H2S和H3B分子的量化研究文献综述

H2S和BH3分子的量化研究文献综述

摘要：Gaussian 98目前被广泛使用的一款量子化研究软件，其主要功能有：分

子结构优化(基态Ground state、激发态Excited state、反应过渡态Transition state)，能量计算（基态和激发态能量、化学键的键能、本文将综述如何利用Gaussian 98来计算并获得H2S和H3B分子的振动参数，通过这些参数来分析分子的振动方式和分析红外光谱。

关键词：Gaussian 98 H2S BH3 振动光谱

1，前言

Gaussian 98[1, 2]是一款功能强大的量子化学软件，其主要计算项目有：分子的能量和几何结构、化学反应过度态的能量与几何结构、振动频率分析、红外与拉曼光谱、分子的热化学性质、键能与化学反应能、化学反应途径、分子轨道的能量与性质、原子的电荷分布与自旋密度[3]。我们在研究分子的振动方式时，利用Gaussian 98进行量化计算之后，可以为我们分析振动方式和光谱提供结构参数。

一个由多个原子组成的分子，其振动自由度为3n，出去3个平动，3个转动（线性分子为2个）外，有3n-6个振动自由度（线性分子有3n-5个振动自由度）。每个振动自由度都有一种基本的振动方式，当分子按这种方式振动时，所有的原子都同位相且有相同频率，即简正振动，简正振动可以为分为两大类：键长改变，键角不变的叫做伸缩振动，键长不变，而键角改变的叫做弯曲振动[4]。分子的伸缩振动又分为对称伸缩振动和非对称伸缩振动,键角改变的弯曲振动又可分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。分子在振动的过程中，对于偶极矩会发生变化的，会发生红外吸收，称作红外活性分子，对于偶极矩不改变的不会产生红外吸收，称为非红外活性分子。用Gaussian 98对H2S和BH3分子进行量化计算，获得分子的结构参数（键长、键角、振动频率），通过对数据的分析，建立起分子的振动模型。从而分析得出分子的红外光谱数据。

2, Gaussian 98在化学中的应用的应用

2.1 Gaussian 98的功能

Gaussian 98是应用最广泛的半经验计算和从头计算量子化软件，可研究的内容包括：分子能量和结构、过渡态能量和结构、化学键及其反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外光谱和拉曼光谱、NMR、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径[5]都可以借助于Gaussian 98来完成。Gaussian 98强大的功能大大的减少了量子化计算过程中难度，为学习研究量子化学提供了方便。

2.2 Gaussian 98在有机化学中的应用

有机化学的学习，多设计分子的模型、分子轨道、反应能量和反应过渡态、有机化学反应机理的探究。学生在学习时因理论抽象和理解计算困难而产生畏难情

绪，在学习时就会产生心里障碍。利用Gaussian 98可以完成分子结构式的绘制，对绘制好的分子可以进一步进行结构的优化，在学习分子的红外光谱时Gaussian 98可以进行分子振动频率的计算，在分子反应中Gaussian 98可以找到反应的能量过渡态并且可以分析反应[6]的途径。Gaussian 98引入有机化学的课堂教学，让学生能够更形象、直观的理解和学习有机分子的结构、反应途径和机理等。同时也增大了课堂的容量，在学生易懂的情况下减小了教师的工作量。

2.3Gaussian 98在无机化学中的应用

无机化学,是学习化学的基础，其中包括元素、原子、分子、离子、化学反应、化学反应能量等。利用Gaussian 98的结构优化的功能，可以对分子进行优化。还可以用Gaussian 98来计算和模拟分子轨道。由于Gaussian 98具有NBO（自然轨道）计算功能，它可以描述出各个原子的净电荷及属于各个原子和轨道的电子数。在化学反应中，它可以计算反应的活化能，计算出反应初态和终态的能量，我们便可以计算出反应热,在反应热力学上Gaussian 98可以了解反应的机制和产物分布，通过势能面找到鞍点从而得到过渡态的能量，通过

比较初态和终态的能量，可以得出反应的活化能和反应热，Gaussian 98在研究可逆反应、可逆过程方面也有应用。Gaussian 98还可以计算化合、分解、燃烧、溶解[7]反应的能量变化，还可以通过Gaussian 98获得燃烧热、生成热、溶解热等，它在无基化学中功能强大，因此在无机化学的教学中使用Gaussian 98，将会较小教学难度，同时也便于学生的学习与理解。

2.3 Gaussian 98在结构化学中的应用

结构化学，是物理化学的重要组成部[8]份.结构化学多研究微观粒子的结构和性质，由于理论较为抽象、计算过程复杂，因此在学习时便会带来一定的难度。特别在解薛定谔方程来研究原子和分子的各种性质时，求解难度大且不易理解。利用Gaussian 98可以较小因计算带来的学习障碍。比如在学习休克尔分子轨道法(HMO)时,若采用Gaussian 98来进行计算从而减小采用线性变分法解久期方程带来的难度，在用HMO来处理丁二烯分子轨道时，还可以利用GaussianView来显示出丁二烯的离域键分子轨道。例如可以利用Gaussian 98来获得H2O分子的3种振动形式：

通过GaussianView可以查看H2O分子的结构参数（键长、键角）。

当然，Gaussian 98在结构化学中还有其他的一些应用。

3.利用Gaussian 98对H2S和BH3分子进行振动方式和光谱的研究

H2S[9]是大气污染物之一，它的分子结构与H2O分子的结构相似。在H2S 分子中，中心S原子采用的是sp3杂化方式，由于中心原子具有一对孤对电子，因此H2S分子的几何构型为V型。在H2S[7]分子中S—H键长为1.3455A°，

BH3分子由于不太稳定，因此对其研究得不多。BH3属于缺电子的B和等电子原子H结合而成缺电子化合物，BH3的几何构型为平面三角形，分子几何构型如下图：

分子中B—H键长为1.1901A°，

为120.08°。分子可能存在的振动方式BH键的伸缩振动。键角改变的弯曲振动，其中弯曲振动包括面内弯曲振动和面外弯曲振动。

H2S气体是大气污染物之一，在工业上经常要采取脱硫的方法来减少H2S对大气造成的污染，现目前Gaussian 98利用来研究H2S分子的振动及光谱的不多。对H2S 的振动及光谱研究可以充分的来认识H2S的物理化学性质，为减少H2S带来的环境污染和充分利用硫资源提供理论依据。对于BH3分子，由于结构不稳定，因此研究得很少，BH3与水反应时会放出H2，它是一种很好的储H材料，它与其他碱金属或碱土金属的离子型氢

化物结合成的配位氢化物具有最高的储氢质量密度，是近年来研究最活跃的储氢材料。对BH3的研究，更进一步研究储氢材料提供理论依据。

参考文献

1. Trucks G, Schlegel H, Scuseria G, Robb M, Cheeseman J, Zakrzewski V, Montgomery Jr

J, Stratmann R, Burant J, Dapprich S: Gaussian 98, revision A. 7; Gaussian. Inc: Pittsburgh, PA 1998.

2. Frisch M, Trucks G, Schlegel H, Scuseria G, Robb M, Cheeseman J, Zakrzewski V,

Montgomery Jr J, Stratmann R, Burant J: Gaussian 98 (Revision A. 9) Gaussian Inc.

Pittsburgh, Pa 1998, 29.