Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Электронная структура химических соединений

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
22.26 Mб
Скачать

NatM HCH HCP

HP

HBS

eves CS2 DCS C02 MHO CICN SCM

Puc. 3.10. Корреляция уровней в рядах линейных молекул с 1 0 -ю (о) н 16-ю (0 ) валентными электрона­

ми

3.4,2. Линейные молекулы с 16-ю вале>ггаыми электронами

Накоплен обширный экспериментальный материал по электронной структуре линейных молекул с 16-ю валентными электронами, прежде всего вида А6В4 С6. После одной из первых работ по ФЭ-спектроскопии дихалькогенидов углерода (А6, С6 = О, S, Se) [167] опубликованы ФЭспекгры С02, CS2t CSe2 и OCS, полученные с разрешением 7-16 мэВ [168—173, 173а]. Методом пороговой ФЭ-спектроскопии изучена колеба­ тельная структура ионных состояний и автоионизационные явления для С02, CS2, OCS и NNO [174-176]. Опубликована угловая зависимость фотоионнзации [182, 183]. Данные из ФЭ-спектров приведены в табл. 3.23.

Электронная конфигурация С02 имеет вид

1 Qg 1

о^ 2 Og 2 ol 1 лЦ

1 ir4.

Верхняя

несвяэывающая

орбиталь 1 irg (С02) или 2л (COS) имеет узел

на атоме углерода или вблизи него, во вторую связывающую МО \ъи или 1л наибольший вклад дает центральный атом (табл. 3.24). Вклады АО в волновые функции МО можно оценить из рентгеновских флуоресцентных спектров (рис. 3.11). Относительная интенсивность полос в спектрах CS2 и COS качественно согласуется с рассчитанным неэмпирическим и MNDO методами составом МО [159] (табл. 3.24). Следует отметить лучшее согла­ сие с экспериментом результатов расчета методом MNDO. Состав л-орбита- лей установлен также из ФЭ-спектров по величине спин-орбитального рас­

щепления. В работах [167,

171] получен следующий вид волновых функ­

ций:

 

 

С02: * (1 vg) = 0,71 <ро, -

Р о, >;

* О**) = 0,78рс + 0,44 0 , + pD i);

CS2: * (1ля) - 0,71 (pSi -

);

Ф ( 1 ли) = 0,84рс + 0,38 <ps, + Ps, );

111

OCS: Ф (lit) = 0,53po -

0,8Sps ;

Ф (1*) = 0,81рс + 0,44po + 0,38ps;

OCSe: Ф (2ff) = 0,49p0 -

0,87pSe;

 

 

SCSe: Ф (2ff) = 0,62ps -

0,79ps*•

 

 

Для OCS относительный вклад атома серы в две

я-орбитали (1,0 : 0,2)

значительно отличается от рассчитанного в работе

[159] (1,0 : 0,6) (см.

табл. 3.24), но хорошо согласуется с относительной интенсивностью полос А н В ъ -спектре (см. рис. 3.11). Из результатов расчета (см. табл. 3.24) и полученных из ФЭ-спектров вкладов атомных функций в молекулярные видно, что при замещении одного атома кислорода на тяжелые элементы VIA группы увеличивается асимметрия в распределении электронной плот­ ности я-уровнен. Нижний 1 тг-уровень принимает С-О-связываюший характер, а верхний 2 гг локализуется преимущественно на тяжелом атоме.

Изменение связывающего характера МО можно проследить по измене­ ниям частот валентных колебаний и межатомных расстояний. Валентные симметричные (t^ ) и асимметричные (я3) колебания молекулы СО? при замещении одного атома кислорода на тяжелые аналоги все в большей сте­

пени

локализуются: V\

трансформируется

в колебание связи С 6, а

f 3 -

связи С—О. Для наглядности в

табл.

3.23 мы аналогично авторам

работы [169] колебание

t>t приписали не

наибольшей частоте, как при­

нято для Q -группы симметрии, а колебаниям связи С-А*. Для С03 уда­

ление формально несвязывающего

-электрона приводит к

заметному

уменьшению частот колебаний (см.

