李延偉 姚金環(huán) 楊建文 申玉芳 鄒正光

桂林理工大學(xué) 廣西桂林 541004

量子化學(xué)計(jì)算軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

李延偉 姚金環(huán) 楊建文 申玉芳 鄒正光

桂林理工大學(xué) 廣西桂林 541004

物質(zhì)結(jié)構(gòu)是物理化學(xué)的重要組成部分，這部分內(nèi)容理論性強(qiáng)、概念抽象，是物理化學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)。探討了Gaussian 09/GaussView軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，介紹了如何利用該軟件計(jì)算并分析分子的幾何結(jié)構(gòu)、分子軌道、電子布居分析和振動(dòng)光譜。結(jié)合Gaussian 09/GaussView進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)不僅能使抽象復(fù)雜的理論和概念變得形象、直觀、易于理解和接受，還能豐富課堂教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

Gaussian 09；GaussView；結(jié)構(gòu)化學(xué)；物理化學(xué)；教學(xué)

1 Gaussian 09/GaussView的主要功能與特點(diǎn)

Gaussian是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統(tǒng)中運(yùn)行，目前最新版本為Gaussian 09[6]。它是在半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算中使用最廣泛的計(jì)算化學(xué)軟件之一。Gaussian 09軟件的主要功能：預(yù)測(cè)分子能量和結(jié)構(gòu)；過(guò)渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)；分子軌道；多重矩；原子電荷和電勢(shì)；振動(dòng)頻率；紅外和拉曼光譜；核磁性質(zhì)；極化率和超極化率；熱力學(xué)性質(zhì)；反應(yīng)路徑。GaussView是Gaussian軟件的圖形界面軟件，它使Gaussian軟件的使用變得十分簡(jiǎn)單而直接，目前GaussView軟件的最新版本是GaussView 5.0。利用GaussView的3D結(jié)構(gòu)建構(gòu)工具可以構(gòu)建需要的分子結(jié)構(gòu)；從圖形接口建立、提交Gaussian計(jì)算工作，并實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)算過(guò)程；以最新的圖形顯示功能查看計(jì)算結(jié)果：顯示分子軌域和其他性質(zhì)的表面、光譜、振動(dòng)形式動(dòng)畫、幾何優(yōu)選過(guò)程和反應(yīng)路徑等。GaussView支持 Gaussian軟件所有功能，利用圖表工具產(chǎn)生計(jì)算工作的關(guān)鍵詞和選項(xiàng)參數(shù)、分子系統(tǒng)設(shè)定以及其他高階計(jì)算類型所需的輸入數(shù)據(jù)。

2 Gaussian 09/GaussView在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

(1)分子3D結(jié)構(gòu)建模與構(gòu)型優(yōu)化。GaussView是建立分子3D模型的強(qiáng)大工具，這里以水分子(H2O)為例，利用GaussView軟件構(gòu)建水分子的3D模型步驟如下：點(diǎn)擊軟件主界面上方的Element Fragment圖標(biāo)，在彈出的Select Element窗口中點(diǎn)擊O原子，在窗口下方選擇O的片段類型為Oxygen Tetravalent即可獲得水分子的3D空間模型(如圖1所示)。通過(guò)鼠標(biāo)操作可以對(duì)水分子進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等；此外，通過(guò)設(shè)置還可以調(diào)整分子中各個(gè)原子的顏色、分子中的鍵長(zhǎng)、鍵角等參數(shù)。

圖1 GaussView軟件界面及水分子3D結(jié)構(gòu)模型圖

將上述建立的水分子模型保存為Gaussian輸入文件(*.gjf)后，選擇合適的量子化學(xué)計(jì)算方法，以O(shè)PT為關(guān)鍵詞即可采用Gaussian 09軟件進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化。本文以精度相對(duì)較高的B3LYP/6-31G*方法對(duì)水分子進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，計(jì)算完成后用GaussView軟件打開輸出文件(*.out)，顯示水分子的3D結(jié)構(gòu)。通過(guò)GaussView軟件可以方便地查看水分子鍵長(zhǎng)、鍵角等幾何參數(shù)信息，還可以設(shè)置分子結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式，如Ball and Bond模型、Tube模型、Wireframe模型等(如圖2所示)。

圖2 水分子優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)圖

(2)分子軌道3D顯示及Mulliken布居分析。Gaussian軟件完成計(jì)算任務(wù)后，會(huì)生成一個(gè)檢查點(diǎn)文件(*.chk)，通過(guò)GaussView軟件打開該文件可以直觀地觀察分子的軌道能級(jí)和軌道空間分布(如圖3所示)。從圖中可直接看出各分子軌道填充的電子數(shù)和軌道能量值，可以直觀地顯示各分子軌道的3D圖形，軟件采用不同的顏色區(qū)分軌道的不同部分，它們與波函數(shù)的符號(hào)相對(duì)應(yīng)。在分子的總電子密度圖基礎(chǔ)上，通過(guò)表面顯示功能可以做出分子的靜電勢(shì)圖。

圖3 水分子的軌道能級(jí)結(jié)構(gòu)和軌道3D等高線圖

Mulliken布居分析是根據(jù)SCF計(jì)算給出的MO波函數(shù)，給出電子在原子上分布的簡(jiǎn)明信息的一種理論處理方法。分析這種布居對(duì)理解分子的極性、極化率、化學(xué)鍵強(qiáng)度以及化學(xué)反應(yīng)活性等都大有幫助[7]。GaussView軟件中的原子電荷顯示功能可以直觀地在分子中的原子上準(zhǔn)確地顯示電荷數(shù)值，使電荷分布一目了然。圖4是采用B3LYP/6-31G*方法計(jì)算得到的水分子的Mulliken電荷分布，從圖中可以看出水分子中的氧原子帶有部分負(fù)電荷，而氫原子帶有部分正電荷。

