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

причем в соответствии с теорией Гайтлера и Лондона основному состоянию должен соответствовать синглетный терм. Но, как известно, основное состояние молекулы В 2является триплетным, и поэтому указанный подход не применим. Образование химической связи в молекуле В 2объясняется 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 2наряду 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 2и 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 2равна 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 2аналогично 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] Этому, по мнению Ван Флека, способствовало еще и то, что выражение для оператора обменной энергии, как показал Дирак, можно записать в виде V ij = - 1 / 2 *(1+4S i S j )A ij . Однако такая запись является формальной и не связана с какими-либо действительными электронными спин-спиновыми взаимодействиями, приводящими к образованию химической связи. . 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.