分子几何构型优化的初步比较
化学分子的几何结构分析
化学分子的几何结构分析化学分子是由多个原子通过化学键相互连接而成的，它们中包含着复杂的几何结构，几何结构的形状和类型决定了分子的性质和反应。
化学分子的几何结构分析是分析分子结构和反应机理的重要手段。
本文将探讨化学分子的几何结构分析方法和应用。
一、分子结构分子结构是分子内成键原子的相对位置。
在分子中，原子间的成键通过原子之间的电子对共享来形成。
成键原子所构成的点称作原子核间的成键域。
原子核间的成键域可以是单个成键对，也可以是多个成键对的集合以及孤对电子。
分子结构的三维空间位置和取向可以通过分子轨道理论来解释。
在分子轨道理论中，分子中的原子轨道相互超出，因此电子云的体积将分成不同的分子轨道。
这些分子轨道可以是电子互相远离的反键绑定轨道，也可以是电子相互靠近的成键轨道。
分子轨道的能量不同，取决于原子成键的方向和成键时电子的位置。
分子结构的分析需要研究这些分子轨道的构成和相互关系。
二、分子几何形状分子几何形状是由原子间成键的角度和键长所确定的空间结构。
分子几何形状的描述通常采用分子几何构型。
常见的分子几何构型包括线性、三角形、四面体、平面三角形、八面体和三角双锥等。
由于化学键是有方向性的，分子几何构型对于反应和性质的影响是决定性的。
分子几何构型的确定需要采用不同的实验和理论方法。
三、实验方法实验方法是确定分子几何构型最常用的手段。
实验方法主要包括X射线结晶学、光电子能谱学和微波光谱学三种。
X射线结晶学是最常见的分析物质结构的方法之一。
它利用物质对X射线的散射实现分子结构分析。
利用X射线晶体学技术，可以获得物质的结构信息，包括原子间距离、键角等。
光电子能谱学是发现有机化学物质和无机材料结构的重要手段之一。
它是通过将样品表面吸引出电子并测量其能量来分析物质的电子结构及其物化性质。
微波光谱学技术是利用微波辐射的吸收和发射来研究分子内的状态和转化。
此方法仅适用于具有偶极矩的分子，通常用于确定分子的旋转和振动状态和分子几何构型。
分子结构模型的构建及优化计算
分子结构模型的构建及优化计算分子结构模型的构建是化学研究和计算化学领域的重要一环，对于理解分子的性质和行为具有重要意义。
优化计算则是对构建的分子结构模型进行调整和优化，以求得最稳定和最符合实验结果的结构体系。
本文将介绍分子结构模型的构建方法以及常用的分子结构优化计算方法。
一、分子结构模型的构建1.实验室试验方法：实验室试验方法通过实验手段确定分子的构型和结构。
常用的实验方法包括谱学方法（如红外光谱、拉曼光谱、核磁共振等）、X射线方法和电子显微镜等。
这些实验方法可以提供分子的一些基本信息，例如键长、键角、晶胞参数等。
不过该方法需要实验设备和实验条件，有时也受到实验技术的限制。
2. 理论计算方法：理论计算方法主要通过量子力学计算、分子力学模拟和分子动力学模拟等，从基本粒子的角度计算分子的结构和性质。
在量子力学计算中，常用的方法有Hartree-Fock（HF）方法、密度泛函理论（DFT）方法、紧束缚模型（TB）方法等。
在分子力学模拟和分子动力学模拟中，常用的方法有分子力学（MM）方法、分子动力学（MD）方法等。
二、分子结构优化计算分子结构优化计算是对构建的分子结构模型进行调整和优化的过程，以找到最稳定和最符合实验结果的结构体系。
1.线性规划方法：线性规划方法是寻找一个解向量，使得目标函数最小或最大。
在分子结构优化计算中，可以通过线性规划方法来优化分子结构的内部参数，如键长、键角等。
2. Monte Carlo方法：Monte Carlo方法是一种通过随机抽样的方式来进行优化计算的方法。
在分子结构优化计算中，Monte Carlo方法可以通过随机调整分子的内部参数，以整个构象空间，寻找最稳定的构象。
3.遗传算法：遗传算法是通过模拟生物进化过程来进行优化计算的方法。
在分子结构优化计算中，可以将每一个分子结构看作一个个体，通过交叉、变异等操作模拟自然选择，以寻找最优解。
4.分子动力学模拟：分子动力学模拟是通过求解分子的运动方程，模拟分子的运动和变化过程。
分子结构与性质：分子的几何构型
3
S
F F
2
结论：LP占据水平方向三角形, 稳定 分子构型为变形四面体(跷跷板形)。
电子对的
VP LP 空间构型 5 1 三角双锥 5 2 三角双锥 5 3 三角双锥
分子的
例
空间构型
变形四方体 SF4
T形
ClF3
直线形
XeF2
进一步讨论影响键角的因素：
①π键的存在，相当于孤对电子排斥成
键电子，使键角变小。例如：
强，形成化学键的键能大，生成的分子 稳定。
由于成键原子轨道杂化后.轨道角度分布图的形状发生 了变化(一头大，一头小)，杂化轨道在某些方向上的角 度分布，比未杂化的P轨道和s轨道的角度分布大得多， 成键时从分布比较集中的一方(大的一头)与别的原子成 键轨道重叠，能得到更大程度的重叠，因而形成的化 学键比较牢固。
6-3-2 杂化轨道理论
为解决价键理论的局限性，鲍林在价键 理论中引入了杂化轨道的概念。
6-3-2 杂化轨道理论
杂化轨道理论的要点
原子成键时, 参与成键的若干个能级相近的原 子轨道相互“混杂”, 组成一组新轨道 (杂化 轨道),这一过程叫原子轨道的“杂化”。
杂化轨道理论的要点
有几个原子轨道参与杂化，就形成几个杂 化轨道 。 杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力
实例
22
例２BeCls2、(gp) 180° 直线形 σ键 直线形 BeCl2、CO2
Be
激发
sp杂化
2p 2s
2p 2s
sp 2p
能量近似原则 Cl—Be—Cl
Cl
Be
Cl
思考题：为什么不形成BeCl4分子？直线形
杂化类型
sp2杂化——１个s 轨道+2个p 轨道
分子的几何构型优化计算.doc
分子的几何构型优化计算（2）m ents (2)a n98)1.优化目的：对分子性质的研究是从优化而不是单点能计算开始。
这是因为我们认为在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。
