分子形貌理论应用于原子间成键过程的动态变化的研究

发布时间：2020-04-06 04:18

【摘要】：分子形貌理论不仅能够精确地描绘出所选分子体系的形状和大小,同时能够形象生动地显示出分子的表面电子密度及特征。本文应用分子形貌理论,分别探讨了双原子体系和三原子体系成键过程的形貌动态变化。对成键过程进行了科学可视化,用静态漫画的方式和动画演示这两种方式描述分子形貌图变化的过程。具体的研究内容如下:(1)对于双原子体系分别研究了:H-F体系两原子由远到近成键过程、Li-F体系两原子由远到近成键过程的形貌动态变化,使用MP2/6-311++G(d,p)的基组和理论方法,计算获得H-F、Li-F体系成键过程的第一电离能。利用MELD软件包,结合自编程序,在hf/6-311++G(d,p)理论水平下,计算得到各个核间距下体系单电子作用势。计算了分子平面内禀特征轮廓点到原子核距离以及界面对应的电子密度,并且绘制了各体系的分子形貌图。(2)对于三原子体系分别研究了:O原子沿着H_2分子的H-H键方向由远到近进攻H_2分子过程、O原子沿着垂直于H_2分子的H-H键且经过H-H键键心的直线由远到近进攻H_2分子形成H_2O分子过程,在MP2/6-311++G(d,p)的基组和理论方法下,计算获得两种进攻过程中各个体系的第一电离能。使用MELD精密从头计算中的hf/6-311++G(d,p)方法,结合我们自编的分子形貌程序,计算分子中一个电子作用势的大小,进而获得分子各个内禀特征值以及这些值对应的边界电子密度,并绘制出分子形貌图。(3)围绕“科学可视化”这一主题。主要体现为两种形式:利用SAI等绘图软件,结合HF分子成键的分子形貌图变化,绘制漫画。利用PS等做图软件对HF分子成键和H_2O分子形成的形貌平面图进行修改和整合,以动画的形式展示出来。这两种方法都能够与理论计算结合起来,更加直观和形象地展现出分子成键时分子形貌的变化,同时也能让更多人对理论计算产生兴趣,体验化学科学的魅力。本文通过分子形貌理论,对分子的成键过程提供了更直观的认识。结合图像和动画,对研究分子成键过程也有了一种崭新的方向和认知。
【图文】：

曲线,第一电离能,原子,曲线

图 2.1 HF 的第一电离能分别随 H、F 原子之间距离变化曲线(a.u.)Fig. 2.1 The action of the first ionization energies with the distancebetween H and F atoms (a.u.) 中我们可以看出，随着 H-F 原子的核间距的增大，HF 体系的第先减小后逐渐增大再趋于平缓的趋势。其中，在 HF 分子稳定形33a.u.时的第一电离能是 0.5917hartree；而在 H-F 两原子将要结合.1.a.u.附近）达到第一电离能的最小值：0.4629hartree。表 2.2 LiF 分子的第一电离能 I E(能量/hartree)Table 2.2 The first ionization energies (hartree) of LiF molecules.u.) 核间距( ) E1E2IE 10.584 -106.9984 -106.7955 0.20 7.938 -106.9989 -106.7956 0.20 5.292 -107.0160 -106.7959 0.22 4.763 -107.0279 -106.7962 0.23 4.286 -107.0415 -106.7965 0.24 4.260 -107.0424 -106.7965 0.24 4.233 -107.0432 -106.7965 0.24 4.180 -107.0450 -106.7966 0.24

曲线,第一电离能,原子,曲线

图 2.2 LiF 的第一电离能分别随 Li、F 原子之间距离变化曲线(a.u.)Fig. 2.2 The action of the first ionization energies with the distancebetween Li and F atoms (a.u.)中，我们发现，在 Li-F 核间距从 2.0a.u.到 20.0a.u.这一系列体系间距的增大而逐渐减小在趋于平缓的，但是，在核间距从 1.0a.u由相对较低值 0.2436hartree 突然跳跃到一个最高值 0.4549hartre=H,Li)成键动态过程的分子形貌变化里，，我们要分别作出 H-F 组和 LiF 组在各个不同核间距的体系下，从而对体系的变化趋势作进一步的分析。首先，采用MP2/6-31先优化得到 A（H、Li）原子和 F 原子处于不同核间距情况下的构型，并获得体系的电子密度轮廓和每一点对应的电子密度的值 matlab 软件进行分子形貌图的绘制，如图 2.3 到图 2.4 所示。其图下方的颜色标尺代表的电子密度，标尺上的颜色变化对应了分变化，颜色的不同反映了不同的电子密度的大小，其中，蓝色区较大，而红色区域表示的是电子密度数值较小，从蓝到红是一个
【学位授予单位】：辽宁师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.1

【参考文献】