табл,

3.23). Очевидно,

ослабление

прочности С—О-связей объясняется релаксацией электронов в ионе и изме­ нением связывающего распределения заряда 0 " -С + - О ' на антисвязываю­ щее 0 + -С + - 0 + . Но уже в случае OCS в результате аналогичного удаления электрона изменение частот ^ противоположно по знаку. Такой ха­ рактер изменения параметров в ионе в нижнем состоянии АТ2П хорошо согласуется с преимущественной локализацией верхней орбитали на тяже­ лом атоме. Так как узловая поверхность при этом смещается к атому кислорода, для связи С -О 2я-орбиталь приобретает антисвязывающий характер. Следовательно, удаление 2я-электрона в 0CS и OCSe приводит к увеличению частоты С—О-колебаний v3. Уровень 1 я ( 1 тг^) из четырех верхних имеет наибольший связывающий характер, так как ему в ФЭспектре соответствует полоса с широким франк-кондоновским контуром.

 

Две верхние о-орбитали 2ои

 

или 4с, 2Og или Зо по колебатель­

 

ной структуре ФЭ-полос являют­

 

ся

несвязывающими

с незначи­

 

тельным отклонением в ту или

 

другую сторону (см. табл. 3.23).

 

В

несимметричных

молекулах

 

OCS и OCSe смещение электрон­

 

ной плотности Зо- и 4о-уровней

 

в сторону тяжелого атома прн-

2 Ш

Рис

3.11. Рентгеновские спектры

2470

 

 

112

Таблица 3.23, Спектроскопические данные для молекул А* В*С*, А* В* С*, А1 В4С*

Молекул!,

MO

и

 

xf,CM-‘

Дг(АВ)

Ar(BC)

Литера

иW

 

эВ

 

 

 

 

A

тура

 

 

 

 

 

 

 

i

г

3

4

 

5

6

7

8

осо

1я»/а*

13,776

13,776

". s: 1266,

0,017

0,017

124,

 

 

 

 

". = 506

 

 

167,

х, = 1388

U *g

13,796

13,796

". = 1472

 

 

171,

х* =667

и

17,315

17,6

"l = 1118

0,069

0,069

174,

vt = 2349

2еы

17,326

18,068

"l = 1280

 

 

188)

 

18,068

0,013

0,013

 

 

2ag

19,388

19,388

"l = 1402,

0 ,0 1 0

0 ,0 1 0

 

 

 

 

 

". = 649,

 

 

 

 

KB

 

2 2 ,6

". = 2345

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KB

 

27,2

 

 

 

 

 

 

KB

 

31,4

 

 

 

 

 

 

KB

 

35,3

 

 

 

 

 

 

lag, lau

 

37,6

-

 

 

 

 

OCS

2ir,/,

11,174

11,174

701,

-0,024

0,074

124,

 

 

 

 

vt =

522

 

 

167,

x, = 859*

 

1 1 ,2 2 0

1 1 ,2 2 0

V) =

2071

 

 

169,

x, = 520

t* j/i

15,075

15,525

=

798

0,092

0,046

188]

x( = 2062

lj4 i

15,090

 

vt = 2032

 

 

 

 

4a

16,041

16,041

= 831,

0

0

 

 

 

 

 

=

508

 

 

 

 

3a

17,958

17,958

I'} = 895,

-0,039

0,069

 

 

 

 

 

х* = 492,

 

 

 

 

 

 

 

к. =

2162

 

 

 

 

КВ

 

20,14

 

КВ

 

23,55

 

 

27,4

 

 

35,8

SCS

1"»/. у

10,074

10,074

x, = 658

 

 

 

x, = 397

1яйЯ

10,129

10,129

x, = 1533

 

 

 

 

 

 

и

12,689

12,843

 

1яйи

12,711

1 2 ,8 6 6

 

KB

13,864

14,068

 

2au

14,474

14,474

 

2°g

16,183

16,183

 

 

 

x, =676, x4 = 306 x, = 1131 x, =676,

". = 323 x, = 1137 x, = 582 Xj = 586

c

 

04Vi 04

 

II

X, =605,

vx -

363

x, =671, x, = 1686

0

0

[24,

 

 

170,

 

 

167,

 

 

188)

0,068 0,068

0,014 0,014

Зак, 1304

113

 

 

 

Таблица 3.23 (продолжение)

 

