Módulo II.7 · Artículo 03

El enlace: el LCAO acierta el signo y falla un cuarto

El H₂⁺ es el único sistema molecular que se resuelve exactamente, y su energía de enlace no es una cita: sale de separar el problema de dos centros en coordenadas esferoidales prolatas y de extrapolar la malla a cero. Al lado, la receta de primer curso —sumar dos orbitales 1s sin retocarlos— acierta el signo y falla por un cuarto en la distancia y por más de un tercio en la profundidad. Esa diferencia es el resultado del artículo, no un defecto que disculpar.

2,7928 eV, con los protones a 105,7 pm. Es lo que liga el H2+ —dos protones quietos y un solo electrón entre ellos, el sistema molecular más simple que existe—, y no es una estimación: a diferencia del helio del artículo anterior, con los núcleos fijos la ecuación de Schrödinger de un electrón en dos centros es separable y se resuelve exactamente. La receta que se enseña primero —tomar el 1s del hidrógeno, ponerlo en cada protón y sumarlos— da 1,764 eV a 132 pm. Acierta lo importante, que es el signo: dos átomos que por separado no se atraen bajan de energía al juntarse, y ese signo sale de la simetría de la función de onda y de nada más. Y falla lo demás: se pasa un 24,82 % en la distancia y se queda un 36,83 % corta en la profundidad, con los dos números medidos por dos cálculos que no comparten ni una línea de código. Este artículo va de las dos cosas a la vez, porque publicar sólo la primera es contar el resultado al revés.

Necesitas, en concreto: del artículo 01 de este módulo, que el estado espacial de dos partículas idénticas es simétrico o antisimétrico y que el determinante de Slater se anula cuando dos de sus filas coinciden. Del artículo 02, que una integral de dos electrones se evalúa, no se estima. Del II.5, artículo 03, la función 1s del hidrógeno con su normalización y el hecho —que allí se mide— de que 1/r1/r\langle 1/r\rangle \neq 1/\langle r\rangle; aquí el 1s es el ladrillo y no se vuelve a deducir. Del II.6, artículo 04, el estado singlete y el estado triplete de dos espines ½, y cuál de los dos lleva el menos. Del II.3, la distinción entre De y D0, que aquí vuelve a hacer falta y salva una cita mal hecha. De matemáticas: derivar, buscar el mínimo de una función de una variable, y seguir —no ejecutar— un cambio de coordenadas en tres dimensiones.

El problema, escrito con todo dentro

El H2+ es un electrón y dos protones. Lo primero es quitarse los protones de en medio, y eso tiene nombre y precio: la aproximación de Born-Oppenheimer congela los núcleos y trata la distancia entre ellos, R, como un parámetro y no como una variable dinámica. La justificación es de masas —el núcleo más ligero que existe pesa tres órdenes de magnitud más que un electrón, y el II.3 lo cuantifica en el CO— y la consecuencia práctica es la que interesa aquí: para cada valor de R hay un problema electrónico distinto, con su propia energía, y el conjunto de todas esas energías es una función E(R). Esa función es la curva de energía potencial de la molécula, y es literalmente el potencial en el que después se moverán los núcleos.

A partir de aquí se trabaja en unidades atómicas, que es lo que hace legible todo lo que viene: las longitudes en radios de Bohr —a0 = 52,9177 pm— y las energías en hartree, con 1 Eh = 27,2114 eV. Un aviso que no es menor: éste es el a0 de masa nuclear infinita, y el II.5 publica 52,9465 pm, que es el del hidrógeno real con masa reducida. Difieren un 0,054 % y son dos constantes distintas con el mismo nombre; este módulo usa la primera en todas sus cuentas, y decirlo cuesta una frase y ahorra una discusión.

Con los núcleos en A y B separados R, y llamando rA y rB a las distancias del electrón a cada uno, el hamiltoniano completo es

H^=1221rA1rB+1R,\hat H = -\tfrac12\nabla^2 - \frac{1}{r_A} - \frac{1}{r_B} + \frac1R,

donde el último término, la repulsión entre los dos protones, es una constante para cada R y por tanto no afecta a la función de onda: se suma al final. Lo que hay que resolver es el resto, que se llamará Ĥel.

Y hace falta un cero de energía, porque «se liga 2,79 eV» no significa nada sin decir respecto de qué. El cero natural es la molécula rota: un átomo de hidrógeno en su fundamental y un protón desnudo infinitamente lejos, o sea −½ Eh, que en electronvoltios son −13,6057 eV. La energía de disociación medida desde el fondo del pozo es De=12EhminRE(R)D_e = -\tfrac12 E_h - \min_R E(R), y todo lo que quede por debajo de −13,6057 eV está ligado; todo lo que quede por encima, no.

El LCAO: dos funciones y ninguna libertad

La idea de la combinación lineal de orbitales atómicos —LCAO, por sus siglas inglesas, linear combination of atomic orbitals— es la más barata que se puede tener: si a distancias grandes el electrón está en el 1s de A o en el 1s de B, pruébese como función de onda molecular una combinación de esos dos. Lo que sale es un orbital molecular, una función de un electrón que se extiende sobre los dos núcleos en vez de sobre uno. Con dos funciones sólo caben dos combinaciones independientes, y la simetría del problema —los dos protones son idénticos— obliga a que sean la suma y la resta:

ψ±(r)=1sA(r)±1sB(r)2±2S,1sX(r)=1πerX.\psi_{\pm}(\vec r) = \frac{1s_A(\vec r) \pm 1s_B(\vec r)}{\sqrt{2 \pm 2S}}, \qquad 1s_X(\vec r) = \frac{1}{\sqrt{\pi}}\,e^{-r_X}.

Conviene detenerse en lo que no hay en esa expresión, porque es de donde va a salir todo el error del artículo. No hay ningún parámetro ajustable. El exponente del 1s es el del hidrógeno aislado, y se queda como está: el orbital no se contrae al acercarse el otro núcleo, no se polariza hacia él, no se le mezcla nada de 2p. Es una base mínima de dos funciones rígidas, y la única libertad que tiene el método es elegir el signo del más o del menos. Cuando dentro de unas secciones el resultado se quede un tercio corto, ésa será la explicación entera, y no se podrá echar la culpa a la aritmética.

El denominador, en cambio, sí lleva física dentro, y es lo primero que hay que calcular.

La integral de solapamiento, medida por dos caminos

Los dos orbitales 1s están centrados en puntos distintos, pero no son ortogonales: la cola de uno pisa el otro. Esa cantidad tiene nombre —la integral de solapamiento— y es lo que hace que el denominador no sea √2:

S(R)1sA1sB=1sA(r)1sB(r)d3r.S(R) \equiv \langle 1s_A | 1s_B\rangle = \int 1s_A(\vec r)\,1s_B(\vec r)\,d^3r.

Desarrollar 1sA±1sB2d3r\int|1s_A \pm 1s_B|^2 d^3r da 1+1±2S=2(1±S)1 + 1 \pm 2S = 2(1\pm S), y de ahí sale la raíz del denominador. Con dos exponenciales centradas en puntos distintos la integral tiene forma cerrada,

S(R)=eR(1+R+R23),S(R) = e^{-R}\left(1 + R + \frac{R^2}{3}\right),

y aquí es donde el guion de verificación hace su trabajo. Una forma cerrada copiada de un libro no es un dato comprobado: es un dato tecleado. Así que S(R) se ha vuelto a calcular integrando de verdad sobre el volumen entero, en las coordenadas que se explican más abajo, sin que la cuadratura sepa nada de la expresión anterior. En seis distancias:

R (a0) S(R) por cuadratura e−R(1+R+R²/3) discrepancia relativa
1,000,858 3850,858 3850
1,500,725 1730,725 1731,5 × 10⁻¹⁶
2,000,586 4530,586 4531,9 × 10⁻¹⁶
2,500,458 3080,458 3081,2 × 10⁻¹⁶
3,000,348 5090,348 5090
4,000,189 2620,189 2622,9 × 10⁻¹⁶

La columna de la derecha es la barra del acuerdo, y hay que leerla con cuidado porque es engañosamente buena: 2,9 × 10⁻¹⁶ es el último bit de un número en doble precisión. Los dos caminos no coinciden «bien»: coinciden hasta donde la máquina puede distinguir dos números. Eso significa que la forma cerrada está bien escrita —el R²/3 es un sitio clásico donde aparece un 6 o un 2 en su lugar— y no significa nada más.

