар. Например, в молекуле LiH:

Заселенность перекрывания орбитали φа с остальными орбиталями неортогонального базиса φ определяется как разность между полной и неподеленной заселенностями:

(4.71)

Заселенность перекрывания представляет ту долю полной электронной заселенности, которая принадлежит одновременно к рассматриваемой и всем прочим базисным АО. Нетрудно убедиться в том, что величина равна нулю, если АО φа не перекрывается ни с одной из орбиталей базиса φ, т. е. если

(4.72)

для всех b≠a.

Аддитивная заселенность.

Сумма засел енностей n+a или n-а по всем базисным орбиталям совпадает с числом электронов (N) в рассматриваемой системе только в том случае, если эти орбитали ортогональны. Иными словами, заселенности орбиталей неортогонального базиса неаддитивны.

Чтобы определить аддитивные заселенности АО, необходимые, например, для вычисления формальных зарядов атомов, следует сопоставить каждой АО φа неортогонального базиса орбиталь φλa некоторого ортонормированного базиса. Требование минимальной деформации исходных орбиталей в процессе ортогонализации однозначно отбирает из всех возможных методов ортогонализации "симметричный" метод Лёвдина (рис. 24)

(4.73)

Рис. 24. Геометрическая иллюстрация лёвдинской ортогонализации двух неортогональных векторов φ_1 и φ_2

Как показали Слэтер и Костер, ортонормировка по Лёвдину сохраняет трансформационные свойства неортогонального базиса в том смысле, что при унитарном преобразовании базиса {φ} соответствующий лёвдинский базис {φλ} преобразуется той же унитарной матрицей. Отсюда следует, в частности, что орбитали φλа исходного многоцентрового базиса АО и соответствующие им орбитали φλa преобразуются по одним и тем же представлениям подгруппы GA точечной группы симметрии молекулы (G). При этом подгруппа GA включает только те преобразования группы G, которые не затрагивают центр А (т, е, ядро атома A). Таким образом, орбитали φa и фλa обладают одинаковыми свойствами симметрии относительно указанных преобразований.

Согласно теореме Карлсона и Келлера, лёвдинский базис отличается от всех прочих базисов, полученных ортогонализацией исходного базиса {φ}, максимальной близостью к {φ} в смысле минимума среднеквадратического отклонения

(4.74)

Представление об изменении формы и размеров атомных орбиталей при их ортогонализации можно получить, сравнивая средние значения и или среднеквадратические радиусы Для сферических АО с соответствующими значениями для ортогонализованных орбиталей. Такие вычисления (в табл. 8 приведены результаты для молекулы N_2) свидетельствуют, что орбитали лёвдинского базиса, соответствующие валентным АО, могут быть локализованными в окрестности атомных ядер в большей степени, чем исходные. Сжатие орбиталей наблюдается как в "поперечном", так и в "продольном" направлениях. 1s-Орбитали внутренних оболочек при ортогонализации несколько расширяются, оставаясь тем не менее существенно локализованными у своих ядер. Среднеквадратический радиус этих орбиталей в несколько раз меньше, чем валентных.

Таблица 8. Средние значения и среднеквадратические радиусы характеризующие АО азота и соответствующие лёвдинские орбитали в молекуле N_2

С учетом сказанного выше, аддитивные (лёвдинские) заселенности (n^0) орбиталей неортогонального базиса φ следует отождествлять с заселенностями соответствующего лёвдинского базиса:

(4.75)

Формальный заряд qA атома А определяется зарядом его ядра ZA и аддитивными заселенностями представляющих этот атом орбиталей:

(4.76)div> формальные заряды атомов отражают перераспределение электронной плотности при образовании молекулы и являются полезной характеристикой валентного состояния атома. В частности,они позволяют производить интерполяцию атомных свойств по известным свойствам свободных атомов. Так, потенциалы ионизации химически связанных атомов могут оцениваться по формуле

(4.77)

Следует отметить сильную зависимость потенциала ионизации Вот заряда атома. Несколько примеров, характеризующих эту зависимость, приведено в табл. 9.

Таблица 9. Зависимость орбитальных потенциалов ионизации от атомного заряда q (экспериментальные данные) [27]

Формальные заряды атомов используются часто для оценки энергии электростатического взаимодействия

(4.78)

и для определения дипольных моментов больших молекул в точечном приближении

(4.79)

Рассмотрим теперь несколько примеров, иллюстрирующих вложенный формализм анализа заселенностей многоцентрового азиса перекрывающихся АО.

1. Для молекулы Н_2 для π-электронных оболочек молекул азота (N_2), этилена, ацетилена и для ряда других аналогичных двухорбитальных систем, содержащих по два электрона, матрица плотности и заселенности АО определяются симметрией и перекрыванием базисных АО:

где интеграл перекрывания АО S>0. Уменьшая расстояние между атомами, в пределе мы получим

Напротив, при бесконечном разведении атомов

2. π-Электронные системы в молекулах F_2, ClF и в других аналогичных молекулах независимо от их симметрии (D∞h или C∞h) характеризуются заселенностями АО π-типа

которые не зависят от интегралов перекрывания. Эти АО представляют неподеленные электронные пары соответствующих атомов.

