Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31
.
Молекулярные интегралы и формула энергетические уровни: Эти формулы удобны для графического исследования уровней МО с помощью компьютера. Наконец, для проверки физической корректности расчётов и положенных в их основу схем проанализируем предельные значения интегралов и уровней энергии МО: Пределы интегралов (Квази-ион He+) Пределы электронной энергии Можно видеть, что с физической точки зрения расчёт совершенно верно предсказывает пределы изменения электронной энергии системы в электростатическом поле ядер в гипотетическом процессе их сближения от бесконечного удаления до гипотетического слияния. Так подтверждается корректность теории, и это особенно важно, поскольку при её построении было использовано значительное количество непростых приближений. В простейшей модели без оптимизации базисной АО получаем : Показатель экспоненты в АО фиксирован и равен Все выводимые ниже выражения легко получаются из более общих выражений при Интегралы существенно упрощаются и получаются следующие выражения: 1) Уровень исходной базисной АО 2) Интеграл перекрывания: Интегрируя по частям, получаем 3) Кулоновский интеграл: 4) Резонансный интеграл: Отсюда получаются энергетические уровни МО в виде: Этот простой подход был исторически первым на пути построения квантово-механической теории валентности. Несмотря на свою ограниченность, он позволил на качественном уровне понять и происхождение электронного облака в межъядерной области, и природу устойчивости простейшей молекулярной системы. В количественном отношении этот примитивный подход очень слаб, и, вроде бы, не идёт ни в какое в сравнение с уточнёнными расчётами. НО...!!! Самый трудный шаг на неизведанном и полном неясностей пути создания ранее не существовавшей теории всегда первый. Автор этого учебного текста наблюдал триумфальное развитие квантовой химии с середины 60-х годов по настоящее время (январь 1999 года) и застал переход от её исходного состояния к уже современному этапу и видел ещё слегка недоверчивое, изумлённое отношение химиков-синтетиков - людей, вообще-то весьма прагматично и дерзко мыслящих о веществе, к необычному ещё в то время варианту теории валентности, которая властно и как бы играючи вытесняла вариант привычной с 19 века качественной теории Бутлерова, оперирующей валентными штрихами с её причудливым нагромождением дополнительных конструкций. Оказалось, что не только качественно, но и количественно можно легко и точно объяснять и предсказывать спектрально наблюдаемые свойства молекул. Автор со студенческих лет хорошо помнит многочисленные дискуссии о сравнительных достоинствах и недостатках методов МО ЛКАО и ВС ЛКАО. Где-то сейчас метод ВС...?!! Бесспорным фаворитом теории валентности стал метод МО ЛКАО, идеально приспособленный к алгоритмам современной вычислительной математики и компьютерной техники. Сейчас уже совершенно ясно, что теория ЛКАО МО была настоящей идейной революцией. В её основу положено одноэлектронное приближение. Молекулярный ион водорода был первой и простейшей системой, на примере которой было понято и теоретически изучено физическое происхождение феномена валентности. Необходимые молекулярные интегралы принимают вид Выражая локальные переменные (r
1
,
r
2
) через единые декартовы координаты , запишем выражение МО в виде: Оптимизированные параметры Однако весьма существенное качественное отличие этой формулы состоит в том, что расчёт с двумя варьируемыми параметрами R
, z состоит в том, что Оптимизация энергетического уровня за счёт дополнительного варьирования показателя экспоненты приводит к намного лучшему согласию с экспериментом. В первых оригинальных работах в 20-х годах эти три характеристики основного состояния были рассчитаны с применением точной аналитической расчётной процедуры (Хиллераас). В настоящее время мощность вычислительной техники такова, что вся эта вычислительная процедура легко моделируется численными методами и реально доступный объём вычислений таков, что без особых проблем достигается любое графическое сопровождение расчётов, и те же самые результаты легко получаются в рамках прямого числового расчёта функции График функции
Применяя графические процессоры для современных персональных компьютеров (MATHCAD
PLUS/PENTIUM 2,3,4), можно проиллюстрировать все вычисления. Наглядные пространственные графики на рис. изображают адиабатические потенциалы основного и первого разрыхляющего одноэлектронных уровней E
±
(z,R
). Рис.3. Оптимизиро-ванная энергетичес-кая кривая низшего связывающего уров-ня МО и низшие уровни колебаний
у молекулярного
иона водорода
H
2
+
Химическая связь есть результат баланса электростатических сил . Энергия связи представляет собой малую разность больших величин.
Для анализа свойств
двухцентровой химической связи удобно выделить результирующую энергетическую кривую
в наглядном масштабе
. При
оптимизации эффективного заряда ядра
z
у базисных АОкоордината абсолютного минимума адиабатического потенциала равна экспериментальной длине связи.
Признаки связывающих и разрыхляющих свойств МО
(признаки связи и разрыхления).
Рис.Графические изображения
молекулярных орбиталей
s
(
s
)- типа .
Используют три способа графического изображения МО молекулярного иона H2+ :
1) Вариант A - изображение МО в виде поверхности.
Вариант B - изображение МО в топографической форме
(в виде совокупности горизонтальных сечений - линий уровня).
3) Вариант C - изображение сечения МО вдоль линии связи.
Во всех случаях ярко выделяются пучности и узлы МО, формирующие пространственные «лепестки».
Подобное изображение возможно только для МО, базис которых составляют лишь прос-тейшие1s-АО.
|