Y hay un detalle del que depende que esa comprobación sea una comprobación y no un espejismo. Si al 1s se le hubiera olvidado el factor 1/√π, las tres integrales de este artículo saldrían escaladas por el mismo número y ningún cociente lo notaría. Por eso la normalización se comprueba aparte: la misma cuadratura aplicada a |1sA|² devuelve 1. Dos comprobaciones que se apoyan en el mismo símbolo mal escrito no son dos comprobaciones.

Los dos límites son los que uno esperaría y conviene tenerlos delante. A R → 0 el solape vale exactamente 1, porque las dos funciones son la misma; a 60 a0 ya vale 1,1 × 10⁻²³, o sea cero a todos los efectos. Y entre medias, el dato que da la escala del problema:

S = ½ se alcanza a R = 2,33 a0. Esa distancia cae entre las dos que este artículo va a calcular —el mínimo exacto, 1,997 a0, y el del LCAO, 2,493 a0—, lo que quiere decir que a la distancia a la que la molécula realmente vive los dos orbitales 1s comparten más de la mitad de su amplitud. «Dos átomos separados» no es una buena descripción del H2+, y el número que lo dice es el 0,586 de la tabla.

Las dos energías: la que tiene sentido clásico y la que no

Con la función de prueba fijada, la energía sale de proyectar el hamiltoniano. Actuando con Ĥel sobre 1sA y usando que el 1s es autofunción del átomo A con energía −½, quedan sólo dos elementos de matriz distintos:

HAA=AH^elA=12A1rBA,HAB=AH^elB=S2A1rAB,H_{AA} = \langle A|\hat H_{\rm el}|A\rangle = -\frac12 - \Big\langle A\Big|\frac{1}{r_B}\Big|A\Big\rangle, \qquad H_{AB} = \langle A|\hat H_{\rm el}|B\rangle = -\frac{S}{2} - \Big\langle A\Big|\frac{1}{r_A}\Big|B\Big\rangle,

y las dos integrales que quedan también tienen forma cerrada, comprobada contra la misma cuadratura en las seis distancias de la tabla anterior:

A1rBA=1R[1e2R(1+R)],A1rAB=eR(1+R).\Big\langle A\Big|\frac{1}{r_B}\Big|A\Big\rangle = \frac1R\Big[1 - e^{-2R}(1+R)\Big], \qquad \Big\langle A\Big|\frac{1}{r_A}\Big|B\Big\rangle = e^{-R}(1+R).

Las dos significan cosas muy distintas y merecen nombre separado. HAA es clásica: es la energía de un electrón que está en el átomo A, más lo que le atrae el núcleo B, que es una nube de carga atraída por una carga puntual. Y por sí sola no liga nada, cosa que se ve sin calcular: sumándole el +1/R de la repulsión nuclear, los dos términos en 1/R se cancelan y queda HAA+1/R=12+e2R(1+R)/RH_{AA} + 1/R = -\tfrac12 + e^{-2R}(1+R)/R, que es mayor que −½ Eh a cualquier distancia. Un electrón que se quede quieto en su átomo, con el otro protón mirando, produce una curva sin pozo. Todo el enlace tendrá que salir del otro término.

HAB no tiene lectura clásica ninguna. Es la integral de resonancia: aparece porque el electrón no está en A ni en B, sino en una superposición de los dos, y sólo puede ser distinta de cero donde ambos orbitales tienen amplitud a la vez, es decir, en la región entre los núcleos. Es el término que baja la energía del estado simétrico, y es hermano de la integral de intercambio que el artículo 02 encontró en el helio: en los dos casos lo que aparece es un solapamiento multiplicado por un potencial, y en los dos casos el nombre engaña porque no hay ninguna fuerza nueva en el hamiltoniano. Aquí ni siquiera hace falta el principio de exclusión: hay un solo electrón, y el efecto sigue estando.

Juntando las piezas, la energía total de los dos estados es

  E±(R)=HAA±HAB1±S+1R  \boxed{\;E_{\pm}(R) = \frac{H_{AA} \pm H_{AB}}{1 \pm S} + \frac{1}{R}\;}

El de arriba, E+, corresponde a ψ+, que es el orbital ligante; el de abajo, a ψ, el orbital antiligante. Los nombres se van a justificar midiendo, no por decreto.

Ejemplo resuelto 1 · La curva entera a R = 3,00 a0

Problema. Con los dos protones a 3,00 a0, evalúa S, las dos integrales de Coulomb, HAA, HAB y las dos energías E+ y E en electronvoltios. Di cuál de los dos estados está ligado y por cuánto.

Solución. Primero el solape, que ya está en la tabla: S(3,00) = 0,348 509. Después las dos integrales, que la cuadratura confirma en esa misma distancia:

A1rBA=0,330028 Eh,A1rAB=0,199148 Eh.\Big\langle A\Big|\frac{1}{r_B}\Big|A\Big\rangle = 0{,}330\,028\ E_h, \qquad \Big\langle A\Big|\frac{1}{r_A}\Big|B\Big\rangle = 0{,}199\,148\ E_h.

De ahí, sin más que restar:

HAA=120,330028=0,830028 Eh,HAB=0,34850920,199148=0,373403 Eh.H_{AA} = -\tfrac12 - 0{,}330\,028 = -0{,}830\,028\ E_h, \qquad H_{AB} = -\tfrac{0{,}348\,509}{2} - 0{,}199\,148 = -0{,}373\,403\ E_h.

Y ahora las dos energías, con el 1/R = 0,333 33 de la repulsión nuclear puesto al final:

E+=0,8300280,3734031,348509+13=0,559083 Eh=15,21 eV,E_+ = \frac{-0{,}830\,028 - 0{,}373\,403}{1{,}348\,509} + \frac13 = -0{,}559\,083\ E_h = \mathbf{-15{,}21\ eV},
E=0,830028+0,3734030,651491+13=0,367560 Eh=10,00 eV.E_- = \frac{-0{,}830\,028 + 0{,}373\,403}{0{,}651\,491} + \frac13 = -0{,}367\,560\ E_h = \mathbf{-10{,}00\ eV}.

Resultado. Contra el cero de la molécula rota, que está en −13,6057 eV, el estado simétrico queda 1,61 eV por debajo —está ligado— y el antisimétrico queda 3,60 eV por encima —no lo está—. Pero lo que hay que quedarse es la asimetría: el antiligante sube 2,2 veces más de lo que el ligante baja (3,60 frente a 1,61), y eso no es una casualidad numérica de esta distancia. Los denominadores son 1 + S y 1 − S, y a R = 3,00 a0 valen 1,349 y 0,651: el mismo HAB dividido por el menor de los dos produce un desplazamiento mayor. La consecuencia es la que explica media tabla periódica de moléculas: si se llenan los dos orbitales, lo que sube gana a lo que baja, y no hay enlace.

La curva, el mínimo, y un nodo que se mide en lugar de afirmarse

Barriendo R se obtienen las dos curvas. La del ligante tiene mínimo y la del antiligante no, y las dos cosas hay que comprobarlas.

