CC BY
3УДК 547
Сазаков К.
Преподаватель,
Международный университет нефти и газа им. Ягшигельды Какаева
Туркменистан, г. Ашхабад
Аманлыев Б.
Студент,
Международный университет нефти и газа им. Ягшигельды Какаева
Туркменистан, г. Ашхабад
Аннаев Х.
Студент,
Международный университет нефти и газа им. Ягшигельды Какаева
Туркменистан, г. Ашхабад
ТЕОРИЯ ФУНКЦИОНАЛА ЭЛЕКТРОННОЙ КОРРЕЛЯЦИИ В
ОБЩЕЙ ХИМИИ
Аннотация: В данной статье рассматривается применение теории функционала электронной корреляции (ТФЭК) в области общей химии. ТФЭК представляет собой метод, используемый для изучения электронной структуры и химических свойств молекул и материалов. Основное внимание уделяется анализу и обсуждению различных аспектов ТФЭК, включая методы расчета, ограничения и перспективы развития.
Ключевые слова: общая химия, теория функционала электронной корреляции, электронная структура, химические свойства, методы расчета.
В сложном мире атомов и молекул действие электронов определяет их поведение и формирует саму природу химических связей. Понимание этого танца, в частности явления электронной корреляции, является фундаментальным для общей химии. Функциональная теория электронной корреляции (DFT) становится мощным инструментом для химиков, предлагая практический подход к разгадке этого сложного взаимодействия.
Теория функционала электронной корреляции является важным инструментом в арсенале исследователя в области общей химии, предоставляя возможность изучать электронные свойства молекул и материалов с высокой степенью точности. В данной статье представлен обзор основных принципов ТФЭК и методов расчета, а также обсуждаются ограничения и перспективы данной теории.
Одним из ключевых аспектов теории функционала электронной корреции является возможность расчета энергии электронов в молекуле или материале. Это позволяет исследовать различные химические реакции и процессы, такие как полимеризация, образование комплексов и катализ, с более глубоким пониманием их механизмов. Кроме того, ТФЭК может быть использована для изучения свойств материалов, таких как металлы, полупроводники и диэлектрики, что важно для разработки новых технологий и устройств.
По своей сути, электронная корреляция относится к способу взаимодействия электронов в молекуле и изменения их положения для минимизации общей энергии системы. Представьте себе два отрицательно заряженных электрона, вращающихся вокруг положительно заряженного ядра - они естественным образом отталкиваются друг от друга. Однако это отталкивание не является простым взаимодействием один на один. Каждый электрон "ощущает" совместное влияние ядра и всех остальных электронов, что приводит к сложной системе притяжения и отталкивания, которая влияет на все - от прочности связей до барьеров реакции.
Традиционные методы расчета электронной структуры, такие как метод Хартри-Фока, рассматривают электроны так, как будто они движутся независимо в среднем поле, создаваемом другими электронами. Этот подход пренебрегает корреляцией электронов, что приводит к неточностям. Хотя метод Хартри-Фока обеспечивает основу, он сродни изучению балета, когда фокусируешься на индивидуальных движениях каждого танцора, не задумываясь о том, как они взаимодействуют и влияют на исполнение друг друга.
DFT использует другой подход. Он позволяет избежать явного расчета сложных электрон-электронных взаимодействий и фокусируется на электронной плотности - трехмерной карте, отображающей вероятность нахождения электрона в определенной точке пространства. Великолепие DFT заключается в его способности связывать плотность электронов с различными химическими свойствами. Это все равно что использовать тепловую карту сцены, чтобы понять общий ход и хореографию балета, а не теряться в деталях каждого отдельного шага.
Однако загвоздка заключается в обменно-корреляционном функционале - математической формуле, которая учитывает комбинированные эффекты электронного обмена (стремление электронов с одинаковым спином избегать друг друга) и электронной корреляции. Этот функционал является приближенным, и его точность определяет общую точность вычислений DFT. Это все равно, что пытаться передать суть балета с помощью одного упрощенного описания. Выбор функционала может существенно повлиять на результаты, и химики разработали различные варианты, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны.
