Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела

У Ч Е Б
Ч Е Б Н И К Д Л Я  В Ы С Ш Е Й
 Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы
 Ш К О Л Ы

В. Г. Цирельсон

Учебное пособие

5-е издание, электронное

Допущено
Учебно-методическим объединением по образованию 
в области химической технологии и биотехнологии 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по химико-технологическим
направлениям и специальностям 

КВАНТОВАЯ ХИМИЯ 

МОЛЕКУЛЫ,
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ
И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА 

Москва
Лаборатория знаний
2021

УДК 54
ББК 24.5я73
Ц68

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
Р е ц е н з е н т ы:

директор Института физической и органической химии
Южного федерального университета (Ростов-на-Дону)
акад. РАН, проф. В. И. Минкин;

директор Института химической физики твердого тела
им. Макса Планка (Дрезден, Германия)
проф. Ю. Н. Гринь
Цирельсон В. Г.
Ц68
Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые

тела
:
учебное
пособие
для
вузов
/
В. Г. Цирель-
сон. — 5-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2021. —
522 с. — (Учебник для высшей школы). — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-93208-518-9
Изложены теоретические основы квантово-химических методов расчета
молекул, молекулярных систем и твердых тел, а также современные воззрения 
на химическую связь и межмолекулярные взаимодействия. Рассмотрены
способы интерпретации результатов квантово-химических расчетов и методы 
расчета свойств химических веществ. Материал, необходимый как
химику-исследователю, так и химику-технологу для практической работы
в условиях современных наукоемких производств, представлен в доступной
форме с широким привлечением иллюстраций.
Для студентов, аспирантов, докторантов, преподавателей химических
факультетов классических, педагогических и технологических университетов, 
а также для широкого круга специалистов в различных областях
химии, физики, биологии и материаловедения.
УДК 54
ББК 24.5я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Квантовая химия.
Молекулы, молекулярные системы и твердые тела : учебное пособие для вузов / 
В. Г. Цирельсон. — 5-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 495 с. :
ил., [24] с. цв. вкл. — (Учебник для высшей школы).
ISBN 978-5-00101-374-7.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-518-9
© Лаборатория знаний, 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................ 7

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 9

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ ..................................................................... 14

Г л а в а  1. ОТ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ К КВАНТОВОЙ ...................... 19

1.1. Классическое описание структуры и динамики молекул ....................... 19

1.2. Механическая модель молекулы ............................................................... 30

1.3. Классические молекулярные системы ...................................................... 45

1.4. Основные положения квантовой механики ............................................. 51

1.5. Атом водорода ............................................................................................. 62

Вопросы для самопроверки .................................................................................. 80

Библиографический список .................................................................................. 81

Г л а в а  2. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ..................................................... 82

2.1. Вариационный принцип и решение уравнения Шредингера................ 84

2.2. Одноэлектронная модель ........................................................................... 90

2.3. Метод самосогласованного поля ............................................................... 92

2.4. Атомные орбитали ...................................................................................... 95

2.4.1. Радиальные части атомных орбиталей ............................................ 95
2.4.2. Угловые части атомных орбиталей .................................................. 98

2.5. Принцип Паули и структура многоэлектронной волновой
функции ...................................................................................................... 104

2.6. Одноэлектронные уравнения в многоэлектронной теории .................. 107

2.6.1. Метод Хартри—Фока ....................................................................... 107
2.6.2. Метод Кона—Шэма ......................................................................... 115

2.7. Электронная структура и свойства многоэлектронных атомов ........... 119

2.7.1. Атомные электронные конфигурации и термы ........................... 119
2.7.2. Оболочечная модель атома ............................................................. 122
2.7.3. Химическая трактовка решений одноэлектронных
уравнений .......................................................................................... 128

Вопросы для самопроверки ................................................................................ 136

Библиографический список ................................................................................ 137

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление

Г л а в а  3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЛЕКУЛ ....................................................... 139

3.1. Приближение Борна—Оппенгеймера. Молекулярная структура ......... 140

3.2. Одноэлектронные уравнения для молекул ............................................. 148

