量子化學計算軟件在物質結構教學中的應用

李延偉 姚金環 楊建文 申玉芳 鄒正光

桂林理工大學 廣西桂林 541004

量子化學計算軟件在物質結構教學中的應用

李延偉 姚金環 楊建文 申玉芳 鄒正光

桂林理工大學 廣西桂林 541004

物質結構是物理化學的重要組成部分，這部分內容理論性強、概念抽象，是物理化學教學中的難點。探討了Gaussian 09/GaussView軟件在結構化學教學中的應用，介紹了如何利用該軟件計算并分析分子的幾何結構、分子軌道、電子布居分析和振動光譜。結合Gaussian 09/GaussView進行物質結構教學不僅能使抽象復雜的理論和概念變得形象、直觀、易于理解和接受，還能豐富課堂教學內容、激發學生的學習興趣。

Gaussian 09；GaussView；結構化學；物理化學；教學

1 Gaussian 09/GaussView的主要功能與特點

Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統中運行，目前最新版本為Gaussian 09[6]。它是在半經驗計算和從頭計算中使用最廣泛的計算化學軟件之一。Gaussian 09軟件的主要功能：預測分子能量和結構；過渡態能量和結構；分子軌道；多重矩；原子電荷和電勢；振動頻率；紅外和拉曼光譜；核磁性質；極化率和超極化率；熱力學性質；反應路徑。GaussView是Gaussian軟件的圖形界面軟件，它使Gaussian軟件的使用變得十分簡單而直接，目前GaussView軟件的最新版本是GaussView 5.0。利用GaussView的3D結構建構工具可以構建需要的分子結構；從圖形接口建立、提交Gaussian計算工作，并實時監控計算過程；以最新的圖形顯示功能查看計算結果：顯示分子軌域和其他性質的表面、光譜、振動形式動畫、幾何優選過程和反應路徑等。GaussView支持 Gaussian軟件所有功能，利用圖表工具產生計算工作的關鍵詞和選項參數、分子系統設定以及其他高階計算類型所需的輸入數據。

2 Gaussian 09/GaussView在結構化學教學中的應用

(1)分子3D結構建模與構型優化。GaussView是建立分子3D模型的強大工具，這里以水分子(H2O)為例，利用GaussView軟件構建水分子的3D模型步驟如下：點擊軟件主界面上方的Element Fragment圖標，在彈出的Select Element窗口中點擊O原子，在窗口下方選擇O的片段類型為Oxygen Tetravalent即可獲得水分子的3D空間模型(如圖1所示)。通過鼠標操作可以對水分子進行放大、縮小、平移、旋轉等；此外，通過設置還可以調整分子中各個原子的顏色、分子中的鍵長、鍵角等參數。

圖1 GaussView軟件界面及水分子3D結構模型圖

將上述建立的水分子模型保存為Gaussian輸入文件(*.gjf)后，選擇合適的量子化學計算方法，以OPT為關鍵詞即可采用Gaussian 09軟件進行構型優化。本文以精度相對較高的B3LYP/6-31G*方法對水分子進行構型優化，計算完成后用GaussView軟件打開輸出文件(*.out)，顯示水分子的3D結構。通過GaussView軟件可以方便地查看水分子鍵長、鍵角等幾何參數信息，還可以設置分子結構的表現形式，如Ball and Bond模型、Tube模型、Wireframe模型等(如圖2所示)。

圖2 水分子優化后的幾何結構圖

(2)分子軌道3D顯示及Mulliken布居分析。Gaussian軟件完成計算任務后，會生成一個檢查點文件(*.chk)，通過GaussView軟件打開該文件可以直觀地觀察分子的軌道能級和軌道空間分布(如圖3所示)。從圖中可直接看出各分子軌道填充的電子數和軌道能量值，可以直觀地顯示各分子軌道的3D圖形，軟件采用不同的顏色區分軌道的不同部分，它們與波函數的符號相對應。在分子的總電子密度圖基礎上，通過表面顯示功能可以做出分子的靜電勢圖。

圖3 水分子的軌道能級結構和軌道3D等高線圖

Mulliken布居分析是根據SCF計算給出的MO波函數，給出電子在原子上分布的簡明信息的一種理論處理方法。分析這種布居對理解分子的極性、極化率、化學鍵強度以及化學反應活性等都大有幫助[7]。GaussView軟件中的原子電荷顯示功能可以直觀地在分子中的原子上準確地顯示電荷數值，使電荷分布一目了然。圖4是采用B3LYP/6-31G*方法計算得到的水分子的Mulliken電荷分布，從圖中可以看出水分子中的氧原子帶有部分負電荷，而氫原子帶有部分正電荷。