1

2

3

4

 

 

КВ

16,7

16,943

 

 

КВ

 

18,97

 

 

КВ

 

2 0 ,2 2

 

 

кв

 

21,35

 

 

кв

 

23,96

SeCSe

lag< 1ои

 

26,5

 

9,26

9,26

р, = 368

U V4y

9,52

9,52

«i = 308

liru

11,45

11,74

р, = 1303

KB

 

12,75

 

 

2 a u

13,61

13,61

 

 

KB

 

15,3

OCSe

lag

15,87

15,87

2 i r 3 / 3

10,37

10,37

р, = 642

2

10,58

10,58

ра = 466

1тг

14,62

15,14

к ,= 202 1

4o

15,72

15,72

 

 

 

 

3o

17,92

17,92

SCSe

 

2 ,ri/»

9,58

9,58

 

 

 

 

р, = 506

2я%

9,76

9,76

р* = 395

lir

12,05

12,25

р , =

1435

KB

13,13

13,13

 

 

4a

14,04

14,04

 

 

KB

15,62

15,98

 

 

3a

16,02

16,02

NNO

 

2" ) / l

12,89

12,89

р , =

1285

2яй

12,91

12,91

р, = 589

4a

16,40

16,40

р, = 2224

1*

17,59

18,26

 

 

 

 

КВ

 

19,5

 

 

Ъо

2 0 ,1 2

2 0 ,1 2

 

 

KB

 

2 2 ,6

 

 

KB

 

24,1

 

 

KB

 

28,7

s

6

7

 

 

0

0

p, = 320

0,088

0,088

P, = 310

0 ,0 2 0

0 ,0 2 0

 

 

0

0

p, = 500,

 

 

P,

= 2 1 0 0

 

 

p, = 590,

0,031

0,181

P,

= 2 0 0 0

 

 

p, = 1930

-0,014

0,009

p, = 720,

-0,048

0,067

P,

= 2 1 0 0

 

 

Pj = 490,

- 0 ,0 2 0

0,041

P,

= 1 2 2 0

 

 

P ,

=440

0,063

0,104

p, =460

-0,007

- 0 ,0 1 2

p, =430,

-0,017

0,050

P ,

= 980

 

 

p, = 1 1 1 0 ,

0 ,0 2 2

0,007

p, = 420

 

 

p, = 1740

 

 

P ,

= 1360,

0 ,0 1 1

-0,041

p* = 2470

 

 

к, =960,

 

 

р ,

= 368

 

 

p, =1240,

 

 

P ,

=510,

 

 

P , =2280

 

 

8

[167,

172]

[167,

173]

[167,

173]

[24,

176,

177,

194]

114

Таблица 3.23 (окончание)

1

2

NNO

 

CICN

2 чi/i

г, = 7 Н

2лй

р, = 2219

 

Iff

 

За

BrCN

2lrs/a

 

V) w*> 11 £

2"V>

v, = 2 2 2 0

 

Iff*/ 4

 

За

JCN

2Ч,/»

р, = 486

2*Vi

р, = 2190

 

1Ч|/т

 

За

FBS

2тг

 

 

i f

C1BS

За

2ч»/J

 

2nVi

 

 

Iff

 

За

3

4

 

33,7

 

37,3

12,34

12,34

12,37

12,37

13,80

13,80

15,13

15,38

 

19,03

1 1 .8 8

1 1 .8 8

12,07

12,07

13,58

13,58

14,19

14,40

 

14,49

 

18,07

10,91

10,91

11,45

11,45

13,17

13,17

13,35

13,41

 

13,56

 

16,71

 

10,90

 

14,20

 

17,20

 

19,62

10,51

1 0 ,6 8

10.55

10,73

13,63

13,63

 

13,7

 

16,77

5

б

7

8

ч, = 800,

-0 .076

0,048

[178,

ч, = 1863

 

 

180]

ч, = 810

±0,04

±0 ,0 1

 

w, =490

0 ,2 0

0 ,0 2

 

=610

-0,070

0,059

[178 -

ч, = 1845

 

 

180]

ч, = SSS

±0,04

±0 ,0 1

 

ч, = 516

 

 

 

ч, = 500,

-0,048

0,013

[1 78 -

ч, = 2 0 S0

 

 

180]

ч, = 520,

-0,060

0 ,0 2 1

 

ч, = 1950

 

 

 

ч, = 440

 

 

 

 

 

 

[180а]

ч, = 1375

 

 

(181)

ч, = 1400

 

 

 

*В молекулах С«р- и С,-екмметрнв по аналогии с молекулами ABA (Dooft) и ABj (C jy): jfj — деформационное колебание, к, —валентное колебание с максимальной частотой.