3.2.1. Метод Хартри—Фока ....................................................................... 148
3.2.2. Приближение МО ЛКАО. Уравнения Рутана .............................. 151

3.3. Учет электронной корреляции в орбитальных моделях ....................... 155

3.3.1. Разложение по конфигурациям ..................................................... 158
3.3.2. Теория возмущений......................................................................... 163
3.3.3. Метод связанных кластеров ........................................................... 166
3.3.4. Метод валентных схем .................................................................... 168

3.4. Метод Кона—Шэма для молекул ............................................................ 172

3.5. Иерархия расчетных методов квантовой химии .................................... 187

3.6. Неэмпирическая квантовая химия .......................................................... 189

3.6.1. Базисные функции для неэмпирических расчетов ...................... 189

3.6.1.1. Аналитические базисные функции ............................................ 189
3.6.1.2. Атомные базисные наборы ....................................................... 193
3.6.1.3. Молекулярные базисные наборы Попла ................................... 195
3.6.1.4. Другие базисные наборы .......................................................... 196

3.6.2. Многоуровневые экстраполяционные расчетные схемы ............ 198
3.6.3. Точность неэмпирических квантово-химических расчетов
молекул .............................................................................................. 199

3.7. Полуэмпирическая квантовая химия ...................................................... 208

3.7.1. Полное пренебрежение дифференциальным перекрыванием ... 211
3.7.2. Принципы параметризации полуэмпирических методов ........... 213
3.7.3. Методы, использующие частичное пренебрежение
дифференциальным перекрыванием .............................................. 215

3.7.4. Разделение s- и p-электронов. p-Электронное приближение .... 219
3.7.5. Метод Хюккеля ................................................................................ 220

Вопросы для самопроверки ................................................................................ 228

Библиографический список ................................................................................ 229

Г л а в а  4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МОЛЕКУЛАХ.
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ......................................................................................... 232

4.1. Силовой и энергетический аспекты описания химической связи ...... 233

4.1.1. Теоремы о силах .............................................................................. 236
4.1.2. Теорема вириала .............................................................................. 237
4.1.3. Общий взгляд на природу химической связи............................... 239

4.2. Орбитальная картина химической связи ................................................ 242

4.2.1. Интерференция орбиталей ............................................................. 242
4.2.2. Молекулярные орбитали и их классификация ............................. 246
4.2.3. Электронные конфигурации двухатомных молекул .................... 250
4.2.4. Анализ заселенностей орбиталей ................................................... 259

4.3. Пространственное распределение электронной плотности ................. 264

4.3.1. Деформационная электронная плотность ..................................... 264
4.3.2. Квантово-топологическая теория атомных взаимодействий ...... 269

Оглавление

4.4. Силы в молекулах ..................................................................................... 292

4.5. Распределение энергии в молекулах ....................................................... 297

4.6. Дырка Ферми как характеристика химической связи .......................... 302

4.7. Многоатомные молекулы ......................................................................... 305

4.7.1. Локализация и гибридизация орбиталей ...................................... 307
4.7.2. Модели локализации электронов................................................... 313
4.7.3. Химическая связь в координационных соединениях
переходных металлов ....................................................................... 320

4.7.4. Эффект Яна—Теллера и структура молекул ................................. 329

4.8. Характеристики молекул, зависящие от распределения заряда ........... 332

4.8.1. Заряды на атомах ............................................................................. 332
4.8.2. Дипольные и квадрупольные моменты молекул .......................... 335
4.8.3. Молекулярный электростатический потенциал ........................... 339

Вопросы для самопроверки ................................................................................ 345

Библиографический список ................................................................................ 346

Г л а в а  5. НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ
СИСТЕМАХ ............................................................................................................. 349

5.1. Квантово-химический анализ межмолекулярных взаимодействий..... 351

5.1.1. Метод супермолекулы ..................................................................... 351
5.1.2. Методы теории возмущений .......................................................... 358

5.2. Донорно-акцепторные молекулярные комплексы ................................ 363

5.3. Водородная связь ...................................................................................... 367

5.4. Гибридные методы квантовая механика/молекулярная
механика ..................................................................................................... 384

Вопросы для самопроверки ................................................................................ 389

Библиографический список ................................................................................ 390