只有能量最低的构型才能具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质。
在建模过程中，我们无法保证所建立的模型有最低的能量，所以所有研究工作的起点都是构型优化，要将所建立的模型优化到一个能量的极小点上。
只有找到合理的能够代表所研究体系的构型，才能保证其后所得到的研究结果有意义。
分子性质研究的一般模式:2 高斯中所用到的一些术语的介绍a n98的界面2.1势能面在不分解的前提下，分子可以有很多个可能的构型，每个构型都有一个能量值，所有这些可能的结构所对应的能量值的图形表示就是一个势能面，势能面描述的是分子结构和其能量之间的关系，以能量和坐标作图。
根据分子中的原子数和相互作用形式，有可能是二维的，也有可能是多维的。
势能面上的每一个点对应一个具有一个能量的结构。
能量最低的点叫全局最小点，局域最小点是在势能面上某一区域内能量最小的点，一般对应着可能存在的异构体。
鞍点是势能面上在一个方向有极大值而在其他方向上有极小值的点，通常对应的都是过渡态。
优化的目的就是找到势能面上的最小点，因为这个点所对应的构型能量最低，是最稳定的。
2.2确定能量最小值构型优化就是找体系的最小点或鞍点。
能量的一阶导（也就是梯度，注意在数学中，一阶导表示着函数的变化趋势，一阶导为零就表明找到了极值点，这是确定最小值的数学基础）是零，这表明在这个点上的力也是零（因为梯度的负值是力）。
我们把势能面上这样的点称为静态点（也就是上面所说的极小点）。
所有成功的优化都会找到一个静态点，虽然有时找到的静态点并不是想要的静态点。
程序从输入的分子构型开始沿势能面进行优化计算，其目的是要找到一个梯度为零的点。
计算过程中，程序根据上一个点的能量和梯度来确定下一步计算的方向和步幅。
梯度其实就是我们所说的斜率，表示从当前点开始能量下降最快的方向。
分子的立体构型及杂化方式的判断方法
分子的立体构型及杂化方式的判断方法1.VSEPR理论：VSEPR理论是根据分子中的电子对的排斥效应来预测分子的立体构型。
根据这一理论，分子中的电子对（包括原子间键合电子对和孤对电子对）会尽量远离彼此，从而使得分子呈现出一定的几何形状。
通过确定分子中原子的中心原子、其他原子和孤对电子对的数量，可以用VSEPR理论预测分子的构型。
2.分子对称性：分子的对称性可以提供有关分子构型的重要信息。
通过观察分子的对称轴、平面反转中心、镜面反射面等，可以推断分子的几何结构。
例如，如果一个分子具有旋转轴，那么该分子很可能是线性的；若分子具有反射面，则可能是平面的。
3. 分子轨道理论：分子轨道理论描述了分子中电子的分布情况，指出原子轨道会经过一个或多个杂化过程而形成分子轨道。
通过观察分子中的化学键及相关杂化轨道的形状，可以推断出分子的杂化方式。
例如，如果分子中存在 sigma 键，则可判断该分子中原子的杂化方式为 sp 杂化；如果分子中存在 pi 键，则可判断杂化方式为 sp2 或 sp3 杂化。
4.光谱学方法：光谱学方法可以通过分析分子在不同波长下吸收和发射的电磁辐射来研究分子的构型和杂化。
例如，红外光谱可以提供分子中不同键弯曲、拉伸等振动模式的信息，从而帮助确定分子的立体构型；核磁共振光谱可以提供分子中不同核磁共振信号的信息，从而揭示出分子中不同原子的环境和构型。
5.计算化学方法：计算化学方法可以通过理论计算来预测分子的构型和杂化。
例如，量子力学方法（如密度泛函理论）可以计算分子的电子结构和能量，从而推测分子的构型和杂化方式。
总之，分子的立体构型和杂化方式可以通过VSEPR理论、分子对称性、分子轨道理论、光谱学方法和计算化学方法等多种途径来判断。
这些方法的使用取决于具体分子的性质和研究目的。
VASP上机练习讲解-几何结构优化-分子
4
1. H2O分子
1）POSCAR： 用UltraEdit打开H2O.cif文件 只复制坐标部分（采用列选择模式）
可以实现列选 择编辑模式
5
1. H2O分子
1）POSCAR： 切换至Xshell界面，登陆 ，进入vasp2015文件夹 cd vasp2015 将模板文件夹bak直接拷贝成H2O文件夹 cp -r bak H2O 进入H2O文件夹 cd H2O 编辑POSCAR vi POSCAR 将其中模型坐标部分删掉 dd/d]] 进入插入模式 i 右键粘贴，将UltraEdit中复制的 坐标信息粘贴替换模板中的坐标部分 退出插入模式 Esc 坐标部分删除并替换 保存POSCAR :wq
09725对于优化前后的结构对比可以观察键长键角晶格参数吸附位等1920分子并导出为cif文件21准备四个输入文件和脚本cp此时可以直接将h2o文件夹复制并重命名为o2文件夹然后在o2文件夹中将相关输入文件修改投作业后输出文件将会覆盖之前h2o的输出文件cph2oo2修改potcarcppawopotcaro2修改poscarincarkpointsvicdh2oposcar根据cif文件修改incar文件需要填加二行ispin2voskown1kpoints不需修改晶胞尺寸相同k点不变投作业qsub22systemo2istartprecnormallrealisif2nsw100potim05ediffg005encut400evispin
原子坐标
原子受力
体系能量（温度为0K，取不含熵值的总能）
通过ctrl+b向上翻页可以查看每步离子弛豫后原子受力大小，以确认是否达到力收 敛精度，即INCAR中的EDIFFG参数。 13
分子结构的秘密从简单到复杂
分子结构的秘密从简单到复杂分子结构是化学和生物科学中一个至关重要的概念，它不仅是理解物质性质的基础，也为各种科学研究提供了理论支持。
分子是由原子通过化学键结合而成的，而分子结构则指的是这些原子如何在三维空间中排列。
分子结构可以分为简单和复杂两种类型，随着科学的发展，我们对分子结构的理解已经从最初的简单模型深入到复杂的立体结构。
本文将逐步揭示分子结构的秘密，从基础的分子概念到复杂的生物分子的结构解析。
分子的基本概念首先，必须明确“分子”这一概念。