водит к их разрыхляющему вкладу в связь С—О и связывающему - в связь

С-А6.

Многоэлектронные эффекты, сопровождающие удаление электрона из глубоких валентных уровней 1 о_ (1 о) и 1 аи (2 о) не позволяют однозначно установить для них значения / , [24, 175, 184-1921. Интенсивные полосы в области 27-40 эВ рентгеноэлектронных спектров С02, COS, CSi отнесе­ ны к двум внутренним о-орбиталям в соответствии с неэмпирическим рас­ четом энергии одноэлектронных уровней [188]. Авторы работы [192]

1(5

Таблица 3.24. Рассчитанные составы МО и интенсивности полос SАГр-спектров для молекул OCS и CS, методами ab initio (числитель) и MNDO (знаменатель) [159]

Молекула

МО

-*<

Заселенности атомных орбиталей

 

 

 

 

С2т

С2р

8 3т

 

OCS

2ir

7,55

0

0,050

0

 

 

11,06

0

0,059 .

0

 

 

15,21

0,103

0,151

0,441

 

 

 

16,%

0,035

0,186

0,326

 

 

13,51

0

0,724

0

 

 

 

16,50

0

0,688

0

 

 

За

17,59

0,154

0,037

0,121

 

 

 

20,31

0,113

0,058

0,264

 

 

26,76

0,219

0,112

0,475

 

 

29,22

0,288

0,137

0,372

 

 

38,31

0,091

0,040

0,003

 

 

 

45,38

0,221

0,080

0,003

 

CSj

 

6,36

0

0

0

 

 

 

10,59

0

0

0

 

 

liru

11,65

0

0,797

0

 

 

 

14,38

0

0,808

0

 

 

2аи

12,02

0

0,239

0,382

 

 

 

15,36

0

0.275

0,255

 

 

Ъ>Ш

14,89

0,235

0

0,556

!'!

 

18,83

0,117

0

0,683

 

 

 

 

 

1о„

24,74

0

0.241

0,973

 

 

 

26,14

0

0,241

0,701

и

 

1ог

28,33

0,394

0

0,430

 

 

 

33,57

0,560

0

0,279

 

Молекул*

МО

Заселенности «томных орбиталей

дотн

 

 

 

S3p

02т

02р

 

 

OCS

2ir

1,404

0

0,414

100

 

 

 

1,573

0

0,367

100

 

 

0,158

0,019

0,073

и

 

 

 

0,256

0,025

0,171

16

 

 

Ьг

0,110

0

1,152

8

 

 

 

0,133

0

1,179

8

 

 

За

0,007

0,325

0,317

0

 

 

 

0,015

0,196

0,358

1

 

116

Таблица 3.24 {окончание)

Молекула

МО

Заселенности атомных орбиталей

®отн

 

 

 

 

 

 

 

 

S Зр

1

0 2*

0 2р

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2 а

0,028

 

0,047

0,003

2

 

 

0 ,1 1 2

 

0,083

0,008

1

 

1

0 ,0 0 1

 

0,737

0,046

0

 

 

0,006

 

0,632

0,059

0

 

1л^

1,830

 

 

 

1 0 0

 

 

2 ,0 0 0

 

 

 

10 0

 

1яи

1,089

 

 

 

60

 

 

1,192

 

 

 

60

 

2 «и

0,317

 

 

 

17

 

 

0,470

 

 

 

24

 

2 ag

0.13S

 

 

 

7

 

 

0 ,2 0 0

 

 

 

10

 

1°и

0,025

 

 

 

1

 

 

0,059

 

 

 

3

 

Ч

0,042

 

 

 

2

 

0,161

 

 

 

8

 

 

 

 

 

отметили хорошее согласие с экспериментом по (е, 2 е)-спектроскопии СОг результатов расчета методом НАМ/3 CI и переоценку фактора смешивания состояний при использовании аппарата функций Грина. Несвяэывающий ха­ рактер трех из четырех верхних заполненных уровней, следующий из коле­ бательной структуры ФЭ-полос, предполагает значительное участие в свя­ зывании log( 1 о)- и 1ои (2 о)-уровней.

