gaussian和multiwfn软件在结构化学教学中的应用

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1、万方数据第33卷第5期2012年10月首都师范大学学报(自然科学版)JournalofCapitalNormalUniversity(NaturalScienceEdition)NO．5Oct．．2012Gaussian和Multiwfn软件在结构化学教学中的应用韩晓刚廖奕+(首都师范大学化学系，北京100048)摘要研究H：的结构是结构化学教学中的一个重要内容，本文借助Gaussian程序对三重态H：分子进行了势能面扫描，并借助Multiwfn软件等绘制了它在拉伸过程中的定域化轨道指示函数(LOL)的填色图动画和电子密度差等值线图动画

2、，将复杂、抽象的问题简单化、形象化，不仅增加了课堂生动性，而且还有助于学生对知识的理解，从而有助于教学质量的提高．关键词：Gaussian，Multiwfn，H：，定域化轨道指示函数(LOL)，电子密度差等值线图．中图分类号：Gd34随着计算机技术的飞速发展以及课程教材改革的全面推行，越来越多的计算软件和绘图软件应用于化学教学中，例如Photoshop、ChemDraw、GaussView和Gaussian程序等。1“。．计算机辅助教学可以将抽象的化学知识生动形象的表现出来，从而弥补了传统的化学教学手段难以生动表现抽象的化学问题的缺点，

3、这样不仅有助于学生对复杂的现象和机理的理解，而且还可以增强他们对化学学习的兴趣．Gaussian程序是进行半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，界面友好，便于操作，不仅被广泛应用于计算机辅助科研"o，而且也成为了结构化学教学中的重要工具．Multiwfn是Windows平台下的一个易用、灵活、免费的绘图和波函数分析的多功能可视化程序¨o，它可以利用被众多主流量化软件支持的PROAIM波函数文件(．wfn)或Gaussian的fch文件作为输入，帮助解决实际的问题．本文主要是将Gaussian和Multiwfn软件结合起来应用于结

4、构化学教学，通过分析三重态H：分子拉伸过程的定域化轨道指示函数(LOL)的填色图动画和电子密度差等值线图动画来更好的说明H，分子的电子结构特点．收稿日期：2012-04-061价键法解H：分子的结构因为H：分子只有2个原子核和2个电子，故其是最简单的双原子分子，是结构化学教学中的一个重要研究内容．价键理论是以原子轨道作为近似基函数描述分子中电子的运动规律的．在运用价键法解H2分子的结构时，Heitler—London将Hamilton算符作用于H：的近似函数，采用线性变分法得到了H：分子的波函数和相应的能量"3：驴+=—_二兰[妒。(1

5、)9。(2)+9。(2)妒。(1)]①,／2+2．s‘耻2EH+等②妒一=—_二兰[妒。(1)妒。(2)+妒。(2)妒。(1)]③,／2+2s‘E一：2EH+等④②和④式中的Q，A，S等积分都是核问距r的函数，在平衡核间距附近，Q和A均为负值，又由于IQl>IAI，故E+比E一能量低，波函数9+对应的是单重态，波函数p一对应的是三重态．然而，单纯的理论讲解不够生动直观，学生很难掌握，如果能够借助图像或者动画来辅助教学，就能够使其生动形象、并且通俗易懂．波函数是量子化学和结构化学研究及教学的重23万方数据首都师范大学学报(自然科学版)20

6、12年要内容之一p1．波函数是三维空间坐标的函数，将它用图形表示出来，使抽象的数学表达式成为具体的图像，对于了解原子的结构和性质、了解共价键的形成，从而了解原子化合为分子的过程都具有重要的意义．波函数分析是计算量子化学方法中重要却常被忽视的一个领域，现在更多的人着眼于能量、几何结构、光谱等性质的计算．然而，为了获得精确的属性值而同时不得不“附带”得到的精确波函数却往往被忽视掉．这里，我们利用Gaussian软件对三重态H，进行势能曲面扫描，再用Multiwfn软件将得到的波函数图形化，最后制成动画，这样就能使学生更加形象、生动地了解H：

7、的电子结构．2Gaussian和Multiwfn软件的应用对于单重态和三重态H：分子来说，其电子结构不同，其能量E+和E一随两个氢核核间距(r)的变化也不茎=妻酣同．通过比较不同r对应的能量，可以了解H：的电子结构特征．本文采用Gaussian09软件在UB3LYP／cc—pvdz水平下对三重态H：分子进行势能曲面扫描，再通过Multiwfn软件等来分析其电子结构．2．1Gaussian09对三重态H2分子进行势能曲面扫描随着两氢核核间距的变化，氢气分子的能量也在不断变化．我们采用UB3LYP泛函和cc—pvdz基组，在Gaussian

8、09中采用关键词Scan对三重态H2分子进行势能曲面扫描，初始的原子核间距设为2n133，步长为1nm，共扫描15步．通过Gaussian09计算，我们得到了每个核间距下H：的波函数文件及其能量，并且通过G