El mínimo del ligante se ha localizado por tres caminos que no comparten nada: un optimizador de Brent, una rejilla de 240 001 puntos entre 2,0 y 3,2 a0 —que no sabe derivar— y la comprobación de que la derivada numérica se anula allí, cosa que hace a 4,4 × 10⁻¹⁰. Los tres coinciden:

ReLCAO=2,49283 a0=131,9 pm,Emin=15,3698 eV,DeLCAO=1,764 eV.R_e^{\rm LCAO} = 2{,}492\,83\ a_0 = 131{,}9\ \mathrm{pm}, \qquad E_{\min} = -15{,}3698\ \mathrm{eV}, \qquad D_e^{\rm LCAO} = 1{,}764\ \mathrm{eV}.

El antiligante es más interesante de lo que parece, y es el sitio donde este módulo se pilló a sí mismo. La frase que uno escribe sin pensar es que E(R) «crece monótonamente», porque el antiligante es repulsivo. Es falsa, y el guion la sacó en rojo: E(R) decrece monótonamente al aumentar R, y baja hacia −½ Eh desde arriba. La razón es que a R pequeño el +1/R de la repulsión nuclear domina y empuja la curva hacia arriba sin límite; al separar los núcleos, ese término se apaga y la curva cae. Que sea repulsiva significa que la fuerza separa los núcleos, y eso es exactamente que la energía baje al separarlos. El signo de una pendiente es justo la clase de cosa que se cree saber y no se sabe; medida sobre 40 001 puntos entre 0,8 y 40 a0, la pendiente es negativa en todos ellos, y la curva no baja de −½ Eh en ninguno. A 40 a0 la curva vale ya −13,605 693 eV, y el cero de la molécula rota —el rydberg— vale −13,605 693 eV: coinciden en las ocho cifras que se han impreso. Eso es lo que «tiende a» significa cuando se mide en vez de afirmarse.

De modo que el antiligante no liga a ninguna distancia. No es que ligue poco: es que su curva no cruza nunca el cero de la molécula rota. El ligante sí lo cruza, y baja hasta −0,564 831 Eh. Toda la diferencia entre una molécula y dos átomos que rebotan cabe en esa frase.

¿Y de dónde sale la diferencia? Del plano nodal. Sobre el plano perpendicular al eje que pasa por el punto medio se cumple rA = rB, así que e−rA − e−rB es idénticamente cero: el antiligante tiene un nodo ahí, y es exacto, no una cancelación numérica. Barrido en 501 puntos del plano y a tres distancias distintas, el mayor valor de |ψ| que se encuentra es cero hasta el último bit. El ligante, en ese mismo plano y a las mismas distancias, no se anula en ningún punto: a R = 3,00 a0 su valor mínimo sobre el barrido es 0,0564 en unidades atómicas. Uno tiene amplitud entre los núcleos y el otro tiene un cero obligatorio entre los núcleos, y ésa es la diferencia entera.

El precio del nodo es energía cinética, y el glosario ya guarda el argumento: como T=22mψ2d3r\langle T\rangle = \tfrac{\hbar^2}{2m}\int |\nabla\psi|^2 d^3r, una función obligada a pasar por cero en mitad de la región donde vive tiene que subir y bajar, y esa pendiente cuesta. El estado simétrico se ahorra el nodo; el antisimétrico lo paga.

Merece la pena decirlo con todas las letras, porque es lo que este módulo entero está demostrando desde el artículo 01: aquí hay un solo electrón. No hay principio de exclusión, no hay antisimetría de intercambio, no hay espín en el hamiltoniano. Y aun así el estado simétrico y el antisimétrico difieren en 5,21 eV a R = 3,00 a0 —los −15,21 y los −10,00 del ejemplo resuelto—. La simetría de la función de onda cambia las energías sin que en el hamiltoniano haya entrado nada nuevo, y con un electrón se ve más limpio que con dos.

El exacto: dos polos que desaparecen al cambiar de coordenadas

Todo lo anterior es una aproximación con una función de prueba. Lo que sigue no lo es: el problema de un electrón en dos centros fijos se resuelve, y resolverlo es lo que convierte este artículo en una medida en vez de en una comparación con un libro.

La clave es el sistema de coordenadas. Las coordenadas esferoidales prolatas toman los dos núcleos como focos y usan la suma y la diferencia de distancias:

ξ=rA+rBR[1,),η=rArBR[1,1],φ[0,2π),\xi = \frac{r_A + r_B}{R} \in [1,\infty), \qquad \eta = \frac{r_A - r_B}{R} \in [-1,1], \qquad \varphi \in [0,2\pi),

con rA=R(ξ+η)/2r_A = R(\xi+\eta)/2, rB=R(ξη)/2r_B = R(\xi-\eta)/2 y elemento de volumen dV=R38(ξ2η2)dξdηdφdV = \tfrac{R^3}{8}(\xi^2-\eta^2)\,d\xi\,d\eta\,d\varphi. Las superficies de ξ constante son elipsoides que envuelven a los dos núcleos y las de η constante son hiperboloides; son las coordenadas naturales del problema porque en ellas las dos singularidades quedan en el borde del dominio —el eje internuclear, donde η = ±1— y no en su interior.

Y ahora el truco, que es lo único que hay que llevarse de esta sección. La parte fea del hamiltoniano son los dos polos de Coulomb, uno en cada núcleo, donde 1/rA y 1/rB se hacen infinitos. En estas coordenadas:

1rA+1rB=2R(ξ+η)+2R(ξη)=4ξR(ξ2η2).\frac{1}{r_A} + \frac{1}{r_B} = \frac{2}{R(\xi+\eta)} + \frac{2}{R(\xi-\eta)} = \frac{4\xi}{R\,(\xi^2 - \eta^2)}.

Ese ξ² − η² del denominador es exactamente el que aparece en el elemento de volumen. Al escribir la ecuación de Schrödinger como un problema de autovalores generalizado —multiplicando los dos lados por (R²/2)(ξ² − η²)— el denominador se cancela y queda, para el estado fundamental, que tiene m = 0:

[ξ[(ξ21)ξ]+η[(1η2)η]]ψ    2Rξψ  =  ER22(ξ2η2)ψ.-\Big[\partial_\xi\big[(\xi^2-1)\partial_\xi\big] + \partial_\eta\big[(1-\eta^2)\partial_\eta\big]\Big]\psi \;-\; 2R\,\xi\,\psi \;=\; E\,\frac{R^2}{2}(\xi^2-\eta^2)\,\psi.

Los dos polos han desaparecido. Donde había dos infinitos queda un término lineal, −2Rξ, tan suave como se puede pedir. Eso no es cosmética: es lo que permite que unas diferencias finitas de segundo orden, que ante una singularidad de Coulomb convergerían como un caracol, den siete cifras con dos mallas y un truco de extrapolación. Y de paso explica por qué la separabilidad del H2+ aparece en todos los libros y la del helio en ninguno: allí el término malo era 1/r12, que depende de dos electrones y no se deja absorber por ningún cambio de variable.

Discretizada en forma conservativa —de manera que los coeficientes (ξ² − 1) y (1 − η²) se anulen justo en las caras del borde y las condiciones de contorno salgan solas—, la ecuación se resuelve como un problema de autovalores disperso. El orden de convergencia se mide antes de usarlo, que es lo que separa una extrapolación de una superstición. A R = 2,00 a0, con tres mallas:

MallaE electrónica (Eh)Qué dice
150 × 24−1,100 327punto de partida
300 × 48−1,102 056el error se divide por…
600 × 96−1,102 4893,986, y O(h²) exige 4

Ese 3,986 contra el 4 teórico —un 0,36 % de discrepancia— es la licencia para aplicar la extrapolación de Richardson, que con EE(h/2)+[E(h/2)E(h)]/3E \approx E(h/2) + [E(h/2)-E(h)]/3 mata el término dominante del error. Aplicada a otro par de mallas —250 × 40 y 500 × 80—, el resultado a esa distancia es −1,102 634 Eh, y el patrón con el que se contrasta —−1,102 634 2 Eh, el valor de referencia del problema de dos centros a esa distancia— queda 2,5 × 10⁻⁷ relativo por debajo.