3. Валентное состояние атома Li в молекуле LiH (табл. 10) характеризуется положительным формальным зарядом и существенным перераспределением электронной плотности между 2s-орбиталью и виртуальной (для основной конфигурации свободного атома Li) 2pσ-орбиталью. Две эти АО незначительно различаются по заселенности перекрывания в молекуле LiH, в то время как 1s-AO лития практически не участвует в образовании химической связи и представляет неподеленную электронную пару атомного остова.

Таблица 10. Анализ заселенностей АО в молекулах LiH, HCN, НСO_2Н, (НСO_2Н)2

4. Анализ заселенностей АО в молекуле HCN (см. табл. 10) свидетельствует о том, что АО π-типа характеризуется существенно меньшими по сравнению с АО σ-типа значениями заселенностей перекрывания. Малые значения формальных атомных зарядов в HCN указывают на ковалентный характер химической связи в этой молекуле.

5. Анализ заселенностей атомов водорода, ответственных за образование водородной связи, в молекулах муравьиной кислоты и ее димера (см. табл. 10), осуществленный на основе расчета матрицы плотности расширенным методом Хюккеля с самосогласованием по формальным зарядам атомов, показывает, что водородная связь обусловливает заметное изменение электронных заселенностей мостикового атома водорода (Н*). При этом заселенность перекрывания существенно возрастает вследствие увеличения полной и уменьшения неподеленной заселенностей. В то же время аддитивная заселенность и соответствующий ей формальный заряд атома водорода почти не изменяются.

Анализ заселенностей по Малликену. Наряду с изложенным выше подходом к анализу заселенностей существуют альтернативные подходы к этой проблеме. Наиболее популярными до настоящего времени являются предложенные Малликеном [67] определения нетто-заселенности Раа, заселенности перекрывания

(4.80)

и полной зеселенности

(4.81)

В основе этих определений фактически лежит равенство

(4.82)

представляющее условие нормировки матрицы плотности на число электронов (N) в молекуле. Левую часть этого равенства можно записать в виде суммы членов, относящихся к отдельным АО и их парам:

(4.83)

Таким образом, сумма нетто-заселен ноет ей всех АО и всех заселенностей перекрывания оказывается равной числу электронов в системе.

Однако это нельзя рассматривать как обоснование анализа заселенностей по Малликену ввиду неоднозначности разложения вида

(4.84)

где слагаемые выражены через элементы матрицы плотности Раb и интегралы перекрывания Sab.

Серьезным аргументом против предложенного Малликеном анализа заселенностей является то, что нетто- и полные заселенности могут принимать значения Рaa>2 и nMa>2. Не меньшую трудность представляет интерпретация отрицательных значений QMab, имеющих смысл отрицательного числа электронов, приходящихся на связь АО φa и φb.

Анализ заселенностей по Христоферзену и Бэкеру [33] формулируется в терминах коэффициентов разложения МО ψi по базисным АО φa:

(4.85)

При этом предполагается, что вес (или заселенность) АО φa, входящей в состав МО ψi, пропорционален квадрату модуля соответствующего коэффициента φa:

(4.86)

Из условия нормировки

(4.87)

для получается выражение

(4.88)

Суммированием величин nai по всем МО ψi с учетом их заселенностей далее определяются величины

(4.89)

Заселенности АО по Христоферзену и Бэкеру, как и заселенности по Малликену, могут принимать значения nCBa>2 (табл 11). В связи с этим интересно отметить, что Христоферзен и Бэкер обращали внимание на недопустимость таких значений, когда речь шла о малликеновском анализе заселенностей. Не менее серьезным обстоятельством, компрометирующим определение Христоферзена и Бэкера, является его неинвариантность относительно унитарного преобразования занятых МО, в то время как одноэлектронная матрица плотности и математические ожидания всех физических величин инвариантны относительно такого преобразования.

Таблица 11. Заселенности АО n^0, nM и nCB в двухатомных молекулах LiH, BH, NH, FH, LiF, BF, CO [46]

Индексы химических связей и валентность

В химии принято различать одинарные, двойные, тройные, а также связи дробной кратности между атомами, образующими молекулу. Если МО могут быть локализованы на отдельных атомах и двухцентровых связях, то под кратностью связи двух атомов (А и В) естественно понимать число МО, локализованных на связи АВ. В случае молекул, обладающих неспаренными электронами, т. е. находящихся в основных или возбужденных состояниях с отличной от нуля мультиплетностью по спину, следует говорить о локализации спин-орбиталей и отождествлять с кратностью связи половину числа локализованных на ней молекулярных спин-орбиталей (МСО). В качестве примера можно привести ряд двухатомных гомонуклеарных молекул, для котоых локализованные МО (или МСО) являются либо орбиталями неподеленных электронных пар, либо связывающими двух-центровыми орбиталями (табл. 12).

Таблица 12. Кратности связей в некоторых гомонуклеарных молекулах

Однако такой подход к проблеме молекулярно-орбитальной интерпретации понятия кратности химической связи весьма ограничен двумя существенными причинами. Во-первых, локализация МО в орбитали неподеленных электронных пар и двухцентровые связывающие МО, как правило, не является строгой. Во-вторых, локализованные двухцентровые МО могут быть поляризованы, т. е. принадлежать одному из связанных атомов в большей степени, чем другому. При этом исчезает грань между полярной двухцентровой МО и орбиталью неподеленной электронной пары.