Г л а в а  6. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ................................ 393

6.1. Одноэлектронные волновые функции в бесконечных
периодических кристаллах ........................................................................ 394
6.1.1. Трансляционная симметрия кристалла ......................................... 394
6.1.2. Электрон в периодическом поле кристалла ................................. 396

6.2. Методы расчета волновых функций в кристаллах ................................ 406

6.2.1. Бесконечные периодические кристаллы ....................................... 406
6.2.2. Кластерные модели твердых тел. Неидеальные кристаллы ........ 421

6.3. Электронное строение полимеров .......................................................... 430

Вопросы для самопроверки ................................................................................ 434

Библиографический список ................................................................................ 435

Г л а в а  7. ВВЕДЕНИЕ В КВАНТОВУЮ ХИМИЮ НАНОРАЗМЕРНЫХ
СИСТЕМ ................................................................................................................. 438

7.1. Задачи квантовой и вычислительной нанохимии ................................. 438

7.2. Фуллерены, фуллериты и углеродные нанотрубки ............................... 442

Оглавление

7.3. Квантовая наноэлектроника .................................................................... 455

7.4. Квантовый позиционно-контролируемый наномеханосинтез ............. 462

7.5. Сканирующая зондовая микроскопия как инструмент квантовой
химии .......................................................................................................... 465

Вопросы для самопроверки ................................................................................ 474

Библиографический список ................................................................................ 474

П Р И Л О Ж Е Н И Е  1
ОСНОВНЫЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОСТОЯННЫЕ И ПЕРЕВОДНЫЕ
МНОЖИТЕЛИ ДЛЯ ЭНЕРГИИ .......................................................................... 476

П Р И Л О Ж Е Н И Е  2
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ МАТЕМАТИКИ............................................... 478

П Р И Л О Ж Е Н И Е  3
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА МОЛЕКУЛ,
МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ .............................................. 482

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА .................................................................... 485

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ .............................................................................. 488

Бурное развитие современных технологий на наших глазах меняет струк-
туру промышленного производства в ведущих странах мира. Этот процесс
непрерывного развития ставит задачу подготовки современных бакалав-
ров, инженеров, магистров и специалистов, способных адаптироваться
к быстрой сменяемости наукоемких и высоких технологий. Отвечая вызову
времени, в Российской Федерации разработана программа, направленная
на модернизацию государственного сектора высшего образования. В самые
короткие сроки вузы России должны быть оснащены технически на миро-
вом уровне, укомплектованы квалифицированными кадрами и превра-
щены в финансово устойчивые научно-образовательные организации.
Принципиальным элементом стратегии развития науки и инноваций
является глубокая фундаментальная подготовка студентов. Именно она
составляет основу, на которой можно подготовить специалиста, владею-
щего знаниями не только в своей узкой области, но и в смежных областях.
Это тем более важно, что границы между различными специальностями,
так ясно ощутимые ранее, сейчас размыты. В Российском химико-техно-
логическом университете (РХТУ) им. Д.И. Менделеева курс на углублен-
ную фундаментальную подготовку студентов всех специальностей, повы-
шение конкурентоспособности химико-технологического образования был
взят более 10 лет назад. Именно в это время в РХТУ была организована
кафедра квантовой химии. С ее созданием был реализован принцип «об-
разование на базе науки», что позволило существенно повысить уровень
подготовки специалистов в области химии и химической технологии со-
здания новых материалов. Являясь, по сути, междисциплинарной и быс-
тро развивающейся наукой, квантовая химия обеспечивает взаимодей-
ствие всех уровней непрерывного химико-технологического образования,
повышает его инновационный потенциал. Это способствует созданию
единой информационной образовательной среды химико-технологичес-
кого образования, делает привлекательным включение в нее современ-
ных научных институтов и промышленных предприятий.
Важнейшим элементом единой образовательной среды является учеб-
ная литература. С этой точки зрения учебник «Квантовая химия. Моле-
кулы, молекулярные системы и твердые тела» заведующего кафедрой
квантовой химии РХТУ профессора В.Г. Цирельсона появляется весьма
вовремя и восполняет отсутствие современных книг по этому предмету
на русском языке. Книга написана достаточно простым языком и рассматривает 
широкий круг вопросов, охватываемых квантовой химией, —