Ésa es la barra, y tiene dos letras pequeñas que hay que leer, porque una barra sin ellas no es una barra.

La primera: está medida en R = 2,00 a0 y en ningún otro sitio. El dominio de ξ se trunca en un tope, y al separar los núcleos la función se ensancha y el truncamiento muerde más, de modo que el mismo esquema con las mismas mallas empeora al aumentar R. Lo que sale de aquí es, por tanto, «a dos radios de Bohr el método da siete cifras», y no «el método da siete cifras». Las filas lejanas de la tabla de la sección siguiente —las de 4,00 y 6,00 a0— llevan menos cifras buenas que ésta, y sus dos últimos dígitos no están respaldados por ninguna comprobación: lo que esa tabla sostiene es el tanto por ciento, que es una cifra gruesa, no la cuarta decimal del electronvoltio. Publicar una barra medida en un punto como si valiera en todo el dominio es el modo de fallo que este módulo le reprocha a los demás, y aquí estaba cometido.

La segunda: el patrón viene de fuera y este artículo no lo recalcula. Ese −1,102 634 2 Eh no sale de ninguna cuenta de aquí; es un valor de referencia del problema de dos centros que el guion de verificación lleva declarado entre los datos ajenos, y el papel del cálculo de arriba es reproducirlo, no comprobarlo. Lo que el método comprueba por su cuenta es otra cosa, y también es una barra: su consistencia interna. Dos pares de mallas que no comparten ninguna, extrapolados por separado, coinciden hasta la quinta cifra decimal —menos de una parte en un millón— y eso el ejercicio 6 lo rehace a mano con las tres mallas de la tabla de arriba, sin ordenador.

Las tres cifras de este artículo que no tienen apellido. Todo lo demás que aquí se imprime o lo calcula el guion, o sale de src/data/constants.ts con CODATA 2022 detrás. Tres números, no: el patrón de dos centros −1,102 634 2 Eh, la distancia de equilibrio de referencia 1,997 19 a0 y el dato espectroscópico D0 = 2,650 84 eV del ejemplo resuelto siguiente. Los tres vienen de la literatura del H2+, los tres están marcados como datos de fuera dentro del guion — y ninguno de los tres lleva la referencia bibliográfica de la que sale. Hasta hoy este artículo escribía «contra la literatura» tres veces y lo dejaba ahí, que es peor que callarse: le da al lector la impresión de que puede ir a comprobarlo sin haberle dicho adónde, y este módulo ya ha pagado una vez por una cita que no aguantó que la abrieran. Así que se dice como es: son tres datos prestados, sin fuente escrita, y ésa es una deuda que se paga con una cita y no con una cuenta. Lo que no cambia es de dónde sale el resultado del artículo: los 2,7928 eV los produce el cálculo, y el papel de los tres números de fuera es contrastarlo.

Buscando el mínimo de E(R) + 1/R sobre la curva extrapolada:

Re=1,9972 a0=105,7 pm,De=2,7928 eV.R_e = 1{,}9972\ a_0 = 105{,}7\ \mathrm{pm}, \qquad \boxed{D_e = 2{,}7928\ \mathrm{eV}.}

El Re coincide con el patrón de referencia, 1,997 19 a0, en todas las cifras con las que ese patrón está declarado, que son seis; y de la misma resta sale la De con sus cinco. Con acuerdos de ese tamaño se puede publicar la quinta cifra; con tres cifras no se podría ni enunciar el acuerdo. Lo que no se publica —y este artículo lo publicaba— es la energía del mínimo con seis decimales, y el motivo es instructivo. El patrón de arriba es la energía en R = 2,000 a0 exactamente, y el mínimo no está en 2,000 sino en 1,9972: bajar esas tres milésimas de radio de Bohr cuesta unos 4 × 10⁻⁷ Eh más, que es justo lo que hace falta para que a la energía le cambie la sexta cifra decimal. Y 4 × 10⁻⁷ es también el tamaño del error que la propia extrapolación arrastra, de modo que este método no resuelve esa cifra y escribirla es inventarla. La De sobrevive porque a cuatro decimales de electronvoltio no se entera de esos 4 × 10⁻⁷; la E mínima no, y por eso se ha quitado.

Ejemplo resuelto 2 · Por qué De = 2,7928 eV no es un dato medido

Problema. El dato espectroscópico del H2+ —el tercero y último de los números que este artículo toma prestados— es una energía de disociación de 2,650 84 eV. El cálculo de arriba da 2,7928 eV. ¿Está mal el cálculo, está mal la medida, o no están hablando de lo mismo?

Solución. No están hablando de lo mismo, y la diferencia tiene nombre desde el II.3. La De se mide desde el fondo de la curva de energía potencial, que es un punto en el que ninguna molécula está nunca; la D0, desde el estado vibracional más bajo que la molécula ocupa de verdad. La diferencia es la energía de punto cero:

DeD0=2,79282,65084=0,14196 eV.D_e - D_0 = 2{,}7928 - 2{,}650\,84 = 0{,}141\,96\ \mathrm{eV}.

Y ese número se puede auditar sin salir del artículo. Si la ZPE es ħω/2, entonces ħω = 2 × 0,141 96 = 0,283 92 eV, que en números de onda son 2290 cm⁻¹ —usando 1 cm⁻¹ = 0,123 984 meV—.

Merece la pena detenerse en esa cadena, porque hasta hoy este artículo publicaba 2291, y lo hacía mal por el motivo que el propio módulo persigue: tomaba la ZPE ya redondeada a 0,142 eV y la doblaba. Doblar un número redondeado y redondear otra vez el resultado es redondear dos veces, y el ejercicio 2 del artículo 04 existe precisamente para enseñar a no hacerlo en mitad de una cadena. Redondeando una sola vez, al final, salen 2290. Es 1 cm⁻¹ y no cambia ninguna conclusión; lo que cambia es que la cifra sea reproducible por quien la persiga. Y hay un segundo aviso en la misma dirección: la ZPE es una diferencia pequeña de dos números grandes, hereda el error absoluto de los dos y conserva menos cifras significativas que cualquiera de ellos. Lo que este resultado sostiene de verdad son 2,29 × 10³ cm⁻¹: el orden de magnitud correcto para el estiramiento de un enlace con un protón en cada extremo, y del mismo tamaño que las frecuencias que el II.3 maneja.

Y conviene no confundir ese número con ωe, la frecuencia armónica de la molécula, que es otra cosa: 2·ZPE coincide con ħωe sólo si el pozo es armónico. Un pozo real es anarmónico —se ablanda al estirarse— y su energía de punto cero queda por debajo de ħωe/2. De modo que estos 2290 cm⁻¹ son una cota inferior de ħωe y no una medida suya, y la distancia entre las dos es la anarmonicidad del enlace. Medirla exige la curva completa y la masa de los núcleos, y aquí los protones están clavados: este artículo no la calcula y por eso no la publica.

Resultado. La cita correcta no es «el H2+ se mide en 2,79 eV». Lo que se mide es 2,650 84 eV; la De se construye sumándole una energía de punto cero que a su vez sale de un modelo del pozo. Un artículo que compare su cálculo contra «el valor medido, 2,79 eV» está comparando contra un híbrido de medida y modelo sin decirlo — y la comparación no es mala, es que hay que decir de qué está hecha. Es la misma trampa que el II.3 documenta en el CO, donde De y D0 se separan por más de cien milielectronvoltios.

