化学计算与测量实验之实验4分子振动

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物理化学实验

实验1 燃烧热的测定

1. 实验目的

1.1掌握氧弹量热计的使用；用氧弹量热计测定萘的燃烧热；

1.2掌握氧气钢瓶的使用。

2. 实验原理

称取一定量的试样置于氧弹内，并在氧弹内充入1.5 ~ 2.0MPa的氧气，然后通电点火燃烧。燃烧时放出的热量传给水和量热器，由水温的升高（△T）即可求出试样燃烧放出的热量：

Q＝K·△T

式中K为整个量热体系（水和量热器）温度升高1℃所需的热量。称为量热计的水当量。其值由已知燃烧热的苯甲酸（标样）确定。K ＝Q /△T

式中△T应为体系完全绝热时的温升值，因而实测的△T须进行校正。

采用雷诺作图法校正温度变化值

将实验测量的体系温度与时间数据作图，得曲线CAMBD，见图1，取A、B两点之间垂直于横坐标的距离的中点O作平行于横坐标的直线交曲线于M点，通过M点作垂线ab，然后将CA线和DB线外延长交ab线于E和F两点。F点与E点的温差．即为校正后的温度升高值△T。

有时量热计绝热情况良好，燃烧后最高点不出现如图2所示，这时仍可按相同原理校正。

图 1 绝热较差时的雷诺图图2 绝热良好时的雷诺图

3. 仪器与试剂

3.1试剂：分析纯苯甲酸（QＶ＝26480 J·g－１）；待测样；引火丝（Ni－Cr丝，QＶ＝8.4 J·cm －１)

3.2仪器：HR－15A数显型氧弹量热计一台；压片机（苯甲酸和萘各用一台）；精密贝克曼温差温度计（精确至0.01 ℃，记录数据时应记录至0.002 ℃）；台秤一台；分析天平一台。

4. 实验步骤

4.1水当量的测定

(1)打开控制箱预热。

(2)量取10 cm引火丝并准确称重。

水和重水分子振动谱的计算

得 H2O 及其同位素分子 D2O 经过非谐性等校正的精确的简正频率。
分子动力学（MD）模拟已经成功模拟得到了液态水的几何构型[2]，也已成为分子模拟计算的重要方法。在大多数分子动力学（MD）实际模拟中，支配各个原子行为的运动方程的只是经典力学方程，而量子效应在温度不是很高的条件下对热力学量的影响是很明显的[3]。所以，分子动力学模拟方法在量子效应明显的体系或者条件下有着它自身的局限性。本文采用G03w，选取了合适的基组和方法模拟得到了准确的水和重水分子的几何构型、振动模式和拉曼活性。
2. 振动模式[4]
双原子分子的伸缩振动属于一类振动形式（mode of vibration），多原子分子的振动形式除了伸缩振动外，还存在弯曲振动。讨论振动形式可以了解吸收峰的起源，即吸收
峰是由什么振动形式的能级跃迁引起。讨论振动形式的数目有助于了解基频峰的可能数
目。
2.1 伸缩振动
键长沿键轴方向发生周期性的变化称为伸缩振动（stretching vibration）。多原子分子（或基团）的每个化学键可近似地看作一个谐振子，其振动形式分为对称伸缩振动及
我们发现 H2O 和 D2O 的 H－O 键长在 0.96Å左右，而 H－O－H 夹角在 105°左右，几
何构型非常接近。虽然 D2O 比 H2O 多两个中子，但没有深刻改变其几何构型。
X2Y H2O DΒιβλιοθήκη BaiduO

计算化学实验_分子结构模型的构建及优化计算

计算化学实验_分⼦结构模型的构建及优化计算

实验9 分⼦结构模型的构建及优化计算

⼀、⽬的要求

1．掌握Gaussian 和GaussView程序的使⽤。

2．掌握构建分⼦模型的⽅法，为⽬标分⼦设定计算坐标。

3．能够正确解读计算结果，采集有⽤的结果数据。

⼆、实验原理

量⼦化学是运⽤量⼦⼒学原理研究原⼦、分⼦和晶体的电⼦结构、化学键理论、分⼦间作⽤⼒、化学反应理论、各种光谱、波谱和电⼦能谱的理论，以及⽆机、有机化合物、⽣物⼤分⼦和各种功能材料的结构和性能关系的科学。