Эти причины обусловливают нецелочисленность кратности химических связей в многоатомных молекулах независимо от (того, какой спиновой мультиплетностью характеризуются их состояния. Как частичная делокализация МО, относящихся к некоторой связи, так и их поляризация в направлении любого из связанных атомов должны означать уменьшение кратности этой связи. В то же время делокализация МО, относящихся к другим связям, может вносить определенный вклад в кратность рассматриваемой связи.

Для учета указанных эффектов необходимо квантовохимическое определение кратности химической связи. К настоящему времени в квантовой химии используют довольно много различных индексов, характеризующих химическую связь двух атомов в молекуле, но не все из них соответствуют классическому понятию кратности химической связи. Хотя кратность химической связи не должна быть целочисленной, она должна быть все же величиной неотрицательной (нулевая кратность связи АВ означает отсутствие химической связи между атомами А и В) и инвариантной относительно унитарных преобразований (в частности, поворотов и гибридизации) атомных орбиталей отдельных атомов. Для гомонуклеарных двухатомных молекул квантово-химическое определение кратности должно обеспечивать целые или полуцелые ее значения (см. табл. 12).

Сформулированным условиям удовлетворяет определение кратности химической связи (КАВ) согласно равенству [3]:

(4.90)

где S — матрица перекрывания всех АСО атомов, образующих молекулу; R — матрица, представляющая в базисе этих АСО электронную плотность, точнее ее компоненту, соответствующую максимальному значению проекции полного спинового момента электронов молекулы на ось квантования; а и b — индексы спин-орбиталей атомов А и В.

При отсутствии одноэлектронного спин-орбитального взаимодействия матрица , определяемая формулой

(4.91)

имеет квазидиагональный вид

(4.92)

где Рα и Рβ — одноэлектронные матрицы плотности, соответствующие проекциям спинового момента +1/2 и -1/2. С учетом последнего равенства КАВ можно представить в виде

(4.93)

а также выразить через матричные элементы электронной (Р) и спиновой (Q) плотности [4]. При этом

(4.94)

(4.95)

и

(4.96)

Первый член в правой части этой суммы называется индексом Виберга [88] и используется для характеристики химических связей в молекулах с замкнутыми электронными оболочками, если расчет их структуры проводится в рамках приближения нулевого дифференциального перекрывания (S = I) (табл. 13).

Таблица 13. Индексы Виберга для некоторых соединений элементов первых трех периодов периодической системы [30]

Альтернативное квантовохимическое определение кратности химической связи было предложено в работе [42]. Согласно этому определению

(4.97)

В классической теории химической связи каждому атому молекулы сопоставляется определенная валентность, понимаемая как число, характеризующее состояние атома в этой молекуле. Распределение валентности VA атома A по связям его с остальными атомами молекулы описывается кратностями связей KAB, причем

(4.98)

Подставляя в это равенство выражение (4.90)$ можно определить VA через матричные элементы R и S [3]:

(4.99)

В однодетерминантном приближении для молекул, обладающих лишь замкнутыми электронными оболочками, выражение для валентности приводится к виду

(4.100)

где — электронная лёвдинская заселенность а-й орбитали, принадлежащей атому А. Последняя сумма может быть исключена из выражения для VA унитарным преобразованием (гибридизацией) атомных орбиталей [21].

Другое определение валентности

(4.101)

где nMa — заселенность АО по Малликену — можно получить, подставляя в равенство (4.98) формулу (4.97).

Уже отмечалось, что nMa может принимать значения > 2, которые противоречат принципу Паули. Такие неразумные заселенности вносят отрицательный вклад в величину VA. Очевидно, определение валентности атома через лёвдинские заселенности гибридных АО является более предпочтительным. В то же время не следует отказываться и от определения (4.101). Оно может быть полезным в тех случаях, когда в качестве результата расчета электронной структуры химического соединения приводятся заселенности АО по Малликену, а не по Лёвдину, причем опубликованной информации недостаточно, чтобы вычислить последние. Если перекрывание атомных орбиталей мало, то оба определения должны давать близкие результаты.

Систематическое исследование валентностей атомов от водорода до хлора было проведено Армстронгом, Стюартом и Перкинсом [29, 30]. Они показали, в частности, что валентности лития, бериллия и бора превышают номер группы периодической системы, в которой расположены эти Элементы (табл. 14). Интересные результаты были получены для фторидов фосфора, серы и хлора. Валентность указанных элементов оказывается близкой к числу присоединенных ими атомов фтора. В то же время индексы Виберга свидетельствуют о делокализованном характере связей в этих электронно-избыточных соединениях.

Таблица 14. Валентности атомов от лития до хлора в различных химических соединениях [30]

Значительный интерес представляет исследование валентности элементов, атомы которых обладают незаполненными d-оболочками. Армстронг, Фортуне и Перкинс [28] вычислили атомные заряды, индексы связей и валентности атомов в экзотической с точки зрения классической теории химической связи соли Цейзе К[C_2H_2PtCl_3], а также в комплексных ионах платины транс-[РtXCl_3]- и транс-[PtX(NH_3)Cl_2]. Результаты вычислений приведены в табл. 15 и 16. Спектр валентности лежит в пределах от 2,3 до 2,9, причем ее связи с лигандами характеризуются существенно дробными индексами К ≈ 0,7. Пониженные по отношению к ординарной связи (К = 1) значения этих индексов обусловлены отчасти полярностью связей, отчасти их делокализацией. При сопоставлении валентных структур молекулы этилена в свободном состоянии и в составе соли Цейзе можно видеть, что валентность углерода и водорода при комплексообразовании практически не меняется. То же самое можно сказать и о формальных зарядах этих атомов. Заметно понижается кратность связи углерод-углерод, но вместе с тем в комплексном анионе [C_2H_2PtCl_3]- реализуются СВЯЗИ платины с атомами углерода, характеризуемые значениями КPtС = 0,33. Это обстоятельство влечет повышение валентности платины в соли Цейзе до 2,90 и обеспечивает неизменность валентности углерода.