分子是由两个或多个原子通过共价键结合形成的最小化合物单位。
这意味着一个分子的组成和结构将直接影响其性质，例如熔点、沸点、溶解度等。
根据不同的原子组合，分子可以是同种元素构成（如氢气H₂、氧气O₂等），也可以是不同元素构成（如水H₂O、二氧化碳CO₂等）。
原子的组成与排列原子的定义: 原子是物质的基本单位，由质子、中子和电子组成。
质子的数量决定了元素的性质，而电子的排列则影响原子的反应性。
键的形成: 原子间通过化学键结合形成分子，主要包括三种类型：共价键、离子键和金属键。
在共价键中，原子通过共享电子来结合；在离子键中，原子通过电荷吸引力结合；金属键则是金属原子共享其外层电子。
分子的表示: 分子的化学式可以用元素符号和数字表示，如H₂O 表示一个水分子，其中两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合。
分子的几何结构初步了解了基本概念后，我们来探讨分子的几何结构。
分子的几何形状对其化学性质有着深远影响。
根据VSEPR理论（价层电子对排斥理论），不同数目的电子对会导致不同的几何形状。
例如：线形：当中心原子都有两个取代基时，形成线形结构，如CO₂。
折线型：当中心原子有两个键合基和一个孤立电子对时，如水H₂O。
平面三角形：当中心原子有三个取代基时，如BF₃。
四面体：当中心原子有四个取代基时，如甲烷CH₄。
此外，立体异构现象也与分子的空间构型密切相关，相同化学式但不同空间排列的分子称为立体异构体。
分子空间构型判断方法
分子空间构型判断方法
分子空间构型判断方法是用来确定分子的立体构型，即分子中各个原子的相对排列方式。
常用的分子空间构型判断方法包括：
1. 空间平面判断法：通过判断各个原子的平面关系，来确定分子中的平面构型，如平面刚性构型判断法和平面柔性构型判断法。
2. 键长角度判断法：通过测量化学键的长度和键角的大小，来确定分子中的构型，如键长角度分析法和键角关系判断法。
3. 分子力场法：通过构建分子力场模型，计算分子在不同构型下的能量差异，来确定分子的最稳定构型，如分子力场方法和分子动力学模拟方法。
4. 图解法：通过绘制分子的扭转曲线，来确定分子的扭转构型，如扭转角度和扭转能量图解法。
5. 分子轨道法：通过计算分子的分子轨道能级和电子密度分布，来确定分子的构型，如分子轨道法和密度泛函理论方法。
以上方法根据不同的分子特性和目标可以灵活组合使用，以得到更准确的分子空间构型判断结果。
Chem3D分子构型该怎么优化
Chem 3D分子构型该怎么优化很多的化学领域的专业人士都知道，分子的性质往往是有分子的结构所决定的，但是在实验室研究的过程中很难观察到稳定分子的结构，这往往是因为中间体寿命过短或者是混合物难以分离造成的，这个时候就需要通过计算化学来预测，即构型优化。
下面来给大家分享一下使用Chem 3D化学绘图软件轻松优化分子构型的两种方法。
所有计算化学研究分子性质均是从优化分子结构开始，在自然情况下分子主要以能量最低的子女格式存在，所以低能的分子结构具有代表性，这样也才能保证得到的计算结构有意义，Chem 3D软件使用MM2分子力学和Gamess量子两种方法来优化构型。
1、MM2分子力学优构型优化方法使用Chem 3D软件MM2分子力学优化构型的操作步骤是绘制出化学结构之后，依次选择Calculations/MM2/Minimize Energy（最小化化学能）命令，如下图所示：MM2分子力学优构型优化方法接着会弹出Minimize Energy对话框，“Display Every nth Iter用于显示每轮迭代信息”、“Copy Measurements to Output Bo用于控制输出每轮结构参数”、“Minimum RMS是构型收敛标准”。
另外注意一下，MM2分子力学方法计算量小，适合于大体系有机分子的构型优化。
2、Gamess量子化学软件包构型优化方法Gamess量子化学软件包进行构型优化的原理是Chem 3D根据初始分子模型计算能量和梯度，然后决定写一部结构调整的方向的步长，根据各原子受力情况和位移大小判断是否收敛，若没有则继续重复上面的过程直到力和位移的变化均达到收敛标准。
在Chem 3D软件中的操作方法是：绘制出分子结构之后，依次点击Calculations/GAMESS Interface/Minimize，随后会弹出如下图所示的GAMESS对话框。
Gamess量子化学软件包构型优化方法对话框Job&Thery选项卡的Method选项可以更改计算方法，Basis Set 是基组类型，Wave Function是波函数类型，通过Polarization、Diffuse和Exponent可以添加或弥散基函数，Opt.Algorithm用于修改构型优化方法，最后的两个选项Spin Multiplicity和Net Charge指的是体系电荷和自选多重度。
判断分子空间几何构型的简单方法
判断分子空间几何构型的简单方法
分子空间几何的构型是研究分子的化学性质和关联性质的重要参考，由此可以知道物质的密度、电荷密度分布特征和电子激发态的迁移以及分子的位移和变形，从而能够更好的预测分子的后续反应特性。
在实际的研究过程中，如何判断分子空间几何构型，是一个关于分子结构与功能之间关系的重要步骤。
最常用的方法是通过实验观察，采用X射线衍射或NMR技术，对分子中的原子进行测看和定位，获取分子空间几何构型的具体信息，从而判断该物质的构型模式。
但是，随着科技的发展，计算机模拟技术也在不断完善，它将实验所需的大量重复工作，转化为电脑的模拟运算，从而使得对分子构型的判断非常简单。
另一种常用的方法是对分子的构型进行理论推演，根据分子中所包含的原子及其电子表象力、共价键角以及化学键长等特征，以某种特定斥力场下的极限决定方程来预测分子的几何构型、结构和性质，从而进行判断。
而这种方法的优势在于可以较为直观的得到分子的轨道构型，而对于复杂的分子构型来说也是一种很直接的判断方法。
综上所述，判断分子空间几何构型的简单方法有实验观察和计算理论推演两种。