Gaussian程序是⽬前最普及的量⼦化学计算程序，它可以计算得到分⼦和化学反应的许多性质，如分⼦的结构和能量、电荷密度分布、热⼒学性质、光谱性质、过渡态的能量和结构等等。GaussView是⼀个专门设计的与Gaussian配套使⽤的软件，其主要⽤途有两个：构建Gaussian的输⼊⽂件；以图的形式显⽰Gaussian计算的结果。本实验主要是借助于GaussView程序构建Gaussian的输⼊⽂件，利⽤Gaussian程序对分⼦的稳定结构和性质进⾏计算和分析。

三、软件与仪器

1．软件：Gaussian03、GaussView计算软件，UltraEdit编辑软件。

2．仪器：计算机1台。

四、实验步骤

1．利⽤GaussView程序构建Gaussian的输⼊⽂件

打开GaussView程序，如图9-1所⽰，在GaussView中利⽤建模⼯具

（View→Builder→），如图9-2所⽰，在程序界⾯元素周期表的位置处找到所需的元素，单击即可调⼊该元素与氢元素的化合物。

分子振动频率

摘要

本文将深入探讨分子振动频率的相关概念、计算方法、影响因素以及应用领域。我们将首先介绍分子振动的基本原理，然后探讨不同振动模式的分类和计算方法。接下来，我们将讨论影响分子振动频率的因素，包括分子结构、键的类型和键的强度等。最后，我们将介绍分子振动频率在化学、物理和生物学等领域的重要应用，并展望未来的研究方向。

介绍

分子振动是指分子中原子的相对位置随时间的变化。分子中的原子通过化学键相互连接，在平衡位置附近发生振动运动。这些振动可以看作是分子内部的微小弹性运动，其频率与振动模式有关。分子振动频率对于了解分子结构、物质性质以及化学反应的机理具有重要作用。

分子振动模式的分类和计算方法

分子振动模式可以分为基本振动和非基本振动两类。基本振动是在分子最稳定构型附近发生的振动，而非基本振动则是相对于基本振动而言的高能态振动。基本振动可以进一步分为伸缩振动、弯曲振动和扭曲振动等几种不同的模式。

计算分子振动频率的方法主要有理论计算和实验测定两种。理论计算方法包括量子力学方法和分子力学方法。量子力学方法基于薛定谔方程对分子进行数值求解，可以给出分子振动频率的精确值。分子力学方法则是基于经验势能函数对分子进行近似计算，计算速度快但精度较低。实验测定分子振动频率的方法主要有红外光谱和拉曼光谱等。

影响分子振动频率的因素

分子振动频率受多种因素的影响，包括分子结构、键的类型和键的强度等。

1.分子结构：分子的大小和形状对其振动频率有明显影响。较大的分子在相同

的振动模式下具有较低的频率，而不同形状的分子在相同的振动模式下可能有不同的频率。

化学计算与测量实验之实验4 分子振动

实验4 分子振动

实验目的

（1）完成H2O分子、CO2分子、氯代环丙烷分子、正丁酸分子的计算，掌握红外光谱的吸收图的绘制和每个振动的模式的分子图；找出实验的数据进行对比

（2）从理论上剖析振动光谱、简振模式，以及简振模式与振动光谱的对应关系。

（3）掌握红外光谱与Raman光谱的识别，掌握谱图中峰的辨认

计算方法

用密度泛函的B3LYP方法，在含有弥散函数的AUG-cc-pVDZ基组水平上，对分子做对称性限制的优化。在优化构型的基础上，进行简振频率、IR强度、Raman活性和简振模式的计算。计算使用Gaussian98程序包。

这是一个关于有机分子振动光谱的实验，涉及简振频率、红外光谱、拉曼光谱以及简振模式的计算。主要分析讨论简振模式的振动方式与分类、简振模与振动光谱的对应关系等。振动分析的结果会给出分子的全部振动模式。分子中的各个原子被放在一个称为标准取向的笛卡尔直角坐标系中。各个原子的振动则在该点的一个平行子坐标系中给出其在各轴上的分量。Chemcraft程序则可以直接转换成矢量形式，并动态模拟各个模式的振动。其频率值和振动的红外和拉曼强度也同时给出。注意要分析两种不同振动光谱产生的原因以及强度与振动的关系。