Более детальное исследование валентной структуры комплексных соединений платины было проведено О. В. Сизовой и В. И. Барановским [24]. В частности, обобщая понятие валентности атома на многоатомные лиганды (L) и характеризуя σ- и π-донорную и акцепторную способность последних с помощью σ- и π-составляющих валентности VL, они классифицировали одиннадцать важнейших лигандов по их донорной и акцепторной активности. Была рассмотрена также зависимость свойств лигандов от состава комплекса и взаимное влияние лигандов, передаваемое через орбитали центрального атома.

Почему образуется химическая связь?

Традиционно образование химической связи объясняют понижением потенциальной энергии при сближении атомов, которое превосходит повышение кинетической энергии, так что алгебраическая сумма этих двух величин оказывается отрицательной. Однако, как было показано Рюденбергом [21], в действительности дело обстоит сложнее. По мнению Рюденберга, образование химической связи обусловлено преимущественно понижением кинетической энергии электронов вследствие их большей делокализации в молекуле, чем в невзаимодействующих атомах. Более детальный анализ проблемы был проведен Годдардом и Уильсоном [44] на примере молекулы водорода с использованием обобщенного метода ВС. Согласно этому методу, двухэлектронная функция молекулы Н_2 может быть записана с точностью до нормировочного множителя в виде

(4.102)

где а(r) и b(r) — неортогональные молекулярные орбитали, оптимизированные для каждого межъядерного расстояния R.

При этом энергия обменного взаимодействия атомов водорода (Ех) может быть представлена как сумма кинетической (х) и потенциальных ядерной (Vnx) и электронной (Vех) составляющих:

(4.103)

где

(4.104)

(4.105)

(4.106)

— оператор кинетической энергии электронов; Vn — оператор потенциальной энергии ядер; Каb, Тab — обменный и кулоновский интегралы.

Рис. 26. Отдельные компоненты полной энергии молекулы Н_2 как функци межъядерного расстояния (по Годдарду)

Оказывается, что из Ех можно выделить члены, отвечающие за образование связи. Из рис. 25, на котором изображены полученные Годдардом кривые зависимости величин Tx, Vnx, а также разности w = E — Tx от R, видно, что единственной отрицательной составляющей обменной энергии является Тх, причем ее понижение относительно ТR=∞x превосходит соответствующее изменение прочих составляющих энергии (Δw.) Чтобы объяснить этот факт, перепишем выражения для Tx и Vnx в следующем виде:

(4.107)

(4.108)

где "обменная матрица плотности"

(4.109)

vn — потенциал ядер и локальная кинетическая энергия

(4.110)

— оператор градиента.

Существенным является то, что в то время как в выражение для "обменной" матрицы плотности входят произведения орбиталей а(r) и b(r), величина tx включает градиенты этих орбиталей. Если обе орбитали в области связи имеют одинаковые знаки, то можно ожидать, что величина ρx будет мала в этой области вследствие частичной компенсации членов в квадратных скобках. Для величины tx, напротив, следует ожидать большого по абсолютной величине и отрицательного значения. Действительно, в области связи одна из орбиталей убывает, в то время как другая — возрастает, и градиенты этих орбиталей имеют различные знаки. Поэтому каждый член в квадратных скобках формулы (4.110) будет положительным.

До сих пор речь шла о низшем синглетном состоянии молекулы водорода. Для этого состояния ρх в области связи положительна (хотя и мала). Для триплетного состояния, соответствующего отталкиванию ядер атомов водорода без образования ими стабильной молекулы, можно показать, что величина ρх отрицательна. Это создает иллюзию, будто причиной образования молекулы является увеличение электронной плотности между ядрами. Такая точка зрения ие соответствует, однако, действительности. Следуя Годдарду, мы показали выше, что причиной образования химической связи правильнее считать благоприятную конградиентность орбиталей, реализующих связь. Однако следствием благоприятной конградиентности являются также положительные значения ρx. Иначе, концентрация электронной плотности в области связи, уменьшение локальной кинетической энергии в этой же области и образование стабильной молекулы являются следствиями одной и той же причины — благоприятной конградиентности орбиталей.

Список литературы

1. Алексеев В. Г. О совпадении методов формальной химии и символической теории инвариантов.- "Журн. Русск. физ.-хим. об-ва", 1901, т. 33, отдел I, вып. 4, с. 314-348.

2. Берсукер И. Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. Изд. 2-е. Л., "Химия", 1976.

3. Борисова Н. П., Семенов С. Г. Молекулярно-орбитальное, определение кратности химической связи.- "Вестн. Ленингр. ун-та", 1973, № 16, с. 119-124.

