毕业设计(论文)-利用Gaussian09软件研究富勒烯的性质.doc
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1、LULIANG UNIVERSITY分类号: 密 级: 毕业论文(设计)题 目: 利用Gaussian09软件研究富勒烯的性质 系 别: 化学化工系 专业年级: 3333333 姓 名: 222 学 号: 211111 指导教师: 8765 讲师 2015年09月24日背白 原 创 性 声 明本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
2、本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 日 期: 关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料(包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等),知识产权归属吕梁学院。本人完全了解吕梁学院有关保存、使用毕业论文的规定,同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权吕梁学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果,一定征得指导教师同意,且第一署名单位为吕梁学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位
3、仍然为吕梁学院。论文作者签名: 日 期: 指导老师签名: 日 期: 吕梁学院本科毕业论文(设计)摘 要当代,随着计算机技术和理论化学方法的不断发展,利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质,并用以研究解释一些具体的化学问题、化学原理成为一种高效、精确、直观的方法,Gaussian09软件是以运用半经验计算和从头算为基础的计算化学软件。Gaussian09软件是通用半经验分子轨道程序包,用以研究化学反应和物质的结构,该模块运用量子力学、分子力学的理论,并结合数学方法,以此来能提供有关化学反应及物质结构方面的大量信息。随着富勒烯的发现和快速发展使人们了解到一个全新的碳世界,在科学界引起了很大反
4、响,并引起了许多理论工作者的广泛关注,通过理论研究富勒烯的性质可以预测其的热力学稳定,并且能对这些稳定结构进行计算分析,可以提供各种光谱数据(红外、紫外、核磁等),以此对实验结果进行验证并进一步对实验进行指导,所以它是研究富勒烯的一种重要手段,而且当代众多理论计算研究的工作者通过利用Gaussian软件在富勒烯结构和性质方面取得了巨大成果。本文致力于通过Gaussian09软件的计算分析探究C60和C70两种富勒烯的结构特点、稳定性、芳香性的理论研究研究。首先采用Gaussian09量子化学程序包,用半径验PM6方法对两种结构进行优化,然后再用密度泛函方法(DET),分别在3-21G和6-31
5、G基组水平上对分子进行优化,并且计算得到一些重要的理论数据,并进行比较分析、讨论,最后得出富勒烯性质的相关结论。关键词: 富勒烯;Gaussian09软件;半经验;稳定性;密度泛函理论;AbstractContemporary, with the continuous development of computer technology and theoretical chemistry method, using effective mathematical approximation and computer program for the calculation of molecular
6、 properties and to explain some specific problems in chemistry and chemical principles become an efficient, accurate and intuitive method, gaussian09 software is widely used one of the semi empirical calculations and ab initio computational chemistry software. Gaussian09 software is general semi emp
7、irical molecular orbital program package, to study on chemical reaction and material structure, the module using the theory of quantum mechanics, molecular mechanics, and combined with the mathematical method. In order to provide lots of information about chemical reaction and the structure of matte
8、r.With the discovery of fullerene and rapid development make people understand that a whole new world of carbon, in the scientific community caused great repercussions, and attracted the attention of many scholars, they through the research on the theory can predict thermodynamic stability, and carr
9、ies on the analysis to the structural stability, provide a variety of spectroscopic data, in order to experimental results were verified and guide further experiments, it is an important means of fullerene research and many contemporary theory calculation research workers by using Gaussian software
10、on structure and properties of fullerene has made great achievements, have a huge impact on human life and production.This paper is devoted to the analysis of the structure of C60 and C70 two fullerene by Gaussian09 software, and to study the structural properties, stability and the theory of the st