实验观察可以采用X射线衍射或NMR技术，而理论推演则是根据分子中所包含的原子及其相关特征，利用某种特定斥力场下的极限决定方程来判断分子的构型。
虽然这两种方法都能够较快得到预期结果，但在实际中，如何根据判断出来的结果应用到研究中还需要仔细结合该分子特性深入思考。
chew3D结构优化
如何优化Chem 3D分子构型接触过结构化学的人都知道分子的结构决定其性质，在实际实验中时常会因为中间体寿命过短或者是混合物难以分离使得观测到的分子结构不稳定，此时就需要借助计算化学来帮忙预测，即构型优化。
所谓构型优化就是找该体系的最小点或鞍点，优化分子构型是研究中的难点，本节ChemDraw教程将指导使用Chem 3D 软件轻松优化分子构型的两种方法。
所有计算化学研究分子性质均是从优化分子结构开始，在自然情况下分子主要以能量最低的子女格式存在，所以低能的分子结构具有代表性，这样也才能保证得到的计算结构有意义，Chem 3D软件使用MM2分子力学和Gamess量子两种方法来优化构型。
1、MM2分子力学优构型优化方法使用Chem 3D软件MM2分子力学优化构型的操作步骤是绘制出化学结构之后，依次选择Calculations/MM2/Minimize Energy（最小化化学能）命令，如下图所示：接着会弹出Minimize Energy对话框，“Display Every nth Iter用于显示每轮迭代信息”、“Copy Measurements to Output Bo用于控制输出每轮结构参数”、“Minimum RMS是构型收敛标准”。
另外注意一下，MM2分子力学方法计算量小，适合于大体系有机分子的构型优化。
2、Gamess量子化学软件包构型优化方法Gamess量子化学软件包进行构型优化的原理是Chem 3D根据初始分子模型计算能量和梯度，然后决定写一部结构调整的方向的步长，根据各原子受力情况和位移大小判断是否收敛，若没有则继续重复上面的过程直到力和位移的变化均达到收敛标准。
在Chem 3D软件中的操作方法是：绘制出分子结构之后，依次点击Calculations/GAMESS Interface/Minimize，随后会弹出如下图所示的GAMESS对话框。
对话框Job&Thery选项卡的Method选项可以更改计算方法，Basis Set是基组类型，Wave Function是波函数类型，通过Polarization、Diffuse和Exponent可以添加或弥散基函数，Opt.Algorithm用于修改构型优化方法，最后的两个选项Spin Multiplicity和Net Charge指的是体系电荷和自选多重度。
高三化学第2章 分子结构 现代价键理论 杂化轨道理论 分子轨道理论
第2章分子结构[教学要求]1．掌握离子键和共价键的基本特征和它们的区别。
2．掌握价键理论，杂化轨道理论。
3．掌握分子轨道理论的基本内容。
4．了解分子间作用力及氢键的性质和特点。
[教学重点] 1．VSEPR 2．VB法3．MO法[教学难点] MO法[教学时数] 6学时[主要内容]1．共价键：价键理论－电子配对法（本质，要点，饱和性，方向性，类型σ键、π键）。
2．VSEPR：价电子互斥理论的提出，价电子互斥理论的基本要点以及用价电子互斥理论分析各类分子和原子团的空间构型。
3．杂化轨道理论：杂化轨道理论的提出，杂化轨道理论的基本要点，杂化轨道的类型-sp、spd 等各种类型及举例。
4．分子轨道理论：分子轨道理论的基本要点，分子轨道的能级图，实例-同核：H2、He、O2、F2、N2；异核：NO、HF。
5．共价键的属性：键长，键角，键能，键级。
6．分子间的作用力和氢键。
[教学内容]上一章主要研究的是原子的结构与性质，本章进一步讨论原子同原子之间和分子之间靠什么力结合在一起？分子有什么性质？具体的讲2-1 路易斯结构式一、弗兰克兰结构式到19世纪时，化学家们已经知道了许多分子的成分，如氯化氢HCl、水H2O、二氧化碳CO2、氨NH3等，并用短棍线“—”的形式来描述分子中原子之间的相互结合“1价”，还总结出一些规律。
其中英国化学家弗兰克兰和瑞典化学家贝采尼乌斯贡献较大。
这些表达方式，在我们中学化学课本中还在沿用。
二、路易斯结构式1916年美国的著名化学家（加里福尼亚大学教授）路易斯利用原子结构知识对弗兰克兰结构式的短棍线“—”进行了解释，即“—”代表一对共用电子对，= 代表两对共用电子对，≡代表三对共用电子对，并进一步提出了键合电子和孤对电子的概念以及分子结构稳定性的“八隅律”—原子倾向于通过共用电子对使它们的最外层达到稀有气体的8电子稳定构型。
1923年路易斯进一步将化合物分子中两个原子在一起的共享电子对称为共价键，从而建立了路易斯共价键理论。
分子力学建模优化策略比较
分子力学建模优化策略比较分子力学是研究分子和原子行为的力学理论，通过描述分子间相互作用的势能函数以及粒子的运动轨迹，可以模拟化学反应、分子组装和材料性质等诸多领域的问题。
分子力学建模是基于分子力学理论构建和优化分子结构的过程，它在药物设计、材料科学和生物化学等领域具有广泛的应用。
在分子力学建模过程中，优化策略扮演着至关重要的角色。
优化策略的选择直接影响着模型的准确性和可靠性。
在分子力学建模中，常用的优化策略主要包括晶胞优化、几何构型优化、参数优化和分子动力学模拟。
首先，晶胞优化是针对晶体结构进行的优化策略。
晶胞优化的目标是寻找使得系统的总能量最小的晶胞尺寸和形状。
在晶格参数和原子坐标确定之后，通过调整晶胞尺寸和形状来优化晶胞结构。
晶胞优化的结果对于研究晶态材料的结构和性质具有重要意义。
其次，几何构型优化是指寻找最稳定和最低能量状态的分子几何结构。
在几何构型优化中，通过改变原子之间的距离和角度来优化分子的构型。
几何构型优化通常包括确定初始几何构型、选择优化算法以及设定优化收敛准则等步骤。
最常用的几何构型优化算法包括拟牛顿法、共轭梯度法和遗传算法等。
参数优化是指通过模型参数的调整来优化分子力学模型。
分子力学模型中的参数包括原子质量、键长、键角以及相互作用势函数中的参数等。
