WWW.NEW.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Онлайн ресурсы
 

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

КОМПЬЮТЕРНАЯ ХИМИЯ

Учебно-методическое пособие для вузов

Составители:

Е.В. Бутырская, Л.С. Нечаева Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета Утверждено научно-методическим советом химического факультета 19 мая 2011 г., протокол № 5 Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. Ю.К. Тимошенко Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре аналитической химии химического факультета Воронежского государственного университета .

Рекомендуется для студентов 3-го курса очной формы обучения химического факультета .

Для специальности 020101 – Химия Лабораторная работа № 1

РАБОЧИЙ СТОЛ ПРОГРАММЫ GAUSSVIEW

Цель работы: изучение интерфейса программы GaussView; графическое построение химических структур с помощью GaussView .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение назначения программы GaussView .



2. Запуск программы GaussView .

3. Изучение назначения кнопок и окон программы GaussView .

4. Построение химических структур с помощью программы GaussView .

НАЗНАЧЕНИЕ ПРОГРАММЫ GAUSSVIEW

Программа GaussView является графическим редактором программы Gaussian, существенно облегчающим формирование стартовой структуры и входного файла для программы Gaussian и осуществляющим просмотр промежуточных и конечных результатов расчета. GaussView (GV) представляет собой набор подпрограмм, применяемых в сочетании с основной программой. Она позволяет получить графическое изображение молекулярных структур, осуществляет визуализацию вращения молекулы, облегчает формирование входных файлов; с ее помощью можно осуществлять запуск программы на решение .

ЗАПУСК ПРОГРАММЫ GAUSSVIEW

Кнопка запуска программы GV имеет вид. После открытия программы на экране монитора появляются контрольная панель (рис. 1) и активное окно (рис. 2), являющееся экраном для текущего фрагмента. Рабочий стол программы GaussView включает несколько окон, в дополнение к которым в ходе работы появляются другие диалоги .

Рис.1. Контрольная панель GaussView Рис. 2. Активное (рабочее) окно программы GaussView В верхней части контрольной панели расположена зона меню GV. Для расчета структуры и свойств молекулярной системы сначала необходимо построить ее графическое изображение в активном окне. Построение фрагментов изучаемой структуры может быть выполнено с помощью встроенных в программу баз данных. Для построения фрагментов имеется библиотека элементов и фрагментов. Фрагмент базы данных первоначально появляется на контрольной панели. Чтобы фрагмент, нарисованный на контрольной панели, появился в активном окне, нужно щелкнуть левой кнопкой мыши по той части активного окна, куда требуется поместить искомый фрагмент .

–  –  –





Для перемещения молекул в активном окне используют следующие сочетания клавиш .

С помощью левой кнопки (L) осуществляется вращение фрагмента в текущем окне. Shift + левая кнопка мыши – перемещение молекулы в плоскости экрана. Правая кнопка мыши (R) или Сtrl + левая кнопка мыши – перемещение молекулы перпендикулярно плоскости экрана. Если в активном окне имеются два несвязанных фрагмента, ими можно манипулировать как с отдельными фрагментами и как с целой структурой. При необходимости манипулирования с целой структурой используется описанное выше применение мыши. Для манипуляции с отдельным фрагментом дополнительно используется клавиша Аlt. Устанавливаем курсор на фрагмент, которым мы хотим манипулировать: Аlt + левая кнопка мыши – вращение фрагмента, Аlt + Shift + левая кнопка мыши – перемещение фрагмента в плоскости экрана .

Задание к лабораторной работе № 1

1. Построить с помощью программы GaussView следующие структуры, не закрывая предыдущую структуру при построении следующей .

–  –  –

2. Подписать символы элементов шрифтом 24 .

3. Сравнить сходственные длины связей и углы .

4. Научиться изменять длины связей и углы .

5. Научиться копировать структуру и вставлять ее в новое окно .

6. Показать радиусы Ван-дер-Ваальса .

7. В последней структуре использовать туман для улучшения восприятия .

8. Расположить все рисунки каскадом на рабочем столе .

9. Сохранить любую структуру как рисунок и вставить ее в Microsoft Word .

–  –  –

Цель работы: расчет энергии молекулярной структуры для фиксированной конфигурации ядер с помощью программы Gaussian; анализ результатов работы, выполняемой при использовании ключевого слова Single point Energy (SP) .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Анализ ключевого слова Single point Energy .

2. Построение в активном окне молекулы HF .

