Química Quântica Bathista, A.L.B.S 11 Método Variacional O método variacional trata-se de um princípio importante em Química Quântica, não só porque permite obter soluções aproximadas para a equação de Schrödinger como também porque fornece um critério, o valor mínimo de energia. Considerando a equação de Schrödinger. HΨ = EΨ [0] onde Ψ e E são autofunção e autovalor do Hamiltoniano, são soluções exatas desta equação. Normalmente o Hamiltoniano é de tal forma que a equação [0] não é separável, qualquer que seja o sistema de coordenadas. Por essa razão não é possível pensarmos em obter uma expressão analítica exata para Ψ . Passemos então a examinar as propriedades da funcional E (ψ ) , definida como ∫ Ψ HΨdτ = Ψ * HΨdτ = ∫ * ∫ Ψ Ψdτ * E [1] Esta é a integral variacional. Uma função qualquer, que seja normalizada, bem comportada e que satisfaz as condições de contorno do problema, pode mostrar que esta função admite que o valor esperado do operador Hamiltoniano para uma função de onda aproximada é sempre maior que a energia exata E0 correspondente a esse Hamiltoniano. ∫Ψ * HΨdτ ≥ E 0 [2] Em outras palavras, a função de onda aproximada conduz à menor energia. Assim sendo, os coeficientes c k nas orbitais moleculares Ψ são determinados de modo a conduzirem ao valor mínimo de energia E associada com essa orbital molecular. Em relação à obtenção de soluções aproximadas, o que se faz na prática consiste em partir de uma função aceitável, com vários parâmetros ajustáveis, e variar esses parâmetros de modo minimizar E pois, Química Quântica Bathista, A.L.B.S 12 segundo o princípio variacional, conseguirá obter-se uma melhor aproximação para a energia do estado fundamental E0 E * * c k c j ∫ Ψk* Hˆ Ψ j ∑ c k* c j Hˆ kj ∫ ∑k c k Ψ H ∑k c k Ψdτ ∑∑ k j kj = = = * * * * ∫ ∑ c k Ψ ∑ c n Ψdτ ∑∑ c k c j ∫ Ψk Ψ j ∑ c k c j S kj k k k kj j Provando a afirmação [2], Ψ = ∑ a k Ψk [3] k Substituindo [3] no lado esquerdo de [2] ∫Ψ ∫Ψ * * HΨdτ = ∫ ∑ a *k Ψ k* Hˆ ∑ a j Ψ j dτ = ∫ ∑ a *k Ψ k* ∑ a j Hˆ Ψ j dτ k j k j HΨdτ = ∫ ∑ a *k Ψ k* ∑ a j E j Ψ j dτ = ∑ ∑ a *k a j E j ∫ Ψ k* Ψ j dτ = ∑∑ a k* a j E j Ψ j δ kj k j k ∫Ψ onde δ kj * j k HΨdτ = ∑∑ a k* a j E j Ψ j δ kj k j [4] j 1 se k = j é o delta de Kroenicker, 0 se k ≠ como temos δ kj podemos conseguir o termo ∑ a k* a k E k k ∫Ψ * HΨdτ = ∑ a k* a k E k = ∑ a k E k 2 k k [5] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 13 sendo que o nível k é sempre maior E k > E 0 , onde E0 é o estado fundamental do sistema. ∫Ψ * HΨdτ = ∑ a k* a k E k ≥ ∑ a k E 0 = E 0 ∑ a k 2 k k 2 [6] k Através da normalização ∫Ψ * HΨdτ = 1 [7] agora substituindo