在参数优化中，根据实验数据或理论计算结果，通过调整模型参数以最好地拟合实验或理论结果。
参数优化可以提高模型的准确性和可靠性，进而提高预测和设计的可行性。
最后，分子动力学模拟是通过在给定的势能函数下，模拟分子体系在时间上的演化过程。
分子动力学模拟能够提供分子结构、能量、热力学性质和动力学行为等信息。
通过改变分子系统的初始条件和参数设置，可以模拟不同温度、压力和物理条件下的分子行为。
分子动力学模拟可以用于研究分子的力学性质、相变、反应动力学和材料性能等方面。
综上所述，分子力学建模优化策略的选择取决于具体的研究目的和问题。
晶胞优化适用于研究晶体结构和晶格参数等问题；几何构型优化能够获得最稳定和最低能量状态的分子几何结构；参数优化可提高模型的准确性和可靠性；而分子动力学模拟则可以研究分子的动态性质和物理行为。
化学之分子的构型与分子形状
化学之分子的构型与分子形状分子的构型和分子的形状是化学中一个重要的概念，它们在化学反应、物质性质以及生物活动中发挥着重要的作用。
本文将对分子的构型和分子的形状进行详细的介绍，以便读者能够更好地理解和应用于化学研究和实践中。
一、分子的构型分子的构型是指分子中原子的空间排列方式。
原子通过化学键连接在一起，形成分子。
而分子的构型则描述了分子中原子的相对位置以及原子之间的键长和键角等几何参数。
1. 探究构型的方法为了确定分子的构型，化学家们发展了很多实验和理论方法。
其中最重要的方法之一是X射线晶体学方法，通过测定晶体的X射线衍射图案，可以确定分子的构型。
此外，还有一些光谱学方法，如红外光谱和核磁共振等，也可以用来研究分子的构型。
2. 构型的表示方法化学家们为了更好地描述和表示分子的构型，发展了一些便于理解和书写的方法。
常见的构型表示方法有化学式、三维结构图和立体公式等。
化学式使用原子符号和化学键来表示分子的构型。
三维结构图是在化学式的基础上，使用直线、三角形和平行线等图形来表示化学键和原子之间的空间关系。
而立体公式则是在三维结构图的基础上，通过使用实线、虚线和斜线等来表示原子的立体排列。
二、分子的形状分子的形状是指分子中原子的立体排列方式。
分子的形状对于分子的理化性质以及与其他分子的相互作用有着重要的影响。
1. 影响分子形状的因素分子的形状主要受到以下几个因素的影响：(1) 原子之间的化学键类型和键长；(2) 原子周围的电子云的密度分布；(3) 原子对电子云的反作用。
2. 形状的种类根据分子中原子的空间排列方式，形状可以分为线性、平面三角形、四面体、平面四边形等多种形状。
其中，线性分子的所有原子在一条直线上排列；平面三角形分子的原子在一个平面上以等边三角形的形式排列；四面体分子的原子在一个三维空间中以四面体的形式排列；平面四边形分子的原子在一个平面上以四边形的形式排列。
三、分子构型与分子形状的关系分子的构型与分子的形状之间存在着密切的关系。
分子的几何构型优化计算
分子的几何构型优化计算分子的几何构型优化计算是一种计算化学方法，旨在确定分子的最稳定结构以及其构型参数，如化学键长度，键角和扭转角等。
构型优化计算对于研究分子的性质和反应机理以及药物设计等许多领域具有重要意义。
本文将介绍分子的几何构型优化计算的基本原理和常用方法。
分子的几何构型优化计算基于量子力学理论，可以通过求解分子体系的哈密尔顿算符来得到最稳定结构和相应的能量。
在构型优化过程中，分子的原子位置被调整以最小化分子的总能量。
常见的方法包括经典力场方法和量子力学方法。
经典力场方法是一种近似的计算方法，它根据力场参数和一些经验规则来描述分子体系的相互作用。
这些方法基于分子的力学和动力学性质，适用于大分子和复杂体系的计算。
常见的经典力场方法有力场参数优化、分子力学和分子动力学方法。
力场参数优化方法通过调整力场参数来获得最佳参数集合，以使计算结果与实验数据或高精度量子力学计算结果吻合。
这些参数通常基于原子电荷、键弹性常数和键角弹性常数等。
该方法的优点是计算速度快，适用于大分子体系。
但缺点是其计算精确度相对较低。
分子力学方法是一种基于力场模型的方法，其中分子体系的能量通过计算相互作用势能项的和来获得。
这些势能项包括键能、角能和非键相互作用能等。
分子力学方法可以应用于各种类型的化学反应和分子性质研究。
该方法的优点是计算速度快，适用于大分子体系。
但缺点是其计算精确度相对较低。
分子动力学方法是一种基于经典力学的方法，其中分子的运动通过计算每个原子的动力学方程来模拟。
该方法能够模拟分子的构型随时间的演化，以及动力学性质和能量转移过程。
分子动力学方法适用于模拟复杂反应和动态性质，具有较高的计算精度。
但该方法的缺点是计算速度相对较慢，尤其是对于大分子体系。
与经典力场方法相比，量子力学方法采用更精确的势能函数来描述分子体系的相互作用。
量子力学方法可以提供分子体系的电子能级、电子云分布和相互作用能等更详细的信息。
常见的量子力学方法有密度泛函理论（DFT）和分子轨道理论（MO）。
杂化轨道理论与VSEPR理论对分子空间构型判断的比较
杂化轨道理论与VSEPR理论对分子空间构型判断的比较大学的第一篇课程论文，为写好这篇论文，学会了不少东西——用数据库查文献，编辑公式，上标、下标，英文的摘要，论文的基本格式摘要：介绍了用杂化轨道理论与价层电子对互斥理论（VSEPR理论）判断分子空间构型的基本要点以及理论之间的不足。
相对而言杂化轨道理论应用的范围较广，但VSEPR理论在判断和预言分子空间几何构型方面仍有重要意义。
二者的结合运用将有助于提高判断分子空间结构的准确性。
比较二者的不同更有利于我们理解。
关键词：杂化；斥力；孤对电子；电子的空间构型在价键理论解释分子的空间结构遇到困难的时候，L .Pauling和J.C.Stater于1931年提出了杂化(hybridization)的概念，以完善和发展价键理论。
之后，N.V.Sidgwick和H.Powell 于1940年前后提出价层电子对互斥理论（valence shell electron pair repulsion，简称VSEPR 法）。
虽然不少教材都对这两种理论作了介绍，但很少把二者相比较起来。
