水合硅酸分子电子结构的从头算与基组效应研究

种晨阳

（西安邮电大学理学院，陕西 西安710121）

水合硅酸分子是硅酸盐系列中的一部分，属于简单的小分子类别，为了能够进一步实现硅酸盐材料的设计，需要在聚硅酸分子聚合后，研究水合硅酸分子的电子结构[1]。目前，理论上可以使用半经验方法进行计算，还可以使用小基础从头算计算水合硅酸分子的电子结构。为了研究基集效应，应使用百分比基础集（例如最小基础和扩展基础）进行计算，通过深入研究确定计算方法。

1 水合硅酸的形成

中国铝土矿具有高硅、高铝的特点，高品位铝土矿每天都在消耗，因此，寻找对钠和硅渣更经济的处理方法变得非常迫切，钠硅渣经湿法加工，制成硅向水合硅酸的转化是研究的热点和难点[2]。例如高压水化学法，主要技术路线是将硅转化为水合硅酸或水合榴石，形成的含硅化合物少于碱和氧化铝，其中氧化铝回收率约为70%，碱的回收率大于80%。

2 水合硅酸分子电子结构的从头算方法

水合硅酸分子电子结构的从头算方法可以使用GAMFSS程序分析水合硅酸分子，通过电子结构的计算，可以确保基数采用了STO-GTO系统。从头算就是分别在最小基中选择了STO-3G与STO-6G，通过选择分组可以扩展基础组，在分裂价基中选择3-21G、6-21G与6-31G，然后在解析能量梯度方法的分子优化系统平衡几何构型，最后在扩展基中选择6-31G*与6-31G**，使用构型阶段交互方法和系统能源进行校准控制，主要控制分子轨道图并确定分子轨道能级的变化，通过激发态能量可以对总能量和分子轨道等方面讨论分子系统的基集效应。

3 水合硅酸分子电子结构基组效应研究

3.1 水合硅酸分子几何模型

表1是水合硅酸分子的键参数与基组效应，通过对分子的优化可以确保每个键的长度基本相同，每个键的长度相差并不大。在对不同基组优化后可以得到Si（OH）4分子平衡几何。从类型绑定参数可以看出，几何构型已通过最小基础，并进行了优化。结合角的计算也是如此，通过使用基本集合优化模型，导致较大聚硅酸分子的结果不同，在特定计算基础下，有必要对特定分子系统进行计算线分析[3]。

表1 水合硅酸分子的键参数与基组效应

3.2 水合硅酸分子轨道能级

表2是水合硅酸分子电子轨道能级与基组效应，使用计算分子的前线轨道可以看出，由原子所组成的“反键”轨道能级较高，导致电子具有更高的激发能力，分子相对稳定[4]。同时，使用不同基集所获得的两者交错H轨道是相同的，主要是通过基组获得的，其中一个是并排的，另一个是头对头形式，并且基础集中有两对并排形式，随着基础集的增加，轨道分量和原子轨道分量逐渐减少，原子轨道组成逐渐增加。

表2 水合硅酸分子电子轨道能级与基组效应

表2（续）

3.3 水合硅酸分子系统能够相关校正

表3 是水合硅酸分子的基态能量与基组效应，随着基础计算期间基数的增加，分子系统所产生的能量也会越来越低，在此基础上，分子应尽可能使用基础集，由基础集计算出的能量比更高，对系统能量有更大影响，但使用的几何配置参数不足，导致子系统能量较低，因此，从更接近描述使用的各种基集及其校正能量值可以看出，基数越小，相关能量的校正效果越好[5]。从水合硅酸分子系统能够相关校正的计算可以看出，基态系统的基数越大，系统能量越低，因此，应该增加基础集以显著改善能量计算。

表3 水合硅酸分子的基态能量与基组效应（单位：eV）

4 结束语

水合硅酸分子电子结构从头算是通过不同的基集进行从头算，可以用于优化平衡几何配置的结构。在计算系统能量期间，应考虑极化和相关能量校正，进而使用基集加法的方法，综合考虑基集效果确定使用的基集，执行分子系统从头算，以有效分析水和硅酸分子电子结构的基组效应。