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие

от электронного строения простых молекул до взаимодействий в биохимических 
и супрамолекулярных системах и нанотехнологий. По сути,
именно такие учебники, опирающиеся на базовые знания, полученные
человечеством, и, одновременно, сообщающие студентам новейшие, но
уже проверенные на практике научные результаты, и помогут решить
задачу модернизации высшего образования.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по всем специальностям 
химии и химической технологии. Уверен, однако, что, как это
уже неоднократно бывало с новыми курсами, появлявшимися в РХТУ,
квантовая химия будет внедрена в учебный процесс во многих вузах страны. 
Поэтому этот учебник буден полезен для аспирантов, докторантов и
преподавателей химических факультетов классических, педагогических
и технологических университетов, а также для широкого круга химиков,
биологов, физиков, геохимиков, материаловедов.

Академик РАН,
Президент РХТУ им. Д.И. Менделеева
П.Д. Саркисов

ВВЕДЕНИЕ

Большинство открытий в области естественных наук связано с развитием 
представлений о строении и динамике окружающего нас мира. Важное 
место в этом процессе занимает квантовая теория материи, одним из
частных аспектов которой является квантовая химия, рассматривающая
приложения квантово-механических законов к изучению химических
явлений и процессов на атомно-молекулярном уровне.
Путь к установлению законов мира атомов молекул и кристаллов был
долог и сложен. Человечество получило его плоды в виде компьютерной,
коммуникационной, космической, биомедицинской и нанотехнологической 
революций. Развитие науки привело к качественно новой техносфере,
расшифровке генома человека и клонированию живых существ. Одновременно 
появилось ядерное, химическое и бактериологическое оружие и
возникла система тотального электронного контроля жизни человека.
Какова же роль квантовой химии в развитии научных представлений,
приведших к столь радикальным переменам?
В начале XX в. описание химических веществ основывалось на восходящей 
к Демокриту и Дальтону концепции строения атомов, каждый
из которых состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно
заряженных электронов. Однако законы, описывающие поведение электронов 
в атомах, а тем более, в молекулах и кристаллах, оставались неизученными, 
что не позволяло понять электронные свойства материи.
Наиболее важной на тот момент была задача установления природы электронных 
атомных и молекулярных спектров. Теория атома Бора и идея
волнового характера микромира, высказанная де Бройлем, позволили
решить эту задачу. Однако новые представления не раскрыли причин
образования молекул и кристаллов из атомов, природы их свойств в основном 
и возбужденных состояниях и, тем более, их поведения в химических 
реакциях.
Для того, чтобы сделать это, требовалась последовательная теория,
которой стала квантовая механика, обеспечившая методологию, способную 
описать и предсказать многие свойства веществ на атомно-молекулярном 
уровне. Эта наука объяснила строение химических соединений, 
природу химической связи и колебаний ядер, механизмы химических 
реакций и взаимодействий в сложных молекулярных ансамблях,
включая биологические системы, а также электронные свойства твердых 
тел. В связи с этим появилась возможность предсказывать потенциальные 
свойства веществ. Так родилась квантовая химия. Со временем

