Квантовая химия в примерах - страница 2

В процессе моделирования химических соединений необходимо учитывать незаполненные подуровни, потенциальные ямы которых не определяют химическую связь. В расчёте химического взаимодействия атомов будет участвовать некоторое количество потенциальных ям, а не электронов, поскольку отрицательно заряженные частицы с предыдущих уровней занимают в три раза больше потенциальных ям, чем электроны на заданном энергетическом уровне.

Рисунок 3.3 Соединение 2-х атомов вдоль одной плоскости (грани куба) в четырёх точках.

Ещё одним важным видом взаимодействия атомов, входящих в состав той или иной кристаллической решётки или молекулы, является такое расположение частиц, когда существует возможность составить стационарное решение уравнения Шрёдингера, полученное для химического соединения, которое не содержит в своей структуре звёздочек (см. рисунок 3.4). Для слоистых материалов, например графита, существует небольшое притяжение между двумерными кристаллическими структурами графена. В процессе моделирования не остаётся свободных треугольников в двумерной структуре графена, однако, исходя из особенностей решения уравнения Шрёдингера, полная энергия квантовой системы на практике примет минимальное значение, что обеспечит стабильность атомов, входящих в состав трёхмерного химического соединения. Расположение электронов в потенциальных ямах будет сохраняться до тех пор, пока не изменятся значения полупериодов пространства синусоидальной функции R_>x/m_>x, R_>y/m_>y, R_>z /m_>z. После преобразования сетки из потенциальных ям на частицы будут действовать только внешние силы. Таким образом, движение химических структур, не связанных общим решением уравнения Шрёдингера, можно описать, применяя законы классической механики.

Рисунок 3.4 Ван-дер-Ваальсова связь.

Примечательно, что в слоистой структуре двумерные химические соединения, состоящие из атомов, будут смещены относительно друг друга.

Процесс формирования кристаллических структур и молекул, происходящий на практике, подразумевает в себе обмен электронами между атомами в химическом соединении. Если в структуре вещества остаются свободные потенциальные ямы с треугольниками, тогда выбранную модель чаще всего невозможно получить на практике, за исключением случаев наличия дырочной проводимости в кристалле или существования полностью свободных подуровней на рассматриваемом энергетическом уровне. Так, например, в структуре Na_>2He для натрия Na орбиталь 3d^>10 останется незаполненной электронами. При моделировании молекулярных структур действуют аналогичные правила, позволяющие дать теоретическое обоснование химическим взаимодействиям, рассмотренным выше в этом разделе.

В начале XXI века на горизонте научных открытий появилось парадоксальное явление. Суть последнего заключается в том, что химические структуры, которые нельзя получить в нормальных условиях, могут существовать при высоких давлениях, исчисляемых в десятках и сотнях ГПа. Метод Оганова позволяет моделировать указанные структуры. Соединения, предсказанные алгоритмом А. Р. Оганова, бывают как слоистыми, так и носят пространственный характер, оставаясь цельными в трёхмерной системе координат. Вещества под давлением обладают как сверхпроводимостью, так и являются хорошими изоляторами электрического тока. В разделе 10 мы вернёмся к более подробному описанию свойств кристаллических решёток. Подход, изучаемый в этой книге, можно применить для предсказания строения химических структур, существующих как под высоким давлением, так и в нормальных условиях. В данной и последующих главах мы разберём ряд примеров химических соединений, модель которых возможно получить на практике.