对水笼团簇(H2O)6氢键的理论分析

摘要

水包合物（clathrate hydrates）的储氢作用已经引起人们越来越多的重视。水包合物的主体结构由氢键连接的水分子笼构成，客体分子被包裹在笼子内部。水笼团簇(H2O)6有着最小的三维笼状结构，对水笼中氢键的理论分析，可以对水笼储氢的原理，氢键的本质、氢键的作用机理等起到进一步认识。
　　本课题使用分子轨道从头算方法，应用HF、MP2、CCSD(T)等方法以及使用较大的基组，由浅入深的研究了水团簇(H2O)n，n=1-6，重点研究了水笼团簇(H2O)6中氢键的成键机制及其稳定性等。具体地说，对水笼团簇(H2O)6的几何结构、振动频率、解离能、H2O分子间相互作用等内容进行了详细的分析。
　　水团簇(H2O)2有着最小的水团簇结构，本课题对2个H2O分子间的相互作用进行了细致的分析，建立了应用电多极矩近似计算2个H2O分子间的静电相互作用的新方法。对水团簇(H2O)2的分析表明，2个H2O分子间同时存在引力与斥力作用，2个H2O分子间的静电作用约占总引力的93％，而分子间的共价作用约占总引力的7%。
　　在水笼团簇(H2O)6的研究中，确定了水笼团簇(H2O)6的结构稳定，对其振动频率进行计算后发现水笼团簇(H2O)6的剪切振动频率相对于H2O单体分子蓝移29.47-114.11cm-1，表明 H2O分子间的氢键对振动频率产生了一定的影响，存在在1个悬空H原子的H2O分子有着更低的频率。水笼团簇(H2O)6的平均解离能（经BSSE修正）高于水团簇(H2O)n，n=2-5的情况，并没有延续n=1-5平均解离能依次降低的趋势。对水团簇(H2O)n，n=2-6的能量变化分析表明，在n<6的情况下，由1个H2O分子开始，每增加1个H2O分子结合成新的团簇，与组成团簇前的状态相比其总能量有着降低的趋势。
　　在水团簇(H2O)n，n=4-6的研究中，首次计算了非近邻（不成氢键）H2O分子间的静电相互作用，其中大多数H2O分子间的非近邻静电相互作用表现为吸引作用。在水笼团簇(H2O)6中，总的非近邻静电作用占总解离能的12.2%，可以认为非近邻静电引力对水笼团簇(H2O)6几何构型的收缩与稳定起到了一定作用。

目录

对水笼团簇(H2O)6 氢键的理论分析

THEORETICAL ANALYSIS ON THEHYDROGEN BOND OF WATER CAGECLUSTER (H2O)6

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪论

1.1 目的和意义

1.2 发展综述

1.3 主要内容

1.4 理论基础和计算方法

第2 章 H2O 分子间相互作用的研究

2.1 H2O 分子间的静电相互作用

2.2 对水团簇(H2O)2 分子间相互作用的分析

2.3 本章小结

第3 章 水团簇(H2O)n，n=2-6 的研究

3.1 对水团簇(H2O)n，n=2-5 的理论分析

3.2 对水笼团簇(H2O)6 的理论分析

3.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致 谢