本实验依旧使用SchrÖdinger equation与The Born-Oppenheimer Approximation，公式如下：

双原子分子振动能量：

当v=0时，能量最低，即在绝对零度时，振动能量为1/2。该能量也被称为零点能。

红外光谱红外光谱法是一种根据分子对特定频率的波的吸收来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

化学实验中的测量与计算

在化学实验中，测量与计算是不可或缺的重要环节。准确的测量和计算结果可以提高实验的可靠性和可重复性，为科学研究和工程应用提供支持。本文将从测量仪器的选择和使用、测量数据的处理和分析以及计算方法的应用等方面，探讨化学实验中的测量与计算。

一、测量仪器的选择与使用

1. 仪器的选择

在进行化学实验前，需要根据实验需求选择合适的测量仪器。常用的测量仪器包括天平、量筒、试剂瓶、分光光度计等。天平可以用于测量物质的质量，量筒可以用于测量溶液的体积，试剂瓶和分光光度计可以用于测量溶液的浓度等。

2. 仪器的使用

正确的使用测量仪器是确保测量结果准确可靠的关键。在使用天平时，需校准零点，并保持清洁，避免污染物质。在使用量筒时，要保证液面与刻度线平行，避免液体附着在筒壁上造成误差。使用试剂瓶时，要避免滴漏现象，确保溶液的准确使用。分光光度计的使用需要调整光路、选择合适的波长和参比溶液，以保证测量结果的准确性。

二、测量数据的处理与分析

1. 数据的记录

测量实验过程中，需要及时、准确地记录测量数据。在记录数据时，应注意使用规定的单位，并进行数据标注，如实验日期、实验人员等。同时，还需注意用适当的精度记录数据，以便后续计算和分析。

2. 数据的处理

测量数据的处理是为了对结果进行准确分析和应用。常用的数据处

理方法包括平均值、标准差、相对误差等。在计算平均值时，需要将

多次测量结果求和后除以测量次数。标准差可以用来衡量数据的离散

程度，通过计算标准差可以评估实验结果的可靠性。相对误差是指实

验结果与理论值之间的差别，用来评价测量数据的准确性。

华理物化实验报告

篇一：物化实验下实验报告最终

物理化学实验报告

姓名：郑晨光学号： 2013041467

实验名称：最大气泡压力法测定溶液的表面张力

专业：13化学行知班班级：指导教师：邬冰评分：

实验目录

实验 10 电导法测定水溶性表面活性剂的临界胶束浓度 .................... 3 实验 11 黏度法测定水溶性高聚物相对分子质量 ................................ 8 实验12 最大气泡压力法测定溶液的表面张力 ................................... 14 实验 13 丙酮碘化反应的速率方程 (23)

实验14 蔗糖水解反应速率常数的测定 ............................................... 28 实验15 乙酸乙酯皂化反应速率常数测定 ........................................... 32 实验16 离子迁移数的测定—希托夫法 ............................................... 36 实验 17 电势—ph 曲线的测定 ............................................................. 40 实验18 电池电动势的测定及其应用 .................................................

46 实验 19 碳钢在碳酸氢铵溶液中极化曲线的测定 (51)

分子模拟实验--Expt-4

在做振动频率计算时, 必须用同一理论水平下优化好的分子结构, 否则没有意义.
一般需要后处理才能得到标准状态下的生成焓, 熵, 自由能数据.
实验四 — 化学反应模拟
步骤1. 热力学参数的计算
(a) 优化 (b) 计算频率
同一方法
设置温度
实验四 — 化学反应模拟
步骤1. 热力学参数的计算 (c) 设置要求
配分函数电子, 平动, 转动, 振动
热力学量
实验四 — 化学反应模拟
步骤1. 热力学参数的计算
甲烷的生成焓和自由能 B3LYP/6-31G(d)
(a) 优化分子结构, 获得: 能量 E(CH4) = -25403.054879 kcal/mol
(b) 计算频率, 获得: 零点能 ZPE = 28.308383 kcal/mol H298 - H0 = H298 - ZPE = 30.698 - 28.308383 kcal/mol
步骤2. 反应过渡态的优化 CH3CF3 → CH2CF2 + HF
MOPAC, PM3 优化
实验四 — 化学反应模拟
步骤2. 反应过渡态的优化
CH3CF3 → CH2CF2 + HF
靠近
拉长20-30%
-62.75007
-172.31607
缩短 -79.44008
-79.68062

