苯分子轨道和电子结构
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西南大学化学化工学院物理化学实验报告
实验名称苯分子轨道和电子结构
2013 级化工班学号030同组人指导老师实验日期2015 年 5 月11 日
实验环境室温℃大气压 mmHg 仪器型号
大量有机共轭分子性质,该方法称为休克尔分子轨道法,简称HMO法.
休克尔分子轨道法主要运用了下列基本假设 :σ-Π分离体系, 独立π电子近似, LCAO-MO近似,huckel近似.
休克尔分子轨道法基本内容:在分子中把原子核、内层电子、非键电子连同σ电子一起冻结为“分子实”,构成了由σ键相连的分子骨架,π电子在分子骨架的势场中运动。由此,可写出一个Π电子的Hamilton算符及轨道方程Hψ=Eψ( 1-1).
采用变分法,π电子分子轨道表示为所有碳原子的对称性匹配的p原子轨道的线性组合:
ψ=C1φ1 + C2φ2 + …+ CNφN(1-2).
代入(1-1)式,按线性法处理得有关系数线性齐次方程组 : ( H11-E)C 1+( H12-ES12)C 2+…+( H1N-ES1N)= 0 ( HN1-E)C 1+( HN2-ESN2)C 2+…+( HNN-ES1N)=0 (1-3). 式中已假定原子轨道是归一化的,H rr,Srr代表能量积分及重叠积分:
H rs=∫φr∗Hφdt, Srs=∫φr∗φsdt (1-4) .
进一步的近似假定
(1)H rr=α(r=1,2,N),α称之为库伦积分
(2)H rs=β对应于原子r和s邻近,否则=0
(3)β 称为共振积分S rr=0(r≠s) 即为忽略重叠近似
做上述处理后久期方程可化为:
(1-5)
进一步做变换,X =(α-E)/ β,式(1-5)的非零解方程化为
(1-6)
由上述方程通过求X得N个E i值并回代到久期方程,再结合归一化条件得分子轨道组合系数Cik及Ψi
实验相关软件
Gaussian 98 程序包 Gaussian 图形查看程序Gview2
实验步骤
1.在e盘中新建文件夹019→再在019文件夹中新建文件夹ben和
dingerxi
2.构建苯分子结构:打开桌面Gauss View软件→点击Builder中的
Element,选择C原子→选择苯环模型→点击Builder中Add Valence,再点击苯环上的C原子,即加H→点击clean得到形状规则的苯环。
3.保存文件:点击calculate选择Gaussian→在弹出的对话框中输入:
e:/ben/019/ben→Job type选择optimization→点击Retain保留
→点击file,选择save保存,打开ben文件夹→命名为ben.gif,点击save保存→点击Calculate,选择Gaussian对话框中选择submit提交→连续点击两次save
4.系统计算过程:连续上述步骤对话框点击okay→计算机开始计算程
序→对话框选择“是”→选择新建一个输出文件,点击yes→选择chk 格式,点击ok→弹出chk输出文件
5.结果统计:打开ben文件夹中的BEN.LOG→将滚动条拉倒最下面,光
标放到最后→ctrl+F键弹出查找对话框→输入Orbital Symmetries,向上查找下一个→向下滚动少许找到The electronic state is 1-A1’→第17个数字为苯分子的第一个π轨道的能量,依次找出第17、20、21、22、23、24六个数据即为苯的六个π轨道能量。
6.绘制苯的六个π轨道图形:点击Results,选择surfaces→点击
Generate,Select Orbital 选择Othere→输入数字17,点击okay →选择Apply,弹出苯的第一个π轨道图形→将图形调至适当角度,点击file,选择Save Image→在弹出的保存对话框中命名为17.gif →同样的方法分别输入20、21、22、23、24查看剩余五个π轨道的图形并将其保存。
7.查看键长:点击file选择open,打开ben.chk→点击Band,再点击
chk文件中碳碳原子,可查看苯环中C-C键长
8.查看电荷:打开新文件夹ben中的BEN.LOG→找到Total atomic
charges→下面即为C原子和H原子的电荷。
9.对丁二烯的操作重复以上步骤,不同的是丁二烯没有固定结构需要
画出4个C原子然后再连键。其它步骤都与苯的操作步骤相同。
数据记录与处理
一、苯分子
(1)苯的六个π轨道形状和能量
轨道数能量图形轨道数能量图形
17 -0.50849 22 0.15124
20 -0.33900 23 0.15124
21 -0.33900 29 0.37550
(2)苯分子中离域π键的键长
C-C:1,380 C-H:1.072
(3)苯分子中碳原子和氢原子的电荷
C:-0.239 H:0.239
二、丁二烯分子
(1)丁二烯分子的π轨道形状和能量
轨道数能量图形轨道数能量图形
14 -0.44802 15 -0.72517
16 0.13186 17 0.27026
(2)丁二烯分子中离域π键的键长
C-C:1.46 C=C:1.32 C-H:1.072
(3)丁二烯分子中碳原子和氢原子的电荷
单键C:-0.247 双键C:-0.412
单键H:0.210 双键H:0.231 0.217
实验讨论
(1)什么是离域Π键?
答:形成Π键的电子不局限于两个原子的区域,而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动,这种由多个原子形成的Π型化学键称为离域Π键
(2)什么是共轭效应?
答:形成离域Π键,增加了Π电子的活动范围,使分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应。
(3)写出苯的HMO列式方程,并由此计算出相应的6个分子轨道波函数.