在解释同一个分子的空间构型时，很少从两种理论的不同角度去分析。
笔者认为用两种不同的理论去对同一个分子的空间结构做出解释时，更能有效地比较二者的优缺点，从而加深对它们的认识。
1 杂化轨道理论1.1 杂化轨道理论的内容要点Pauling从原子的价电子构型出发，依据电子的波动性以及波的可叠加性，认为中心原子在与其他原子形成分子时，由于其他原子的影响，中心原子中能量相近的不同类型轨道（s,p,d,…）会发生杂化，形成同等数目的杂化轨道。
在杂化过程中，中心原子的部分轨道上的电子被激发到空轨道上，成单电子增多，杂化之后易于形成多个化学键。
成键时，杂化轨道与邻近原子的原子轨道发生重叠，成键的能力增强，整个分子体系的总能量降到最低，使分子能稳定存在。
所以，原子轨道的杂化是可能的，也是必须的。
对于分子AX n，将A和X从基态激发到价态所需的能量叫价态激发能（P.E.），如P sp 即表示从s轨道激发一个电子到p轨道所需的能量。
计算化学10-应用示例-分子几何结构优化
势能面的势能函数:
V 2 2m i2 Vee VeN VNN Eel VNN
i 1 n
V X i
Eel X i
VNN X i
0
分子几何结构优化的数学过程
早期优化方法
逐点优化法 基于能量本身，计算量大，
收敛慢，不利于程序化
现代优化方法
能量梯度法 基于能量的一阶,二阶导数，
优化作业执行过程
1/18=20,38=1/1,3; 2/9=110,17=6,18=5,40=1/2; 3/5=1,6=6,7=1,11=1,16=1,25=1,30=1/1,2,3; 4/7=1/1; 5/5=2,38=5/2; 6/7=2,8=2,9=2,10=2,28=1/1; 7//1,2,3,16; 1/18=20/3(1); 99//99; 2/9=110/2; 3/5=1,6=6,7=1,11=1,16=1,25=1,30=1/1,2,3; 4/5=5,7=1,16=3/1; 5/5=2,38=5/2; 7//1,2,3,16; 1/18=20/3; 2/9=110/2; 6/7=2,8=2,9=2,10=2,19=2,28=1/1; 99/9=1/99;
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A(2,1,3) A(1,2,4) A(1,3,4) A(2,3,4) A(2,1,5) A(3,1,5) A(2,1,6) A(3,1,6) 89.26 89.26 90.74 90.74 115.76 111.18 115.76 11.18 111.65 115.76 111.18 115.76 111.18 111.65
优点 对于纯二次函数，可以一步找到极值点 缺点 要求Hessian必须正定，否则将得到能量更高的坐标 对于非纯二次函数，需要多步计算 Hessian矩阵的计算量和存储量都非常大 主要适用于小分子体系
判断分子空间几何构型简单方法
判断分子空间几何构型的简单方法电子对数目成键电子对孤电子对数分子的空间实例数目目构型220 33021 4403122 550413223 6605142直线型二氧化碳三角形三氟化硼V 型二溴化锌周围体甲烷三角锥氨气V 型水三角双锥五氯化磷变形周围体四氟化硫T 型三氟化溴直线型二氟化氙八面体六氟化硫四角锥五氟化碘正方形四氟化氙以下用 G表示电子对数目， V 表示分子中所有原子最外层电子数的和， n 表示配位原子中除了氢原子以外的其他原子的个数， m表示孤电子对数目， r 表示配位原子中氢原子的个数。
当配位原子中没有氢原子且V≥16 时： V=8n＋2m， G=m＋ n 例： CO2分子构型的判断V=4＋ 6× 2=8n＋ 2m，这里 n=2，∴ m=0,∴ G=m＋ n=0＋2=2，所以 CO2的分子构型为直线型BF3分子构型的判断V=3＋ 7× 3=8n＋ 2m，这里 n=3，∴ m=0,∴ G=m＋ n=0＋3=3，所以 BF3的分子构型为三角形PCl5分子构型的判断V=5＋ 7× 5=8n＋ 2m，这里 n=5，∴ m=0,∴ G=m＋ n=0＋5=5，所以 PCl5的分子构型为三角双锥SF4分子构型的判断V=6＋ 7× 4=8n＋ 2m，这里 n=4，∴ m=1,∴G=m＋ n=1＋4=5，所以 SF4的分子构型为变形周围体BrF3分子构型的判断V=7＋ 7× 3=8n＋ 2m，这里 n=3，∴ m=2,∴G=m＋ n=2＋3=5，所以 BrF3的分子构型为 T 型SF6分子构型的判断V=6＋ 7× 6=8n＋ 2m，这里 n=6，∴ m=0,∴ G=m＋ n=0＋6=6，所以 SF6的分子构型为八面体XeF4分子构型的判断V=8＋ 7× 4=8n＋ 2m，这里 n=4，∴ m=2,∴G=m＋ n=2＋4=6，所以 XeF4的分子构型为正方形当配位原子中有氢原子且 V＜ 16 时： V=2r ＋ 8n ＋ 2m，G=m＋ n＋ r 。
分子空间构型与vsepr模型
分子空间构型与vsepr模型分子空间构型与VSEPR模型一、引言分子空间构型和VSEPR模型是描述分子几何形状和电子排布的两种重要理论模型。
本文将从分子空间构型和VSEPR模型的基本概念、原理和应用等方面进行介绍和讨论。
二、分子空间构型1.基本概念分子空间构型是指分子中原子的三维排列方式。
它决定了分子的几何形状和化学性质。
分子空间构型的研究是理解和预测分子性质的重要基础。
2.原理分子空间构型的形成受到原子间的相互作用力的影响。
主要有键长、键角和二面角等几何参数来描述原子之间的相对位置关系。
3.应用分子空间构型的研究对于理解和预测分子性质具有重要意义。
例如，通过研究分子空间构型可以预测分子的热力学稳定性、化学反应性和光学性质等。
三、VSEPR模型1.基本概念VSEPR模型是指通过分子中的电子对排布来预测分子的三维几何形状。
它是基于电子排斥原理和原子间的相互作用力来建立的。
2.原理VSEPR模型认为，分子中的电子对会尽量远离彼此，以减少电子间的排斥力。
根据电子对的种类（孤对电子或共价键电子对）和数目，可以推导出分子的几何形状。