La barra: un cuarto en la distancia, más de un tercio en la profundidad

Ahora se pueden poner las dos cosas juntas, que es todo el artículo:

LCAO de dos 1sExactoError del LCAO
Re (a0)2,49281,9972+24,82 %
Re (pm)132106ídem
De (eV)1,7642,7928−36,83 %

Los dos porcentajes salen de dos cálculos que no comparten nada salvo las constantes: la columna de la izquierda son formas cerradas de exponenciales cruzadas contra una cuadratura, y la de la derecha es un problema de autovalores en derivadas parciales extrapolado a malla nula. No hay ninguna posibilidad de que un error se cancele entre las dos.

Lo primero que hay que decir es lo que el LCAO acierta, y no es poco: el signo. Sin ningún parámetro ajustable, sumando dos funciones que nadie ha retocado, sale que hay un mínimo, que está a un par de radios de Bohr y que tiene un par de electronvoltios de profundidad. Predecir que dos átomos neutros bajan de energía al juntarse, y por qué, es el resultado cualitativo entero de la teoría del enlace, y aquí sale de la simetría de una suma.

Lo segundo es que la dirección del error está garantizada de antemano y sólo el tamaño había que medirlo. Cualquier función de prueba obedece el principio variacional: el valor esperado del hamiltoniano en cualquier estado normalizado es mayor o igual que la energía del fundamental. El LCAO es una función de prueba, así que su curva no puede quedar por debajo de la exacta a ninguna distancia. No queda:

R (a0)S(R)Exacto (eV)LCAO (eV)Lo que se dejaEn relativo
1,500,725−15,8458−13,47002,3758 eV15,0 %
2,500,458−16,1587−15,36980,7889 eV4,9 %
3,000,349−15,7162−15,21340,5028 eV3,2 %
4,000,189−14,8595−14,60890,2506 eV1,7 %
6,00−13,9306−13,85240,0782 eV0,6 %

Léase la tabla de derecha a izquierda y aparece el mecanismo del fallo. El error no es un número: es una función del solapamiento. Donde los dos orbitales apenas se tocan, el LCAO acierta al 0,6 %, porque la molécula de verdad es allí un átomo y un protón y la base de dos 1s es prácticamente exacta —la raya de la última fila es literal: la cuadratura del solape se corrió hasta 4,00 a0 y a 6,00 no hay medida suya, aunque la columna no deja dudas sobre hacia dónde va—. Donde se solapan de veras, se va al 15,0 %. Y el 1 ± S del denominador es justamente la cantidad que mide cuánto se solapan: la variable de la que depende el error es la misma que hace falta poner en la normalización.

Y una advertencia sobre las cifras de la columna «Exacto», que es la continuación de la letra pequeña de la sección anterior. Esa columna sale del mismo esquema extrapolado, pero la barra —los 2,5 × 10⁻⁷— está medida sólo en R = 2,00 a0, que no es ninguna de las cinco filas. Al separar los núcleos la función se ensancha, el truncamiento del dominio de ξ pesa más y el método se degrada: la fila de 6,00 a0 es la peor de las cinco y sus dos últimos dígitos no los respalda ninguna comprobación. Nada de lo que esta tabla dice depende de ellos —el 0,6 % y el 15,0 % siguen en pie con holgura, y también el orden de las cinco filas—, pero leer «−13,9306» como seis cifras verificadas sería creerle a la tabla una precisión que su barra no cubre. La barra de esta tabla es la de la última columna, no la de la tercera.

Cuidado con leer esto como una relación causal medida: lo medido es la correlación entre el solape y el error, distancia a distancia. La interpretación —que el fallo está en que la base no se deforma justo donde las dos nubes se pisan— es lo que la correlación sugiere, y el II.8 la contrastará dejando que el exponente del 1s se ajuste.

Y hay una comprobación más que descarta la explicación fácil. Se podría pensar que el LCAO falla en la profundidad porque se equivoca de distancia: si busca el mínimo demasiado lejos, es natural que le salga poco profundo. No es eso. Comparados a la misma distancia, en el propio Re del LCAO, la energía exacta sigue estando 0,7945 eV por debajo. La base es pobre en todas partes; el error en Re es una consecuencia de eso, no su causa. Comparar dos métodos en sus respectivos mínimos, y no en el mismo punto, es el segundo modo clásico de equivocarse en este cálculo.

¿Qué desacuerdo cabía esperar, para poder decir si el 36,83 % es mucho? El método no tiene ni un parámetro libre y su base son dos funciones de un átomo neutro de Z = 1. En el límite opuesto se ve lo lejos que eso puede quedar: cuando R → 0 los dos protones se funden en un núcleo de carga 2 y el sistema es un He⁺, cuyo electrón está ligado por 54,4228 eV — cuatro veces más que el hidrógeno del que procede la base. Dos orbitales de Z = 1 no pueden describir eso ni de lejos. El H2+ real vive a medio camino entre los dos límites, y por eso el error es de decenas de tanto por ciento y no de un factor: el orden de magnitud del desacuerdo es el que la propia tabla anterior anticipa al recorrer la curva.

Un enlace no es una barra, y el «orden de 4 eV» del I.1 no es un desacuerdo. El I.1 menciona el enlace covalente una sola vez y como escala de energía, «del orden de 4 eV». Aquí el H2+ sale a 2,79 eV. No hay contradicción y sí una lección: ese enlace lo sostiene un electrón, no un par, y aun así llega a la escala correcta. Lo que no se puede es dibujar la línea del H a la H y llamarla «el enlace»: lo que hay es un orbital con amplitud entre los dos núcleos, y su rival —el mismo orbital con un nodo en medio— es 5,21 eV más caro a R = 3,00 a0 sin que nadie haya añadido ninguna fuerza. La energía de enlace no es una propiedad del segmento que une dos átomos; es la diferencia entre dos simetrías de la misma función de onda.

El H2 neutro, y el 2 de 2n²

Añádase un segundo electrón. El orbital ligante ψ+ sigue ahí —es una función de un electrón, y no se entera— y lo natural es meter los dos electrones en él. Eso hace la parte espacial simétrica bajo el intercambio de los dos electrones, y entonces el artículo 01 obliga: la función total tiene que ser antisimétrica, luego la parte de espín tiene que ser antisimétrica, luego es el singlete. El fundamental del H2 es un ¹Σg+: el 1 de la izquierda es la multiplicidad de espín —singlete—, la Σ dice que el momento angular alrededor del eje es cero y la g dice que la función no cambia de signo al invertir por el punto medio, que es justo lo que hace ψ+.

El triplete correspondiente no tiene esa opción. Si los dos espines son paralelos, la parte espacial ha de ser antisimétrica, y con dos electrones eso obliga a ocupar orbitales distintos: uno en ψ+ y otro en ψ, o sea el ³Σu+. Y ya está medido lo que eso cuesta: el antiligante no liga a ninguna distancia. Un electrón bajando y otro subiendo más de lo que el primero baja —la asimetría del ejemplo resuelto 1— da una curva sin mínimo. Dos átomos de hidrógeno con los espines paralelos se repelen; con los espines antiparalelos, se unen. Y en el hamiltoniano no hay ni un término que dependa del espín: lo único que ha cambiado es qué parte espacial permite la antisimetría.

Este artículo no calcula la energía de enlace del H2 neutro. En cuanto entran dos electrones vuelve el 1/r12 del artículo 02, con todo lo que arrastra, y eso es el II.8. Lo que sí se puede cerrar aquí es la deuda que el módulo anterior dejó abierta.

