物理化学实验 量子化学计算

化学物理学中的量子化学计算方法量子化学计算方法在现代化学物理学领域中得到了广泛的应用，它们通过模拟分子的量子力学行为来预测其各种性质。

在本文中，我们将探讨几种常见的量子化学计算方法，并介绍它们的优缺点。

1. 分子轨道方法（MO）分子轨道方法是一种较为传统的量子化学计算方法。

它是由 H.F. Danian和 R. S. Mulliken 开发的，主要通过数学方法来描述分子的电子结构和反应性质。

分子轨道方法的核心思想是基于分子轨道理论，将由分子内电子的原子轨道线性组合（LCAO）得到分子轨道。

一般情况下，分子轨道与原子轨道的线性组合是根据哈密顿量进行的线性组合，再用量子化学算法处理。

分子轨道方法的优点是其基于一种可视，简化的模型，能够很好地预测分子各种性质，如结构、振动频率、离子化能、化学反应机理等。

然而，分子轨道方法也有其缺点，它对大型体系较差，对于存在多个等价的结构，则需要用多重方法进行计算，这使得计算大型分子的计算时间和计算资源消耗都较大。

2. 密度泛函方法（DFT）密度泛函理论是在密度泛函方法（DFT）的基础上发展的，它是一种基于能量泛函的电子结构计算方法。

与分子轨道方法不同，密度泛函方法不关注电子的轨道，而是以电子密度为基础，描述化学反应的机理。

密度泛函方法的优点是其对大型分子的计算较为准确，其计算速度比分子轨道方法快。

此外，密度泛函方法对于某些化学反应及其器件的模拟也更加准确。

但密度泛函方法也存在一些缺点，它对于某些特定类型的分子结构，如杂环分子、金属配合物和化学键的缺陷部分计算结果较差。

3. 第一性原理计算方法（FP）第一性原理计算方法（FP）是一种基于量子力学原理的计算方法。

它不依赖于实验数据，可以对任何化学体系进行完全计算。

相对其他方法，第一性原理计算的结果更真实，尤其是在低温等关键萃取过程中。

但第一性原理计算方法也有一定的缺点，它计算时间较长、计算量大，在处理复杂问题时更容易出现计算误差。

实验37 量子化学计算一、目的要求1．通过计算机操作，了解如何运行量子化学应用程序及编制数据输入文件。

2．用HMO 法计算共轭分子的电荷密度、键级及自由价，作出分子图，井预测分子的化学性质。

3．用HMO 法研究若干种富勒烯分子，比较不同异构体之间稳定性。

3．用半经验方法计算富勒烯分子总能量、生成热、前线轨道能量。

二、原理计算化学是化学、物理学和计算机科学等学科的交叉学科。

计算化学包括各种数学计算方法，主要有两大范畴：分子力学和量子化学。

分子力学应用传统的牛顿力学和统计热力学方法主要研究分子的运动规律（如平动、转动和振动等）。

量子化学根据分子轨道理论，通过求解分子体系的薛定谔方程，得到分子轨道波函数和相应的能量以及分子的电子结构和体系总能量，这是量子化学计算的基本内容。

并通过进一步计算得到电子的电离能、电荷密度分布、偶极矩、键级、几何构型以及分子的势能面等等信息。

量子化学计算方法根据所用的近似波函数形式不同可分为两大类：一类是用slater 行列式表示的体系近似波函数，用自治场方法(SCF)求解Hartree-Fock-Roothann 方程。

从头计算法(ab initio)是这类方法中最为严格的一种，在非相对论近似、Born-oppenheimer 近似和轨道近似基础上，对所有的积分既不忽赂，又不用经验参数，严格求解方程，但计算工作量很大，只适用于较小的分子。

半经验方法计算方法包括推广Huckel 、MND0、MNDO-d 、MINDO/3、AM1、PM3等多种方法。

最早是Pople 在20世纪60年代提出的，将从头计算法中所有包含不同原子轨道的积分(称微分重叠)都予以忽略，某些积分用经验参量代替，基态原子轨道简化为只包含价轨道，内层轨道看作原子实，可应用于较大分子性质的计算。

另一类体系的近似被函数用单电子函数(分子轨道)的简单乘积表示，HMO 法就是这一类简单分子轨道法，适用于计算共扼分子，虽然近似程度大，结果不太精确，但对定性讨论有机共轭分子同系物性质规律很有用，多年来一直是理论有机化学经常使用的半经验计算方法。