3.应用VSEPR模型的应用广泛，可以用于预测分子的几何形状和极性。
通过准确预测分子的几何形状，可以进一步推断分子的化学性质和反应行为。
四、分子空间构型与VSEPR模型的关系分子空间构型和VSEPR模型是密切相关的。
分子空间构型确定了分子中原子的相对位置关系，而VSEPR模型则通过分子中的电子对排布来预测分子的几何形状。
在VSEPR模型中，分子空间构型的信息被用来确定电子对的排布方式。
通过分子空间构型的分析，可以确定分子中的孤对电子和共价键电子对的数目和位置，从而推导出分子的几何形状。
分子空间构型的研究也可以通过实验技术如X射线衍射、核磁共振等手段进行验证和确定。
五、结论分子空间构型和VSEPR模型是描述分子几何形状和电子排布的两种重要理论模型。
分子空间构型决定了分子的几何形状和化学性质，而VSEPR模型通过分子中的电子对排布来预测分子的几何形状。
分子空间构型与vsepr模型
分子空间构型与vsepr模型分子空间构型与VSEPR模型一、简介分子空间构型和VSEPR模型是描述分子结构和分子形状的理论模型。
分子空间构型指的是分子中原子的空间排列方式，而VSEPR模型则是通过考虑电子对的排斥作用来预测分子的形状。
二、分子空间构型分子空间构型是指分子中原子之间的相对位置。
分子空间构型的描述可以通过分子中原子的键长、键角和二面角等参数来完成。
其中，键长指的是相邻原子之间的距离，键角指的是相邻原子之间的夹角，而二面角则是描述了分子中三个相邻原子之间的空间关系。
分子空间构型的确定可以通过实验技术如X射线晶体学或核磁共振等来获得。
通过这些实验技术，可以确定分子中原子的位置和键长。
例如，通过X射线晶体学，可以确定晶体中原子的位置，从而得到分子的空间构型。
三、VSEPR模型VSEPR模型是一种简化的分子形状预测模型。
VSEPR模型基于以下两个假设：1.电子对（包括成键电子对和非成键电子对）之间的排斥力远大于成键电子对和非成键电子对之间的吸引力；2.分子的形状是在最小化电子对之间的排斥力的基础上，使得分子中原子之间的距离最大化。
根据VSEPR模型，可以通过以下步骤来预测分子的形状：1.确定分子的中心原子和周围原子；2.根据中心原子周围的电子对数目和周围原子数目，确定分子的电子对排布方式；3.根据电子对之间的排斥力，确定分子的形状。
根据VSEPR模型，分子的形状可以分为以下几种类型：线性型、三角平面型、四面体型、三角双锥型等。
在预测分子形状时，可以根据分子中的成键电子对和非成键电子对的数目来决定分子的形状。
四、应用举例以水分子（H2O）为例，根据VSEPR模型可以预测其形状为角形。
水分子中氧原子为中心原子，氢原子为周围原子。
氧原子周围有两个非成键电子对和两个成键电子对。
根据VSEPR模型，非成键电子对之间的排斥力比成键电子对之间的排斥力大，因此水分子的电子对排布方式为两个成键电子对和两个非成键电子对在分子平面上的排列。
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分子几何构型优化的初步比较
摘要对《CRC物理与化学手册》[1]第78版中收集的已知实验构型的多原子分子NH3, 在HF、MP2的级别上进行了构型优化的初步比较.优化采用基组STO-3G、6-31G(d、p) 6-311G(d、p), 以及6-311G(2d、p). 对同一方法比较了基组函数, 对同一基组函数则比较了HF 和MP2 方法.结果表明,键长的平均绝对偏差(单位:pm)由大到小的顺序为: MP2/STO-3G, HF/STO-3G, HF/6-311G(d、p),HF/6-31G(d、p),HF/6-311G(2d、p), MP2/ 6-31G(d、p) ,MP2/6-311G(d、p).
引言量子化学优化分子几何构型的理论和应用日趋成熟和程序化[2-4],使研究新型配
合物的物质结构,配合物中间体,反应机理研究的手段向前迈进了大大的一步.可供选择的分子几何构型优化的方法很多,但何种理论方法较为精确,一直是相关研究工作者关心和期望得到明确答案的问题.在一些很高级别的能量计算和发展精确模型化学计算方法中[ 5],这一问题更加突出.可以认为分子几何构型优化的可靠性是一切精确计算的基本保证.由于理论上对于分子几何构型优化尚无规律和系统方法克可循目前只能通过一些系统性的比较来探讨这个问题.对于一些有机小分子构型优化的比较,已有文献报道,但仍不够充分,而对于化学建类型变化较多的无机分子的系统比较则较少.[5 ,6]. 构型优化的计算量往往较大,因此寻找和事先确定适当的构型优化方法,已成为计算化学领域中一个共同感兴趣的问题.本文就是从此问题出发, 以NH3分子构型的优化为基点, 以STO-3G、6-31G(d、p), 6-311G(d、p), 以及6-311G(2d、p)为基组,在HF 和MP2级别上进行全面的理论计算和比较.由于计算数据较多,会引起篇幅较大,本文将不一一列出数据,而是直接报导计算和分析统计结果.
1. 实验数据
不同的实验方法得到的数据有所不同,且实验中有平衡构型和各种振动态(多为基态及低激发振动态)的平动构型r0以及同位素平均构型r e等,鉴于低振动态势阱的非谐性对结构参数的影响一般不大,本文将不区分r e和r0等,而全部按文献[1]数据实录.
NH3 为C3v对称点群,:,为了计算输入的方便, 将NH3分子构型中的一些实验参数作了等价转化.
2. 计算方法
分子几何构型优化理论方法建立在对分子势能面认识的基础上,其物理模型和数学模型是十分清晰的.这里不再赘述.本文中,我们对NH3分子分成不同基组和不同方法分别讨论.为了突出氢原子基组中加入p极化函数的必要性,重点比较了不同基组态STO-3G和6-31G(d,p), 6-311G(d、p)等.同时对目前普遍采用的HF 方法和MP2 方法进行了同一基组态计算精度的比较分析.,比较其计算度和精度, 分析其偏差原因. .所有计算用Gaussian-98W[2 ] 成. NH3分子的实验键长多数精确到0.01pm,计算结果也精确至0.01pm.