El II.6 pidió que alguien explicara por qué el 2 de las capacidades 2n² —2, 8, 18, 32, que el I.4 publica desde hace tiempo— es un tope y no un número cualquiera. La identidad que lo resuelve ya está demostrada: el artículo 01 mostró que un determinante de Slater con dos filas iguales es la función nula. Lo que falta es cobrarla fuera del átomo, y ahí es donde este artículo aporta algo, porque el argumento no depende de que el orbital sea atómico. Un orbital espacial cualquiera —el 1s de un átomo, o el ψ+ de esta molécula— admite exactamente dos espín-orbitales, el de espín arriba y el de abajo. Meter un tercer electrón en ψ+ obligaría a repetir una de esas dos filas, y el estado que se obtiene no es improbable ni está prohibido por una regla añadida: no existe. El 2 no es una capacidad medida, es la dimensión del espacio de espín de un electrón, y multiplicado por los n² estados espaciales de un nivel del hidrógeno da el 2n² con el que el I.4 llena la tabla periódica. Un enlace de dos electrones lo es por la misma razón por la que una capa s lo es.

Lo que este artículo no cierra, dicho con nombre. El LCAO de aquí es la base mínima sin retocar; el paso siguiente —dejar que el exponente del 1s se contraiga, y comprobar cuánto de los 0,7945 eV se recupera— es el método variacional del II.8. Añadir polarización mezclando 2p, la teoría de Hartree-Fock que convierte todo esto en un procedimiento para átomos y moléculas de verdad, y la energía de correlación que queda después de Hartree-Fock, no entran en este sitio y hay que decirlo en vez de dejar la impresión de que el enlace químico está resuelto en cuatro fórmulas. Lo que sí está resuelto, y de forma exacta, es el H2+: es el único sistema molecular del que este módulo puede decir «2,7928 eV» sin pedir permiso a nadie, y por eso se usa como patrón contra el que medir métodos aproximados.

Ejercicios

Ejercicio 1 · La integral de solapamiento y sus dos extremos

Con S(R) = e−R(1 + R + R²/3), y R en radios de Bohr:

(a) Evalúa los límites R → 0 y R → ∞, y di qué le pasa a ψ en el primero de los dos.
(b) ¿A qué distancia vale S = ½?
(c) El polinomio 1 + R + R²/3 crece con R y la exponencial decrece. Sin calcular nada, ¿cómo sabes cuál de los dos gana? ¿Y qué te dice la respuesta de (b) sobre si «dos átomos separados» es una buena descripción de esta molécula?

Solución

(a) S(0) = 1: las dos funciones son la misma, así que su solape es la norma de una de ellas. Y ahí está lo interesante: la normalización del antiligante es 1/√(2 − 2S), que diverge cuando S → 1. No es un accidente de la fórmula — es que ψ se anula idénticamente cuando los dos centros coinciden, y no hay ninguna constante que normalice la función cero. El estado antiligante deja de existir en el límite del átomo unido. En el otro extremo, S(∞) = 0; el guion lo mide a 60 a0 y obtiene 1,1 × 10⁻²³.

(b) R = 2,33 a0, y lo que importa aquí es cómo, porque e−R(1 + R + R²/3) = ½ es una ecuación trascendente: no hay despeje. Primero se acota, y la tabla del artículo ya trae los dos extremos hechos — S(2,00) = 0,586 está por encima de ½ y S(2,50) = 0,458 por debajo, así que la raíz cae entre los dos. Con eso basta una bisección de servilleta, ocho pasos:

pasoRS(R)¿por encima de ½?
12,2500,5204
22,3750,4888no
32,31250,5045
42,34380,4966no
52,32810,5005
62,33590,4986no
72,33200,4996no
82,33010,5000

La raíz es 2,3303 a0, y los ocho pasos no son casualidad: cada bisección parte el intervalo en dos, así que gana un bit, y para bajar de 0,5 a0 a las dos milésimas que hacen falta para tres cifras hacen falta log₂(0,5/0,002) ≈ 8. Un Newton sobre la misma función llega en tres pasos desde R = 2,3, porque S′ no se anula por ahí; lo que no existe es una fórmula. La comprobación, que es lo que cierra cualquiera de los dos caminos, es sustituir hacia atrás: e−2,3303(1 + 2,3303 + 2,3303²/3) = 0,5000. Y una segunda lección de método, gratis: el intervalo de partida no se busca a ciegas, se lee de una tabla que ya está calculada. Media docena de problemas numéricos de este módulo empiezan igual — el mínimo del ejercicio 4(e) también se acota con tres valores que ya están impresos.

(c) Gana la exponencial: e−R decrece más deprisa de lo que crece cualquier polinomio, sea cual sea su grado. Y la segunda lección, que es la que importa: los 2,33 a0 caen entre el Re exacto (1,997 a0) y el del LCAO (2,493 a0). A la distancia a la que la molécula realmente existe, los dos orbitales comparten más de la mitad de su amplitud —S(2,00) = 0,586—, así que la imagen de «dos átomos vecinos que se saludan» es falsa: no hay dos nubes, hay una. Ese mismo número es el que explica luego por qué el LCAO falla más cuanto más se acercan los núcleos.

Ejercicio 2 · El nodo, y por qué el antiligante no liga nunca

(a) Demuestra sin evaluar nada numéricamente que ψ se anula en todo el plano perpendicular al eje internuclear que pasa por el punto medio.
(b) Escribe ⟨T⟩ en función de ∇ψ y explica con eso por qué un nodo cuesta energía.
(c) A R = 3,00 a0, E = −10,00 eV. ¿Está ligado ese estado? Compáralo con el cero de la molécula rota.
(d) Medida sobre 40 001 puntos entre 0,8 y 40 a0, la curva E(R) tiene pendiente negativa en todos ellos. ¿Es eso lo que esperabas de una curva «repulsiva»? ¿Tiene mínimo?

Solución

(a) En ese plano rA = rB por construcción, así que e−rA − e−rB = 0 idénticamente, para cualquier punto del plano y cualquier R. El nodo es exacto y geométrico, no el resultado de una cancelación afortunada; una comprobación numérica sólo puede confirmarlo, y lo hace: barridos 501 puntos del plano a tres distancias, el mayor |ψ| que aparece es cero hasta el último bit. El ligante, en cambio, no se anula ahí en ningún punto (mínimo 0,0564 en unidades atómicas a R = 3,00 a0).

(b) ⟨T⟩ = (ħ²/2m)∫|∇ψ|² d³r. Una función que vale algo a los dos lados y cero en medio está obligada a tener pendiente, y la energía cinética pesa el cuadrado de esa pendiente. Ése es el coste, y explica el signo del desdoblamiento: el simétrico se ahorra el nodo y baja, el antisimétrico lo paga y sube.

(c) No. El cero es H + p en −13,6057 eV, y −10,00 eV está 3,60 eV por encima. Un estado por encima del umbral de disociación no es un estado ligado: la molécula se rompe.

(d) No es lo que casi nadie espera, y ahí está la trampa: «repulsiva» se confunde con «creciente». Que la fuerza separe los núcleos significa que la energía baja al separarlos, o sea pendiente negativa. A R pequeño quien manda es el +1/R de la repulsión nuclear, que dispara la curva hacia arriba; al alejar los núcleos ese término se apaga y la curva cae hacia −½ Eh por encima, sin cruzarlo nunca. No hay mínimo, y por tanto no hay estado ligado a ninguna distancia. Éste es el error que el propio guion de verificación de este módulo cometió y sacó en rojo: el signo de una pendiente es exactamente la clase de cosa que se cree saber sin haberla mirado.

Ejercicio 3 · El 1 + S que casi todo el mundo se deja

(a) Demuestra que ∫|1sA ± 1sB|² d³r = 2(1 ± S), y di por qué el denominador de ψ± no puede ser √2.
(b) A R = 2,00 a0 el solape vale 0,586. Si alguien normalizara ψ+ con 1/√2, ¿qué valor daría ∫|ψ+|²? ¿Qué le pasaría a cualquier valor esperado calculado con esa función?
(c) A R = 3,00 a0 el ligante gana 1,61 eV y el antiligante pierde 3,60 eV respecto de H + p. ¿Por qué no son iguales? ¿Qué predice esa asimetría para una molécula en la que se llenen los dos orbitales?