4. Борисова Н. П., Семенов С. Г. Молекулярно-орбитальное исследование валентной структуры органических соединений.- "Вестн. Ленингр. ун-та", 1976, № 16, с. 98-103.

5. Быков Г. В. История электронных теорий органической химии. М., Изд-во АН СССР, 1963.

6. Быков Г. В. История органической химии. М., "Химия", 1976, 360 с.

7. Вейль Г. Валентность и иерархия химических структур.- В кн.: Прикладная комбинаторная математика. Пер. с англ. Под ред. М. Е. Деза. М., "Мир", 1968, с. 339-350.

8. Вигнер Е. Теория групп и ее приложения в квантовомеханической теории атомных спектров. Пер. с англ. Под ред. И. Я. Смородинского. М., Изд-во иностр. лит., 1961.

9. Гиллеспи Р. Геометрия молекул. Пер. с англ. Под ред. Ю. А. Пентина. М., "Мир", 1975.

10. Горьков Л. П., Питаевский Л. П. Энергия расщепления термов молекулы водорода.- "Докл. АН СССР", 1963, т. 151, с. 822-825.

11. Дмитриев И. С. Симметрия в мире молекул. Л., "Химия", 1976.

12. Дмитриев И. С. Молекулы без химических связей. Очерки о химической топологии. Л., "Химия", 1979.

13. Дмитриев И. С. Развитие электронных теорий ковалентной связи в работах Дж. Льюиса и И. Лэнгмюра.- В кн.: Вопросы истории и методологии химии. Под ред. Р. Б. Добротина. Л., Изд-во ЛГУ, 1976, с. 98-116.

14. Каплан И. Г. Симметрия многоэлектронных систем. М., "Наука", 1969.

15. Клейн Ф. Сравнительное обозрение новейших геометрических исследований (Эрлангенская программа). Пер. с нем.- В кн.: Об основаниях геометрии. Под ред. А. П. Нордена. М., Гостехиздат, 1956, с. 399-451.

16. Кузнецов В. И. Диалектика развития химии. М., "Наука", 1973, 303 с.

17. Местечкин М. М. Метод матрицы плотности в теории молекул. Киев, "Наукова думка", 1977.

18. Пальм В. А. Введение в теоретическую органическую химию. М., "Высшая школа", 1974.

19. Полинг Л. Химики — это те, кто на самом деле понимают мир.- "Химия и жизнь", 1976, № 2, с. 92-97.

20. Родный Н. И. Общая характеристика состояния науки периода 1800-1870 гг.- В кн.: Проблемы развития науки в трудах естествоиспытателей XIX века. Под ред. Б. С. Грязнова и др. М., "Наука", 1973, с. 7-28.

21. Рюденберг К. Физическая природа химической связи. Пер. с англ. Под ред. А. М. Бродского. М., "Мир", 1964.

22. Семенов С. Г. Локализация молекулярных орбиталей методом эталонной матрицы плотности.- "Вестн. Ленингр. ун-та", 1978, № 10, с. 107-113.

23. Семенов С. Г. Анализ заселенностей и проблема неортогональности многоцентрового базиса атомных орбиталей.- Там же, 1977, № 22, с. 125-131.

24. Сизова О. В., Барановский В. И. Электронное строение, донорно-акцепторные свойства и взаимное влияние лигандов в комплексах [PtX_3L]n.- "Теор. и эксперим. химия", 1975, т. 11, с. 147-155.

25. Соловьев Ю. И. История химии. Т. 1. М., "Просвещение", 1977.

26. Фок В. А. О волновых функциях многоэлектронных систем.- "Журн. эксперим. и теор. физ.", 1940, т. 10, вып. 9-10.

27. Чаркин О. П., Бобыкина Г. В., Дяткина М. Е. Орбитальные потенциалы ионизации атомов и ионов в валентных конфигурациях.- В кн.: Строение молекул и квантовая химия. Киев, "Наукова Думка", 1970, с. 155-175.

28. Armstrong D. R., Fortune R., Perkins P. G. A molecular orbital study of the trans effect.- "Inorg. chim. Acta", 1974.

29. Armstrong D. R., Perkins P. G., Stewart J. J. P. Bond indices and valency.- "J. Chem. Soc. Dalton Trans.", 1973, p. 838- 840.

30. Armstrong D. R., Perkins P. G., Stewart J. J. P. Valencies (and bond indices for the elements from hydrogen to clorine.- "J Chem. Soc. Dalton Trans.", 1973, p. 2273-2277.

31. Boys S. F. Localized orbitals and localized adjustment functions.- In: Quantum theory of atoms, molecules, and the solid state. N. Y., 1966, p. 253-262.

32. Cayley A. On the mathematical theory of isomers.- "Phil. Mag.", 1874, v. 47, p. 444-449.

33. Christoffersen R. E., Baker K. A. Electron population analysis. Gross atomic charges in molecules.- "Chem. Phys. Lett.", 1971, v. 8, p. 4-9.

34. Clifford W. Letter to J. J. Sylvester.- "Amer. J. Math.", 1878, v. 1, p. 126-128.

35. Clinton W. L., Nakhleh J., Wunderlich F. Direct determination of pure-state density matrices-"Phys. Rev.", 1969, .v. 177, p.1.