3. 结果与分析
3.1 HF—method下面列出了NH3分子优化前后的结构示意图、计算结果和比较分析表.
所有数据表明,所有理论计算和实验数据値有很好的吻合.最大偏差是HF/STO-3G, 计算表明,它导致优化能量比实验値高.当然,几何构型偏差(AD)的纯数值大小并不能说明它将导致分子能量误差的大小, 因为分子的势阱深度即力常数千差万别. 这里将主要讨论总体的平均绝对偏差(AAD).
NH3分子优化前的构型 RHF-OPT (STO-3G)后的构型
RHF-OPT法NH3分子键长的平均偏差(AD)和平均绝对偏差(AAD)
由键长的基组平均偏差比较可以看出, 6-31G(d,p), 6-311G(2d,p)的优化效果要明显强于另两个基组态.下面再来比较键角和偶极矩的平均差:
通过键角和偶极矩的平均偏差比较,可以看出,相同的HF 方法,在不同的基组上优化的计算精度表现不同.偏差最大的在键长上,键角计算精度很接近,偶极矩的绝对偏差则很大.可能是因为分子空间因素的原因,但其偏差是随不同基组态的选用而逐渐趋向于精确度较高的方向的.综上分析比较,可以近似得出,当选用HF 方法优化分子构型在6-31G(d,p), 6-311G(d,p), 6-311G(2d,p)基组态上操作时,由于考虑了氮(N)原子的d轨道的极化和
氢(H)原子的p轨道极化函数,尽管计算量较大,但优化效果较好.,和实验値十分吻合.
PHF—OPT[6-31G(d,p)]后的构型 RHF—OPT[6-311G(d,p)]后的构型
3.2 MP2-method在STO-3G、6-31G(d、p), 6-311G(d、p)基组态上对NH3分子进行结构优化,由于分子优化后的构型图宏观上没有区别,所以只简单的给出两个基组态6-31G(d,p), 6-311G(d,p)上的优化构型.NH3分子优化后的构型图列于下方
OPT-MP2(STO-3G)优化后的几何构型 OPT-MP2 [6-311G(d,p)]优化后的几何构型
键长和键角,偶极矩的相应偏差计算并分别列在下表中:
同3.1 的分析,可以看到采用MP2方法优化分子几何构型,不同基组仍会使得到的计算精度有很大差异.由键长的平均偏差变化可以看出,是否考虑氢原子和氮原子的外层极化函数p 轨道和d轨道对分子的几何构型优化有很大影响,亦直接影响确定分子的几何结构.相反,这几种基组对键角和偶极矩的影响则很小.可见在优化多原子分子时时一定要尽可能的多考虑到成物原子的外层轨道极化,即在计算时要加入相应的p轨道和d轨道因素,所以如果要选用MP2 优化分子构型时,优先选用或最好选用6-311G(d,p)基组态.
3.3 HF和 MP2 两种方法的比较
通过在STO-3G、6-31G(d、p), 6-311G(d、p)共同基组态上分别采用两种方法即HF和MP2进行NH3分子的结构优化,可以看出不同方法和基组态的选择正如许多文献指出的一样,会导致构型优化的精度有很大差异,这两种方法该如何优先选择呢?在选定方法之后,又如何来确定分子的计算基组态呢?现在尝试通过比较分析,回答问题的答案.两种方法的平均绝对偏差列于下表:
通过比较分析,得知在构型优化时,多原子分子中除氢外的原子的外层极化函数d轨道和氢原子的p轨道必须加入,否则会很大地影响计算结果. 而在考虑了原子外层极化函数的情况下, MP2法则将会使计算结果大大改善,效果明显,所以MP2法要优于HF 法;因此,可以初步得出结论: 要选用STO-3G对分子优化,则要优先选用HF法; 但如果要使用MP2方法做构
型优化,则以6-311G(d、p)基组为最好.但最好选用后者,这样才会得到比较和实验値相吻合的计算数据.
分析比较结果也表明, NH3分子键角的平均偏差都在1.0°和0.4°之内.其中,以(d,2d)
极化函数的基组得到的键角平均绝对偏差为最大,这可能与d 极化函数的方向性较强有关.
.
4. 结论
本文的结果表明,给氢原子增加p极化函数可以较大改善NH3分子即氢化物的键长,建议进行构型优化时最好给氢原子加入p极化函数.MP2方法的优化效果虽较好可计算量较大.MP2/6-31G(d,p) 在6-31G(d,p)的基组上较大地改进了所有分子的构型优化效果.不过, MP2也未能给出优化键长的最好结果.不过,文中所用的两种方法对键角的计算都比较好.在不考虑计算量的情况下,对NH3分子优化后其键长的平均绝对偏差由大到小的顺序排列如下: MP2/STO-3G, HF/STO-3G, HF/6-311G(d、p),HF/6-31G(d、p),HF/6-311G(2d、p), MP2/ 6-31G(d、p) ,MP2/6-311G(d、p).这种情况可以推广到多原子分子.我们在需要进行构型优化时,可以以此来参考, 在忽略计算量的情况下,尽可能的达到较精确的结果.
参考文献:
1. Handbook of chemistry and physics 78t th
2. Gaussian 98,Rev.A.Frish,M J.Trucks G W,schlegel H B, et al .Gaussian Inc,Pittsburgh PA ,1998
3Schlegel H B. Modern Electronic Structure Theory,Ed,Yarkary D R,Singapore: World Scientific Publish,1995.
4Tang Auchin, Li Qianshu. Molecular Reaction Kinetics, Changchun: Jilin University Press,1989.
5. Acta.Phys.Chem.Sin. (物理化学学报), 649 .Vol 16 ,No 7 2000
6. Acta.Phys.Chem.Sin. (物理化学学报), 395 ,V ol 19 , No 4 2002
7.J. C. I . C.(无机化学学报) 394 V ol 18 No 4 2002
8.Chinese .J Stru Chem(结构化学) 214 .V ol 21. No 2 2002
9.Chem .J Chin. Univ (高等学校化学学报) 99～104. Vol.21No.12000.
分子几何构型优化的初步比较------计算化学期终报告
年级2002 级
专业无机化学
姓名刘三会
指导教师缪强
二O O 三年元月八日。