Введение

химики убедились в действенности новой науки, и это в корне изменило
язык химии и ее методологию.
Квантовую химию можно определить как область теоретической химии, 
рассматривающую атомно-молекулярную структуру химических соединений, 
их электронное строение, реакционную способность и химическую 
связь на основе представлений и методов квантовой механики.
Современная квантовая химия представляет собой взаимосвязанный набор 
теорий, дающих общие правила, описывающие в оговоренных пределах 
поведение электронно-ядерных систем. Эти правила выражаются
количественно с помощью математических уравнений, а предсказания
теории могут быть проверены экспериментально. Вводя определенные
приближения, можно построить квантово-химические модели того или
иного химического явления. Таковыми, например, являются орбитальные 
модели квантовой химии, представляющие собой значительное упрощение 
квантовой механики молекул. Модели такого рода часто применимы 
лишь к определенному классу объектов и могут дать лишь качественное 
описание явления; их роль, однако, состоит в том, что они
позволяют применять общие теории для анализа конкретных проблем.
Важнейшим в квантовой химии является понятие волновой функции —
характеристики состояний химических систем, зависящей от координат
частиц и времени и являющейся решением уравнения Шредингера. Это
уравнение связывает волновые функции с возможными значениями энергии 
состояний при известном числе электронов и заданном наборе ядер.
Зная волновые функции, можно определить распределение электронного 
заряда, рассчитать моменты молекулы, вычислить ее спектроскопические 
и резонансные характеристики, описать ее реакционную способность, 
рассчитать зонную структуру кристалла и т. д. Для простых
систем волновые функции можно достаточно точно рассчитать численно; 
для систем более сложных и представляющих практический интерес
для химии это невозможно. Поэтому при расчетах приходится вводить
различные приближения. Например, в большинстве квантово-химических 
расчетов используется приближение Борна—Оппенгеймера, основанное 
на идее раздельного рассмотрения волновых функций, описывающих 
состояния электронов и ядер. Более тяжелые ядра двигаются намного 
медленней электронов и при описании многих электронных процессов
могут считаться неподвижными. В результате математическая задача определения 
электронных волновых функций значительно упрощается. Теория 
химической связи, например, построена главным образом в этом
приближении.
Дальнейшие приближения касаются электронного движения. Отрицательно 
заряженные электроны отталкиваются в молекуле друг от друга.
Это воздействует на их движение, которое принято считать коррелированным. 
В этом состоит основная трудность определения волновых функций 
для многоэлектронных систем. В результате в большинстве методов
квантовой химии принимают так называемое приближение независимых
частиц, в котором вместо мгновенного взаимодействия заданного электрона 
с другими электронами и ядрами рассматривают его взаимодействие 
с электрическим полем молекулы или кристалла, усредненным по

Введение

положениям остальных частиц. Благодаря этому проблема расчета волновых 
функций для сложных систем сводится к определению одно-
электронных волновых функций каждого электрона в среднем поле
остальных частиц. При этом на энергетическое и пространственное
распределения электронов накладываются определенные ограничения,
диктуемые фундаментальным квантово-механическим принципом —
принципом Паули. Современные простые и мощные методы квантовой 
химии — методы Хартри–Фока и Кона–Шэма — позволяют рассчитать 
именно такие функции — атомные, молекулярные или кристаллические 
орбитали.
Конечно, приближение независимых частиц является довольно серьезным 
упрощением. Во многих случаях оно допустимо и позволяет, получив 
волновые функции, понять химическое поведение молекулы. Учет
мгновенных кулоновских корреляций в движении электронов более сложен, 
при этом опять приходится прибегать к различным приближениям.
Чаще всего в практических вычислениях корреляцию учитывают с помощью 
теории возмущений, используя хартри-фоковскую волновую функцию 
как исходное приближение, или путем представления полной вол-
новой функции в виде суперпозиции более простых волновых функций,
описывающих возможные электронные возбуждения в системе. Это важ-
но для описания химической реакционной способности и для решения
задач фотохимии, нелинейной оптики и фотоники — технологического
аналога электроники, в котором вместо электронов для получения, хра-
нения, передачи и обработки информации используются фотоны. Управ-
ление оптическими свойствами материалов — изменение частоты свето-
вых волн (цвета), усиление и переключение излучения и т. д. — требует
глубокого понимания соотношения между электронной структурой и по-
ляризацией вещества. Квантово-химические методы позволяют предска-
зать поляризуемость и гиперполяризуемость оптических материалов и
оценить отклик среды на приложенное электромагнитное воздействие;
для этого необходимо знание волновых функций как основного, так и
возбужденных электронных состояний.
Нередко для понимания сути химических процессов или трактовки
экспериментальных данных достаточно использовать менее точные и весь-
ма упрощенные подходы. Промежуточные величины, фигурирующие в
упрощенных уравнениях, рассматриваются как параметры; их извлекают
из эксперимента или рассчитывают и табулируют. Такие методы называ-
ются полуэмпирическими; они различны для разных классов химических
соединений и их использование требует определенного навыка. Между
тем, этот подход важен, потому что несмотря на многие достижения ме-
тоды квантовой химии в чистом виде, или ab initio (от лат. с начала),
применимы к ограниченному кругу химических проблем, поскольку зат-
раты и время, требуемые для вычисления волновых функций, быстро
растут с размером системы. Более того, в важных биохимических про-
цессах, таких как обмен веществ в организме человека, участвуют функ-
циональные фрагменты, состоящие из многих тысяч атомов, которые,
в свою очередь, окружены меньшими молекулами. Потребность в изуче-
нии строения таких сложных макромолекулярных систем и ансамблей