圖4 水分子的Mulliken電荷分布圖

(3)分子震動(dòng)光譜與解析

Gaussian軟件在構(gòu)型優(yōu)化基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算能量的二階導(dǎo)數(shù)，可以求得力常數(shù)，進(jìn)而得到分子的紅外光譜，此過(guò)程可以通過(guò)Gaussian程序中的Fre關(guān)鍵詞來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻率分析完成后，通過(guò)GaussView可以觀察分子內(nèi)部的各種震動(dòng)以及這些震動(dòng)對(duì)應(yīng)的紅外光譜。圖5所示的是水分子的震動(dòng)光譜以及對(duì)應(yīng)的3種振動(dòng)形式，圖中振動(dòng)原子按箭頭所指方向震動(dòng)。

圖5 水分子的各種震動(dòng)及其紅外光譜圖

Gaussian/GaussView軟件是一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)計(jì)算軟件，它能預(yù)測(cè)分子的微觀結(jié)構(gòu)信息，并將這些信息圖形化。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中運(yùn)用Gaussian 09/ GaussView量子化學(xué)計(jì)算軟件來(lái)輔助教學(xué)，不僅能使抽象的理論和概念變得形象、直觀、易于理解，還能提高教學(xué)效率、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，有必要發(fā)掘和利用這類軟件，使其在物理化學(xué)及其他相關(guān)課程教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

[1] 王光信,孟阿蘭,任志華.物理化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2] 劉長(zhǎng)久,李延偉,劉勇平.物理化學(xué)精品課程建設(shè)的教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].高教論壇,2010,1:21-22,35.

[3] 李延偉,姚金環(huán),劉長(zhǎng)久,等.物理化學(xué)課程教學(xué)改革與探索[J].廣東化工,2009,36(12):180,187.

[4] 徐順,張勇,趙曉洋,等.常用化學(xué)軟件多媒體教學(xué)軟件的開發(fā)研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2005,22(12):1142-1145.

[5] 姚金環(huán),李延偉,蔣錫福.應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)進(jìn)行化工原理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)[J].梧州學(xué)院學(xué)報(bào),2010,19(6):87-92.

[6] M.J. Frisch, et al., Gaussian 09 Revision A. 02, Gaussian, Inc, Wallingford, CT, 2009.

[7] 李延偉,章巖,尹鴿平,等.電場(chǎng)作用下分子導(dǎo)線的理論研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2006,27(2):292-296.

Application of quantum Chemistry software in the teaching of material structure

Li Yanwei, Yao Jinhuan, Yang Jianwen, Shen Yufang, Zou Zhengguang
Guilin university of technology, Guilin, 541004, China

Material structure is the import part of physical Chemistry. Material structure Chemistry has been the teaching diff culty of physical Chemistry due to the higher theoretical level a many abstract concepts. The application of Gaussian 09/GaussView software in the teaching of material structure is discussed in this article. In particular, the calculations and analysis of molecular geometric structure, molecular orbital, electron population, and vibration spectrum by Gaussian 09/GaussView software are introduced. The application of Gaussian 09/GaussView software in the teaching of material structure makes those complex theories and abstract concepts more vivid and visual and therefore can be understood easily and concretely by students. This can enrich teaching content, stimulate student’ interest.

Gaussian 09; GaussView; material structure; physical Chemistry; teaching

物質(zhì)結(jié)構(gòu)是研究原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系的學(xué)科，是物理化學(xué)的重要組成部分[1]。這部分內(nèi)容包括處理微觀粒子各種運(yùn)動(dòng)、原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，通過(guò)求解薛定諤方程來(lái)描述原子和分子中電子的排布和能量，探索化學(xué)鍵的本質(zhì)，揭示物質(zhì)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。由于這部分內(nèi)容涉及大量的數(shù)學(xué)物理知識(shí)，理論性強(qiáng)、概念抽象，學(xué)生學(xué)起來(lái)普遍感覺難度較大，是物理化學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)[2,3]。若能通過(guò)3D圖形將物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)可視化，將抽象、復(fù)雜的概念形象化，將使物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)過(guò)程變得簡(jiǎn)單、清晰，這對(duì)突破物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)效果將起到非常積極的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和量子化學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算軟件很容易將物質(zhì)的很多微觀結(jié)構(gòu)信息以3D圖像的形式直觀、形象地展現(xiàn)出來(lái)[4,5]。Gaussian/GaussView軟件就是一款具有這樣功能的典型量子化學(xué)計(jì)算軟件。本文將介紹如何利用該軟件計(jì)算并可視化分析分子的幾何結(jié)構(gòu)、分子軌道、電子布居和振動(dòng)光譜等微觀結(jié)構(gòu)信息。

2011-10-12

李延偉，博士，教授。

新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程“十一五”第五批立項(xiàng)項(xiàng)目“物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與方法改革研究與實(shí)踐”(編號(hào)：2009B040)；新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程2010年立項(xiàng)項(xiàng)目“新世紀(jì)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐”(編號(hào)：2010JGA029)。