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

Дмитриев Игорь Сергеевич

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

(4.59)

Предполагая, что оператор электронной плотности представлен в базисе {} 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 n₁ — наибольшая из естественных заселенностей. Это неравенство, как и аналогичные неравенства для определяемых ниже заселенностей n^– _a и n⁰_а, следует из условия антисимметрии многоэлектронной функции (х₁,..., х_N) относительно перестановок электронных координат.

Неподеленную заселенность (n^– _а) орбитали _а можно определить как заселенность ее компоненты, которая ортогональна ко всем прочим орбиталям :

(4.62)

где

(4.63)

^aS в формуле (4.63) обозначает матрицу перекрывания, полученную из полной матрицы S вычеркиванием интегралов перекрывания S_ab, включающих рассматриваемую орбиталь _а.Такая ортогонализация (аналогичная ортогонализации по методу Шмидта) исключает из полной заселенности n⁺_а ту ее часть, которая принадлежит не только _а, 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 |С_а|² на Р_аа:

(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 _а с остальными орбиталями неортогонального базиса 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 _а не перекрывается ни с одной из орбиталей базиса , 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 _а неортогонального базиса орбиталь _a 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 ₁ и ₂

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

Согласно теореме Карлсона и Келлера, лёвдинский базис

отличается от всех прочих базисов, полученных ортогонализацией исходного базиса {}, максимальной близостью к {} 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 N₂) 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.