В паре молекул OCO-NNO замещение атома О на N повышает энергию орбиталей и 2тг, локализованных преимущественно на крайних атомах, а стабилизация двух других, имеющих большой вклад центрального атома, обусловлена замещением С на N [2]. Колебательная структура Nj О проана­ лизирована в работах [176, 177, 193—195], Сложная структура полосы В 3 П-состояния объяснена сильным вибронным взаимодействием двух состояний, представляющих собой комбинацию однодырочного (1 л)"1- и двухдырочного (2л)'а (Зл)1-псевдосостояний [195],

В молекулах A7CN локализацию яг-орбиталей можно установить по ве­ личине спин-орбитального расщепления, В молекуле C1CN вклад галогена в Зл-орбиталь не превышает 50%, а в JCN достигает 80%. Наличие узловой поверхности между атомами А7 и С делает 2тг-уровень антисвяэывающим для С1-С (см. табл, 3.23), Несвяэывающая орбиталь 4о локализована пре­ имущественно на атоме азота, поэтому замещение галогенов незначительно влияет на ее энергию в отличие от следующей о-орбиталн (см. рис. 3.10, б).

117

3.4.3. Радикалы NOj, NF2, CI02

Электронные конфигурации радикалов N02 (17 электронов) и NF2) С102 (19 электронов) отличаются одним заполненным уровнем. Корреля­ ция между уровнями линейных и изогнутых молекул и вид МО показаны на рис. 3.12. Неспаренный электрон в N0* на уровне 4аi , коррелирующем с 2 тг-уровнем линейных молекул, вызывает нарушение линейной структуры молекул (134° в N02). Как и в случае N0, для трехатомных радикалов ио­ низация заполненных уровней порождает триплетные и синглетные состоя­ ния. Мультиплетное расщепление вместе со снятием вырождения значи­ тельно увеличивает плотность состояний но сравнению с молекулами, рас­ смотренными выше, и усложняет ФЭ-спектры.

Получен ФЭ-спектр NO2 с высоким разрешением [196, 197], но авторы упомянутых работ только для трех верхних уровней (4л1 , 1а2 и 362) пред­ ложили совпадающую последовательность термов. Колебательная структура ФЭ-полос (табл. 3.25) и рассчитанная заселенность орбиталей (табл. 3.26) дают представление о характере уровней N02. Сложность идентификации спектра фотоионизации NO2 и противоречивость результатов [196,197] ста­ ли понятными после теоретического анализа [199] процесса ионизации мо­ лекул с открытыми оболочками (табл. 3.27) (см. также ссылки на другие

Рис. 3.12. Корреляция уровней линейных н изогнутых трехатомных молекул (J, 5)

и форма МО (в)

118

Таблица 3.25. Спектроскопическиеданныеднятрехатомных радикалов NO,, NF,,

СЮ ,

Радикал,

МО

Терм

и

1*

у* ем"* в", град Литера­

 

 

 

 

эВ

тура

 

 

 

 

 

N 0,

* 4

и, - 1356

36,

г, -7 5 7

36,

»t -1663

 

Я -1 3 4

 

 

1л,

 

1л ,

 

16,

 

3-1

 

26,

 

2-!

 

2л,

 

16,

 

1в,

NF,

2*,

м, -1074

4-i

t>, - 580

4л,

 

1л,

 

36,

 

36,

CIO,

26,

г, -9 4 3

 

v, =447

Ч

Vt -1111

4л,

в = 117,5

1*а

 

l*i

 

---------------- 1---------------

 

9,75

11,23

’ *1

12,863

13,022

%в г

14,446

14,517

м ,

13,60

13,60

ч

14,07

14,07

Ч

17,069

17,452

Ч

17,13

17,776

‘ -*Д,

18,864

18,864

Ч ( 7)

20,8

21,0

Ч

21,26

21,26

‘ ■ Ч

 

35

1’*Л,

 

40

Ч

11,62

12,10

Ч

14,05

14,60

Ч1

Ч

15,5

16,38

M

j

 

М ,(?)