3. Запуск программы Gaussian, изучение диалоговых окон Job Type, Method, Title, Link 0 .

4. Анализ рассчитанной величины полной энергии, зарядов на атомах по Малликену, дипольного момента молекулы для конфигурации, заданной в активном окне .

КЛЮЧЕВОЕ СЛОВО SINGLE POINT ENERGY

Самый быстрый тип работ программы Gaussian – расчет энергии молекулы для фиксированной конфигурации многоатомной системы, или Single point Energy Calculation, этот тип работ используется по умолчанию. Он позволяет рассчитать полную энергию молекулы для той конфигурации молекулы, которая задана в активном окне. Это не обязательно структура, соответствующая минимуму энергии. Рассчитанная энергия включает в себя кинетическую энергию движения электронов для заданных межъядерных расстояний и все виды потенциальной энергии (взаимодействия электронов друг с другом, взаимодействия электронов с ядрами, взаимодействия ядер друг с другом). Это собственное значение электронного гамильтониана для фиксированных межъядерных расстояний, заданных исходной структурой .

Задание к лабораторной работе № 2

1. Открыть программу GaussView .

2. Построить молекулу фтороводорода HF и задать длину связи (R) между атомами фтора и водорода, равной 0,9 .

3. Выбрать пункт на контрольной панели Calculation Gaussian .

4. Во вкладке Job Type (тип работы) выбрать Energy, во вкладке Method – метод Хартри – Фока (Hartree – Fock) и базис (Basis Set) – 3-21G .

5. Во вкладке Title записать необходимые комментарии к задаче (используется только латинский шрифт) .

6. Во вкладке Link 0 идентифицировать имя checkpoint файла (%chk=) .

7. Выбрать путь Submit Save, ввести имя Input файла и сохранить его (кнопка Save); запустить расчет с использованием программы Gaussian, выбрав кнопку Oк .

8. После окончания расчета на контрольной панели программы GaussView выбрать File Open, указать тип файла Gaussian Output Files (*.out, *.log), открыть Output файл. На контрольной панели выбрать Results Summary, записать в табл. 1 в тетради энергию рассчитанной структуры и ее дипольный момент. На контрольной панели выбрать Results Charges и записать в табл. 1 заряды на атомах Н и F по Малликену .

9. Повторить расчет, выбрав расчетную схему, указанную в табл. 1, и заполнить таблицу .

Таблица 1 .

Рассчитанные энергия, дипольный момент и заряды на атомах молекулы фтороводорода различными методами и базисами

–  –  –

РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ ДИССОЦИАЦИИ

ДВУХАТОМНОЙ МОЛЕКУЛЫ И ЭНЕРГИИ СВЯЗИ

МНОГОАТОМНОЙ МОЛЕКУЛЫ

Цель работы: расчет энергий связей молекулярных структур с помощью программы Gaussian; анализ результатов работы, выполняемой при использовании ключевого слова Optimization .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Анализ ключевого слова Optimization .

2. Построение в активном окне молекул галогено- и углеводородов .

3. Оптимизация структур с помощью программы Gaussian .

4. Анализ рассчитанных величин полной энергии, зарядов на атомах по Малликену, дипольных моментов оптимизированных структур .

5. Расчет энергий фрагментов галогено- и углеводородов .

6. Расчет энергии диссоциации молекул галогеноводоров, энергий связей С–С, С=С, СС молекул этана, этилена и ацетилена соответственно .

7. Анализ корреляций «длина связи – энергия связи», «тип связи – энергия связи» .

КЛЮЧЕВОЕ СЛОВО OPTIMIZATION

Ключевое слово Optimization (OPT) означает требование выполнить оптимизацию структуры атомно-молекулярной системы. В процессе оптимизации в соответствии с используемым методом поиска экстремума изменяются длины связей и валентные углы исследуемой структуры, пока не будет найдена стационарная точка. Надо помнить, что поверхность потенциальной энергии многоатомной молекулы помимо глобального минимума может иметь большое число локальных минимумов и седловых точек. Используемые процедуры минимизации не позволяют отыскать глобальный минимум. Найденный в результате оптимизации экстремум может быть глобальным минимумом, а может и не быть им. Поиск экстремума наиболее часто заканчивается стационарной точкой, ближайшей к стартовой конфигурации системы; это может быть локальный минимум, глобальный минимум, переходное состояние или седловая точка высокого порядка. Поэтому при необходимости поиска глобального минимума систем, информация о структуре которых отсутствует, следует проводить оптимизацию из разных начальных точек, сравнивая затем значения энергии в точках различных локальных экстремумов. Целесообразно сначала просчитать структуры, используя простые методы и минимальные базисы, являющиеся более быстродействующими, оценить энергии оптимальных структур с помощью ключевого слова SP в хороших базисах, выбрать наиболее предпочтительную структуру, а затем использовать OPT с более точными методами и базисами. При выполнении типа работ OPT программа также вычисляет дипольный и высшие мультипольные моменты, поляризуемость, гиперполяризуемость, заряды на атомах, молекулярные орбитали .

