Bond Orders and Energy Components

Aki ismeri Mayer István korábbi könyveit, ideértve a BME Mérnöktovábbképző Intézet számára írt klasszikus, magyar nyelvű jegyzetet és a 2003-ban megjelent nagyívű monográfiáját (Simple Theorems, Proofs and Derivations in Quantum Chemistry [Mathematical and Computational Chemistry]), nem fog csodálkozni azon, hogy a jelen ismertetésben szereplő mű is hozza azt a különleges formát, amit Mayer Istvántól megszokhattunk. Ezen könyvek különlegessége ugyanis az, hogy bár meglehetősen bonyolult problémákat tárgyal bennük, minden állítás nagy didaktikai érzékkel, lepésről lépésre alá van támasztva. Nincs a sorok között elvarratlan szál, nincs bizonyítatlan állítás. Ez, ha az olvasó rendelkezik a témakör követéséhez szükséges minimális tudással, könnyen (ha nem is gyorsan) követhetővé teszi a könyv olvasását. Jellemző persze, hogy Mayer István eredeti publikációi is ugyanezzel a gondossággal íródtak – legfeljebb azok olvasása valamivel több alaptudást tételez fel.

A jelen könyv nem a kvantumkémia alapjairól szól, hanem egy olyan problémakörről, amely egyike azon küldetéseknek, amelyek miatt a kvantumkémiát művelni érdemes. Kapuy Ede a múlt század 70-es éveiben még azt hangsúlyozta, hogy a kvantumkémia egyik ígéretes missziója olyan pontos számítások elvégzése, amelyek akár kiválthatják bizonyos kísérletek, mérések elvégzését, illetve méréssel hozzá nem férhető információt szolgáltathatnak. Ez mára – kisebb méretű molekuláris rendszerek esetében – valósággá vált. Kevesebbet léptünk előre azonban egy másik misszió: a mérések és számítások eredményeinek kvalitatív magyarázata tekintetében.
Mayer István ezt régóta folyamatosan hangsúlyozza: szakmai beszélgetésekben, tudományos előadásaiban, és mindenekelőtt a szakma vezető folyóirataiban közölt számos publikációjában. Ezeket az eredményeket kötötte most csokorba ebben a könyvben.

Amikor „kvalitatív magyarázatról” beszélünk, senki se gondolja, hogy egyszerű verbális interpretációról van szó. Ellenkezőleg: a könyv cseppet sem könnyű olvasmány. Nemcsak a fent említett, részletekbe menő szakmai igényesség miatt, hanem azért is, mert Mayer István jól látja – és jól is láttatja a könyvben–, hogy a kémiai jelenségek okainak kvantumkémiai igényességű feltárása igen nehéz feladat. Sok matematikai levezetést, meggondolást igényel, ezek némelyike cseppet sem egyszerű. Hogy azért el ne riasszuk az olvasót,

szögezzük le, hogy a jelen könyv követése nem igényel több háttérismeretet, mint amit a szokásos kvantumkémiai alapkurzusokon el lehet sajátítani. Legfeljebb több odafigyelést, koncentrációt, a szisztematikus, lépésenként haladás képességét várja el az olvasótól.

Mit is tartalmaz ez a könyv? Rövid előszó után egy bevezető fejezet magyarázza el a könyvben bemutatott analízisek értelmét és szükségességét, tudománytörténeti példaként idézve az egész kémiában polgárjogot nyert klasszikus Hückel-elméletet. Ezután két olyan fejezet következik, amelyekben szisztematikusan össze vannak foglalva a későbbiekben gyakran visszahivatkozott alapok. Az 5. fejezet egy kulcsfontosságú koncepciót tárgyal: az effektív atompályák elméletét. Ez a koncepció – természetesen építve a korábban felhalmozott tudásra – Mayer Istvánnak egyik saját (a jelen szerző megítélése szerint kulcsfontosságú) eredménye. Azt mutatja, hogy a klasszikus, jól megszokott atompályák (s, p, d…) fizikai, kémiai tartalma sokkal-sokkal nagyobb annál, mint hogy durván közelítő számítási kiindulópontnak tartsuk őket. Az atomok a molekulákban is ezeken az atompályákon keresztül szerepelnek. Ez az eredmény azt üzeni, hogy ezeket a fogalmakat igenis jogosan alkalmazzák a kémiai jelenségek magyarázata során.

A következő fejezetekben a kötésrend és a vegyérték klasszikus fogalmai kerülnek bemutatásra a modern és elvben egzakt kvantumkémiai hullámfüggvények felhasználásával, valamint szó esik egy, az interpretációt nagyon megkönnyítő energiakomponens-analízisről. A kötésrendek elmélete természetes alkalmazást nyer például a tömegspektrumok jóslásában és interpretálásában. Az energiakomponensek kapcsán olyan kérdésekre gondolhatunk például, mint egy atom energiájának változása egy molekulában az izolált atom energiájához képest vagy két atom kölcsönhatási energiája.

A könyvet néhány technikai tudnivaló függelékben történő összegyűjtésével zárja a szerző. Ez igen szerencsés ötlet, mert talán ezek megértése követelheti az olvasótól a legtöbb háttértudást. (István Mayer: Bond Orders and Energy Components: Extracting Chemical Information from Molecular Wave Functions. Boca Raton–London–New York: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2017)

Surján Péter

ELTE Természettudományi Kar
Elméleti Kémia Laboratórium