Введение

привела к развитию полуклассических моделей, которые сводят описа-
ние к простой механической модели молекулы. В этой схеме атомы рас-
сматриваются как бесструктурные частицы, а взаимодействие между ними
описывается упрощенными математическими соотношениями на основе
классических физических законов типа закона Ньютона; параметры этих
взаимодействий получают, однако, с помощью квантово-химического анализа 
систем небольшого размера. Такой подход называется молекулярной
механикой, а направление, изучающее то, как химическая система изменяется 
при движении атомов в поле соседей, – молекулярной динамикой.
Этот способ моделирования, строго говоря, лежит за пределами квантовой 
химии, хотя и тесно переплетается с ней; он известен как вычислительная 
химия и широко применяется на практике, так как способен объяснить 
механизм многих химических явлений и процессов.
Необходимо подчеркнуть, что многие модели и связанные с ними представления 
химии возникли на основании интуитивных или упрощенных
представлений и не нашли строгого квантово-механического обоснования. 
Это вносит определенную специфику в язык квантовой химии, а также 
в то, как она применятся для решения некоторых задач. Мы будем
неоднократно сталкиваться с этой особенностью в дальнейшем.
При рассмотрении сложных процессов в больших системах, сопровождающихся 
образованием и разрушением химических связей, часто
удается комбинировать классический и квантовый подходы, рассматривая
части системы, в которых происходят химические изменения, квантово,
а их взаимодействие с окружением — классически. Чтобы реализовать это
на практике, необходимо глубокое понимание предела применимости каждого 
метода, опирающееся на квантово-химические представления. Такой
подход, в частности, применяется при исследовании биологических систем 
и при изучении селективных, экстракционных и каталитических процессов.
Так, влияние катализатора на ход реакции обусловлено свойствами 
среды, окружающей «активный участок» реакции. Без учета влияния
окружающей среды, которой, например, может быть поверхность фермента 
в белках или полость каркаса в цеолитах, способность катализатора 
управлять ходом реакции понять невозможно. Методы моделирования, 
пригодные для этих сложных химических систем, помогают поиску
новых химических агентов — лучших катализаторов, более эффективных
лекарств и т. д.
Наконец, следует указать, что квантовая химия в комбинации с фи-
зикой, физической и коллоидной химией, биохимией и электроникой
сыграла важную роль в развитии супрамолекулярной химии и появлении
компьютерных и материаловедческих технологий, оперирующих нано-
размерными системами — нанотехнологий. Среди задач этого направле-
ния, решаемых методами квантовой химии, — характеристика супрамо-
лекулярных материалов и наноматериалов с особыми конструктивными,
электрическими и тепловыми свойствами, моделирование молекулярных
систем, способных, самоорганизуясь, создавать новые материальные
объекты, проектирование молекулярных и биологических систем и изде-
лий различного назначения, например, элементов памяти атомной плот-
ности или материалов для космической техники.