Энергией связи (энергией диссоциации) двухатомной молекулы называется энергия D, необходимая для того, чтобы разъединить атомы, находящиеся на равновесном расстоянии друг от друга, и удалить их на расстояние, на котором они не взаимодействуют. Для многоатомных молекул эта величина является условной и отвечает энергии такого процесса, при котором данная химическая связь исчезает, а все остальные остаются без изменения .

–  –  –

13. Повторить процедуру для молекулы этилена H2C = CH2 и ацетилена HCCH, аналогично найти энергии двойной и тройной связи между атомами углерода. Данные занести в таблицу .

14. Построить график зависимости энергии связи углерод–углерод от кратности связи:

D, а .

1 2 3 (кратность Лабораторная работа № 4

ОПЦИИ ДИРЕКТИВЫ OPTIMIZATION

Цель работы: изучение главного окна программы Gaussian и опций директивы Optimization Z-Matrix, Restart, MaxCycle = N .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Анализ опций ключевого слова Optimization .

2. Формирование входных файлов оптимизации молекулярных структур в главном окне программы Gaussian без использования программы GaussView .

3. Частичная и полная оптимизация молекулярных структур с помощью программы Gaussian .

4. Прерывание процесса оптимизации молекулярной структуры с последующим возобновлением прерванного расчета .

5. Выполнение оптимизации молекулярной структуры с максимальным числом шагов оптимизации, задаваемых пользователем .

ОПЦИИ ДИРЕКТИВЫ OPTIMIZATION Z-MATRIX, RESTART,

MAXCYCLE = N Опция директивы Optimization Z-Matrix используется тогда, когда необходимо провести частичную оптимизацию (т.е. в процессе оптимизации изменять только указанные пользователем длины связей и углы, а другие геометрические параметры оставить фиксированными). В этом случае будут оптимизироваться длины связей и углы, обозначенные как переменные (Variables), а обозначенные как постоянные (Constants) оптимизироваться не будут. Однако, если опция Z-Matrix не будет указана, оптимизироваться будут все длины связей и все углы, даже если они указаны как постоянные. Опция директивы Optimization Restart используется тогда, когда необходимо продолжить прерванную оптимизацию. Опция директивы Optimization MaxCycle = N используется тогда, когда необходимо установить количество шагов оптимизации, равное N (по умолчанию N = 20). Если число шагов превышает N, то программа прорывает работу и в конце выходного файла указывает ошибку (error L999) .

–  –  –

В первом варианте все длины связей и углы молекулы Н2О2 обозначены переменными и будут варьироваться в процессе оптимизации .

В этом случае опцию Z-matrix директивы Оptimization можно не указывать, поскольку варьируются все переменные. Во втором варианте переменными обозначены R2, A и D. Расстояние R1 (длина ОН связи) задано как постоянная величина (Constants: R1 = 0.95) и не будет изменяться в процессе оптимизации .

Для выполнения задания необходимо:

1. Открыть главное окно программы Gaussian (рис. 3) и окно ввода данных Пуск Gaussian File new, (рис. 4)

–  –  –

1. Сформировать структуру молекулы пропана с помощью программы

GaussView и подготовить к запуску вычислительный процесс:

– тип работы – Optimization,

– метод Hartree–Fock, базис 6-31G(d, p) .

2. ОзаглавитьTitle и checkpoint файл .

3. Запустить программу Gaussian на решение. После выполнения нескольких циклов работы в строке меню главного окна программы Gaussian нажать Process Kill job (уничтожение работы) .

4. Закрыть главное окно программы Gaussian .

5. Для возобновления прерванной оптимизации открыть главное окно программы Gaussian и входной файл прерванной программы посредством пути Пуск Gaussian File Open. Модифицировать запись в Route Section, заменив ключевое слово Opt на Оpt=restart .