物理化学实验实训指导书

《物理化学》实验（实训）指导书

制定人：

职业学院

《物理化学实验》课程教学大纲

课程名称：物理化学实验

课程总学时：128 实验学时：38

本大纲主撰写人：开课单位（系部）：

一、实验教学目标与基本要求

物理化学实验是石油化工、应用化学等专业的一门重要的必修基础课程。《物理化学实验》是继《无机化学实验》、《分析化学实验》和《有机化学实验》之后而独立开设的实验课程，是化学类专业的必修基础课程。其目的主要是使学生了解物理化学的基本实验方法和研究方法，掌握物理化学的基本实验技术和数据处理的技能，加深理解并掌握物理化学的基本知识和原理。通过实验训练进一步培养学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新意识、创新精神和创新能力，为学生今后从事化学研究或相关领域的科学研究和技术开发工作打下扎实的基础。

本课程以实践环节为主，它由技术讲座、基础性实验两个部分组成。讲座内容包括课程的学习方法、安全防护、数据处理、报告书写和实验设计思想等。实验部分介绍相应的研究方法和实验技术，常见物理量（如：温度、压力、电势等）的测量，要求学生进行实际操作训练。实验包括热力学、电化学、化学动力学、表面化学与胶体化学等方面的内容，以及物理化学的重要实验方法和技术，由此使学生得到全面的基础训练，应达到下列要求：

1. 使学生初步了解物理化学的研究方法，掌握物理化学的基本实验技术和技能。

2. 学会重要的物理化学性能测定，熟悉物理化学实验现象的观察和记录、实验条件的判断和选择、实验数据的测量和处理、实验结果的分析和归纳等一套严谨的实验方法。

实验4光散射法测定聚合物的

实验三光散射法测定聚合物的

重均分子量及分子尺寸

光散射法是一种高聚物分子量测定的绝对方法，它的测定下限可达5×103，上限为107。光散射一次测定可得到重均分子量、均方半径、第二维利系数等多个数据，因此在高分子研究中占有重要地位，对高分子电解质在溶液中的形态研究也是一个有力的工具。

一、实验目的

1．了解光散射法测定聚合物重均分子量的原理及实验技术。

M、均方末端2．用Zimm双外推作图法处理实验数据。并计算试样的重均分子量

A。

距2及第二维利系数

二、基本原理

一束光通过介质时，在入射光方向以外的各个方向也能观察到光强的现象称为光散射现象。光波的电场振动频率很高，约为1015/s数量级，而原子核的质量大，无法跟着电场进行振动，这样被迫振动的电子就成为二次波源，向各个方向发射电磁波，也就是散射光。因此，散射光是二次发射光波。介质的散射光强应是各个散射质点的散射光波幅的加和。光散射法研究高聚物的溶液性质时，溶液浓度比较稀，分子间距离较大，一般情况下不产生分子之间的散射光的外干涉。若从分子中某一部分发出的散射光与从同一分子的另一部分发出的散射光相互干涉，称为内干涉。假若溶质分子尺寸比光波波长小得多时（即≤1/20λ,λ是光波在介质里的波长），溶质分子之间的距离比较大，各个散射质点所产生的散射光波是不相干的；假如溶质分子的尺寸与入射光在介质里的波长处于同一个数量级时，那末同一溶质分子内

图3-1

各散射质点所产生的散射光波就有相互干涉，这种内干涉现象是研究大分子尺寸的基础。高分子链各链段所发射的散射光波有干涉作用，这就是高分子链散射光的内干涉现象，见图3-1。

