苯分子軌道和電子結(jié)構(gòu)

1、西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱 苯分子軌道和電子結(jié)構(gòu) 2013 級(jí) 化工 班 姓名 學(xué)號(hào) 030同組人 指導(dǎo)老師 實(shí)驗(yàn)日期 2015 年 5 月 11 日實(shí)驗(yàn)環(huán)境 室溫       大氣壓    mmHg  儀器型號(hào) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1）掌握休克爾分子軌道法的基本內(nèi)容（ 2）學(xué)會(huì)用休克爾分子軌道法分析和計(jì)算苯分子 軌道分布（ 3）學(xué)會(huì)用計(jì)算的化學(xué)方法研究簡(jiǎn)單分子的電子結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)原理離域鍵:形成鍵的電子不局限于兩個(gè)原子的區(qū)域,而是在參加成鍵的多個(gè)原子形成的分子骨架中運(yùn)動(dòng),這種由多個(gè)原子形

2、成的型化學(xué)鍵稱為離域鍵.共軛效應(yīng):形成離域鍵,增加了電子的活動(dòng)范圍，使 分子具有特殊的物理化學(xué)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(shí)，原 來(lái)專屬于某一原子的電子將在整個(gè)分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其 軌道也不再是原來(lái)的原子軌道，而 成為整個(gè)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，1 931年休克爾應(yīng)用LCAO-MO(分子軌道的原子線性組合)法，采用簡(jiǎn)化處理，解釋了大量有機(jī)共軛分子性質(zhì)，該方法稱為休克爾分子軌道法，簡(jiǎn) 稱HMO法.休克爾分子軌道法主要運(yùn)用了下列基本假設(shè) : -分離體系, 獨(dú)立電子近似, LCAO-MO近似, huckel近似.休克爾分子軌道法基本

3、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(shí)”，構(gòu) 成了由鍵相連的分子骨架，電子在分子骨架的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。由此，可 寫(xiě)出一個(gè)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(duì)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

4、的，H rr,Srr代表能量積分及重疊積分:H rs=rHdt, Srs=rsdt (1-4) .進(jìn)一步的近似假定（1）H rr=(r=1,2,N),稱之為庫(kù)倫積分（2）H rs=對(duì)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(jìn)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(guò)求X得N個(gè)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 實(shí)驗(yàn)相關(guān)軟件Gaussian 98 程序包 Gaussian 圖形查看程序Gview2實(shí)驗(yàn)步驟1. 在e盤中新建文件夾0

5、19再在019文件夾中新建文件夾ben和dingerxi2. 構(gòu)建苯分子結(jié)構(gòu)：打開(kāi)桌面Gauss View軟件點(diǎn)擊Builder中的Element，選擇C原子選擇苯環(huán)模型點(diǎn)擊Builder中Add Valence，再點(diǎn)擊苯環(huán)上的C原子，即加H點(diǎn)擊clean得到形狀規(guī)則的苯環(huán)。3. 保存文件：點(diǎn)擊calculate選擇Gaussian在彈出的對(duì)話框中輸入：e：/ben/019/benJob type選擇optimization點(diǎn)擊Retain保留點(diǎn)擊file，選擇save保存，打開(kāi)ben文件夾命名為ben.gif，點(diǎn)擊save保存點(diǎn)擊Calculate，選擇Gaussian對(duì)話框中選擇submi

6、t提交連續(xù)點(diǎn)擊兩次save4. 系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程：連續(xù)上述步驟對(duì)話框點(diǎn)擊okay計(jì)算機(jī)開(kāi)始計(jì)算程序?qū)υ捒蜻x擇“是”選擇新建一個(gè)輸出文件,點(diǎn)擊yes選擇chk格式，點(diǎn)擊ok彈出chk輸出文件5. 結(jié)果統(tǒng)計(jì)：打開(kāi)ben文件夾中的BEN.LOG將滾動(dòng)條拉倒最下面，光標(biāo)放到最后ctrl+F鍵彈出查找對(duì)話框輸入Orbital Symmetries，向上查找下一個(gè)向下滾動(dòng)少許找到The electronic state is 1-A1 第17個(gè)數(shù)字為苯分子的第一個(gè)軌道的能量，依次找出第17、20、21、22、23、24六個(gè)數(shù)據(jù)即為苯的六個(gè)軌道能量。6. 繪制苯的六個(gè)軌道圖形：點(diǎn)擊Results，選擇surfa