6. Запустить программу Gaussian с помощью кнопки Run окна ввода исходных данных (рис. 4) .

Программа продолжит расчет, стартовав с момента прерывания .

–  –  –

и подготовить к запуску вычислительный процесс:

– тип работы – Optimization,

– метод Hartree-Fock, базис 6-31G (d, p),

2. ОзаглавитьTitle и checkpoint файл .

3. Запустить программу Gaussian. Предложенная структура далека от оптимальной, программе не хватит 20 циклов для завершения оптимизации и она выдаст ошибку расчета (error L999). Не закрывая главного окна программы Gaussian, в программе GaussView открыть Output файл рассчитываемой системы, затем – текстовый Output файл (кнопка зоны меню GaussView) .

4. В конце текстового файла найти тип ошибки прерывания работы .

5. В случае ошибки error L999 в зоне меню главного окна программы Gaussian (рис. 3) выбрать File Modify, в открывшемся окне ввода входных данных (рис. 4) в строке Route Section установить максимальное число циклов равным 40. Это достигается посредством замены директивы Opt на Opt=Maxcycle=40 .

6. Запустить программу с помощью кнопки Run окна ввода данных программы Gaussian (рис. 4) .

Лабораторная работа № 5

ПОСТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

ДВУХ- И ТРЕХАТОМНЫХ МОЛЕКУЛ

Цель работы: расчет орбитальных энергий, построение изображений и аналитических выражений молекулярных орбиталей химических систем .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение понятий «орбитальная энергия», «молекулярная орбиталь» (МО) .

2. Формирование входных файлов для построения МО, изучение локализации орбитальных энергий и коэффициентов молекулярных орбиталей в выходном файле программы Gaussian .

3. Построение геометрического образа молекулярных орбиталей систем LiH, CO2, F2O .

4. Построение аналитических выражений молекулярных орбиталей систем LiH, CO2, F2O .

Задание к лабораторной работе № 5

1. Построить молекулу LiH в активном окне программы GaussView .

2. Подготовить к запуску вычислительный процесс: тип работы – Energy, метод – Hartree – Fock, 3-21G, в строке Additional Keywords написать pop=reg; озаглавить Title и checkpoint файл .

3. Запустить программу Gaussian на решение .

4. После окончания расчета открыть checkpoint файл, выбрать Results Surface .

5. Заполнить окно Cubes Available посредством выбора New Cube из меню Cube action. В меню Kind (тип) выбрать molecular orbital. В меню orbitals выбрать HOMO (высшая занятая молекулярная орбиталь), в соседней справа графе подставиться 2. В меню Grid (сетка) установить Coarse (грубая) Оk .

6. В поле Add views for new surfaces поставить флажок, в строке isovalue for new surfaces указать 0.02 .

7. В меню Surface action выбрать New surface. Открыть диалоговые окна. На панели General выбрать «показать оси координат»

Display Format (Show Cartesian Axes), на панели Surface выбирать по очереди 3 возможных вида отображаемой поверхности; зарисовать в тетрадь вид орбитали HOMO .

8. Повторить п. 5–7 для LUMO орбитали (низшая свободная молекулярная орбиталь) .

9. Нажать кнопку (Molecular Orbital Editor) на контрольной панели программы Gaussview для изображения орбитальных энергий молекулы .

10. В GaussView открыть Output файл рассчитываемой молекулы, затем – текстовый Оutput файл (кнопка зоны меню GaussView). В открывшемся файле найти таблицу Molecular Orbital Coefficients (табл. 3). В данной таблице указаны номера молекулярных орбиталей (1 строка), тип симметрии (2 строка), орбитальные энергии (3 строка). Первый столбец таблицы показывает номера атомных орбиталей, второй – номера атомов исследуемой молекулы, третий – химические символы атомов, четвертый – типы атомных орбиталей. Далее в столбцах приведены коэффициенты разложения сi молекулярных орбиталей j по базисным функциям i (атомным орбиталям) j = cij i. Каждый столбец при этом соответствует МО, i номер которой указан в первой строке таблицы. Коэффициенты молекулярных орбиталей определяют вклад соответствующей атомной орбитали в молекулярную орбиталь. Базисные функции i известны и фиксированы в пределах каждого базисного набора, i встроены в программу Gaussian .