Введение

Можно заключить, что квантовая химия, пронизывая все здание совре-
менной химии, проникает в смежные области и становится современной
междисциплинарной наукой. Наука и технологии нуждаются в расчетчиках
и интерпретаторах расчетов не меньше, чем в синтетиках, специалистах по
физическим методам исследования, систематизаторах, популяризаторах
и «свободных художниках», несущих новые идеи. Только их совместны-
ми усилиями и можно спланировать и объяснить эксперимент, за кото-
рым, конечно, всегда остается последнее слово.
В основу этого учебника положен курс «Квантовая химия», преподава-
емый в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Мен-
делеева, к моменту изучения которого учащийся уже обладает достаточ-
ными знаниями по математике, физике и химии. При написании книги
автор придерживался правила 90/90, согласно которому 90 % читателей
должно понять 90 % излагаемого материала; остальной материал пред-
назначен для 10 % сильных студентов. Чтобы сделать книгу доступной
широкому читателю, основной акцент сделан на разъяснение физико-
химического содержания и иллюстрацию результатов при помощи со-
временных методов компьютерной графики. Как показывает опыт, такой
способ изложения вполне себя оправдывает.
Дополняя ряд замечательных книг по квантовой химии, список кото-
рых приведен в конце книги, настоящий учебник не дублирует их, по-
скольку включает новые концепции и результаты, полученные, в основ-
ном, в последние два десятилетия.
Автор искренне признателен Президенту Российского химико-техно-
логического университета им. Д.И. Менделеева академику П.Д. Саркисо-
ву, по инициативе которого написана эта книга, за многолетнюю поддер-
жку. Автор считает своим долгом выразить благодарность людям, у кото-
рых он многому научился: проф. М.М. Местечкину, д.ф.-м.н. И.М. Резнику,
проф. Р. Бейдеру, проф. Д. Фейлу, проф. М.Ю. Антипину, проф. В.К. Бель-
скому, проф. П.М. Зоркому, проф. И.Г. Каплану, проф. Л.В. Вилкову,
проф. Е. Шварцу, проф. У. Питчу, к.ф.-м.н. А.И. Сташу, к.ф.-м.н. В.Е. За-
воднику. Критические замечания проф. Н.Ф. Степанова были очень по-
лезны и учтены в тексте книги. Автор также благодарен сотрудникам кафед-
ры квантовой химии РХТУ им. Д.И. Менделеева доцентам В.А. Батаеву,
М.Ф. Боброву, М.В. Венеру и А.Н. Егоровой за замечания и предложения,
которые помогли при организации материала, и аспирантам А.А. Рыкуно-
ву и А.В. Шишкиной за помощь в ее оформлении. Конечно, автор едино-
лично несет ответственность за возможные неточности в тексте и с благо-
дарностью воспримет любую критику читателя в свой адрес.

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

АО
— атомная орбиталь
Aug-cc-pVXZ
(X = D, T, Q, ...)
— расширенные корреляционно-согласованные ва-
лентные базисные наборы (the augmented correlation-
consistent polarized valence basis sets)
ВЗМО
— высшая занятая молекулярная орбиталь
ВС
— валентная структура
ГЦК
— гранецентрированная кубическая решетка Бравэ
ДНК
— дезоксирибонуклеиновая кислота
ИК-спектроскопия — инфракрасная спектроскопия
КВ (CI)
— метод конфигурационного взаимодействия (confi-
guration interaction method)
КвО
— квантовая область системы в методе КМ/ММ
КлО
— классическая область системы в методе КМ/ММ
КМ/ММ (QM/MM) — гибридный метод квантовая механика/молекуляр-
ная механика
КТ
— критическая точка
КШ
— Кона—Шэма метод
ЛМО
— локализованная молекулярная орбиталь
МК ССП (MCSCF) — многоконфигурационный метод ССП (the multi-
configuration self-consistent field method)
ММ
— молекулярная механика
МО
— молекулярная орбиталь
МО ЛКАО
— аппроксимация молекулярных орбиталей линей-
ной комбинацией атомных орбиталей
МЭП
— молекулярный электростатический потенциал
НДП
— нулевое дифференциальное перекрывание
НСМО
— низшая свободная (виртуальная) молекулярная
орбиталь
НХФ (UHF)
— неограниченный метод Хартри—Фока (the unres-
tricted Hartree—Fock method)
ОГТ (GTO)
— орбиталь гауссова типа (Gaussian-type orbital)
ОПВ (OPW)
— метод ортогонализованных плоских волн (the ortho-
gonalized plane-waves method)
ОСТ (STO)
— орбиталь слейтеровского типа (Slater-type orbital)
ОХФ (RHF)
— ограниченный (по спину) метод Хартри—Фока
(the restricted Hartree—Fock method)