Ψ 1 = ∫ ∑ a k* Ψk* ∑ a j Ψ j dτ = ∑ ∑ a k* a j ∫ Ψk* Ψ j dτ k j k j ∑∑ a k* a j ∫ Ψk* Ψ j dτ = 1 [8] ∑∑ a k* a j δ kj = ∑ a k [9] k j abrindo a somatória em j k j 2 k Substituindo [9] em [6] ∫Ψ * HΨdτ =E 0 ∑ ∑ a k* a j δ kj k ∫Ψ * [10] j HΨdτ ≥ E 0 [11] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 14 Isso mostra a prova. Por isso temos que ajustar bem a solução de Ψ muito bem para atingirmos o estado E 0 (valor real) que é o estado fundamental. Ajustar a função Ψ é ajustar a função de base computacionalmente. Extensão do método Variacional O método variacional apresentado na seção passada tem duas limitações. Primeira, ele provê informação de energia somente sobre o estado fundamental e da função de onda. Segundo, ele provê um estado acima do estado fundamental somente. Nesta seção gostaríamos de estender o método variacional. Considerando que nós desejamos estender o método variacional para obter um valor de energia estimada para o primeiro estado excitado. Demonstrado que a função variacional normalizada [5] e [8] ∫Ψ * HΨdτ = ∑ a k E k e 2 k =1 ak ∫ Ψk Ψ j dτ = ∑ k =1 * 2 =1 onde a k é a expansão do coeficiente em Ψ = ∑ a k Ψk . Tendo a k = Φ k Ψ . A função Ψ k que é ortogonal para o estado fundamental real da função de onda Φ 0 . Então nós temos a0 = Φ 0 Ψ = 0 e e ∫Ψ * HΨdτ = ∑ a k E k e 2 k =2 ∫ Ψk Ψ j dτ = k∑=2 a k * 2 2 =1 [12] 2 para k ≥ 1 , temos E k ≥ E1 e a k E k ≥ a k E1 ∞ ∑ k =1 ∞ ∞ a k E k ≥ ∑ a k E1 = E1 ∑ a k 2 k =1 2 k =1 2 = E1 [13] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 15 Combinando [12] e [13], temos o resultado: ∫Ψ * Hˆ Ψdτ ≥ E1 , se ∫Ψ * Hˆ Ψdτ = 0 e ∫Ψ * Hˆ Ψdτ = 1 [14] a extensão do método variacional para altos estados excitados acima de E1. ∫ Ψ Hˆ Ψdτ ≥ E , se Ψ * Φdτ = Ψ * Φdτ = ⋅ ⋅⋅ = Ψ * Φdτ =0 k +1 ∫ 0 ∫ 1 ∫ k * ∫ Ψ Ψdτ * [15] Função Variacional Linear Um tipo especial de função variacional é usado largamente no estudo de moléculas, é a Função Variacional Linear ou Método Variacional de Raleigh-Ritz. Uma função variacional linear é uma combinação de n funções linearmente independente f 1 , f 2 ,... f n : n Ψ = c1 f 1 + c 2 f 2 + ...c n f n = ∑ c j f j [16] j =1 onde Ψ é a função trial variacional e os coeficientes c j são parâmetros para ser determinados pela minimização da integral variacional. A função f i deve satizfazer a condição de contorno do problema. Nós apresentamos que Ψ , c j e f i são reais. Aplicando o teorema variacional para a função variacional linear, nós temos ∫Ψ * n Ψdτ = ∫ ∑ j =1 c *j f * j n n n ∑ c k f k dτ = ∑ ∑ c *j c k ∫ f j* f k dτ k =1 j =1 k =1 Agora devemos definir a integral de superposição