36. Coulson С A., Moffit W. E. The properties of certain strained hydrocarbons.- "Phil. Mag.", 1949, v. 40, p. 1-35.

37. Davidson E. R. Electronic population analysis of molecular wave functions.- "J. Chem. Phys.", 1967, v. 46, p. 3320.

38. Edmiston C, Ruedenberg K. Localized atomic and molecular orbitals.- "J. Chem. Phys.", 1965, v. 43s, p. 97-115.

39. Fock V. Naherungsmethode zur Losung des quantenmechamschen Mehrkorperproblems.- "Z. Phys.", 1930, Bd 61, S. 126-148.

40. Gallup G. A., Norbeck J. M. Population analysis of valencebond wavefunctions and BeH_2.- "Chem. Phys. Lett.", 1973, v. 21, p. 495-500.

41. Gaunt J. A. Theory of Hartree's atomic fields.- "Proc. Cambridge Phil. Soc", 1928, v. 24, p. 328-342.

42. Giambiagi M., Giambiagi M., Grempel D. R. e. a. Sur la definition d'um indice de liaison (TEV) pour des bases non orthogonales. Proprietes et applications.- "J. Chim. Phys.", 1975, v. 72, p. 15-22.

43. Goddard W. A. Improved quantum theory of many-electron systems.- "Phys. Rev.", 1967, v. 157, p. 73-93.

44. Goddard W. A., Wilson С. Exchange kinetic energy contragradience and chemical binding.- "Chem. Phys. Lett.", 1970, v. 5, p. 45-49.

45. Gordan P., Alexeiew W. Ubereinstimmung der Formeln der Chemie und der Invariantentheorie.- "Z. Phys. Chem.", 1900, Bd 35, H. 5, S. 610-633.

46. Grabenstetter J. E., Whitehead M. A. CNDO: Problems in electron population analysis.- "J. Chem. Sos. Faraday Trans.", 1973, N 7, p. 962-967.

47. Hartree D. R. The wave mechanics of an atom with a non-coulomb central field.- "Proc. Cambridge Phil. Soc", 1928, v. 24, p. 89-110.

48. Heitler W. Gruppentheorie der homoopolaren chemischen Bindung.- "Z. Phys.", 1928, Bd 47, S. 835-849.

49. Heitler W. Quantentheorie der Valenz.- "Naturwiss.", 1929, Bd 17, S. 546-574.

50. Heitler W., London F. Wechselwirkung neutral Atome und homoopolare Bindung nach der Quantenmechanik.- "Z. Phys.", 1027, Bd 44, S. 455-472.

51. Heitler W., Rumer G. Quantenchemie mehratomiger Molekule.- "Nachr. Gott. Math.- Physik", 1930, H. 3, S. 277.

52. Heitler W., Rumer G. Quantentheorie der chemischen Bindung fur mehratomige Molekule.- "Z. Phys.", 1931, Bd 68, S. 12.

53. Herzberg G. Zur Bildung der Zweiatomige Molekule.- "Z. Phys.", 1929, Bd 57, S. 601-612.

54. Hund F. Zur Deutung der Molektilspektren.- "Z. Phys.", 1927, Bd 40, S. 742-764; Bd 42, S. 93-120; Bd 43, S. 805-826; 1928; Bd 51, S. 759-795; 1930, Bd 63, S. 719.

55. Hund F. Molekulbildung.- "Ergeb. exact. Naturwiss.", 1929, Bd 8, S. 147-201.

56. Jammer M. The conceptual development of quantum mechanics. N. Y., McGraw-Hill Book Company, 1966, 356 p.

57. Langmuir I. The arrangement of electrons in atom and molecules.- "J. Amer. Chem. Soc", 1919, v. 41, p. 868-934.

58. Lennard-Jones J. E. The electronic structure of some diatomic molecules.- "Trans. Farad. Soc", 1929, v. 25, p. 668.

59. Lewis G. N. The Atom and the Molecule.- "J. Amer. Chem. Soc", 1916, v. 38, p. 762-785.

60. London F. Quantentheorie der homoopolaren Valenzzahlen.- "Z. Phys.", 1928, Bd 46, S. 455-478.

61. London F. Quantenmechanik der homoopolaren Valenzchemie.- "Z. Phys.", 1928, Bd 50, S. 24-52.

62. Lowdin P. O. On the nonorthogonality problem.- "Adv. Quant. Chem.", 1970, v. 5, p. 185-199.

63. McWeeny R., Del Re G. Griteria for bond orbitals and optimum hybrids.- "Theor. Chim. Acta", 1968, v. 10, p. 13-22.

64. Mulliken R. S. Class of one-valence-electron emitters of band spectra.- "Phys. Rev.", 1925, v. 26, p. 561-573.

65. Mulliken R. S. The assignment of quantum numbers for electrons in molecules.- "Phys. Rev.", 1928, v. 32, p. 186- 222, 761-814.

66. Mulliken R. S. Electronic structures of polyatomic molecules and valence.- "Phys. Rev.", 1932, v. 41, p. 49-71.

67. Mulliken R. S. Electronic population analysis on LCAO-MO molecular wave functions.- "J. Chem. Phys.", 1955, v. 23 p. 1833-1840.

68. Martensson O., Ohm Y. Complex hybridization of orbitals of s- and p-types.- "Theor. Chim. Acta", 1967, v. 9, p. 133-139.

