量子化学计算软件在物质结构教学中的应用

李延伟 姚金环 杨建文 申玉芳 邹正光

桂林理工大学 广西桂林 541004

量子化学计算软件在物质结构教学中的应用

李延伟 姚金环 杨建文 申玉芳 邹正光

桂林理工大学 广西桂林 541004

物质结构是物理化学的重要组成部分，这部分内容理论性强、概念抽象，是物理化学教学中的难点。探讨了Gaussian 09/GaussView软件在结构化学教学中的应用，介绍了如何利用该软件计算并分析分子的几何结构、分子轨道、电子布居分析和振动光谱。结合Gaussian 09/GaussView进行物质结构教学不仅能使抽象复杂的理论和概念变得形象、直观、易于理解和接受，还能丰富课堂教学内容、激发学生的学习兴趣。

Gaussian 09；GaussView；结构化学；物理化学；教学

1 Gaussian 09/GaussView的主要功能与特点

Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 09[6]。它是在半经验计算和从头计算中使用最广泛的计算化学软件之一。Gaussian 09软件的主要功能：预测分子能量和结构；过渡态能量和结构；分子轨道；多重矩；原子电荷和电势；振动频率；红外和拉曼光谱；核磁性质；极化率和超极化率；热力学性质；反应路径。GaussView是Gaussian软件的图形界面软件，它使Gaussian软件的使用变得十分简单而直接，目前GaussView软件的最新版本是GaussView 5.0。利用GaussView的3D结构建构工具可以构建需要的分子结构；从图形接口建立、提交Gaussian计算工作，并实时监控计算过程；以最新的图形显示功能查看计算结果：显示分子轨域和其他性质的表面、光谱、振动形式动画、几何优选过程和反应路径等。GaussView支持 Gaussian软件所有功能，利用图表工具产生计算工作的关键词和选项参数、分子系统设定以及其他高阶计算类型所需的输入数据。

2 Gaussian 09/GaussView在结构化学教学中的应用

(1)分子3D结构建模与构型优化。GaussView是建立分子3D模型的强大工具，这里以水分子(H2O)为例，利用GaussView软件构建水分子的3D模型步骤如下：点击软件主界面上方的Element Fragment图标，在弹出的Select Element窗口中点击O原子，在窗口下方选择O的片段类型为Oxygen Tetravalent即可获得水分子的3D空间模型(如图1所示)。通过鼠标操作可以对水分子进行放大、缩小、平移、旋转等；此外，通过设置还可以调整分子中各个原子的颜色、分子中的键长、键角等参数。

图1 GaussView软件界面及水分子3D结构模型图

将上述建立的水分子模型保存为Gaussian输入文件(*.gjf)后，选择合适的量子化学计算方法，以OPT为关键词即可采用Gaussian 09软件进行构型优化。本文以精度相对较高的B3LYP/6-31G*方法对水分子进行构型优化，计算完成后用GaussView软件打开输出文件(*.out)，显示水分子的3D结构。通过GaussView软件可以方便地查看水分子键长、键角等几何参数信息，还可以设置分子结构的表现形式，如Ball and Bond模型、Tube模型、Wireframe模型等(如图2所示)。

图2 水分子优化后的几何结构图

(2)分子轨道3D显示及Mulliken布居分析。Gaussian软件完成计算任务后，会生成一个检查点文件(*.chk)，通过GaussView软件打开该文件可以直观地观察分子的轨道能级和轨道空间分布(如图3所示)。从图中可直接看出各分子轨道填充的电子数和轨道能量值，可以直观地显示各分子轨道的3D图形，软件采用不同的颜色区分轨道的不同部分，它们与波函数的符号相对应。在分子的总电子密度图基础上，通过表面显示功能可以做出分子的静电势图。

图3 水分子的轨道能级结构和轨道3D等高线图

Mulliken布居分析是根据SCF计算给出的MO波函数，给出电子在原子上分布的简明信息的一种理论处理方法。分析这种布居对理解分子的极性、极化率、化学键强度以及化学反应活性等都大有帮助[7]。GaussView软件中的原子电荷显示功能可以直观地在分子中的原子上准确地显示电荷数值，使电荷分布一目了然。图4是采用B3LYP/6-31G*方法计算得到的水分子的Mulliken电荷分布，从图中可以看出水分子中的氧原子带有部分负电荷，而氢原子带有部分正电荷。

图4 水分子的Mulliken电荷分布图

(3)分子震动光谱与解析

Gaussian软件在构型优化基础上，通过进一步计算能量的二阶导数，可以求得力常数，进而得到分子的红外光谱，此过程可以通过Gaussian程序中的Fre关键词来实现。频率分析完成后，通过GaussView可以观察分子内部的各种震动以及这些震动对应的红外光谱。图5所示的是水分子的震动光谱以及对应的3种振动形式，图中振动原子按箭头所指方向震动。

图5 水分子的各种震动及其红外光谱图

Gaussian/GaussView软件是一款功能强大的量子化学计算软件，它能预测分子的微观结构信息，并将这些信息图形化。在物质结构教学中运用Gaussian 09/ GaussView量子化学计算软件来辅助教学，不仅能使抽象的理论和概念变得形象、直观、易于理解，还能提高教学效率、激发学生的学习兴趣。因此，有必要发掘和利用这类软件，使其在物理化学及其他相关课程教学中发挥更大的作用。

[1] 王光信,孟阿兰,任志华.物理化学[M].北京:化学工业出版社,2007.

[2] 刘长久,李延伟,刘勇平.物理化学精品课程建设的教学改革探索与实践[J].高教论坛,2010,1:21-22,35.

[3] 李延伟,姚金环,刘长久,等.物理化学课程教学改革与探索[J].广东化工,2009,36(12):180,187.

[4] 徐顺,张勇,赵晓洋,等.常用化学软件多媒体教学软件的开发研究[J].计算机与应用化学,2005,22(12):1142-1145.

[5] 姚金环,李延伟,蒋锡福.应用现代教育技术进行化工原理课堂教学设计[J].梧州学院学报,2010,19(6):87-92.

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

[7] 李延伟,章岩,尹鸽平,等.电场作用下分子导线的理论研究[J].高等学校化学学报,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

物质结构是研究原子、分子和晶体的微观结构以及物质性质与结构关系的学科，是物理化学的重要组成部分[1]。这部分内容包括处理微观粒子各种运动、原子结构和分子结构的量子力学方法，通过求解薛定谔方程来描述原子和分子中电子的排布和能量，探索化学键的本质，揭示物质性质与微观结构之间的关系。由于这部分内容涉及大量的数学物理知识，理论性强、概念抽象，学生学起来普遍感觉难度较大，是物理化学教学中的难点[2,3]。若能通过3D图形将物质的微观结构可视化，将抽象、复杂的概念形象化，将使物质结构教学过程变得简单、清晰，这对突破物质结构教学难点，提高教学效果将起到非常积极的作用。随着计算机技术的进步和量子化学计算方法的发展，通过量子化学计算软件很容易将物质的很多微观结构信息以3D图像的形式直观、形象地展现出来[4,5]。Gaussian/GaussView软件就是一款具有这样功能的典型量子化学计算软件。本文将介绍如何利用该软件计算并可视化分析分子的几何结构、分子轨道、电子布居和振动光谱等微观结构信息。

2011-10-12

李延伟，博士，教授。

新世纪广西高等教育教学改革工程“十一五”第五批立项项目“物理化学课程教学内容与方法改革研究与实践”(编号：2009B040)；新世纪广西高等教育教学改革工程2010年立项项目“新世纪《材料科学基础》课程教学改革与实践”(编号：2010JGA029)。