圖4 水分子的Mulliken電荷分布圖

(3)分子震動光譜與解析

Gaussian軟件在構型優化基礎上，通過進一步計算能量的二階導數，可以求得力常數，進而得到分子的紅外光譜，此過程可以通過Gaussian程序中的Fre關鍵詞來實現。頻率分析完成后，通過GaussView可以觀察分子內部的各種震動以及這些震動對應的紅外光譜。圖5所示的是水分子的震動光譜以及對應的3種振動形式，圖中振動原子按箭頭所指方向震動。

圖5 水分子的各種震動及其紅外光譜圖

Gaussian/GaussView軟件是一款功能強大的量子化學計算軟件，它能預測分子的微觀結構信息，并將這些信息圖形化。在物質結構教學中運用Gaussian 09/ GaussView量子化學計算軟件來輔助教學，不僅能使抽象的理論和概念變得形象、直觀、易于理解，還能提高教學效率、激發學生的學習興趣。因此，有必要發掘和利用這類軟件，使其在物理化學及其他相關課程教學中發揮更大的作用。

[1] 王光信,孟阿蘭,任志華.物理化學[M].北京:化學工業出版社,2007.

[2] 劉長久,李延偉,劉勇平.物理化學精品課程建設的教學改革探索與實踐[J].高教論壇,2010,1:21-22,35.

[3] 李延偉,姚金環,劉長久,等.物理化學課程教學改革與探索[J].廣東化工,2009,36(12):180,187.

[4] 徐順,張勇,趙曉洋,等.常用化學軟件多媒體教學軟件的開發研究[J].計算機與應用化學,2005,22(12):1142-1145.

[5] 姚金環,李延偉,蔣錫福.應用現代教育技術進行化工原理課堂教學設計[J].梧州學院學報,2010,19(6):87-92.

[6] M.J. Frisch, et al., Gaussian 09 Revision A. 02, Gaussian, Inc, Wallingford, CT, 2009.

[7] 李延偉,章巖,尹鴿平,等.電場作用下分子導線的理論研究[J].高等學校化學學報,2006,27(2):292-296.

Application of quantum Chemistry software in the teaching of material structure

Li Yanwei, Yao Jinhuan, Yang Jianwen, Shen Yufang, Zou Zhengguang
Guilin university of technology, Guilin, 541004, China

Material structure is the import part of physical Chemistry. Material structure Chemistry has been the teaching diff culty of physical Chemistry due to the higher theoretical level a many abstract concepts. The application of Gaussian 09/GaussView software in the teaching of material structure is discussed in this article. In particular, the calculations and analysis of molecular geometric structure, molecular orbital, electron population, and vibration spectrum by Gaussian 09/GaussView software are introduced. The application of Gaussian 09/GaussView software in the teaching of material structure makes those complex theories and abstract concepts more vivid and visual and therefore can be understood easily and concretely by students. This can enrich teaching content, stimulate student’ interest.

Gaussian 09; GaussView; material structure; physical Chemistry; teaching

物質結構是研究原子、分子和晶體的微觀結構以及物質性質與結構關系的學科，是物理化學的重要組成部分[1]。這部分內容包括處理微觀粒子各種運動、原子結構和分子結構的量子力學方法，通過求解薛定諤方程來描述原子和分子中電子的排布和能量，探索化學鍵的本質，揭示物質性質與微觀結構之間的關系。由于這部分內容涉及大量的數學物理知識，理論性強、概念抽象，學生學起來普遍感覺難度較大，是物理化學教學中的難點[2,3]。若能通過3D圖形將物質的微觀結構可視化，將抽象、復雜的概念形象化，將使物質結構教學過程變得簡單、清晰，這對突破物質結構教學難點，提高教學效果將起到非常積極的作用。隨著計算機技術的進步和量子化學計算方法的發展，通過量子化學計算軟件很容易將物質的很多微觀結構信息以3D圖像的形式直觀、形象地展現出來[4,5]。Gaussian/GaussView軟件就是一款具有這樣功能的典型量子化學計算軟件。本文將介紹如何利用該軟件計算并可視化分析分子的幾何結構、分子軌道、電子布居和振動光譜等微觀結構信息。

2011-10-12

李延偉，博士，教授。

新世紀廣西高等教育教學改革工程“十一五”第五批立項項目“物理化學課程教學內容與方法改革研究與實踐”(編號：2009B040)；新世紀廣西高等教育教學改革工程2010年立項項目“新世紀《材料科學基礎》課程教學改革與實踐”(編號：2010JGA029)。