S jk como [17] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 16 S jk = ∫ f j* f k dτ [18] sendo jk os elementos de matriz. Substituindo [18] em [17] temos n n * * ∫ Ψ Ψdτ = ∑ ∑ c j c k S jk [20] j =1 k =1 Note que S jk não é necessariamente igual a δ jk , desde não há razão para supor que a função f j são mutuamente ortogonais. O numerador da integral variacional é n n j =1 k =1 n n * * * * * ∫ Ψ HΨdτ = ∫ ∑ c j f j H ∑ c k f k dτ = ∑∑ c j c k ∫ f j Hf k dτ j =1 k =1 e usando a abreviação H jk ≡ ∫ f j* Hff k dτ [21] Reescrevendo o numerador n n * * ∫ Ψ HΨdτ = ∑∑ c j c k dτ [22] j =1 k =1 Substituindo [22] e [20] na integral variacional W, n n ∑ c j c k H jk Ψ * HΨdτ ∑ j =1 k =1 ∫ W= = n n * Ψ Ψ d τ ∫ ∑ ∑ c j c k S jk j =1 k =1 Arranjando [23] [23] Química Quântica Bathista, A.L.B.S n n n 17 n W ∑ ∑ c *j c k S jk =∑ ∑ c *j c k H jk j =1 k =1 [24] j =1 k =1 agora devemos minimizar W para aproximar tão perto de E0 (W ≥ E 0 ) . A integral variacional W é uma função de n variáveis independentes c1 , c 2 ,...c n W = W (c1 , c 2 ,...c n ) Uma condição necessária para minimizar uma função W de muitas variáveis é que a sua derivada parcial a respeito a cada uma de sua variável seja zero no ponto mínimo. ∂W = 0, ∂ci i = 1,2,...n [25] agora nos diferenciamos [24] parcialmente em cada ci para obter n equações: ∂W ∂ci n n ∑∑ c j c k S jk + W j =1 k =1 ∂ ∂c i n n ∑∑ c j c k S jk = j =1 k =1 ∂ ∂c i n n ∑∑ c j c k H jk [26] j =i k =i i= 1,2,...,n Agora ∂ ∂ci n n ∑ ∑ c j c k S jk j =1 k =1 n n ∂c j ∂ ∂c = ∑∑ + c j k S jk c j c k S jk = ∑ ∑ c k ∂c i ∂c i j =1 k =1 ∂c i j =1 k =1 n n ( ) os cj são variáveis independentes, e portanto ∂c j ∂ci =0 se j ≠ i ∂c j ∂c i =1 se j = i Química Quântica Bathista, A.L.B.S ∂c j ∂ci 18 = δ ij Nós temos então ∂ ∂ci n n n n n n n n k =1 j =1 ∑ ∑ c j c k S jk = ∑∑ c k δ ij S jk + ∑∑ c j δ ik S jk = ∑ c k S ik + ∑ c j ji j =1 k =1 j =1 k =1 ∂ ∂ci n j =1 k =1 n n n k =1 j =1 ∑ ∑ c j c k S jk = ∑ c k S ik + ∑ c j S ji j =1 k =1 [27] Onde nós temos desenvolvido S ji = S ij* = S ij [28] Resolvendo a equação [27] a partir desta relação, conseguimos compacta-la: ∂ ∂ci n n n n n n k =1 j =1 k =1 k =1 ∑ ∑ c j c k S jk = ∑ c k S ik + ∑ c j S ij = ∑ c k S ik + ∑ c k S ik j =1 k =1 ∂ ∂ci n n n ∑ ∑ c j c k S jk = 2∑ c k S ik j =1 k =1 [29] k =1 onde o fato de j ser uma variável “qualquer” utilizada e recolocando S jk por H jk em cada uma destas manipulações, nós temos o numerador da equação vai ∂ ∂ci o resultado depende de n n n ∑ ∑ c j c k H jk = 2∑ c k H ik j =1 k =1 k =1 [30] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 19 H ji = H ij* = H ij Porque H