化学计算与测量实验紫外吸收光谱的计算

5 实验紫外吸收光谱的计算一、实验目的：1）掌握紫外吸收的基本原理（2）熟悉溶液中的计算（MO

3）学会如何看（二、实验原理1、溶剂效应的理论方法）超分子方法1 ,和外部溶剂的板块效应问题. 解决构象问题,、计算量问题2）连续介质模型：连续介质模型是将溶剂整体看做连续介质，并推导能够描述主要溶剂性质的解析定义方程。个水分子的精确描述需使用方便，大大减少体系自由度，例如对于200: 计算量小,优点1800个自由度，可以较精确地处理长程静电相互作用这一最主要的溶剂效应。要近如氢键缺点: 缺乏溶质-溶剂相互作用的微观信息,

）理论。连续介质模型技术包括很多分支理论，其中最广泛的是自洽反应场（SCRF连续εSCRF）理论：在这个模型中，溶质被放在一个沉浸在介电常数为自洽反应场（介质中的空穴内，这个空穴可以是球形，椭球形或者其他形状，通常选为球形。将反应）理论。场理论加入到量子化学分子轨道理论中发展成为自洽反应场（SCRF

3）超分子-连续介质方法

连续介质：将近溶剂化层扩大为溶质体系外围采用连续介质模型。在计算过程QM/MM/ 中将介质用量子力学计算，而将溶剂用分子力学计算。

、计算溶剂化能2公式（点电荷模型））球孔穴的Born12??11Q ???s)?(dV溶剂化能: ?F?

??1()1 2μs?F ?

el?a22 s-Onsager模型2）球孔穴的点偶极模型:溶剂化能

el3??12)a( s3）非球孔穴数值解-PCM

1???Sd?F?el2溶剂化能：S)j1Q(??)iq?(||2R?r jiij1q(i)Q(j)???

量子化学计算实验详解

量子化学计算方法及应用

吴景恒

实验目的：

（1）掌握Gaussian03W的基本操作

（2）掌握 Gaussian03W进行小分子计算的方法，比较不同方法与基组对计算结果的影响，并比较同分异构体的稳定性（3）通过运用量子力学方法计算分子的总电子密度，自旋密度，分子轨道及静电势

实验注意：

（1）穿实验服；实验记录用黑色，蓝色或蓝黑色钢笔或签字笔记录；实验数据记录不需要画表格

（2）实验前请先仔细阅读前面的软件使用介绍，然后逐步按照实验步骤所写内容进行操作

（3）截图方法：调整视角至分子大小适中，按下键盘上的PrintScreen按键截图，从“Windows开始菜单”打开“画图”工具，按Ctrl+v或“编辑-粘贴”，去掉四周多余部分只留下分子图形，保存图片

（4）所有保存的文件全部存在E盘或D盘根目录用自己学号命名的文件夹下，不要带中文命名，实验完毕全部删除，不得在计算用机上使用自己携带的U盘或其他便携存储设备！

（5）HyperChem里面截图时候可以用工具栏以下几个工具调整视图：

Rotate out-of-plane：平面外旋转工具，转换视角用

Mgnify/Shrink：放大镜工具，转换视角用

Gaussian03W使用介绍：（注意，下面只是界面示意图，实验時切勿按下图设置）

输入文件：Gaussian输入文件，以GJF为文件后缀名

联系命令行：设定中间信息文件（以CHK为后缀名）存放的位置、计算所需的内存、CPU数量等

作业行：指定计算的方法，基组，工作类型，如：#P HF/6-31G(d) Scf=tight Opt Pop=full

化学反应动力学实验测量

摘要：

本实验旨在通过观察化学反应的速率随时间的变化，了解化学反应动力学的基本原理及其实验测量方法。实验中采用了碳酸氢钠与硫酸反应的系统，通过观察二氧化碳的体积变化来确定反应速率。在实验过程中，我们改变了温度和浓度两个实验条件，并分别记录了反应速率随时间的变化曲线。实验结果表明，反应速率与温度和浓度有关，温度升高和浓度增加可以加快反应速率。通过实验数据的计算，我们得到了反应速率常数和反应级数的数值，并验证了速率方程。实验结果与理论预期相符，说明化学反应动力学实验测量的方法与理论分析是一致的。

引言：

化学反应动力学研究的是反应速率随时间的变化规律，通过实验测量反应速率和观察反应速率随时间的变化曲线，可以揭示化学反应速率与反应物浓度、温度等因素之间的关系。了解化学反应速率对于理解反应机理、优化反应条件以及控制工业生产过程具有重要意义。本实验旨在通过实验测量反应速率并观察速率随时间的变化，了解化学反应动力学的基本原理。

