Gaussian軟件繪制苯分子軌道實驗報告

1、西南大學化學化工學院物理化學實驗報告實驗名稱 苯分子軌道和電子結(jié)構(gòu) 級 班 姓名 學號 同組人 指導老師 實驗日期 年 月 日實驗環(huán)境 室溫       大氣壓    mmHg  儀器型號 實驗?zāi)康?（1）掌握休克爾分子軌道法的基本內(nèi)容（2）學會用休克爾分子軌道法分析和計算苯分子軌道分布（3）學會用計算的化學方法研究簡單分子的電子結(jié)構(gòu) 實驗原理基本理論離域鍵:形成鍵的電子不局限于兩個原子的區(qū)域,而是在參加成鍵的多個原子形成的分子骨架中運動,這種由多個原子形成的型化學鍵稱為離域鍵共軛效應(yīng):形成離域

2、鍵,增加了電子的活動范圍，使分子具有特殊的物理化學性質(zhì),這種效應(yīng)稱為共軛效應(yīng)分子軌道法:原子組合成分子時，原 來專屬于某一原子的電子將在整個分子范圍內(nèi)運動，其 軌道也不再是原來的原子軌道，而 成為整個分子所共有的分子軌道休克爾分子軌道法：為了討論共軛體系的分子軌道，1931年休克爾應(yīng)用LCAO-MO(分子軌道的原子線性組合)法，采用簡化處理，解釋了大量有機共軛分子性質(zhì)，該方法稱為休克爾分子軌道法，簡稱HMO法。該方法針對平面共軛體系的主要特點，能給出離域鍵體系的基本性質(zhì)休克爾分子軌道法主要運用了下列基本假設(shè) :-分離體系:對于共軛分子，構(gòu) 成分子骨架的電子與構(gòu)成共軛體系的電子由于對稱性不同，在

3、 討論共軛分子的結(jié)構(gòu)時，可以近似的看成互相獨立的，把 電子和電子分開處理.獨立電子近似:分子中的電子由于存在相互作用，運動不是獨立的，但 若將其它電子對某電子的作用加以平均， 近似地看成是在核和其它電子形成的固定力場上運動， 則該電子的運動就與其它電子的位置無關(guān)，是 獨立的.LCAO-MO近似:對于體系，可 將每個分子軌道看成是由各個碳原子提供的對稱性匹配的p軌道 i 進行線性組合得的.=C11 + C22 + + CNNhuckel近似:認為每個電子在每個原子核附近運動時的能量相同休克爾分子軌道法基本內(nèi)容在分子中把原子核、內(nèi)層電子、非 鍵電子連同電子一起凍結(jié)為“分子實”，構(gòu) 成了由鍵相連的分

4、子骨架，電子在分子骨架的勢場中運動。由此，可 寫出一個電子的Hamilton算符及軌道方程 H=E（ 1-1）.采用變分法,電子分子軌道表示為所有碳原子的對稱性匹配的p原子軌道的線性組合: =C11 + C22 + + CNN（1-2）. 代入（1-1）式，按 線性法處理得有關(guān)系數(shù)線性齊次方程組 :（ H11-E）C 1+（ H12-ES12）C 2+（ H1N-ES1N）= 0 （ HN1-E）C 1+（ HN2-ESN2）C 2+（ HNN-ES1N）=0 （1-3）. 式中已假定原子軌道是歸一化的，H rr,Srr代表能量積分及重疊積分:H rs=rHdt, Srs=rsdt (1-4)

5、 .進一步的近似假定（1）H rr=(r=1,2,N),稱之為庫倫積分（2）H rs=對應(yīng)于原子r和s鄰近，否 則=0（3） 稱為共振積分S rr=0(rs) 即為忽略重疊近似做上述處理后久期方程可化為:(1-5)進一步做變換，X =（-E）/ ，式（1-5）的 非零解方程化為（1-6）由上述方程通過求X得N個E i值并回代到久期方程，再 結(jié)合歸一化條件得分子軌道組合系數(shù)Cik及i 苯環(huán)的分子軌道計算苯分子骨架圖1、2 、 3 、 4、 5 、 6是苯環(huán)6個電子的原子軌道波函數(shù)，根 據(jù)分子軌道法,每個電子的軌道波函數(shù)，可表示為:=C 1 1+C 2 2+C 3 3+C 4 4+C 5 5+C

6、6 6（ 2-1）軌道系數(shù)方程 （2-2）久期方程 （2-3）展開行列式 X 6 - 6 X4 + 9 X 2- 4=0X的六個解 X 1=-2；X 2，X 3=-1；X 4，X 5=1，X 6=2 分子軌道能量分子軌道系數(shù)： 將每一軌道能量值或X值代入（ 2-2）并 結(jié)合詭歸一化條件，可以求出相應(yīng)分子軌道的組成系數(shù)，例如，對于X=2時（ 2-2）式 具體形式為 （2-4）去掉第一個方程，將 C1移到等號右邊 （2-5）可解得 C 1= C 2= C 3= C 4= C 5= C 6結(jié)合歸一化條件得 （2-6）軌道波函數(shù)為實驗相關(guān)軟件Gaussian 98 程序包 Gaussian 圖形查看程

7、序Gview2實驗步驟（1）構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)（2）編寫輸入文件（3）結(jié)果查看，數(shù)據(jù)統(tǒng)計（4）同樣的方法研究丁二烯的分子軌道和電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)記錄與處理一、苯分子（1）苯的六個軌道形狀和能量軌道數(shù)能量圖形軌道數(shù)能量圖形17-0.5085920-0.3390521-0.33905220.15131230.15131290.37564（2）苯分子中離域鍵的鍵長1.3840（3）苯分子中碳原子和氫原子的電荷C -0.239313H 0.239313二、丁二烯分子（1）丁二烯分子的軌道形狀和能量軌道數(shù)能量圖形14-0.4480015-0.32517160.13185170.27061（2）丁二烯分子中離域鍵的鍵

8、長C=C 1.320C-C 1.470（3）丁二烯分子中碳原子和氫原子的電荷 1 C -0.411892 2 C -0.246730 3 C -0.246730 4 C -0.411892 5 H 0.210945 6 H 0.217048 7 H 0.230629 8 H 0.230629 9 H 0.217048 10 H 0.210945 實驗討論（1） 什么是離域鍵?離域鍵：形成鍵的電子不局限于兩個原子的區(qū)域,而是在參加成鍵的多個原子形成的分子骨架中運動,這種由多個原子形成的型化學鍵稱為離域鍵（2） 什么是共軛效應(yīng)?共軛效應(yīng)：形成離域鍵,增加了電子的活動范圍，使分子具有特殊的物理化學性

9、質(zhì),這種效應(yīng)稱為共軛效應(yīng)（3） 寫出苯的HMO列式方程，并由此計算出相應(yīng)的6個分子軌道波函數(shù).（4） 寫出丁二烯的HMO列式方程，并由此計算出相應(yīng)的4個分子軌道波函數(shù).（5） 簡述克爾分軌道法的基本內(nèi)容.為了討論共軛體系的分子軌道，1931年休克爾應(yīng)用LCAO-MO(分子軌道的原子線性組合)法，采用簡化處理，解釋了大量有機共軛分子性質(zhì)，該方法稱為休克爾分子軌道法，簡稱HMO法。（6） 休克爾分子軌道法用到了哪些假設(shè)?1.H rr=(r=1,2,N),稱之為庫倫積分2.H rs=對應(yīng)于原子r和s鄰近，否 則=03. 稱為共振積分S rr=0(rs) 即為忽略重疊近似（7） 寫出苯分子的所有共振式填空：1、