é Hermitiano, agora substituindo [25], [29] e [30] em [26] n n k =1 k =1 2W ∑ c k S ik = 2∑ c k H ik , i = 1,2,...n Rearranjando n ∑ [(H ik − S ik W )c k ] = 0, i = 1,2,..n [31] k =1 Sendo esta conhecida como Sistema de Equações Seculares. A equação [31] é um conjunto de n equações simultâneas, lineares e homogêneas em n de c1, c2,...cn desconhecidos. Uma solução trivial das equações seculares é todos os coeficientes c k serem nulos. Qualquer solução fisicamente relevante exige que seja nulo o chamado determinante secular, constituído pelos elementos H ik − ES ik H ik − ES ik = 0 [32] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 20 Aplicação do Método Variacional Sabemos que agora temos a parte secular da integral variacional e podemos a partir daqui aplicar o método variacional no estudo de energias de orbitais atômicos e moleculares. Equação Secular E = ∫ Ψ * HΨdτ ≥ E 0 → H ik − ES iK = 0 Para átomo as funções de base são os elétrons e para molécula as funções de base são os orbitais moleculares. Ex: para o Benzeno há 36 orbitais, ou seja 36 combinações lineares. Logo Ψφ será 36 Ψφ = ∑ c i φ i i =1 e a sua determinante será de 36x36. há 42 elétrons no benzeno e 21 orbitais estão ocupados e outros 21 são virtuais. Sendo que o último orbital ocupado é chamado de HOMO (Highest Occupied molecular Orbital) e o primeiro orbital não ocupado é o LUMO (Lowest Unccupied Molecular Orbital). Se soubermos a diferença de energia LUMO e HOMO, podemos achar a energia de ionização da molécula. A energia total dos orbitais ocupados é da seguinte forma n ET = ∑ (E i + E C + E Ex ) ⋅ 2 i =1 Onde n é o número de orbitais ocupados, 2 o par de elétrons e Ei número de orbitais, EC repulsão coulombiana e EEx é a energia de troca. Química Quântica Bathista, A.L.B.S 21 Método Variacional para o Átomo de Hidrogênio A partir da função tentativa Ψα = e −αr para o estado fundamental do átomo de Hidrogênio, calcule o valor de α que minimiza a energia. E= Ψα H Ψα [1] Ψα Ψα Sendo o Hamiltoniano H, 1 1 ∂ 2 ∂ 1 ∂ ∂ ∂2 Z 1 H =− − r + sen θ + 2 2 r 2 ∂r ∂r r 2 sen θ ∂r ∂r r sen 2 θ ∂φ 2 r dτ = r 2 sen θdrdθdφ ∫e n! −αr n r dr = a n +1 [2] (a ≥ 0) Como o átomo de Hidrogênio depende somente de r, o operador se reduz à 1 1 ∂ 2 ∂ Z H =− r − 2 r 2 ∂r ∂r r 1 ∂ 2 ∂ ∇2 ≡ r r 2 ∂r ∂r 1 1 2 d d d r ∇ 2 = 2r + 2 dr r 2 dr dr r 2 d d2 ∇ = + 2 r dr dr 2 Substituindo [4] em [3] [3] [4] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 22 1 Z H = − ∇2 − 2 r [5] E = Ψα H Ψα [6] Reduzindo a equação [1] e aplicando o operador em [6] E = Ψα − 1 2 Z ∇ − Ψα 2 r E=− 1 1 Ψα ∇ 2 Ψα − Z Ψα Ψα 2 r E=− 1 2 d 1 d2 Ψα + Ψα − Z Ψα Ψα 2 r dr dr 2 r E = − Ψα 1 d 1 d2 1 Ψα − Ψα Ψα − Z Ψα Ψα r dr 2 r dr 2 [7] para que a variação funcional, δE (Ψα ) , seja mínima → δE (Ψα ) = δ H = 0 sendo que d d −αr Ψα = e = −α e −αr = −α Ψα dr dr e que d2 dr 2 Ψα = α 2 Ψα , teremos: E = α Ψα 1 α2 1 Ψα − Ψα Ψα − Z Ψα Ψα 2 r r α α2 Z E= − − r 2 r E = (α − Z ) 1 α2 − r 2 [8] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 23 Normalizando Ψα Ψα Ψα = 1 lembrando que ∫ e −αr r n dr = n! a n+1 ∫e −2αr 2 N2 calculando o valor médio de (a ≥ 0) r dr = 1 2! 3 2(4α ) = 1 → N = 4α 3 [9] 1 r r2 1 = N 2 ∫ e −αr dr r r 2 1 = 4α 3 ∫ e −αr rdr r 1 1 = 4α 3 ⋅ (2α ) 2 r 1 =α r [10] Substituindo [10] em [8] E = (α − Z )α − α2 2 α2 α2 E = α − Zα − = − Zα 2 2 2 [11] como δE (Ψα ) = δ H = 0 , o mínimo de energia será obtido se derivarmos E em relação a α e igualando-se a zero, Química Quântica Bathista, A.L.B.S 24 dE α = 2 − Z = 0 →α = Z 2 dα [12] Substituindo [12] em [11], e lembrando que Z=1 para o átomo de hidrogênio. E= (1) 2 1 − (1) = − u.a. 2 2 1 E = − u.a. 2 [13] Método Variacional para o Átomo de Hélio Aplicando o método variacional para o átomo de Hélio e encontrando a energia do estado fundamental a partir da função tentativa. 1s (1) = α 3 αr1 α 3 αr2 e 1s (2) = e e π π [1] Um Hamiltoniano de N elétrons e M núcleos é 1N 2 M 1 ˆ H = − ∑ ∇i − ∑ ∇ 2k − 2 i =1 k =1 2 M k N M N N 1 M M Z Z Zk ∑ ∑ r + ∑ ∑ r + ∑ ∑ Rk l i1 i =1 j >1 ik k1 l >2 k 4 1 k2 =4 =14 =14 ik kl 3 3 1 424 3 repulsão−e−n repulsão−e−e − [2] repulsão−nn No átomo de Hélio, consideremos os núcleos fixos, podemos omitir o termo de energia cinética dos núcleos para obter o Hamiltoniano puramente eletrônico, separando-o do nuclear. Sendo que há 5 termos no Hamiltoniano do Hélio Química Quântica Bathista, A.L.B.S [ ] 1 Z Z 1 Hˆ eletrônico = − ∇ i2 − ∇ 2j − − − 2 rik r jk rij 25 [3] Ψap = Φ espacial × Φ spin Ψap = 1s (1)1s (2) × α (1)α (2) , há 4 possibilidades de função de spin desde que negligenciamos o efeito magnético. A) Ψap = 1sα (1)1sα ( 2) B) Ψap = 1sβ (1)1sβ ( 2) C) Ψap = 1sα (1)1sβ (2) D) Ψap = 1sα (1)1sα ( 2) Onde A) e B) são simétricas e C) e D) são antissimétricas. C) Ψap = 1sα (1)1sβ (2) − 1sβ (1)1sα (2) → Ψap = 1 1sα (1) 1sβ (1) =0 2! 1sα (2) 1sβ (2) D) Ψap = 1sβ (1)1sα (2) − 1sα (1)1sβ (2) → Ψap = 1 1sβ (1) 1sα (1) =0 2! 1sβ (2) 1sα (2) Utilizando C) Ψap = 1sα (1)1sβ (2) − 1sβ (1)1sα (2) Ψap = (1s (1)1s (2) )α (1) β (2) − (1s (1)1s (2) )β (1)α (2) Ψap = 1s(1)1s (2)[α (1) β (2) − β (1)α (2)] [4] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 26 A parte espacial é simétrica e lembrando que a função de spin já está normalizada 1 [α (1) β (2) − β (1)α (2)] Ψap = 1s (1)1s (2) 1424 3 2! espacial 14444244443 [5] spin Verificando a ortonormalização da função de spin 1 ∑∑ 2! 