7、ces點(diǎn)擊Generate，Select Orbital 選擇Othere輸入數(shù)字17，點(diǎn)擊okay選擇Apply，彈出苯的第一個(gè)軌道圖形將圖形調(diào)至適當(dāng)角度，點(diǎn)擊file，選擇Save Image在彈出的保存對(duì)話框中命名為17.gif同樣的方法分別輸入20、21、22、23、24查看剩余五個(gè)軌道的圖形并將其保存。7. 查看鍵長(zhǎng)：點(diǎn)擊file選擇open，打開(kāi)ben.chk點(diǎn)擊Band，再點(diǎn)擊chk文件中碳碳原子，可查看苯環(huán)中C-C鍵長(zhǎng)8. 查看電荷：打開(kāi)新文件夾ben中的BEN.LOG找到Total atomic charges下面即為C原子和H原子的電荷。9. 對(duì)丁二烯的操作重復(fù)以上步驟，不

8、同的是丁二烯沒(méi)有固定結(jié)構(gòu)需要畫(huà)出4個(gè)C原子然后再連鍵。其它步驟都與苯的操作步驟相同。數(shù)據(jù)記錄與處理一、苯分子（1）苯的六個(gè)軌道形狀和能量軌道數(shù)能量 圖形軌道數(shù)能量圖形17-0.50849220.1512420-0.33900230.1512421-0.33900290.37550（2）苯分子中離域鍵的鍵長(zhǎng)C-C:1,380 C-H:1.072（3）苯分子中碳原子和氫原子的電荷C:-0.239 H:0.239二、丁二烯分子（1）丁二烯分子的軌道形狀和能量軌道數(shù)能量圖形軌道數(shù)能量圖形14-0.4480215-0.72517160.13186170.27026（2）丁二烯分子中離域鍵的鍵長(zhǎng)C-C:1

9、.46 C=C:1.32 C-H:1.072（3）丁二烯分子中碳原子和氫原子的電荷單鍵C:-0.247 雙鍵C：-0.412單鍵H：0.210 雙鍵H：0.231 0.217實(shí)驗(yàn)討論（1）什么是離域鍵?答：形成鍵的電子不局限于兩個(gè)原子的區(qū)域,而是在參加成鍵的多個(gè)原子形成的分子骨架中運(yùn)動(dòng),這種由多個(gè)原子形成的型化學(xué)鍵稱為離域鍵（2）什么是共軛效應(yīng)?答：形成離域鍵,增加了電子的活動(dòng)范圍，使分子具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì),這種效應(yīng)稱為共軛效應(yīng)。（3）寫(xiě)出苯的HMO列式方程，并由此計(jì)算出相應(yīng)的6個(gè)分子軌道波函數(shù).答：E1=+2 1=(1+2+3+4+5+6) E2=+ 2=(21+2-3-24-5+6)E

10、3=+ 3=(2+3-5-6)E4=- 4= (2-3+5-6)E5=- 5=(21-2-3+24-5-6)E6=-2 6=(1-2+3-4+5-6)（4）寫(xiě)出丁二烯的HMO列式方程，并由此計(jì)算出相應(yīng)的4個(gè)分子軌道波函數(shù).E1=+ 1.618E2=+ 0.618E3=- 0.618E4=- 1.618=0.37171+0.60152 +0.60153 +0.37174=0.60151 +0.37172 -0.37173+0.60154=0.60151-0.37172 -0.37173 +0.60154=0.37171-0.60152 +0.60153 +0.37174（5）寫(xiě)出苯分子的所有共振式答： （）式和（）式結(jié)構(gòu)相似，能量最低，其余共振式的能量都比較高。能量最低而結(jié)構(gòu)又相似的共振式在真實(shí)結(jié)構(gòu)中參與最多，或稱貢獻(xiàn)最大。因此，可以說(shuō)苯的真實(shí)結(jié)構(gòu)主要是（）式和（）式的共振雜化體。  苯的兩個(gè)共振結(jié)構(gòu)式，僅在電子排布上不同，而原子核并