Приближение локальной плотности (LDA) - простой, но эффективный с точки зрения вычислений функционал, но он часто недооценивает некоторые свойства, такие как длина связей. Это грубый набросок балета, в котором отражены общие движения, но отсутствуют мелкие детали.
Функционалы обобщенной градиентной аппроксимации (GGA) содержат информацию о локальном градиенте электронной плотности, что повышает точность. Они позволяют получить более точный рисунок, учитывая скорость и направление движения танцоров. Гибридные функционалы сочетают элементы теории Хартри-Фока с DFT, что еще больше улучшает описание электронной корреляции. Они подобны детализированным картинам, которые передают эмоции и тонкости исполнения.
Мощь DFT заключается в его способности находить баланс между точностью и затратами на вычисления. Хотя он может и не обеспечивать максимальную точность более сложных методов, DFT предлагает химикам практичный и универсальный инструмент для изучения широкого спектра молекул и химических явлений. Это позволяет исследователям моделировать сложные системы, понимать связующие взаимодействия, определяющие свойства материалов, и даже предсказывать поведение молекул в различных условиях, например, при катализе или атмосферной химии.
Однако DFT - это не панацея от бед. Выбор функционала по-прежнему имеет решающее значение, и глубокое понимание его ограничений необходимо для точной интерпретации результатов. Поскольку исследования по совершенствованию функционалов и разработке новых подходов продолжаются, DFT обещает оставаться незаменимым инструментом для раскрытия тайн электронной корреляции и формирования будущего общей химии. Точно так же, как улучшение освещения и оформления сцены может повысить наше восприятие балета, достижения в области DFT продолжат освещать сложный танец электронов внутри молекул.
Тем не менее, развитие вычислительной техники и программного обеспечения позволяет надеяться на дальнейшее развитие теории функционала электронной корреляции и расширение ее применения в общей химии и материаловедении. В перспективе, использование ТФЭК в сочетании с другими методами, такими как молекулярная динамика и
квантовая химия, может привести к новым открытиям и достижениям в области химии и физики материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Дж. П. Пердью, К. Берк и М. Эрнзерхоф, "Упрощенная аппроксимация обобщенного градиента", Phys. Rev., Lett. 77, 3865-3868 (1996).
2. А. Д. Бекке, "Функционально-плотностная термохимия. iii. Роль точного обмена", Дж. Phys. 98, 5648-5652 (1993).
3. J. P. Perdew и Y. Wang, "Точное и простое аналитическое представление энергии корреляции электронов и газа", Phys. Rev. B 45, 13244-13249 (1992).
4. С. Х. Воско, Л. Уилк и М. Нусаир, "Точное спин-зависимое распределение электронной жидкости энергии корреляции для расчетов локальной спиновой плотности: критический анализ", Can. J. Phys. 58, 12001211 (1980).
5. А. В. Арбузников и М. Каупп, "Корреляционная энергия в теории функционала плотности: оценка функционала Воско-Уилка-Нусейра", J. Comput. Химия. 22, 825-839 (2001).
6. А. Зайдль, А. Герлинг, П. Фогль, Я. А. Маевский и М. Леви, "Обобщение схемы Кона-Шама для включения электронных корреляций", Phys. Rev. B 53, 3764-3774 (1996).
Sazakov K.
Lecturer,
International Oil and Gas University Turkmenistan, Ashgabat
Amanlyyev B.
Student,
International Oil and Gas University Turkmenistan, Ashgabat
Annayev H.
Student,
International Oil and Gas University Turkmenistan, Ashgabat
THE THEORY OF THE FUNCTIONAL OF ELECTRONIC CORRELATION IN GENERAL CHEMISTRY
Abstract: This article discusses the application of the theory of electronic correlation functional (TPEC) in the field of general chemistry. TPEC is a method used to study the electronic structure and chemical properties of molecules and materials. The main focus is on the analysis and discussion of various aspects of the TFEC, including calculation methods, limitations and development prospects.
Keywords: general chemistry, theory of the functional of electronic correlation, electronic structure, chemical properties, calculation methods.