69. Matsen F. Chemistry without spin.- "J. Amer. Chem. Soc", 1970, v. 92, p. 3525-3538.

70. Offenhartz P. SCF wavefunctions and energies for valence states and excited of carbon and nitrogen.- "Chem. Phys. Lett.", 1973, v. 21, p. 388-394.

71. Pauling L. The shared-electron chemical bond.- "Proc Nat. Acad. Sci.", 1928, v. 14, p. 359-362.

72. Pauling L. The nature of the chemical bond.- "J. Amer. Chem.Soc", 1931, v. 53, p. 1367-1400; 1932, v. 54, p. 988.

73. Poluk R. Optimum hybrid orbitals in localized orbitals.- "Int. J. Quant. Chem.", 1970, v. 4, p. 271-287; 1972, v. 6, p. 1077-1086.

74. Roby K. R. Quantum theory of chemical valence concepts.- "Mol. Phys.", 1974, v. 27, p. 81-104; v. 28, p. 1441-1456.

75. Roothaan С. СJ. New developments in molecular orbital theory.- "Rev. mod. Phys.", 1951, v. 23, p. 69-89.

76. Rumer G. Zur theorieder Spinvalenz.- "Nachr. Gott. Math.- Phys.", 1932, H. 4, S. 337-341.

77. Saltzman M. D. Benzene and the triumph of the octet theory.- "J. Chem. Educ", 1974, v. 51, p. 498-502.

78. Sidgwick N. V. The electronic theory of valence. Oxford, Univ. Press, 1927, 223 p.

79. Sidgwick N. V. The nature of the non-polar link.- "Trans. Faraday Soc", 1923, v, 19, p. 468-475.

80. Slater J. C. The theory of complex spectra.- "Phys. Rev.", 1929, v. 34, p. 1293-1323.

81. Sylvester J. J. On an application of the new atomic theory.- "Amer. J. Math.", 1878, v. 1, p. 64-104.

82. Switkes E., Stevens R. M., Lipscomb W. N. e. a. Localized bonds in SCF wave functions for polyatomic molecules.- "J. Chem. Phys.", 1969, v. 51, p. 2085-2093.

83. Waller I., Hartree D. R. On the intensity of total scattering of X-rays.- "Proc. Roy. Soc", Ser. A., 1929, v. 124, p. 119.

84. Walsh A. D. The structures of ethylene oxide, ciclopropane and related molecules.- "Trans. Faraday Soc", 1949, v. 45, p. 179-190.

85. Weyl H. Gruppentheorieund Quantenmechanik, Leipzig, 1928, S. 328.

86. Weyl H. Zur quantentheoretischen Berechnung molecular Bindungsenergien.- "Nachr. Gott. Math.- Phys.", 1930, H. 3.

87. Weyl H., Teller E., Rumer G. Einefur dieValenztheoriegeeig-nete Basis der binaren Vektorinvarianten.- "Nachr. Gott. Math.- Phys.", 1932, Hf. 6, S. 499-504.

88. Wiberg K. B. Application of the Pople-Santry-Segal CNDO method to the cyclopropylcarbinol and cyclobutilcation and to bicyclobutanel- "Tetrahedron", 1968, v. 24, p. 1083.

89. Wiberg К. В., Ellison G. В., Wendoloski J. J. Electronic states of organic molecules.-"J. Amer. Chem. Soc", 1976, v. 98, p. 1212-1218.

Примечания

1

Со, Мn и др.- Прим. авт.

2

Исключение составляют только две ячейки первой оболочки, они могут вмещать только по одному электрону каждая.

3

Оба указанных выше подхода имеют глубокие исторические корни. Еще в XIX в. сложились два взгляда на строение молекул — структурный (А. М. Бутлеров, Кекуле и др.) и унитарный (Бодримой, Лоран, Жерар, Н. А. Меншуткин и др.), что обусловлено неоднозначностью реализации дальтоновского представления о молекуле как системе взаимодействующих атомов. Оба подхода получили дальнейшее развитие как в ранних электронных теориях, так и в квантовой химии.

4

Разные математики, разрабатывавшие эту аналогию, использовали различные формы ее выражения. Наше изложение ближе к тому, которое дал Вейль [7], хотя во многих местах и отличается от него.

5

Говоря современным языком, одномерное неприводимое представление группы перестановок, которому соответствует схема Юнга [1 N].- Прим. авт.

6

При уменьшении межъядерного расстояния содержащийся в J_0 член отталкивания атомных ядер возрастает и становится определяющим.

7

В 30-х годах употребляли также термин l (или р)- валентность.

8

Также и для других р-элементов.- Прим. авт.

9

При этом можно исключить из рассмотрения 1s- и 2s-электроны, полагая, что они образуют "замороженный" остов.

10

Этому, по мнению Ван Флека, способствовало еще и то, что выражение для оператора обменной энергии, как показал Дирак, можно записать в виде Vij = -1/2*(1+4SiSj)Aij. Однако такая запись является формальной и не связана с какими-либо действительными электронными спин-спиновыми взаимодействиями, приводящими к образованию химической связи.

11

Позднее, в 1937 г., была сформулирована более общая методика построения линейно-зависимых наборов спиновых функций с использованием таблиц Юнга.

12

Этим диаграммам соответствуют стандартные таблицы Юнга:

13

Малликеном был введен и сам термин "гибридизация", тогда как Полинг использовал первоначально другое название: "изменение квантования" (change in quantization).