Solución

(a) Al desarrollar el cuadrado salen tres términos: ∫|1sA|² = 1, ∫|1sB|² = 1 y el cruzado ±2∫1sA1sB = ±2S. Total, 2(1 ± S). El √2 sólo valdría si los dos orbitales fueran ortogonales, y no lo son: están centrados en puntos distintos, que es otra cosa.

(b) Daría 1 + S = 1,5865, un 59 % de más. Y el daño no se queda en la norma: todo valor esperado ⟨ψ|Â|ψ⟩ calculado con esa función sale multiplicado por ese mismo 1,5865, de modo que la energía «bajaría» sin que nada físico hubiera cambiado — y bajaría por debajo del exacto, violando el principio variacional. Es el síntoma con el que se detecta el fallo.

(c) Porque los denominadores son 1 + S y 1 − S, que a R = 3,00 a0 valen 1,349 y 0,651. El mismo HAB dividido por el más pequeño produce un desplazamiento mayor, y de ahí el factor 3,60/1,61 = 2,2. La predicción es contundente: en una molécula con cuatro electrones —dos en ψ+ y dos en ψ— lo que sube gana a lo que baja y no hay enlace. Es la razón de que exista el H2 y no exista el He2. La cuenta completa del He2 no se hace en este módulo, así que esto es una predicción del modelo, no una medida suya.

Ejercicio 4 · La curva a una distancia nueva

A R = 4,00 a0 la cuadratura da S = 0,189 262, ⟨A|1/rB|A⟩ = 0,249 581 Eh y ⟨A|1/rA|B⟩ = 0,091 578 Eh.

(a) HAA y HAB a esa distancia.
(b) E+, en hartree y en electronvoltios.
(c) El exacto a 4,00 a0 vale −14,8595 eV. ¿Cuánto se deja el LCAO, en electronvoltios y en tanto por ciento?
(d) A 1,50 a0 se deja 2,3758 eV sobre un exacto de −15,8458 eV. Con las dos cifras de (c) y (d) delante, ¿con qué magnitud del artículo correlaciona el error del LCAO? Compruébalo con las cinco distancias de la tabla.
(e) Con tu E+(4,00) y con los dos valores del LCAO que ya tienes —E+(1,50) = −13,4700 eV y E+(2,50) = −15,3698 eV—, acota el mínimo entre dos distancias sin evaluar ninguna más. Después compara ese E+(2,50) con el mínimo verdadero, −15,3698 eV en Re = 2,4928 a0, y explica por qué dar tres cifras de Re cuesta muchas más evaluaciones que dar tres cifras de Emín.

Solución

(a) HAA = −½ − 0,249 581 = −0,749 581 Eh; HAB = −0,189 262/2 − 0,091 578 = −0,186 209 Eh. Nótese que a esta distancia HAB es cuatro veces menor que HAA: el término que produce el enlace se apaga mucho más deprisa que el que no.

(b) E+ = (−0,749 581 − 0,186 209)/1,189 262 + 0,25 = −0,536 866 Eh = −14,6089 eV. Está por debajo de −13,6057 eV, así que a 4,00 a0 el ligante sigue ligado, aunque por bastante menos que en su mínimo.

(c) 14,8595 − 14,6089 = 0,2506 eV, que sobre 14,8595 es un 1,7 %.

(d) Con el solapamiento. A 1,50 a0 el error relativo es 2,3758/15,8458 = 15,0 % con S = 0,725; a 4,00 a0 es 1,7 % con S = 0,189; y recorriendo la tabla entera el error cae monótonamente con S: 15,0 % · 4,9 % · 3,2 % · 1,7 % · 0,6 %. La lectura es que el LCAO no falla «un poco en todas partes»: es exacto donde no hay solape, porque allí la molécula es de verdad un átomo y un protón, y se deteriora exactamente en la medida en que las dos nubes se pisan — que es donde una base de dos orbitales rígidos deja de poder describir la deformación real del electrón.

(e) El mínimo está entre 1,50 y 4,00 a0, porque el valor de en medio, −15,3698 eV a 2,50 a0, es más bajo que los dos extremos: eso es un mínimo acotado, y basta con tres evaluaciones para tenerlo. Lo que sale carísimo es la tercera cifra de Re. Compárese: 2,50 a0 está un 0,29 % lejos del Re verdadero, 2,4928 a0, y sin embargo su energía coincide con la del mínimo en las cuatro cifras decimales que se imprimen. La razón es que cerca de un mínimo la función es una parábola, así que un error relativo ε en R produce uno del orden de ε² en E: cada cifra que se quiera ganar en la distancia cuesta dos en la energía. Por eso el guion no se fía de un solo optimizador y comprueba el resultado con una rejilla de 240 001 puntos y con la anulación de la derivada, que es la magnitud que sí es sensible a R en primer orden. Y de aquí sale una consecuencia editorial: comparar dos métodos sólo por su energía es insuficiente, porque cerca del mínimo la energía casi no distingue geometrías. El LCAO se deja un 36,83 % de la profundidad y además se pasa un 24,82 % en la distancia, y son dos fallos que hay que contar por separado.

Ejercicio 5 · El H2 neutro, y el 2 de 2n²

(a) Dos electrones en ψ+: ¿por qué el fundamental del H2 es singlete y no triplete? ¿Qué término molecular le corresponde?
(b) Escribe el determinante que intentaría meter un tercer electrón en ψ+ y di qué vale.
(c) El triplete tiene que poner un electrón en ψ. Con lo medido en este artículo, ¿qué forma tiene su curva E(R)?
(d) El I.1 da «del orden de 4 eV» como escala de un enlace covalente, y aquí el H2+ sale a 2,79 eV. ¿Es un desacuerdo?
(e) Ponle números al apartado (c). Con las dos energías del ejemplo resuelto 1 —E+ = −15,21 eV y E = −10,00 eV a R = 3,00 a0— estima la energía de la configuración con un electrón en cada orbital sumando las dos y descontando el 1/R que así se cuenta dos veces (a 3,00 a0 vale 9,07 eV). Compárala con dos átomos de hidrógeno sueltos, −27,21 eV. ¿Qué predice esa cuenta, en qué se contradice con lo que este artículo ya ha medido, y qué falta dentro?

Solución

(a) Los dos en el mismo orbital espacial hacen la parte espacial simétrica; la función total ha de ser antisimétrica, luego el espín es antisimétrico, luego singlete. El término es ¹Σg+: multiplicidad 1, momento angular nulo alrededor del eje, y par bajo la inversión por el punto medio, que es lo que ψ+ cumple y ψ no.

(b) Sólo hay dos espín-orbitales construidos sobre ψ+, el de espín arriba y el de abajo. Un determinante de tres filas tendría que repetir una, y un determinante con dos filas iguales vale cero. No es una regla añadida: es álgebra lineal. Ése es el sentido en que el 2 de 2n² es un tope.

(c) Repulsiva y sin mínimo. Está medido que E(R) no baja de −½ Eh a ninguna distancia, y la asimetría del ejemplo resuelto 1 dice además que el electrón del antiligante sube más de lo que el del ligante baja. Dos hidrógenos con los espines paralelos se repelen; con los espines opuestos, se unen. Y no hay ni un término de espín en el hamiltoniano.

(d) No. Son la misma escala, y la diferencia interesante es que el H2+ sostiene sus dos protones con un solo electrón. Cuánto añade el segundo es precisamente lo que este artículo no calcula —en cuanto hay dos electrones vuelve el 1/r12 del artículo 02—, así que la respuesta honrada es que la escala coincide y el número del H2 neutro no está aquí.

