- •Часть 1. Компьютерное моделирование электронной структуры фуллерена с60
- •Введение
- •Лабораторная работа №1 «Основы работы в редакторе GaussView пакета Gaussian03»
- •1.1 Теоретическая часть
- •1.1.1 Программный комплекс Gaussian03
- •1.1.2 Редактор GaussView
- •1.2 Практическая часть
- •1.2.1 Построение молекул c использованием библиотек редактора GaussView
- •1.2.2. Примеры задания конфигурации молекул в редакторе GaussView
- •Вопросы
- •Лабораторная работа №2 «Численное моделирование электронной структуры молекул с использованием пакета Gaussian03»
- •2.1 Теоретическая часть
- •2.1.1 Основные методы расчета молекулярных структур
- •2.1.2 Неэмпирические методы расчета
- •2.1.2.1 Метод Хартри-Фока
- •2.1.2.2 Метод теории функционала плотности
- •2.1.3 Основные квантово- механические базисы
- •2.2 Практическая часть
- •2.2.1 Использование Gaussian Calculation Setup для установки параметров расчетов
- •2.2.2 Контрольный пример. Расчет характеристик молекулы кислорода o2
- •2.2.2.1 Визуализация электронной структуры атома кислорода
- •2.2.2.2 Зависимость полной энергии двух атомов кислорода от расстояния между ними
- •2.2.2.3 Расчет равновесного расстояния молекулы кислорода
- •Лабораторная работа №3 «Молекулярное строение и электронная структура молекулы фуллерена с60»
- •3.1 Теоретическая часть
- •3.1.1 Молекулярное строение фуллеренов c60
- •3.1.2 Получение фуллеренов
- •3.1.3 Свойства фуллеренов
- •3.1.4 Применение фуллеренов
- •3.1.5 Фуллериты
- •3.1.6 Электронная структура фуллеренов с60
- •3.2 Практическая часть
- •3.2.1 Электронная структура молекулы фуллерена с60
- •Вопросы
- •Лабораторная работа №4 «ик- спектр изолированной молекулы фуллерена с60»
- •4.1 Теоретическая часть
- •4.1.2 Колебательный спектр двухатомной молекулы
- •4.1.3 Колебания многоатомных молекул
- •4.2 Практическая часть
- •4.2.1 Расчет нормальных колебательных мод в Gaussian
- •4.2.2 Расчет структуры и колебательного спектра молекулы воды
- •Вопросы:
- •Лабораторная работа №5 «ик- спектр молекулы фуллерена с60 в растворах»
- •5.1 Теоретическая часть
- •5.1.1 Типы растворов
- •5.1.2 Растворимость фуллеренов
- •5.2 Практическая часть
- •5.2.1 Учет эффектов сольватации при расчетах в Gaussian03
- •Вопросы:
- •Литература
- •Глоссарий терминов.
- •Приложение 1. Панель меню и панель команд редактора GaussView.
- •Приложение 2. Настройки параметров расчетов Gaussian03.
- •Приложение 3. Справочная информация о неорганических молекулах
- •Приложение 4. Справочная информация об органических молекулах
- •Приложение 5. Правила оформления лабораторных работ
4.1.3 Колебания многоатомных молекул
Молекула состоящая из N атомов, имеет 3N степеней свободы – это число независимых параметров для описания положения всех атомов молекулы. В нелинейной молекуле из всех 3N независимых параметров три степени свободы приходятся на поступательное движение молекулы как целого и три на вращательное движение вокруг ее главных осей. Оставшиеся 3N-6 степеней свободы представляют собой так называемые нормальные колебания – независимые повторяющиеся сами по себе движения молекулы.
Линейные молекулы имеют три поступательных и две вращательных степени свободы как целого, поэтому для линейной молекулы характерно 3N-5 нормальных колебаний.
Полное колебательное движение молекулы можно представить в виде комбинации нормальных колебаний. В зависимости от строения органической молекулы в ИК- спектрах могут проявляться либо все нормальные колебания, либо часть из них.
Активными в ИК- спектрах являются только те колебания, которые сопровождаются изменением электрического дипольного момента связи, т.е. если первая производная дипольного момента по нормальной координате r отлична от нуля. Поэтому, обычно в ИК- спектрах органических соединений проявляются с высокой интенсивностью колебания полярных связей C-O, C=O, C-N, N=O, S=O и т.п.
Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в т.ч. полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики молекулярных моделей (силовые постоянные, электрооптические параметры и др.), которые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантовохимическими расчетами.
Нормальные колебания подразделяются на валентные ν и деформационные δ. В случае валентных колебаний происходит изменение длины связи вдоль ее оси, при этом различают валентные симметричные и асимметричные (рис.4.4а,4б). Деформационные колебания сопровождаются изменением угла между связями (рис.4.4в).
Рис. 4.4 Типы колебаний.
Для молекулы воды имеет место 3N-6=3 колебательные степени свободы.
ν1(ОН)=1595см-1 ν2 (ОН)=3657см-1 ν3 (ОН)=3756см-1
Рис.4.1Частоты нормальных колебаний свободной молекулы воды в основном состоянии.
4.1.2 ИК-спектр фуллерена С60
Исследование спектральных характеристик служит источником наиболее полной и достоверной информации о структуре и других отличительных особенностях фуллеренов. Молекула фуллерена С60 обладает большим числом колебательных, мод однако, из-за высокой симметрии молекулы, разрешенными являются только четыре. Типичные спектры поглощения инфракрасного излучения слоем фуллеренов, нанесенных тонким слоем на прозрачную кварцевую пластину, представлен на рис. 4.5. На спектре различаются четыре сильные линии поглощения с центрами при энергиях 1429 см-1 - T1u(4), 1183 см-1 - T1u(3), 577 см-1 - T1u(2) и 528 см-1 - T1u(1) и шириной, изменяющейся в диапазоне 3-10 см-1.
Рис.4.5 Спектр ИК-поглощения слоя фуллеренов С60 (~2мкм), напыленного на прозрачную кварцевую подложку. Эффект «отрицательного» поглощения обусловлен отражением излучения подложкой.