Рассмотрим пример построения НСМО (№ 3) молекулы LiH, коэффициенты сi для которой приведены в табл. 3:

Таблица 3 Коэффициенты молекулярных орбиталей молекулы LiH (Molecular Orbital Coefficients) (SG)--O (SG)--O (SG)--V (PI)--V (PI)--V EIGENVALUES -- -2.42020 -0.30240 0.00465 0.05024 0.05024 11 Li 1S 0.99051 -0.14806 -0.10673 0.00000 0.00000 2 2S 0.06799 0.19386 -0.08828 0.00000 0.00000 3 2PX 0.00000 0.00000 0.00000 0.07206 0.00000 4 2PY 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.07206 5 2PZ 0.00376 -0.21054 0.18020 0.00000 0.00000 6 3S -0.02544 0.19479 0.81309 0.00000 0.00000 7 3PX 0.00000 0.00000 0.00000 0.95589 0.00000 8 3PY 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.95589 9 3PZ -0.00268 -0.06013 0.54073 0.00000 0.00000 10 2 H 1S 0.00247 0.25808 -0.04538 0.00000 0.00000 11 2S -0.00196 0.44790 -0.05728 0.00000 0.00000 (SG)--V (SG)--V EIGENVALUES -- 0.12827 0.18745 11 Li 1S 0.01614 -0.12752 2 2S 0.17951 1.30082 3 2PX 0.00000 0.00000 4 2PY 0.00000 0.00000 5 2PZ -0.38215 0.72827 6 3S -0.74467 -1.13963 7 3PX 0.00000 0.00000 8 3PY 0.00000 0.00000 9 3PZ 1.02939 -0.33925 10 2 H 1S 0.08105 -0.01829 11 2S 0.45145 0.17237 1s, 2s, 2pz, 3s, 3pz атомные орбитали лития и 1s, 2s атомные орбитали водорода дают вклад в НСМО молекулы LiH.

В соответствии с разложением j = cij i получаем:

i 3 = 0,10673 1S ( Li ) 0,08828 2 S ( Li ) + 0,18020 2 PZ ( Li ) + 0,81309 3 S ( Li ) + + 0,54073 3 PZ ( Li ) 0,04538 1S ( H ) 0,05728 2 S ( H )

11. Выполнить п. 1–10 для молекул CO2, F2O .

Лабораторная работа № 6

СКАНИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Цель работы: расчет поверхности потенциальной энергии молекулярных систем, изучение ключевого слова Scan .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение понятия «поверхность потенциальной энергии» (ППЭ) молекулярной системы .

2. Формирование входных файлов для целей сканирования ППЭ .

3. Сканирование ППЭ системы Li+H2O при изменении расстояния Li–O, изучение выходного файла программы Gaussian (ключевое слово Scan) .

4. Построение профиля ППЭ системы Li+H2O .

ППЭ МНОГОАТОМНОЙ СИСТЕМЫ

Поверхностью потенциальной энергии многоатомной молекулы называется зависимость потенциального поля, в котором движутся ядра, от всех независимых геометрических координат молекулы. Расчет поверхности потенциальной энергии молекулы задается с помощью ключевого слова Scan .

–  –  –

РАСЧЕТ ПОРЯДКОВ СВЯЗЕЙ В МОЛЕКУЛАХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Цель работы: расчет порядков связей в многоатомных системах с помощью ключевого слова AIM=BondOrders .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение понятия «порядок связи в молекулярной системе» .

2. Формирование входного файла и расчет порядков связей в молекулах этана С2Н6, этилена С2Н4 и ацетилена С2Н2 .

3. Изучение выходного файла программы Gaussian (ключевое слово AIM=BondOrders) .

ПОРЯДОК СВЯЗИ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ СИСТЕМЕ

Порядок связи между двумя атомами в молекуле – число пар валентных электронов, находящихся между данными атомами в рассматриваемой молекуле .

–  –  –

1. Построить молекулу этана С2Н6 в активном окне программы GaussView;

2. На контрольной панели выбрать Calculation Gaussian .

3. Подготовить к запуску вычислительный процесс оптимизации:

– тип работы Optimization;

– метод – DFT/B3LYP, базис 6-31G(d,p) .

4. Озаглавить Title и checkpoint файл .

5. Запустить программу Gaussian на решение и завершить процесс оптимизации .

Задание 2 к лабораторной работе № 7 (расчет порядков связей молекулы углеводорода)

–  –  –

8. Повторить процедуру расчета (задания 1 и 2) для молекул этилена С2Н4 и ацетилена С2Н2 .