实验步骤：

1.实验前准备：

a.准备实验所需的试剂和仪器设备；

b.设置实验室的安全措施，佩戴实验室器材。

2.制备反应混合物：

a.按照实验配方计算所需的反应物质量；

b.将反应物A和反应物B分别称量；

c.将反应物A和反应物B分别溶解在水溶液中，制备反应混合物。

3.准备反应容器：

a.清洗反应容器，并用试剂玻璃器皿擦拭干净；

b.将反应混合物倒入反应容器中。

4.测量反应速率：

a.将反应容器置于恒温水浴中，并控制反应温度为20℃；

b.使用导管将反应容器与气体收集装置连接；

gaussian热力学组合g4振动和能量的计算级别

高斯热力学组合G4振动和能量的计算级别

一、概述

热力学组合G4是一种计算化学方法，被广泛应用于分子振动和能量的计算。G4方法是由高斯公司开发的一种半经验的量子力学方法，适用于有机分子和小分子体系。G4方法的优势在于能够准确描述分子的振动态和能量，在化学和材料科学领域有着重要的应用价值。

二、G4方法的原理

1. 半经验方法

G4方法是一种半经验的量子力学方法，它将实验数据与理论计算相结合，通过参数拟合得到。这种半经验方法能够更准确地描述分子的振动和能量，与纯理论计算方法相比具有更高的精度和可靠性。

2. 计算级别

G4方法的计算级别较高，包括了广泛的电子相关效应，如双电子激发和三电子激发等。这些电子相关效应能够使G4方法更准确地描述分子的振动态和能量，适用于复杂体系和化学反应的研究。

三、G4方法在分子振动计算中的应用

1. 分子振动态的描述

G4方法能够准确描述分子的振动态，包括了振动频率、振动模式和振动能量等信息。这些振动信息对于研究分子的结构、稳定性和反应性

具有重要的意义，对于理解和预测分子的性质和行为有着重要的作用。

2. 分子振动谱的预测

G4方法能够预测分子的振动谱，包括红外光谱和拉曼光谱等。这些振动谱可以提供分子的结构信息和功能基团的识别，对于分析和鉴定未

知化合物具有重要的意义。

3. 振动分析的应用

振动分析是G4方法在分子设计和材料科学领域的重要应用之一，它可以帮助研究人员优化分子的结构和性能，设计新型材料和开发新的功能。G4方法在振动分析领域具有广泛的应用价值。

四、G4方法在分子能量计算中的应用

红外光谱实验

一、实验目的

（1）了解傅立叶变换红外光谱仪的结构和工作原理。

（2）初步掌握红外光谱的测试和分析方法。

二、实验原理

1基本原理

构成物质的分子都是由原子通过化学键连结而成，分子中的原子与化学键受光能辐射后均处于不断的运动之中。这些运动除了原子外层价电子的跃迁之外，还有分子中原子的相对振动和分子本身的绕核转动。当一束红外光照射物质时，被照射物质的分子将吸收一部分相应的光能，转变为分子的振动和转动能量，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带。

通常以波长（口m）或波数（cm-1）为横坐标，吸光度（A）或百分透过率（T%）为纵坐标，将这种吸收情况以吸收曲线的形式记录下来，得到该物质的红外吸收光谱或红外透射光谱，简称红外光谱。

1）透射率（透过率）

0回T=$X100%

式中，Io为入射光强度，I为透射光强度。整个吸收曲线反映了一个化合物在不同波长的光谱区域内吸收能力的分布情况

2）红外光谱区域

通常将红外光谱区按波长分为3个区域，即近红外区、中红外区、远红外区，如表1所示。

4000665cm

3）红外光谱仪的标配检测器波数通常为4000〜400cm"。

分子振动方式

多原子分子中的化学键有多种振动形式，一般分为伸缩振动和弯曲振动两类。各

键的振动频率不仅与这些键本身有关，也受到整个分子的影响。

4）双原子形成化学键的波数

以经典力学来处理分子中化学键的振动:将复杂分子看成是由不同质量的小球和不同倔强系数的弹簧组成的，小球代表原子，弹簧代表化学键。化学键振动近似为弹簧振子。若将双原子看成是质量分别为