Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи
Шрифт:
Таблица 8. Средние значения
С учетом сказанного выше, аддитивные (лёвдинские) заселенности (n0) орбиталей неортогонального базиса следует отождествлять
Формальный заряд qA атома А определяется зарядом его ядра ZA и аддитивными заселенностями представляющих этот атом орбиталей:
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
и для определения дипольных моментов больших молекул в точечном приближении
Рассмотрим теперь несколько примеров, иллюстрирующих вложенный формализм анализа заселенностей многоцентрового азиса перекрывающихся АО.
1. Для молекулы Н2 для -электронных оболочек молекул азота (N2), 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.
– Электронные системы в молекулах F2, ClF и в других аналогичных молекулах независимо от их симметрии (Dh или Ch) характеризуются заселенностями АО -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
Таблица 10. Анализ заселенностей АО в молекулах LiH, HCN, НСO2Н, (НСO2Н)2
4. Анализ заселенностей АО в молекуле HCN (см. табл. 10) свидетельствует о том, что АО -типа характеризуется существенно меньшими по сравнению с АО -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
и полной зеселенности
В основе этих определений фактически лежит равенство
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:
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
где слагаемые
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 a и b.