Лабораторная работа № 8

РАСЧЕТ ИК-СПЕКТРА МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ И СИСТЕМЫ LI+H2O

Цель работы: расчет ИК-спектров многоатомных молекул, визуализация рассчитанных ИК-спектров и анимация колебаний с помощью программы GaussView .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение понятий «нормальные колебания, форма нормального колебания, характеристичность колебаний» .

2. Формирование входного файла и расчет ИК-спектров молекул H2O и + Li H2O (ключевое слово Opt+Freq) .

3. Визуализация рассчитанных ИК спектров и анимация колебаний с помощью программы GaussView .

Задание к лабораторной работе № 8

1. Построить молекулу H2O в активном окне программы GaussView;

2. В зоне меню GaussView выбрать Calculation Gaussian .

3. Подготовить к запуску вычислительный процесс:

– тип работы Opt+Freq (оптимизация и расчет ИК-спектра);

– метод – DFT/B3LYP, базис 6-31G(d,p) .

4. Озаглавить Title и checkpoint файл .

5. Запустить программу Gaussian на решение .

6. После окончания расчета открыть в GaussView Output файл, выбрать в зоне меню Results Vibrations, в открывшемся окне Display Vibration показаны частоты колебаний и интенсивности линий спектра исследуемой молекулы .

7. Для анимации колебаний нажать в окне Display Vibration кнопку

Start, зарисовать форму колебаний молекулы воды:

валентное валентное асимдеформационное симметричное метричное asim sim

8. Записать в тетрадь значения частот колебаний молекулы воды:, sim, asim .

9. Для визуализации ИК-спектра в окне Display Vibration нажать на кнопку Spectrum, схематически зарисовать ИК-спектр молекулы воды и указать значения частот колебаний на рисунке .

10. Повторить процедуру для системы Li+H2O. Сравнить рассчитанные частоты колебаний молекулы H2O в данной системе со значениями, полученными для молекулы воды. В чем проявляется свойство характеристичности колебаний?

Лабораторная работа № 9

РАСЧЕТ ПУТИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Цель работы: расчет переходного состояния и пути химической реакции с помощью программы Gaussian, изучение опции QST2 ключевого слова OPT, ключевого слова IRC и папки Еxamples программы Gaussian .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение понятий «переходное состояние», путь «химической реакции» .

2. Изучение папки Еxamples программы Gaussian .

3. Расчет переходного состояния и пути химической реакции превращения формальдегида в гидроксикарбон .

4. Визуализация переходного состояния и пути химической реакции с помощью программы GaussView .

ПУТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

В терминах поверхности потенциальной энергии (ППЭ) химическая реакция означает переход молекулярной системы из одного минимума ППЭ, соответствующего исходным веществам, в другой, отвечающий продуктам реакции. Путь, соответствующий минимальному изменению энергии системы при таком переходе, называется путем реакции. Путь реакции всегда проходит через седловую точку на поверхности потенциальной энергии. Среди множества траекторий перемещения по ППЭ из одного минимума в другой именно эта траектория будет обладать минимальной высотой энергетического барьера. Длина дуги на пути реакции, взятая с соответствующим знаком и отсчитываемая от седловой точки до текущей точки на пути реакции, называется координатой реакции данной текущей точки .

Конфигурацию системы, соответствующую седловой точке на пути реакции, называют переходным состоянием, ей соответствует координата реакции, равная 0. В программе Gaussian принимается, что если текущая точка смещена от седловой в сторону исходных веществ, то координата реакции отрицательна, в противном случае – положительна. Сечение ППЭ по координате реакции называют энергетическим профилем химической реакции .

По нему можно оценить высоту барьера, который необходимо преодолеть при осуществлении как прямой, так и обратной реакции, т.е. оценить энергии активации этих реакций. Переходное состояние является стационарной точкой поверхности потенциальной энергии многоатомной системы, поэтому его поиск осуществляется ключевым словом Opt. Поиск переходного состояния осуществляют три опции TS, QST2, QST3 ключевого слова Opt .

Опция QST2 использует метод квадратичного синхронного транзита (Quadratic Synchronous Transit approach). Для расчета пути химической реакции и построения ее энергетического профиля в Gaussian используется ключевое слово IRC (Intrinsic Reaction Coordinate calculation). Эта процедура подразумевает, что предварительно с помощью TS, QST2 или QST3 найдено переходное состояние и информация о нем находится в checkpoint файле .