1 2 [α (1) β (2) − β (1)α (2)]* 1 2! [α (1) β (2) − β (1)α (2)] = 1 2 2 1 α (1) ∑ β (2) − ∑ α * (1) β (1)∑ β 2 (2)α (2) + ∑ 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 β * (1)α (1)∑ α 2 (2) β (2) + ∑ β (1) ∑ α (2) = 1 ∑ 2 1 2 1 2 2 1/ 2 1/ 2 2 ∑ α (ms ) = 1 e ∑ β (ms ) ms = −1 / 2 2 =1 [6] [7] ms = −1 / 2 Desde que as funções αe β correspondem a diferentes autovalores do operador Hermitiano Ŝ z , eles são ortogonais. 1/ 2 ∑ α * (ms ) β (ms ) = 0 [8] ms = −1 / 2 Aplicando estas notações na verificação de ortonormalização 1 1 1 1 (1) ⋅ (1) − (0) ⋅ (0) + (0) ⋅ (0) + (1) ⋅ (1) = 1 2 2 2 2 1=1 [10] Química Quântica Bathista, A.L.B.S 27 A integral variacional é * ∫ Ψ HΨ = ∑ ∑ 1 2 * ∫ ∫ (1s(1)1s(2)) 1 2 * [α (1) β (2) − β (1)α (2)] H (1s(1)1s(2) ) 1 2 [α (1) β (2) − β (1)α (2)]dv1dv 2 Neste caso H não atua na função de spin e a integral variacional torna-se ∫Ψ * 1 2 HΨ = ∫ ∫ (1s (1)1s (2) )* H (1s (1)1s (2) )dv1 dv 2 ∑ ∑ α (1) β (2) − β (1)α (2) 2 14 244442444443 1 [11] 1 Como a função de spin é normalizada, a integral variacional se reduz a ∫Ψ * HΨ = ∫ ∫ (1s (1)1s (2) )* H (1s (1)1s (2) )dv1dv 2 [12] Substituindo o Hamiltoniano [3] em [12] ∫ Ψ HΨ = ∫ ∫ (1s(1)1s(2)) − 2 [∇i * * 1 2 ] − ∇ 2j − Z Z 1 − − (1s (1)1s (2) )dv1dv2 rik r jk rij [13] 1 1 E = ∫ 1s(1) *1s (2)dv 2 ∫ 1s (1) * − ∇ i2 1s (1)dv1 + ∫ 1s (1) *1s (1)dv1 ∫ 1s (2) * − ∇ 2j 1s(2)dv 2 2 2 Z Z 1 (1s(1)1s(2) )dv1dv 2 + ∫ 1s (1) * 1s (1)dv1 + ∫ 1s (2) * 1s(2)dv 2 + ∫ ∫ (1s (1)1s (2) )* ri rj rij Aplicando os operadores nas funções espaciais d d Ψ = dri dri d d Ψ = dr j dr j α 3 αri e π =α α 3 −αr j e π α 3 αri e π = −α =α Ψ , α 3 −αr j e π = −α Ψ Química Quântica Bathista, A.L.B.S 28 e que d2 dri2 d2 Ψ =α 2 Ψ , Ψ =α 2 Ψ dr j2 Logo a expressão de Energia na notação de Dirac torna-se E=− Ψ 1 d 1 d2 1 d 1 d2 1 1 1 Ψ − Ψ Ψ − Ψ Ψ − Ψ Ψ −Z Ψ Ψ Z Ψ Ψ Z Ψ Ψ 2 2 ri dri 2 r j dr j 2 ri rj rij dri dr j α2 α2 1 1 1 1 1 Ψ − Ψ Ψ +α Ψ Ψ − Ψ Ψ −Z Ψ Ψ −Z Ψ Ψ +Z Ψ Ψ E = −α Ψ 424 3 424 3 ri rj ri rj rij 2 1 2 1 142 43 1 4 2 4 3 14243 14243 14243 1 1 α α α α (5 / 8)α 5 E = −α 2 − 2 zα + α 8 como δE (Ψα ) = δ H = 0 , o mínimo de energia será obtido se derivarmos E em relação a α e igualando-se a zero, dE 5 = −2α − 2 z + = 0 dα 8 − 2(α + z ) = − α = −z + 5 8 5 16 α = 1.6875 Substituindo o valor de α na expressão de energia E = (1.6875) 2 − 2(2)(1.6875) + 5 (1.6875) 8 E = −2.8477 Hartree Química Quântica Bathista, A.L.B.S 29 Referências: (1) Teixeira, J. 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