Квантово-химический расчет молекулы водорода

Лабораторная работа по HyperChem

Цель работы:

1. Ознакомление с программой для квантово-химических расчетов HyperChem.

2. Расчет молекулярных характеристик молекулы Н₂ полуэмпирическим методом MNDO.

СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Открыть программу HyperChem. Собрать на экране компьютера молекулу водорода (Н₂). Для этого необходимо воспользоваться опцией сборки объекта  рабочей палитры, а также выбрать "Н" в окне подменю "Defaultelement" из пункта главного меню "Build", предварительноустановив флажок напротив пунктов “AllowArbitraryValence” и "ExplicitHydrogen".

2. Скорректировать геометрию молекулы с помощью опции "Modelbuild" из пункта главного меню "Build".

3. Выбрать расчетный метод MNDO в подменю "Semi-empirical" из пункта главного меню "Setup". В окне "Options" подменю "Semi-empirical" указать заряд ("Totalcharge") - 0 и спиновую мультиплетность ("Spinmultiplicity") - 1. Кроме того, здесь же необходимо указать тип спинового ограничения расчетного метода: "RHF" выбирается в случае существованиязакрытой верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО), “UHF” – в случае открытой ВЗМО(в окне "Spinpairing").

4. Провести квантово-химический расчет с оптимизацией геометрии, используя окно "Semi-empiricalOptimization" подменю "GeometryOptimization" из пункта главного меню "Compute". Окно "Semi-empiricalOptimization" содержит ряд дополнительных опций (выбор алгоритма расчета и его точности). Запуск процедуры оптимизации осуществляется по кнопке "ОК" в окне "Semi-empiricalOptimization". Об окончании расчета свидетельствует появление надписи "Conv=YES" в информационной строке в нижней части рабочего окна HyperChem.

Занесите в отчет исходную информацию о выполняемом расчете (молекула, расчетный метод и тип спинового ограничения);

5. Запишите в отчет значение дипольного момента молекулы (в D). Для этого необходимо выбрать подменю "Showdipolemoment" в меню "Display". В информационной строке появится значение дипольного момента молекулы. В скобках указаны значения дипольного момента по осям.

6. Пользуясь опцией выделения фрагментов объекта  рабочей палитры определить межатомное расстояние. Для этого необходимо однократным щелчком левой клавиши мыши выделить соответствующий элемент (для определения межатомного расстояния необходимо выделить связь между атомами, для определения частичного заряда на атоме -один атом). Требуемая информация будет выведена в информационной строке в нижней части рабочего окна.

Записать значение межатомного расстояния (в Å) в отчет.

7. Построить энергетическую диаграмму и контурные диаграммы молекулярных орбиталей молекулы Н₂. Для этого воспользуйтесь опцией "Orbitals" пункта главного меню "Compute". На экране компьютера появится окно "Orbitals", в котором будет отображена энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей (МО). Каждая МО на диаграмме изображена горизонтальной чертой.

В нижней части окна "Orbitals" расположены дополнительные опции и информационные окна. Опция "Labels" позволяет нанести на энергетическую диаграмму значения энергий всех МО, а также указать условное распределение электронов по МО.

Если однократным щелчком левой клавиши мыши выделить на энергетической диаграмме одну из горизонтальных черт (орбталей), то:

- в окне "Energy" будет выведена энергия соответствующей МО (в эВ);

- с использованием клавиши "Plot" возможно построение контурной диаграммы соответствующей МО, а также контурной диаграммы распределения электронной плотности.

Для лучшего понимания формы контурной диаграммы используйте вращения  и перемещения  объекта рабочей палитры.

Изобразите в отчете контурные диаграммы и укажите энергию связывающей и разрыхляющей МО Н₂. Для этого необходимо построить МО и с помощью клавиши F9 сделать копию изображения и вставить его в отчет.

8. Провести расчет колебательного спектра молекулы Н₂. Для этого необходимо провести дополнительный расчет, воспользовавшись опцией "Vibrations" пункта главного меню "Compute".Приступая к выполнению этого дополнительного расчета, обратите внимание на то, что первоначально опция "VibrationalSpectrum" пункта главного меню "Compute" недоступна, а доступной является только опция "Vibrations". Об окончании расчета свидетельствует надпись в информационной строке в нижней части рабочего окна HyperChem "Computingtheforcematrix: done 100%".

После этого опция "VibrationalSpectrum" пункта главного меню "Compute" становится доступной. Воспользуйтесь этой опцией. На экране компьютера появится окно "VibrationalSpectrum". В этом окне будет схематически отображен колебательный спектр исследуемой молекулы, а также дополнительные опции и информационные окна.

Обратите внимание на колебательный спектр. Каждая полоса поглощения в спектре изображена вертикальной чертой. Для молекулы Н₂, как и для любой двухатомной молекулы, колебательный спектр будет состоять из одной единственной линии.

В нижней части окна "VibrationalSpectrum" расположены дополнительные опциии информационные окна.

Если однократным щелчком левой клавиши мыши выделить в спектре какую- либо линию, то

- в окне "Frequency" будет выведено волновое число (или частота колебаний) соответствующей спектральной линии (в см^-1).

- в окне "Intensity" будет указана относительная интегральная интенсивность данной спектральной линии.

Опция "Animatevibrations" позволяет наглядно изобразить на экране компьютера те колебания, наличие которых обусловливает появление выделенной линии в колебательном спектре. Для этого необходимо активизировать опцию "Animatevibrations" (об активизации опции свидетельствует наличие метки в небольшом квадратике слева от надписи "Animatevibrations"), а затем указать параметры "Frames" и "Amplitude", введя значения с клавиатуры. Для ознакомления с опцией примите значения параметров "Frames" и "Amplitude", заданные по умолчанию. После нажатия клавиши "Apply" в рабочем окне HyperChem будут схематически представлены колебания в виде анимационного изображения. Если окно "VibrationalSpectrum" закрывает анимационное изображение молекулы в рабочем окне HyperChem, следует переместить окно "VibrationalSpectrum". Нажатие клавиши "ОК" также приводит к появлению анимационного изображения, однако окно "VibrationalSpectrum" при этом будет автоматически закрыто. Запишите в отчет рассчитанную частоту (волновое число) колебаний связи молекулы H₂.