Процедура IRC осуществляет спуск с фиксированным шагом из седловой точки по пути реакции к точкам на ППЭ, отвечающим исходным реагентам и продуктам реакции .

Задание к лабораторной работе № 9

1. Открыть Input файл примера e8_04 папки Еxamples программы Gaussian (Пуск Gaussian file open examples e8_04). Данный входной файл состоит из двух шагов (убедиться в этом, нажав кнопку Additional Steps, рис. 4). На первом шаге в строке Route Section указано ключевое слово Opt=QST2 для вычисления переходного состояния изучаемой реакции изомеризации. В окне молекулярной спецификации (Molecule Specification) указаны координаты исходной структуры (формальдегида) и структуры продуктов реакции (гидроксикарбона). На втором шаге осуществляется расчет пути химической реакции с помощью ключевого слова IRC .

2. Запустить программу Gaussian на решение с помощью кнопки Run (рис. 4) .

3. После окончания расчета в программе GaussView открыть Оutput файл, затем выбрать Results IRC; зарисовать график зависимости энергии системы от координаты реакции .

4. Открыть текстовый Оutput файл (кнопка View File на контрольной панели). В открывшемся файле имеется таблица Summary of reaction path following. Найти в таблице значения энергии, соответствующие седловой точке, начальной и исходной структуре, и обозначить их на графике .

–  –  –

РАСЧЕТ СПЕКТРА ЯМР

Цель работы: расчет спектра ЯМР с помощью программы Gaussian, изучение ключевого слова NMR, изучение графического изображения спектра ЯМР в редакторе GaussView .

Оборудование: персональный компьютер с установленными программами Gaussian и GaussView .

Этапы работы:

1. Изучение понятий «ядерный магнитный резонанс», «константа экранирования», «химический сдвиг» .

2. Расчет константы экранирования и химического сдвига протона в молекуле этилового спирта (газовая фаза) .

3. Визуализация спектра ЯМР с помощью программы GaussView .

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение энергии переменного электромагнитного поля веществом, которое находится в постоянном магнитном поле. Для получения спектра ЯМР вещество помещается в постоянное магнитное поле индукции В0. При этом угловой момент ядра ориентируется вдоль направления поля так, что его проекция на направление магнитного поля может принимать значения Pz = m h, m = I, I 1,L, I, где m – магнитное квантовое число ядра .

Поэтому в магнитном поле каждый энергетический уровень ядра расщепляется на 2 I + 1 подуровней. Переменное электромагнитное поле может индуцировать переходы, если его частота соответствует энергетической разности между этими подуровнями. Расщепление уровней мало, соответствующая частота лежит в радиодиапазоне (1–10 МГц). В молекуле ядра окружены электронами и другими атомами. Поэтому ядра в определенной степени экранированы и эффективная индукция магнитного поля на ядре зависит от окружения рассматриваемого ядра .

B эфф = (1 ) B 0, где – постоянная экранирования .

Поскольку резонансная частота определяется индукцией эффективного поля, она зависит от постоянной экранирования. Поэтому молекулы, содержащие однотипные ядра (например, протоны) с различным окружением и с различными, будут иметь различные частоты поглощения. Сдвиг частоты поглощения для однотипных ядер, обусловленный различием в постоянных экранирования, называют химическим сдвигом. По частоте линии в спектре ЯМР можно сделать вывод об окружении ядра, вызывающего эту линию. При получении спектров ЯМР выбирают эталон – некоторую молекулу, содержащую исследуемые ядра. Химический сдвиг для линий других молекул, обусловленный этими ядрами, рассматривают относительно частоты эталона. Для ядер 1Н и 13С за эталон обычно принимают спектр ЯМР тетраметилсилана .

Задание к лабораторной работе № 10

1. Построить молекулу этилового спирта в активном окне программы GaussView .

2. Оптимизировать структуру методом Hartree – Fock в базисе 6G(d) .

3. После оптимизации открыть выходной файл и запустить расчет спектра ЯМР вышеуказанным методом и базисом: тип работы – NMR .

4. После окончания расчета открыть в GaussView Оutput файл, выбрать в зоне меню GaussView Results NMR .

5. Выбрать на открывшейся NMR панели element H, в данном случае будут показаны константы экранирования ядер 1Н .

6. Зарисовать спектр ЯМР протона 1Н и обозначить константы экранирования на рисунке .

