质子化氨水团簇稳定结构及红外光谱的探究

摘要

原子团簇(简称团簇或微团簇)是由几个乃至数千个原子或分子通过一定的物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态，或者说代表了凝聚态物质的初始状态。
　　众所周知，氢键广泛存在与各种物质中，作为分子间的相互作用力在很多科学问题中扮演着重要的角色。对氢键的研究有助于解决多方面的问题，如能量转移、溶解和化学反应等，能为开发自然界中的水资源做好坚实的基础。O…H和N…H两种特殊而重要的氢键同时存在于氨水团簇。探究氨水团簇可能存在的稳定结构，可以为研究大气组成、生物大分子的形成等做好理论铺垫。通过对团簇的研究，人们可以架起原子、分子和宏观固体之间的桥梁。团簇科学是一门介于原子分子物理与固体物理之间的交叉学科。近年来，对由氢键作用形成的团簇的研究一直相当活跃。
　　氢键体系中的质子转移是自然界的一个基本过程，研究质子转移反应机理对于认识基本的物理、化学和生物过程具有相当重要的意义。
　　本文先构建质子化氨水团簇的一个模型势，并计算得到了NH4+(H2O)4和NH4+(H2O)7的模型势异构体，从中选取了稳定性较好的异构体作为初始结构，利用+427密度泛函方法分别在6-31G(d)和6-311++G(d，p)基组水平上逐级对NH4+(H2O)4和NH4+(H2O)7团簇的各种可能异构体进行结构优化、频率计算和频谱分析。
　　论文的主要结论如下:
　　1.得到了质子化氨水团簇的稳定结构是:质子与一个氨分子结合形成NH+4离子核，水分子与该离子核的四个氢通过氢键相结合。
　　2.用密度泛函理论对质子化氨水团簇的稳定结构进行了研究，得到了比文献中的稳定结构能量更低的结构。
　　3.通过对氨水质子化团簇最稳定结构振动光谱分析发现，光谱中的最强峰来自多种振动模式的叠加。
　　本文的主要内容有:
　　第一章:氢键对物质结构和性质的影响及应用前景，对团簇的介绍，论述了团簇的概念、性质和团簇的分类以及目前研究团簇的现状、困难和意义。
　　第二章:阐述了本课题研究过程中采用的理论计算方法，包括变分原理、密度泛函理论、自洽计算中的基函数、振动频率的计算并简要的说明了Gaussian03程序。
　　第三章:在B3LYP/6-31G(d)和B3LYP/6-311++G(d，p)水平上对NH4+(H2O)4团簇进行了几何优化和频谱探究，得到了9中可能的稳定结构，发现NH4+(H2O)4簇的五边形环状结构的稳定性最好，并从中选取了四种稳定结构进行红外光谱振动分析。
　　第四章:在B3LYP/6-31+G*和B3LYP/6-311++G**基组水平上得到NH4+(H2O)7的10稳定结构，并从中选取了四种稳定结构进行红外振动光谱分析，发现最高峰是多种振动模式的叠加引起的。
　　第五章:总结与展望。

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第一章 综 述

§1.1 氢键对物质结构和性质的影响及应用前景

§1.2 团簇的概述

第二章 理论基础和计算方法

§2.1 变分法和微扰理论

§2.2 Gaussian 03 程序简介

§2.3 红外光谱

第三章NH (H O) 稳定结构和红外光谱的探究+4 2 4

§3.1 引 言

§3.2 计算方法

§3.3 计算结果

§3.3 结论

第四章NH (H O) 稳定结构和红外光谱的探究+4 2 7

§4.1 引 言

§4.2 计算方法

§4.3 计算结果

§4.4 结论

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