化学反应机理的量子化学计算方法在化学反应中，反应物先经过一系列的步骤转化为产物。

反应机理是指由反应物转变为产物的每一个步骤，不同反应机理决定了化学反应的速率和选择性。

研究化学反应机理对于理解反应过程、优化产物选择、设计新的催化剂等方面有着非常重要的意义。

量子化学计算方法是研究化学反应机理的有力工具之一。

量子化学计算的基本原理量子力学是研究自然界微观领域行为的一门科学。

量子化学计算方法是利用量子力学理论计算物质微观性质的一种方法。

其基本思想是利用计算机模拟科学实验，通过计算获得物质的各种性质，如能量、结构和反应动力学等。

其中，化学反应动力学计算可以预测反应速率、选择性等物理性质，实现在计算机上进行模拟实验，缩短试验时间和降低试验成本。

化学反应机理的计算需要分析单个分子的各种键长、键角等参数，以及分子间相互作用等信息。

基于这些信息，可以通过计算分子组成的总能量和反应动力学等相关属性得出反应机理。

其中，量子化学计算的方法主要包括哈特里－福克（Hartree-Fock，HF）方法、密度泛函理论（Density functional theory，DFT）方法、双电子相关方法等。

这些方法不同的特点使其能够处理不同复杂级别的反应机理。

哈特里-福克方法是量子化学计算的基础。

其基本思想是使用单个方程来描述每一个电子的量子力学状态和电子间相互作用，并在此基础上得出反应总能量。

但是，这种方法的复杂度非常高，在一些复杂的化学反应中很难得出准确结果。

密度泛函理论是近年来最广泛使用的量子化学计算方法。

DFT方法是基于各种密度的概念来描述电子分布的方法。

其中，电荷密度是关键的变量，表示每个电子的平均电荷分布。

这种方法可以快速处理复杂反应体系，同时准确度也比较高。

双电子相关方法是用于处理强关联反应的方法，常用于处理过渡金属催化反应等复杂反应机理。

常用的方法有配置相互作用（Configuration Interaction，CI）和耦合簇（Coupled Cluster，CC）等。

量子化学计算方法试验1. 应用量子化学计算方法进行计算的意义化学是一门基础学科，具有坚实的理论基础，化学已经发展为实验和理论并重的科学。

理论化学和实验化学的主要区别在于，实验化学要求把各种具体的化学物质放在一起做试验，看会产生什么新的物质，而理论化学则是通过物理学的规律来预测、计算它可能产生的结果，这种计算和预测主要借助计算机的模拟。

也就是说，理论化学可以更深刻地揭示实验结果的本质并阐述规律，还可以对物质的结构和性能预测从而促进科学的发展。

特别是近几年来，随着分子电子结构、动力学理论研究的不断深入以及计算机的飞速发展，理论与计算化学已经发展成为化学、生物化学及相关领域中不可缺少的重要方向。

目前，已有多种成熟的计算化学程序和商业软件可以方便地用于定量研究分子的各种物理化学性质，是对化学实验的重要的补充，不仅如此，理论计算与模拟还是药物、功能材料研发环境科学的领域的重要实用工具。

理论化学运用非实验的推算来解释或预测化合物的各种现象。

理论化学主要包括量子化学，（quantum chemistry）是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。

研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。

理论与计算化学的巨大进展，正使化学学科经历着革命性的变化。

今天的理论与计算化学几乎渗透到现代一切科技领域，与材料、生物、能源、信息和环保尤为密切，理论化学的应用范围将越来越广。

理论与计算化学逐步发展成为一门实用、高效、富有创造性的基础科学，在化学、生物学等领域的影响越来越显著，且与日剧增。

2. 应用量子化学计算方法进行计算的目的（1）了解量子化学计算的用途。

物理化学中的量子化学计算方法近年来，随着计算科学的迅速发展，量子化学计算方法在物理化学领域中扮演着越来越重要的角色。

通过运用量子化学计算方法，我们可以研究物质的结构、性质和反应动力学，为实验提供重要的理论指导。

本文将介绍几种常见的量子化学计算方法及其应用，并探讨其在物理化学中的优势和局限性。

一、基于量子力学的方法在物理化学中，基于量子力学的计算方法是最常用的。

其中，薛定谔方程是解决分子、原子和离子的量子力学问题的基本方程。

然而，由于薛定谔方程的求解困难，科学家们提出了各种近似方法来简化计算。

1. 线性组合全构型法（CI）CI方法是一种基于量子力学的全构型方法，通过构建一个包含各种可能的电子构型的线性组合，来求解体系的波函数。

CI方法在计算分子的电子结构、振动能级和反应动力学等方面具有广泛应用。

2. 密度泛函理论（DFT）DFT方法通过求解电子密度分布的方程，近似计算体系的能量和其他性质。

DFT方法在计算大分子体系和固体材料的能带结构等方面具有重要应用。

3. 配分函数法配分函数法是一种统计力学方法，通过计算系统的配分函数来研究其热力学性质。

配分函数法在计算各种宏观性质，如能量、熵和自由能等方面具有广泛应用。

二、基于量子力学和经典力学相结合的方法基于量子力学和经典力学相结合的方法将量子力学和经典力学的优势相结合，通过描述体系的量子力学和经典力学耦合的过程，来研究复杂体系的性质。