11、ability and the fragrance of the fullerene fullerene. First the gaussian09 quantum chemistry program package, using density functional theory (DET), respectively at the 3-21G and 6-31G basis set level of molecular optimization, and obtained some important theoretical data and comparative analysis, d
12、iscussion. Finally the conclusion.Keywords: of fullerene; Gaussian09 software; experience; fullerene stability; density functional theory;目 录第1章 绪 论1第2章 Gauassian09/GaussView软件的简介22.1 Gauassian09/GaussView的基本功能与特点22.2 Guassian09软件在研究结构化学中的应用 22.3 Gaussian09软件的计算理论基础3第3章 富勒烯性质的理论研究43.1 富勒烯性质理论研究中常用的理
13、论计算方法43.2 富勒烯的结构43.2.1 富勒烯的结构模型示例53.3 富勒烯性质理论计算的计算基础63.3.1 从头算和密度泛涵理论63.3.2 计算体系的选择63.4 富勒烯的理论研究内容和意义6第4章 计算结果与讨论74.1 富勒烯分子结构特点的理论研究74.2 富勒烯结构稳定性的理论研究134.3 富勒烯芳香性的理论研究14第5章 结 论17参考文献18致 谢19背白第1章 绪 论由于当代伴随着计算机软件技术的快速发展和许多大型量子化学5软件包的出现,我们可以通过计算机建立化学结构模型,并且可以在任何课堂上或者在实验室利用计算机软件进行分子性质的理论计算和分子结构模型的模拟1,Ga
14、ussian09软件2是当下理论研究化学领域内运用十分简便、应用范围较广范的软件程序之一,研究者通过它可以预测研究物质体系的几乎所有物理化学性质。 可视化软件GaussView的开发及计算机软件的快速发展更是大大降低了理论研究物质的门槛,通过GaussView的3D 结构建构功能可以构建模拟所需要研究分子的结构,利用其可以从图形的建立、然后提交Gaussian09进行计算,并监控计算过程,然后以最新的图形显示计算结果,显示分子轨道域和其他方面的性质如物质的空间结构、光谱的振动图(红外、紫外、核磁等)、几何结构的优化过程和化学反应路径及机理等,所以通过GaussView使得各领域理论研究者能够很
15、方便的使用Gaussian09软件,并较准确得到研究物质的各种物理化学信息。1985年富勒烯C60的发现是全世界科学史上的一个非常重要里程碑,它呈现了一个全新的碳世界,富勒烯是以碳单质的第三种稳定形式而存在,它是碳原子的第三种同素异形体,凡是只由碳原子一种元素组成的笼状单质分子都可以叫做富勒烯。由于富勒烯的独特的分子结构,使得其在物理和化学方面具有独特性质,并且当代科学工作者发现富勒烯已经广泛地影响到我们生活中的各个领域,如在生物化学、电子学、光学、化学、医学、物理化学等领域,所以利用Gaussian09软件对富勒烯性质的理论研究具有重要而深远的意义6。自从富勒烯的发现之后,各个领域的理论研究
16、者对富勒烯进行了各方面的研究,本文主要采用Gaussian09/GaussView软件(综合性量子化学计算程序包,他是基于量子力学而开发的)运用密度泛函理论(DFT)分别在 6-31G和3-21G两组基组水平上对富勒烯分子结构进行了进一步几何优化计算.,并对它们的几何构型、相对能量、HOMO-LUMO能量间隙、红外振动色谱图以及NICS值进行比较分析、研究,以此来帮助我们研究和预测富勒烯(C60和C70)的几何结构特点、稳定性21、芳香性等性质。第2章 Gauassian09/GaussView软件的简介2.1 Gauassian09/GaussView的基本功能与特点Guassian09软件
17、3是运用半经验和从头算的计算,通过建立和模拟并显示分子三维结构模型来研究化学反应机理、物质的结构特点及物质的物理化学性质,该模块运用的是量子化学、分子力学的方法,以此能够获得化学反应机理、物质几何结构、振动光谱、物质能量等性质的大量相关信息。Gaussian09的主要功能:预测分子能量和几何结构;分子轨道;过渡态能量:多重矩;原子电荷及电势;分子振动频率;红外和紫外光谱图 ;核磁性质;极化率和超极化率;热力学性质;以及反应路径及机理。Gaussian09的主要特点:应用完整的、无简化的数学和化学方法,并得到精确可靠的计算结果数据,简便、直观的设置计算条件,并可自动完成许多复杂困难的计算;而且计
18、算结果形象、直观、明了。GaussView的主要功能:GaussView是Gaussian09软件的一种图形界面软件,它使Gaussian09软件的使用变得很简便,利用GaussView的3D 分子结构建构工具的功能可以构建模拟所需要的分子的结构模型;然后提交Gaussian09进行计算,最终以最新的图形来查看计算结果,可以得到所研究富勒烯分子的各个方面的性质如光谱的振动形式谱图、几何优选过程和反应路径及机理等。GaussView的主要特点:GaussView高效的支持Gaussian09软件的所有功能,可以利用其图表工具产生计算工作中所需要的选项参数和计算关键词、分子系统设定以和其他高阶计算
19、类型所需的相关数据。2.2 Guassian09软件在研究结构化学中的应用 (1). 可以形象的模拟构建和显示研究分子的3D 结构构型并对构型进行优化计算。(2).Gaussian09软件完成计算任务后,之后会生成一个chk文件,通过GaussView 软件打开chk文件可以观察到分子的结构模型、分子的轨道能级及分子轨道空间的分布;GaussView 还可以观察研究分子内部的各种震动以及这些震动对应的红外光谱热力学性质,同时还可进行分子轨道能量的计算和几何结构构型的优化。(3).Gaussian09软件在分子构型优化以后的基础上,通过进一步的计算,可以得到分子的能量与几何构型、振动光谱图(红外
20、、拉曼和紫外等光谱图),此过程可以通过Gaussian09程序中的Fre关键词来实现,还可计算自由基、离子、聚合物力常数以及分子结构参数的理论计算。2.3 Gaussian09软件的计算理论基础(1). 薛定愕方程:薛定谔方程是以量子力学中为基本的一个计算方程,同时也是量子力学中的一个基本假定,它的正确性、准确性只能依靠实验来验证,它是将物质波的概念和波动方程相结合起来建立起来的二阶偏微分方程,它可以描述微观粒子的运动,每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程式,通过解方程可得到波函数的具体形式和对应的能量,从而了解到微观系统的各种物理化学性质。(2). 三个基本近似:三个基本的近似分别为非相对论
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