17,6

‘>»i

10,36

10,48

 

12,32

12,94

Ч

 

13,4

Ч

 

15,27

15,45

‘* i

II £

О

»г =650

vt -1020,

о, - 570, г , -1350 г, =650 V, =980, и, =690 v, = 1040 у, =1020 у, =1110, i»j —680

у, -1 2 5 0

», = 520

у, = 1014, у, =520 г, = 395

у, - 482

у, =661, уг -4 4 0

180

Ц96,

120

197,

122

199]

129

 

129

 

(201

203]

[202

203]

3*i

Ч

16,25

17,50

 

 

17,69

17,95

 

 

 

19,36

 

 

 

20,89

расчетные работы в статьях 1198, 199] ). Учет взаимодействия конфигура­ ций однодырочных состояний иона с состояниями ’’одна дырка плюс одно возбуждение” (двухэлектронное возбуждение) показал появление сателли­ тов для состояний I,3j9i(li»i ) ? A i (3« i), 1 ,3 В5 (2bi) неполное нарушение одночастичного приближения для состояний (5дi ), ' A t (2аi) и внут-

119

Таблица 3.26. Заселенностьорбиталей молекул АВ,

 

 

 

МО

 

 

 

NO, l»»t|

 

 

 

 

N-2*

N Зр

02*

ргрх

0 2ру

0 2рх

<N/0>

26,

0,16

0,37

 

 

 

0,2А

-0,33

*»,

 

 

0,19

ЭЬ,

 

0,05

 

1,00

0,78

0,00

1а,

0,16

0,75

 

0,06

0,47

0,21

За»

 

 

1*з

 

0,94

0,24

0,53

0,47

0,08

0,27

26,

 

0,44

 

0,05

 

0,36

 

0,47

 

0,32

 

-0,28

и ,

 

0,48

0,70

 

0,04

 

0,24

1а,

0,75

0,07

0,48

 

0,09

 

0,34

П римечание. Данныеприводятся только для одного «тома В, Ш/О) н (О/П— соответствующие заселенности перекрывания.

Таблица 3.27. Рассчитанные значения энергии одвоалектронных уровней (-<|), ионизации (Л и относительной интенсивноста напое (Я) N0, [199]

МО

-«/

j Терм

I, эВ

А

МО

 

Терм

1 I, эВ

А

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

0,59

ъъг

12,96

'А,

11,23

0,44

3",

21.54

ч

18,75

15,08

 

13,49

0,69

 

 

 

27,48

0,05

1а,

14,78

‘я,

15,69

0,19

26,

21,39

'Аг

18,92

0,06

ША%

14,10

0,67

Ч

18,88

0,66

 

 

М,

14,51

0,22

 

 

Ч

20,55

0,16

1*1

20,90

•я,

18,73

0,47

2»,

25,25

*>1.

24,46

0,03

 

 

 

20,12

0,09

22,54

0,30

 

 

 

24,81

0,03

 

 

 

23,02

0,27

 

 

 

27,17

0,06

 

 

 

24,90

0,03

 

 

Ч

19,00

0,14

 

 

Ч

22,95

0,05

 

 

 

21,77

0,05

 

 

 

.23,52

0,04

 

 

 

27,88

0,03

 

 

 

24,46

0,02

 

 

 

 

 

 

 

 

28,34

0,06

ренних уровней le,, 1 Ьг (199]. Втабл, 3.25 потенциалы ионизации в облас­ ти 17-22 эВ отнесены с учетом результатов работы [199].

Связывающий характер уровней N02 определяется положением узло­ вых поверхностей к составом МО (см, табл. 3.26, рис. 3.12); во избежание повторений этот вопрос будет рассмотрен ниже. Отметим только установ­ ленное из анализа колебательной структуры полос уменьшение угла между связями в состояниях иона 1^В2 (36 2) и i,jj42 (1в2) (см. табл. 3.25) [197].

В радикалах с 19-ю валентными электронами NF2 и СЮ2 неспаренный электрон находится га 2 -уровне. Термы ионов имеют следующую сим-

120