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氨水团簇稳定结构的探究

作　者: 张艳娥
导　师: 胡维军
学　校: 山东师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 氨水团簇结构氢键密度泛函频率
分类号: O641
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

原子分子团簇（简称团簇）是由几个乃至数千个原子或分子（国际上多数定义含原子数在10-105范围）通过一定的物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体[1-2]。团簇特殊的物理化学性质和尺寸依赖性,引起了物理、材料和化学等领域的广泛关注。团簇科学研究的基本问题是弄清团簇如何由原子、分子逐步演化而成,以及随着这种演化,团簇的结构和性质如何变化,当团簇的具体尺寸多大时,才能过渡成宏观固体。要想充分的研究团簇的各种性质,首先要得到各种类型团簇的基态结构。然而团簇结构的寻找是非常困难的,这一问题被人们称为是np-hard问题。目前人们已经研究得出了多种计算团簇结构的方法如跳坑算法、遗传算法、经验势算法等。众所周知,氢键广泛存在与各种物质中,作为分子间的相互作用力在很多科学问题中扮演着重要的角色。对氢键的研究有助于解决多方面的问题,如能量转移、溶解和化学反应等,能为开发自然界中的水资源做好坚实的基础。O···H和N···H两种特殊而重要的氢键同时存在于氨水团簇。探究氨水团簇可能存在的稳定结构,可为研究大气组份、生物大分子的形成等做好理论铺垫。同时氨水是一种典型的极性可溶性溶剂,所以对其研究将有很大的现实意义。本文研究的思路为,首先利用经验势的方法得到氨水团簇的可能初始结构,并在此基础上用密度泛函方法（DFT/B3LYP）和二级微扰方法（Moller-Plesset/MP2）分别在6-31G（d,p）和6-311++G（d,p）基组水平上,逐级对（NH₃）₂（H₂O）₃团簇和（NH₃）₂（H₂O）₆团簇进行了几何优化和频率计算,最终得到了在B3LYP/6-311++G（d,p）水平下的15种（NH₃）₂（H₂O）₃团簇的稳定结构和12种（NH₃）₂（H₂O）₆团簇的稳定结构。经研究发现:在稳定性上,（NH₃）₂（H₂O）₃最稳定构型是正五边形环状结构,而（NH₃）₂（H₂O）₆团簇的最稳定构型是正八面体笼状结构;从分子间相互作用看,水分子间的相互作用最强,氨分子间的相互作用最弱;在结构的频率上,氢键类型对频移的大小有非常大的影响,这与我们工作组前面研究得到的结论是相同的;偶极距的大小与结构的稳定性无必然联系。本文的主要内容有:第一章:绪论,介绍了团簇的概念研究背景、分类、主要性质以及团簇研究的主要方向、现阶段的困难、意义前景和本人的工作。第二章:介绍了本课题研究中所涉及的理论和计算方法,包括变分原理和微扰理论、密度泛函理论、自洽计算中的基函数、振动频率的计算并简要的说明了Gaussian 03程序。第三章:在B3LYP/6-31G（d）和B3LYP/6-311++G（d,p）水平上对（NH₃）₂（H₂O）₃团簇进行了几何优化和频谱探究,得到了15中可能的稳定结构,发现（NH₃）₂（H₂O）₃簇的五边形环状结构的稳定性最好。第四章:在B3LYP/6-31G（d）和B3LYP/6-311++G（d,p）水平上对（NH₃）₂（H₂O）₆团簇进行了几何优化和频率计算,发现正八面体笼状结构为（NH₃）₂（H₂O）₆团簇的最稳定构型。第五章;总结了本文的工作,同时对下一步的工作进行展望。

全文目录

中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-20
  1.1 团簇的概念和研究背景  10-11
  1.2 团簇的分类  11-12
  1.3 团簇的主要性质  12-14
  1.4 团簇研究的主要内容、方向和困难  14-16
  1.5 团簇研究的意义  16-17
  1.6 氨水混合团簇研究的现状及本文的工作  17-20
第二章理论基础和计算方法  20-40
  2.1 变分法和微扰理论  20-26
    2.1.1 变分法  20-22
    2.1.2 微扰理论  22-26
  2.2 密度泛涵理论（Density Functional Theory)  26-32
    2.2.1 Hohenborg---Kohn Lemma 定理  27-29
    2.2.2 Kohn-Sham 方程  29-31
    2.2.3 局域密度近似(LDA)  31-32
  2.3 自洽计算中的基函数  32-35
    2.3.1 Slater 基组方法（Slater Type Orbital，简称STO）  33-34
    2.3.2 Gauss 基组方法（Gauss Type Orbital，简称GTO）  34-35
  2.4 振动频率的计算  35-36
  2.5 Gaussian 03 软件包的说明  36-40
    2.5.1 Gaussian 03 程序功能  36-37
    2.5.2 Gaussian 03 中的常用基组  37-40
第三章 (NH_3)_2(H_2O)_3稳定结构的探究  40-48
  3.1 引言  40
  3.2 理论方法  40-41
  3.3 结果与讨论  41-47
    3.3.1 (NH_3)_2(H_2O)_3团簇结构类型的讨论  42-44
    3.3.2 (NH_3)_2(H_2O)_3团簇稳定结构的能序  44-45
    3.3.3 (NH_3)_2(H_2O)_3的稳定结构的频率分析  45-46
    3.3.4 (NH_3)_2(H_2O)_3和NH3(H20)4团簇稳定结构结合能的讨论  46-47
  3.4 结论  47-48
第四章 (NH_3)_2(H_2O)_6稳定结构及频谱初究  48-56
  4.1 引言  48
  4.2 计算方法  48-49
  4.3 结构类型与分析讨论  49-54
    4.3.1 (NH_3)_2(H_2O)_6团簇结构类型的讨论  50-52
    4.3.2 (NH_3)_2(H_2O)_6团簇稳定结构的能序和结合能  52-53
    4.3.3 (NH_3)_2(H_2O)_6团簇频谱分析  53-54
  4.4 结论  54-56
第五章总结与展望  56-58
参考文献  58-62
攻读硕士学位期间发表的文章  62-64
致谢  64

氨水团簇稳定结构的探究

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