1. 经典轨迹方法经典轨迹方法使用经典力学的数值模拟算法，通过计算分子或原子的轨迹来研究反应动力学和能量转移等过程。

2. 分子力场法分子力场法利用经典势能函数来描述分子的相互作用，通过求解势能函数的极小值来研究分子的结构和性质。

三、量子化学计算方法的应用量子化学计算方法在物理化学中有广泛的应用。

以下是其中几个典型的应用：1. 电子结构计算通过量子化学计算方法，我们可以计算分子的基态和激发态的电子结构，包括电子云分布、电子能级、电离势和亲和势等。

理论化学中的量子化学计算随着科技的发展和人们对物质本质认识的深入，化学的理论研究也越来越受到人们的关注。

量子化学计算作为化学理论研究的一种方法，已经成为当前化学界研究的热点之一。

本文将介绍量子化学计算的基本概念、方法和应用，并从中探讨其在化学研究中的作用和价值。

量子化学计算是指利用量子力学原理和计算机技术对分子或化学反应进行数值模拟和计算的一种方法。

其关键在于通过计算机技术对分子及其电子结构进行计算，从而研究分子的结构、性质及其与周围环境的相互作用等问题。

以往化学研究主要通过实验手段进行，往往需要大量时间和物质资源，而量子化学计算则可节约研究成本和时间，提高研究效率。

量子化学计算的基本概念1.量子力学：是描述微观世界中的物理规律的一种物理学理论。

量子力学提出了“波粒二象性”和“不确定原理”等基本概念，可以对分子及其电子结构进行描述和计算。

2.分子结构：分子由原子组成，原子之间通过键相连，形成分子的框架结构。

分子的组成和结构在很大程度上决定了分子的性质和用途。

因此研究分子的结构为化学研究提供了基础信息。

3.电子结构：电子是分子中最重要的组成部分，其动态行为直接决定了分子的性质和反应。

因此研究分子的电子结构及其变化规律是一项重要研究内容。

量子化学计算的基本方法1.量子化学基本模型：量子化学计算主要基于分子轨道理论，即分子内电子排布情况决定了分子的性质和反应。

常用的计算模型有：HF计算、密度泛函理论(DFT)计算、MP2计算等。

2.分子坐标和电荷分布：分子坐标包括各原子的空间位置和连接方式，而电荷分布包括电子的整体分布以及电子对于不同原子之间的分配。

利用计算机程序对分子进行描述和计算，需要对分子间的坐标和电荷分布进行精确的描述和设置。

3.计算方法：现有的计算方法分为两类：一种是量子力学方法，包括密度泛函理论、哈特里-福克(Hartree-Fock)方法、MP2、CC、CASSCF等；另一种是经典力学方法，包括分子力场方法、分子动力学方法、蒙特卡洛方法等。

