gaussian和multiwfn软件在结构化学教学中的应用_韩晓刚

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1、首都师范大学学报(自然科学版)第33卷第5期JournalofCapitalNormalUniversityNo．52012年10月(NaturalScienceEdition)Oct．，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H2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H2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，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

2、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，H2，定域化轨道指示函数(LOL)，电子密度差等值线图．中图分类号:G434随着计算机技术的飞速发展以及课程教材改革1价键法解H2分子的结构的全面推行，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、因为H2分子只有2个原子核和2个电子，故其［1－6］GaussView和Gaussian程序等．计算机辅助教学是最简单的双原子分子，是结构化学教学中的一个可以将抽象的化学知识生动形象的表现出来，从而重要研究内容．价键理论是以原子轨道作为近似基弥补了传统的化学教学手

3、段难以生动表现抽象的化函数描述分子中电子的运动规律的．在运用价键法学问题的缺点，这样不仅有助于学生对复杂的现象解H2分子的结构时，Heitler-London将Hamilton算和机理的理解，而且还可以增强他们对化学学习的符作用于H2的近似函数，采用线性变分法得到了兴趣．［9］H2分子的波函数和相应的能量:Gaussian程序是进行半经验计算和从头计算使1用最广泛的量子化学软件，界面友好，便于操作，不φ+=2［φa(1)φb(2)+φa(2)φb(1)］①槡2+2S［7］仅被广泛应用于计算机辅助科研，而且也成为了Q+A结构化学教学中的重要工具．Multiwfn是WindowsE+=2EH+2

4、②1+S平台下的一个易用、灵活、免费的绘图和波函数分析1的多功能可视化程序［8］，它可以利用被众多主流量φ－=［φa(1)φb(2)+φa(2)φb(1)］③2槡2+2S化软件支持的PROAIM波函数文件(．wfn)或Q－AGaussian的fch文件作为输入，帮助解决实际的问E－=2EH+2④1－S题．本文主要是将Gaussian和Multiwfn软件结合起②和④式中的Q，A，S等积分都是核间距r的函来应用于结构化学教学，通过分析三重态H2分子数，在平衡核间距附近，Q和A均为负值，又由于∣拉伸过程的定域化轨道指示函数(LOL)的填色图动Q∣＞∣A∣，故E+比E－能量低，波函数φ+对应画和电

5、子密度差等值线图动画来更好的说明H2分的是单重态，波函数φ－对应的是三重态．然而，单纯子的电子结构特点．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．收稿日期:2012-04-06波函数是量子化学和结构化学研究及教学的重23首都师范大学学报(自然科学版)2012年［9］要内容之一．波函数是三维空间坐标的函数，将同．通过比较不同r对应的能量，可以了解H2的电子它用图形表示出来，使抽象的数学表达式成为具体结构特征．本文采用Gaussian09软件在UB3LYP/cc-的图像，对于了解原子的结构和性质、了解共价键的pvdz水平下对三重态

6、H2分子进行势能曲面扫描，再通形成，从而了解原子化合为分子的过程都具有重要过Multiwfn软件等来分析其电子结构．的意义．波函数分析是计算量子化学方法中重要却2.1Gaussian09对三重态H2分子进行势能曲面常被忽视的一个领域，现在更多的人着眼于能量、几扫描何结构、光谱等性质的计算．然而，为了获得精确的随着两氢核核间距的变化，氢气分子的能量也属性值而同时不得不“附带”得到的精确波函数却在不断变化．我们采用UB3LYP泛函和cc-pvdz基往往被忽视掉．这里，我们利用Gaussian软件对三重组，在Gaussian09中采用关键词Scan对三重态H2态H2进行势能曲面扫描，再用Multi

7、wfn软件将得到分子进行势能曲面扫描，初始的原子核间距设为的波函数图形化，最后制成动画，这样就能使学生更2nm，步长为1nm，共扫描15步．通过Gaussian09加形象、生动地了解H2的电子结构．计算，我们得到了每个核间距下H2的波函数文件及其能量，并且通过Gaussian09程序包中的2Gaussian和Multiwfn软件的应用GaussianView得到了扫描的势能曲面，如图1所示．对于单重态和三重态