(e) Sumando: −15,21 − 10,00 = −25,21 eV. Pero cada una de esas dos energías lleva su propio +1/R dentro, y la repulsión entre los dos protones sólo se paga una vez, así que hay que devolver uno: −25,21 − 9,07 = −34,28 eV. Contra los −27,21 eV de dos hidrógenos sueltos, eso deja 7,07 eV de sobra: la cuenta predice que el H2 triplete está ligado, y con una profundidad de la escala de un enlace de verdad. Es falso. Y no hace falta ir a buscarlo fuera: contradice el apartado (c) y contradice la curva medida en este mismo artículo, donde el electrón del antiligante sube más de lo que baja el del ligante.

Lo que falta dentro es lo que este artículo se ha negado a calcular: la repulsión 1/r12 entre los dos electrones, que en esta cuenta no aparece por ninguna parte. Su escala la da el artículo 02 — poner dos electrones en un mismo orbital 1s del helio cuesta 34,01 eV—. Aquí no es esa misma integral y estos dos orbitales son mucho más anchos, así que costará bastante menos; pero la escala es de electronvoltios de dos cifras, y contra eso los 7,07 eV de margen no sobreviven. Segunda lección: sumar energías orbitales es la operación que más veces se hace mal en química cuántica, y trae dos trampas encadenadas —contar dos veces la repulsión nuclear, que se corrige a mano y aquí se ha corregido, y olvidar entera la repulsión electrónica, que no se corrige a mano—. Que el resultado salga con el signo cambiado y con un valor perfectamente creíble es justo la razón de que este artículo prefiera decir que no sabe la De del H2 a estimarla.

Ejercicio 6 · Auditar los 2,7928 eV, que es el número del título

La sección de las esferoidales prolatas es la que produce la cifra que da título a este artículo, y hasta aquí el lector no ha tocado ni una línea de ella. Este ejercicio la audita entera con lo que ya está impreso, sin ordenador.

(a) Partiendo de rA = R(ξ + η)/2 y rB = R(ξ − η)/2, comprueba en un renglón que 1/rA + 1/rB = 4ξ/[R(ξ² − η²)]. Después di por qué ese renglón, y no el cambio de coordenadas en sí, es el paso del que depende toda la sección.
(b) ¿Qué valores de (ξ, η) ocupan los dos núcleos? ¿Y el plano nodal del ejercicio 2? Con esas dos respuestas delante, explica por qué el nodo de ψ es exacto en estas coordenadas y no una cancelación afortunada.
(c) Con las tres mallas de la tabla —150 × 24: −1,100 327; 300 × 48: −1,102 056; 600 × 96: −1,102 489— calcula el cociente de las dos diferencias sucesivas. ¿Qué orden de convergencia indica? ¿Cuántas cifras de ese cociente puedes publicar, y por qué no más?
(d) Aplica la extrapolación de Richardson al par 300 × 48 / 600 × 96 y compara tu resultado con el patrón de dos centros, −1,102 634 2 Eh. ¿A cuánto te quedas, en relativo? Compáralo con los 2,5 × 10⁻⁷ que el artículo publica para el par de mallas más fino y di si es lo que esperabas.
(e) ¿Por qué hay que medir el orden antes de extrapolar? Si el esquema fuera de primer orden y le aplicaras el mismo /3, ¿qué le pasaría al resultado y qué le pasaría a la barra que anuncias con él?

Solución

(a) Con las dos sustituciones, 1/rA + 1/rB = 2/[R(ξ + η)] + 2/[R(ξ − η)], y sumando las dos fracciones el numerador es (ξ − η) + (ξ + η) = 2ξ y el denominador (ξ + η)(ξ − η) = ξ² − η²: queda 4ξ/[R(ξ² − η²)]. Un renglón. Y es el paso decisivo porque ese ξ² − η² del denominador es el mismo que aparece en el elemento de volumen y en el término de la derecha de la ecuación: al multiplicar los dos lados por (R²/2)(ξ² − η²) se cancela, y con él se van los dos polos de Coulomb a la vez. Sin esa coincidencia el cambio de coordenadas sería cosmética: habría dos infinitos escritos de otra manera. Que las singularidades desaparezcan en vez de mudarse es lo que permite que unas diferencias finitas de segundo orden lleguen a siete cifras.

(b) El núcleo A está donde rA = 0, o sea ξ + η = 0; como ξ ≥ 1 y η ≥ −1, la única solución es ξ = 1, η = −1. El B, simétricamente, ξ = 1, η = +1. Los dos están en el borde del dominio, que es toda la gracia: la parte fea del problema queda en la frontera y no en el interior. El plano perpendicular por el punto medio es rA = rB, es decir η = 0, que es una superficie coordenada. Por eso el nodo del antiligante es exacto: una función impar en η se anula en η = 0 idénticamente, para cualquier ξ y cualquier R, y eso es una propiedad de la simetría del problema y no del valor que devuelva ninguna cuadratura.

(c) Las dos diferencias son −1,102 056 + 1,100 327 = −0,001 729 y −1,102 489 + 1,102 056 = −0,000 433, y su cociente es 3,99. Al doblar la malla el error se divide por cuatro, luego el esquema es de segundo orden, que es lo que O(h²) exige. Y no se pueden publicar más de tres cifras de ese 3,99: las dos diferencias son restas de números de seis decimales, así que cada valor arrastra un redondeo de hasta 5 × 10⁻⁷ y cada diferencia, hasta 10⁻⁶ — un 0,06 % en la primera y un 0,2 % en la segunda, que es cuatro veces más pequeña—, y eso mueve el cociente en la segunda decimal. El guion, que divide los valores sin redondear, mide 3,986; con la tabla impresa sale 3,99. No son dos medidas distintas: es la misma medida, publicada con las cifras que cada camino sostiene.

(d) E ≈ E(h/2) + [E(h/2) − E(h)]/3 = −1,102 489 + (−0,000 433)/3 = −1,102 489 − 0,000 144 = −1,102 633 Eh. Contra el patrón, −1,102 634 2, quedan unos 9 × 10⁻⁷ Eh, o sea 8 × 10⁻⁷ relativo. Es unas tres veces peor que los 2,5 × 10⁻⁷ del par 250 × 40 / 500 × 80, y tenía que serlo: aquellas mallas son más finas, y con un esquema de segundo orden el error después de extrapolar sigue bajando al refinar. Lo interesante es lo otro: dos extrapolaciones que no comparten ni una malla caen a menos de 10⁻⁶ la una de la otra. Ésa es la barra que el método se pone a sí mismo, y no depende de ningún número de fuera.

(e) Porque el 3 del denominador es el orden: la receta general es E ≈ E(h/2) + [E(h/2) − E(h)]/(2p − 1), y 3 = 2² − 1 sólo vale si p = 2. Con un esquema de primer orden el divisor correcto sería 1, así que dividir por 3 corrige un tercio de lo que hacía falta: el número mejora un poco —seguiría siendo mejor que la malla fina sola— y por eso no canta, pero la barra que se anuncia con él es falsa por un factor grande. Segunda lección, y es la que da sentido a toda la letra pequeña de este artículo: el orden de convergencia no es una propiedad del esquema, sino del esquema aplicado a esta solución. Una singularidad mal absorbida, un coeficiente que no es suave o un borde que trunca demasiado pronto lo bajan sin avisar y sin que el resultado parezca raro. Medirlo cuesta una malla más; suponerlo cuesta publicar una barra que no existe. Y es exactamente por eso por lo que la barra de esta sección está medida en R = 2,00 a0 y no se extiende a la tabla de la curva: allí el dominio de ξ se queda corto y nadie ha vuelto a medir el orden.