量子化学计算的基本原理和操作步骤量子化学计算是一种借助于量子力学原理和计算机技术进行分子和原子的性质计算的方法。

它在大分子、催化剂设计、材料科学等领域具有重要的应用价值。

本文将介绍量子化学计算的基本原理和操作步骤。

一、基本原理1.量子力学原理量子力学是描述微观领域中粒子行为的物理理论。

在量子力学中，粒子的状态由波函数表示，波函数满足薛定谔方程。

量子化学计算利用波函数来描述分子和原子的状态，通过求解薛定谔方程得到它们的能量、结构和性质等信息。

2.哈密顿算符哈密顿算符是量子力学描述体系能量的算符。

量子化学计算中，通过构建分子或原子的哈密顿算符来描述它们的能量变化。

哈密顿算符包含了分子或原子的动能和势能项，通过求解哈密顿方程得到体系的波函数和能谱。

3.基组与基函数基组是一组用来展开波函数的基函数集合。

在量子化学计算中，常用的基组包括杜-汉特、高斯基组等。

基组的选择对计算结果的精确性和计算效率有着重要影响。

更大的基组可以提高计算精度，但也会增加计算复杂度。

4.密度泛函理论密度泛函理论是一种在量子化学计算中广泛应用的方法。

它通过电子密度来描述分子和原子的性质。

密度泛函理论基于基态电子密度确定了能量泛函，并通过最小化能量泛函来求解系统的基态能量和电子密度。

二、操作步骤1.确定研究对象量子化学计算可以用来研究分子、原子以及其间的相互作用。

首先需要确定研究对象，对于复杂的体系可以通过分子建模软件构建其结构。

2.选择计算方法根据研究对象的特点和目的，选择合适的计算方法。

常用的量子化学计算方法包括密度泛函理论、哈特里-福克方法、多配置自洽场方法等。

不同的方法有不同的适用范围和精确性。

3.构建计算模型根据研究对象和选择的计算方法，构建相应的计算模型。

包括选择适当的基组、优化分子结构、确定计算参数等。

优化分子结构可以通过几何优化算法来实现。

4.计算体系能量通过求解薛定谔方程或基于密度泛函理论的算法，计算体系的能量和其他性质。

一、实验目的量子化学计算是研究化学键和分子结构的理论方法，通过计算机模拟计算分子的能量、结构、性质等。

本次实验旨在让学生了解量子化学计算的基本原理，掌握常用的计算方法，并通过实验加深对量子化学计算在实际问题中的应用。

二、实验原理量子化学计算基于量子力学的基本原理，通过求解薛定谔方程，得到分子的电子结构，进而分析分子的性质。

常用的量子化学计算方法有：分子轨道理论、密度泛函理论、从头算方法等。

三、实验仪器与材料1. 仪器：计算机、量子化学计算软件（如Gaussian、MOPAC等）2. 材料：实验所需的分子结构文件、计算参数文件等四、实验步骤1. 准备分子结构文件：根据实验要求，选择合适的分子结构，并使用分子编辑软件（如ChemDraw、AVG/AVG Plus等）绘制分子结构图。

2. 设置计算参数：根据实验目的和分子结构，选择合适的计算方法、基组、计算级别等参数。

3. 运行量子化学计算软件：将分子结构文件和计算参数文件导入量子化学计算软件，开始计算。

4. 分析计算结果：查看计算结果，分析分子的能量、结构、性质等。

五、实验结果与分析1. 氧分子（O2）的计算以氧分子（O2）为例，使用Gaussian软件进行分子轨道理论计算。

计算结果如下：- 能量：-14.5466 eV- 结构：O2分子的两个氧原子通过共价键连接，键长为1.207 Å，分子轨道能级顺序为σ2s、σ2s、π2p、σ2p。

2. 苯（C6H6）的计算以苯（C6H6）为例，使用Gaussian软件进行休克尔理论计算。

计算结果如下：- 能量：-6.6284 eV- 结构：苯分子中的六个碳原子通过共轭π键连接，分子轨道能级顺序为π1、π2、π3、π4、π5、π6。

3. 苯乙烯（C6H5CH=CH2）的计算以苯乙烯（C6H5CH=CH2）为例，使用Gaussian软件进行从头算方法计算。

计算结果如下：- 能量：-6.8312 eV- 结构：苯乙烯分子中的苯环与乙烯基通过共价键连接，键长分别为1.396 Å和1.341 Å，分子轨道能级顺序为σ2s、σ2s、π2p、σ2p、π3p、π4p、π5p。

实验37 量子化学计算1．HMO 法计算平面共轭分子(1) 计算前预先将共轭原子用数字编号。

如苯分子，可按图37-3（a ）对所有骨架碳原子进行编号（氢原子不必编号）(2)打开计算机进入WINDOWS 操作系统，在微机上找到HMO 目录（例如：D:\HMO ），用鼠标选择“开始-所有程序-附件-命令提示符”，进入DOS 操作系统界面，在该界面中先输入“CD \”，退到C 盘根目录下，然后输入“D ：”进入D 盘，再输入“CD \HMO”，进入HMO 目录。

输入“QBASIC”，进入用QBASIC 语言编辑界面（注：以上每次输入完需按回车Enter 键作为结束）。

按键盘左上角的“Esc”键，退出提示界面。

用鼠标选择“File -Open”，打开“Open”对话框，选择“HMO.BAS”文件，再选择“<OK>”，进入HMO 程序界面。

(3)修改共轭分子中的原子连接信息。

HMO 程序由BASIC 语言编写，其中：在语句10中输入共轭原子连接信息，即输入原子编号不按顺序连接的两个原子的编号。

如图37-3(a)苯分子中的1，6两原子。

在语句15中输入不相连的信息，即原子编号连续，而在分子中不相连的两个原子的编号。

如图37-3(b)中的4，5两原子。

上述数据语句中均以两个0表示输入结束。

如苯分子，按以下形式修改即可：10 DATA 1,6,0,015 DATA 0,0在计算丁二烯分子时，若将四个共轭原子从左至右用1，2，3，4顺序编号，那未语句10和15中均改为0，0即可。

134562(a) 23456(b) 图37-3 苯分子编号示意图(4)数据核对无误后，可按F5功能键运行程序。

由屏幕显示的信息，通过人机对话相继输入参数。

如计算苯分子时，“INPUT THIS CALCULATION INFORMATION?”用大写字母输入分子式“C6H6”；“HOW MANY ATOMS?”输入共轭原子数“6”即可(因为该计算方法只考虑骨架碳原子)；“WOULD CHANGE INTEG.<Y/N>?”，询问是否修改积分参数，输入大写字母“N”。