Gaussian软件绘制苯分子轨道实验报告

西南大学化学化工学院物理化学实验报告实验名称苯分子轨道和电子结构级班姓名学号同组人指导老师实验日期年月日实验环境室温℃大气压mmHg仪器型号实验目的（1）掌握休克尔分子轨道法的基本内容（2）学会用休克尔分子轨道法分析和计算苯分子Π轨道分布（3）学会用计算的化学方法研究简单分子的电子结构实验原理基本理论离域Π键:形成Π键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的Π型化学键称为离域Π键共轭效应:形成离域Π键,增加了Π电子的活动范围，使分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应分子轨道法:原子组合成分子时，原来专属于某一原子的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道休克尔分子轨道法：为了讨论共轭体系的分子轨道，1931年休克尔应用LCAO-MO(分子轨道的原子线性组合)法，采用简化处理，解释了大量有机共轭分子性质，该方法称为休克尔分子轨道法，简称HMO法。该方法针对平面共轭体系的主要特点，能给出离域Π键体系的基本性质休克尔分子轨道法主要运用了下列基本假设:σ-Π分离体系:对于共轭分子，构成分子骨架的σ电子与构成共轭体系的π电子由于对称性不同，在讨论共轭分子的结构时，可以近似的看成互相独立的，把σ电子和π电子分开处理.独立π电子近似:分子中的电子由于存在相互作用，运动不是独立的，但若将其它电子对某电子的作用加以平均，近似地看成是在核和其它电子形成的固定力场上运动，则该电子的运动就与其它电子的位置无关，是独立的.LCAO-MO近似:对于π体系，可将每个π分子轨道看成是由各个碳原子提供的对称性匹配的p轨道φi进行线性组合得的.ψ=C1φ1+C2φ2+…+CNφNhuckel近似:认为每个电子在每个原子核附近运动时的能量相同休克尔分子轨道法基本内容在分子中把原子核、内层电子、非键电子连同σ电子一起冻结为“分子实”，构成了由σ键相连的分子骨架，π电子在分子骨架的势场中运动。由此，可写出一个Π电子的Hamilton算符及轨道方程Hψ=Eψ（1-1）.采用变分法,π电子分子轨道表示为所有碳原子的对称性匹配的p原子轨道的线性组合:ψ=C1φ1+C2φ2+…+CNφN（1-2）.代入（1-1）式，按线性法处理得有关系数线性齐次方程组:（H11-E）C1+（H12-ES12）C2+…+（H1N-ES1N）=0（HN1-E）C1+（HN2-ESN2）C2+…+（HNN-ES1N）=0（1-3）.式中已假定原子轨道是归一化的，Hrr,Srr代表能量积分及重叠积分:Hrs=∫φr∗Hφdt,Srs=∫φr∗φsdt(1-4).进一步的近似假定（1）Hrr=α(r=1,2,N),α称之为库伦积分（2）Hrs=β对应于原子r和s邻近，否则=0（3）β称为共振积分Srr=0(r≠s)即为忽略重叠近似做上述处理后久期方程可化为:(1-5)进一步做变换，X=（α-E）/β，式（1-5）的非零解方程化为（1-6）由上述方程通过求X得N个Ei值并回代到久期方程，再结合归一化条件得分子轨道组合系数Cik及Ψi苯环的分子轨道计算苯分子骨架图φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6是苯环6个Π电子的原子轨道波函数，根据分子轨道法,每个Π电子的轨道波函数，可表示为:Ψ=C1φ1+C2φ2+C3φ3+C4φ4+C5φ5+C6φ6（2-1）轨道系数方程（2-2）久期方程（2-3）展开行列式X6-6X4+9X2-4=0X的六个解X1=-2；X2，X3=-1；X4，X5=1，X6=2分子轨道能量分子轨道系数：将每一轨道能量值或X值代入（2-2）并结合诡归一化条件，可以求出相应分子轨道的组成系数，例如，对于X=2时（2-2）式具体形式为（2-4）去掉第一个方程，将C1移到等号右边（2-5）可解得C1=C2=C3=C4=C5=C6结合归一化条件得（2-6）轨道波函数为实验相关软件Gaussian98程序包Gaussian图形查看程序Gview2实验步骤（1）构建分子结构（2）编写输入文件（3）结果查看，数据统计（4）同样的方法研究丁二烯的分子轨道和电子结构数据记录与处理一、苯分子（1）苯的六个π轨道形状和能量轨道数能量图形轨道数能量图形17-0.5085920-0.3390521-0.33905220.15131230.15131290.37564（2）苯分子中离域π键的键长1.3840（3）苯分子中碳原子和氢原子的电荷C-0.239313H0.239313二、丁二烯分子（1）丁二烯分子的π轨道形状和能量轨道数能量图形14-0.4480015-0.32517160.13185170.27061（2）丁二烯分子中离域π键的键长C=C1.320C-C1.470（3）丁二烯分子中碳原子和氢原子的电荷1C-0.4118922C-0.2467303C-0.2467304C-0.4118925H0.2109456H0.2170487H0.2306298H0.2306299H0.21704810H0.210945实验讨论（1）什么是离域Π键?离域Π键：形成Π键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的Π型化学键称为离域Π键（2）什么是共轭效应?共轭效应：形成离域Π键,增加了Π电子的活动范围，使分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应（3）写出苯的HMO列式方程，并由此计算出相应的6个分子轨道波函数.（4）写出丁二烯的HMO列式方程，并由此计算出相应的4个分子轨道波函数.（5）简述克尔分轨道法的基本内容.为了讨论共轭体系的分子轨道，1931年休克尔应用LCAO-MO(分子轨道的原子线性组合)法，采用简化处理，解释了大量有机共轭分子性质，该方法称为休克尔分子轨道法，简称HMO法。（6）休克尔分子轨道法用到了哪些假设?1.Hrr=α(r=1,2,N),α称之为库伦积分2.Hrs=β对应于原子r和s邻近，否则=03.β称为共振积分Srr=0(r≠s)即为忽略重叠近似（7）写出苯分子的所有共振式填空：1、分子轨道中HOMO表示__最高占据轨道__，LUMO表示_最低未占据轨道_。2、如果两个轨道能量相近或相同，表示这两个轨道是__简并__的。选择：1、基态苯分子总共有D个占据轨道。A、15B、18C、20D、212、苯分子总共有C个π轨道。A、4B、5C、6D、7实验建议