14

Имеется в виду статья Лондона "Квантовая теория гомеополярной валентности" [60].

15

Следует отметить, что возможность такого объяснения геометрии молекул отмечали в 1930 г. Гайтлер и Румер [51].

16

Мы несколько видоизменили обозначения в приведенной формуле (3.45); n, l, m — квантовые числа; i-номер гибридной АО.

17

При этом Малликен учитывал (в отличие от Полинга) не только угловые, но и радиальные функции АО.

18

То, что неподеленные пары должны иметь преимущественно s-характер, следует как из химических соображений, основанных на сопоставлении орбитальных энергий 2s и 2р-АО (E2s = 25,6 эВ, E2р = 13,2 эВ для атома азота и E2s = 33,7 эВ, E2р = 15,9 эВ для атома кислорода), так и из квантовохимических расчетов последних лет, выполненных в формализме матрицы плотности.

19

Базисные АО в обычной формулировке метода ВС также не ортогональны.

20

Под обобщенной мы понимаем такую диаграмму Румера, которая Может содержать перекрещивающиеся штрихи.

21

В методе МО молекулярные орбитали удовлетворяют аналогичным уравнениям, но с общим для всех k эффективным гамильтонианом N, что обусловливает их ортогональность. В методе Годдарда орбитали не ортогональны и в этом отношении напоминают атомные орбитали.

22

Эти значения электронной энергии определяются при фиксированной и тождественной для всех структур конфигурации атомных ядер методами квантовой химии. Они не имеют непосредственного физического или химического смысла и не измеряются экспериментально.

23

Связь молекулярных термов с атомными была рассмотрена в 1928 г. также Вигнером, но в более общем виде с помощью теории групп.

24

В обозначении Малликена — σl

25

Более строго определить связывающий уровень следовало бы как уровень, удаление с которого всех электронов приводит к ослаблению связи. Так, например, для молекул М_2, где М — атом щелочного металла, удаление одного электрона с верхнего, дважды занятого энергетического уровня приводит к упрочению химической связи. В этом смысле уровень не должен быть, по Малликену, связывающим. Однако удаление обоих электронов приводит к распаду молекулы (точнее, молекулярного иона), и это свидетельствует о том, что именно электроны данного уровня обеспечивают химическую связь в молекулах М_2.

26

Термин "орбиталь" впервые появился, по-видимому, в 1932 г., в работе Малликена [66]. Сначала же Хунд использовал термин "bahn", a Малликен — "orbit".

27

К сожалению, эта правильная методологическая установка Леннард-Джонеа не смогла быть применена до конца в методе МО, который оказался не в состоянии даже качественно описать процесс диссоциации молекул.

28

Правильная вероятностная интерпретация физического смысла волновой функции была дана Борном в 1926 г. и вскоре стала общепринятой.

29

Что, разумеется, является исторической неточностью.

30

Немного раньше аналогичное представление N- электронной волновой функции было введено Гайтлером [48]. Однако в последующих его работах оно не получило развития.

31

В общем виде задача была решена Фоком (без использования детерминантов) в 1940 г. [26].

32

В этом смысле она не является ни симметричной, ни антисимметричной при перестановке координат, стоящих в выражении (3.62) по разную сторону от вертикальной черты, т. е. в разных детерминантах, а подчиняется циклической симметрии, установленной, как уже отмечалось, Фоком в 1940 г.

33

Функция Дирака σ(r — r') относится к классу так называемых обобщенных функций и определяется равенством )

34

В так называемом адиабатическом приближении электронной системе в молекуле сопоставляется определенная Ψ-функция, которая зависит и от ядерных координат.

Content

И. С. Дмитриев, С. Г. Семенов
Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи

От авторов

Глава 1. Доквантовомеханические модели химической связи

Доквантовомеханические электронные теории ковалентной химической связи

Теория ковалентной связи Льюиса

Развитие теории ковалентной связи Ленгмюром

Динамические модели ковалентной связи

Математические модели молекул

Глава 2. Квантовомеханическое описание строений атома

Некоторые особенности квантовомеханического описания явлений микромира

Электронные конфигурации атомов, термы и тонкая структура энергетических уровней

Атомные орбитали и их графическое представление

О порядке заполнение атомных орбиталей

Глава 3. Развитие основных концепций квантовомеханнческой теории химической связи

Объяснение природы химической связи в молекуле водорода. Метод Гайтлера-Лондона

Обобщение метода Гайтлера-Лондона. Создание теории спиновой и орбитальной валентности

Обобщенный формализм метода ВС как реализация идей Гайтлераг Лондона, Румера и Вейля

Развитие метода ВС в работах Полинга. Концепция гибридизации

Теория резонанса

Основные черты развития теории химической связи в рамках метода МО

Квантовомеханичеекая интерпретация молекулярных спектров и ее роль в создании метода молекулярных орбиталей

Развитие метода МО в работе Леннард-Джонса

Формирование метода самосогласованного поля

Глава 4. Современные методы исследования структуры химической связи

Матрица плотности и некоторые замечания о квантовомеханическом описании одкозяектронных и многоэлектронных состояний

Канонические и локализованные молекулярные орбитали

Анализ заселенности атомных орбиталей

Индексы химических связей и валентность

Почему образуется химическая связь?

Список литературы

Примечания