7. Для исследования химических сдвигов протона 1Н относительно тетраметилсилана (TMS) необходимо на панели NMR выбрать пункт Reference TMS HF/6-31G(d) GIAO .

8. Зарисовать спектр ЯМР протона 1Н и обозначить химические сдвиги ядер на рисунке .

ЛИТЕРАТУРА

1. Foresman J.B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure methods / J.B. Foresman, A. Frisch. – Pittsburgh : Gaussian, Inc., 1996. – 301 p .

2. Бутырская Е.В. Компьютерная химия: основы теории и работа с программами GAUSSIAN и GAUSSVIEW / Е.В. Бутырская. – М. : Солон-Пресс, 2011. – 224 с .

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1 …………………………………………………..... 3 Лабораторная работа № 2 ……………………………………………………. 7 Лабораторная работа № 3 …………………………………………………..... 9 Лабораторная работа № 4 ……………………………………………………. 12 Лабораторная работа № 5 ……………………………………………………. 16 Лабораторная работа № 6 ……………………………………………………. 18 Лабораторная работа № 7 ……………………………………………………. 20 Лабораторная работа № 8 ……………………………………………………. 21 Лабораторная работа № 9 ……………………………………………………. 23 Лабораторная работа № 10 …………………………………………………… 24 Литература …………………………………………………………………….. 27

–  –  –

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета .

394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. (факс): +7 (473) 259-80-26 http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: pp_center@ppc.vsu.ru




Похожие работы:

«1 АТОМНАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ. Глава 2. Квантовые и волновые свойства вещества.2.1. Экспериментальные обоснования структуры атомов. Атом – наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Само с...»

«НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ "ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ" http://chem.wood.ru + 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, АлтГУ тел. / факс (3852) 29-81-36 e-mail: journal@chemwood.asu.ru ПРАВИЛА ДЛЯ АВТОРОВ ЖУРНАЛА "ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ"* Общие положения В журнале "Химия растительного сырья" публикуются оригинальные научные сообщен...»

«Вопросы минимизации затрат суммарной характеристической скорости, необходимой для обслуживания и восполнения спутниковых систем на некомпланарных круговых орбитах # 09, сентябрь 2013 DOI: 10.7463/0913.0598333 Баранов А. А., Гришко Д. А. УДК 629.786,...»

«Национальная академия наук Украины И нститут проблем безопасности атом ны х электростанций С ерия "Т еплоф изика атом ны х электростанций" ТЕПЛОФИЗИКА ПОВРЕЖДЕНИЙ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК М он ограф и я Ч ерн об ы ль 2013 УДК 621.039.548:536 ББК 31.46-08+22.36 Т...»

«Вестник СГГА, вып. 3 (27), 2014 УДК 528 (091) 528 (092) ЛОГИСТИЧЕСКИЙ ЗАКОН РАЗВИТИЯ ГЕОДЕЗИИ КАК ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ПРЕДОПРЕДЕЛЕННОСТЬ Мария Леонидовна Синянская Сибирская государственная геодезическая академия, 630108,...»

«УДК 550.388.2 ВОЗМОЖНОСТИ МАГНИТНО-ИОНОСФЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В ЗАДАЧАХ ПРОГНОЗА И ДИАГНОСТИКИ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОБЫТИЙ Анастасия Юрьевна Белинская Геофизическая обсерватория Ключи АСФ ГС СО РАН, 630090, Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, научный сотрудник лаборатории солнечно-земной физики, тел. (383)-330-24-86, e-mail: anbell@ngs...»

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ кафедра физики колебаний Дипломная работа студента 6 курса Гоморева Михаила Алексеевича ШУМЫ В СИСТЕМАХ ГЛОБАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Допущен к защите " " декабря 2008 го...»

«КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ Е.Н. ДУЛОВ, Р.Р. ГАЙНОВ, Н.Г. ИВОЙЛОВ ПРОХОЖДЕНИЕ АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО Казань УДК 539.164 Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАУ ВПО "Казанский (Приволжский) фе...»

«Неорганическая химия УДК 546.7+546.56 СИНТЕЗ И ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДВОЙНЫХ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ АНИОН [FeMn(CN)6]2– Д.П. Домонов, С.И. Печенюк, А.Н. Гостева, И.В. Кривцов Изучен синтез и термическое разложение двойных ко...»








 
2018 www.new.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - онлайн ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.