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实验名称:利用Gaussian建模进行单点能计算姓名：陈健学号：1309050210班级：材物1302日期：3016/3/17一、实验目的：1、了解量子化学计算的基本知识,研究思路和计算方法；2、掌握利用GaussView搭建分子模型,分析计算结果；3、熟悉Gaussian09计算程序，掌握相关输入方式；4、掌握单点能计算方法,计算分子的基本信息；5、掌握查看和分析不同分子量化计算属性的方法。二、实验原理及方法：Gaussian软件是由诺贝尔奖获得者JohnPople主持编写并发布的电子结构计算软件包。Gaussian软件以量子化学从头算和密度泛函理论计算为主，多种计算方法和计算方式兼备的通用软件，根据基本的物理化学理论以大量的数值运算方式来探讨化学系统的性质。Gaussian软件能提供种类繁多、准确可靠和业界认可的计算结果，包括:A：计算特定分子结构的能量以及和能量相关的一些性质。B：完成构型优化，确定全局或局域最小点。C：计算由于分子内原子间运动所引发的分子振动频率。除此之外，对于未知或不易观测的化学系统，Gaussian计算结果还常扮演着预测的角色，提供进一步研究的方向。另外，Gaussian计算结果也常被用来验证、测试、修正、或发展较高层次的化学理论。三、实验仪器：Gaussian09、GaussView软件，计算机等。四、结果分析：1、丙烷1）构建分子模型——丙烷先打开元素周期表，选择C元素，然后价态选择四个单键，会看到主程序框里出现一个甲烷结构。在工作窗口单击，可以看到工作窗口会出现一个甲烷。然后从链烃库中选择乙基，然后点击甲烷上的任何一个H即可。这样就得到了丙烷的分子结构模型。图1、丙烷分子构型2）六种方式的性能差异采用3种不同的方法在相同的基组下进行计算；采用同一种方法在3种不同的基组下进行计算；表1：丙烷分子在6种方式下的性能差异采用3种不同的方法在相同的基组下进行计算：采用相同的基组6-31G，三种不同的方法分别为B3LYP（Becke型3参数密度泛函模型，采用Lee-Yang-Parr泛函）、HF（Hartree-Fock自恰场模型）、CAM-B3LYP；采用同一种方法在3种不同的基组下进行计算：采用相同的方法B3LYP，三种不同的基组分别为STO-3G、3-21G、6-311G。计算结果得出：不同的方法或者不同的基组所计算的结果存在着差异。丙烷的单点能虽有一些差异，但大小基本相同；丙烷不存在对称性；丙烷的电荷数之和为0；偶极矩的大小不同，但方向都指向Y轴方向。不同方法或不同基组所占用的CPU时间也各不相同。HF方法中只包含了电子的交换相互作用，不包含电子的关联相互作用；而密度泛函理论的方法（B3LYP、CAM-B3LYP都属于密度泛函理论）不仅包含了电子的交换相互作用，而且包含电子的关联相互作用。HF方法计算量小，计算速度快，但计算结果精度不高；密度泛函理论的计算速度也较快，且计算结果较为精确。选择不同的基组，计算的速度与计算结果的精度也不相同。STO-3G也是最小基组，则计算量小，速度快，但结果较6-311G精度小；6-311G中“6”表示每个内层轨道用6个GTO来拟合一个STO函数，显然计算量大了，但精度也高了。3）丙烷分子的电荷分布：图2、B3LYP方法6-31G基组下的电荷分布方法基组单点能/a.u.偶极矩/DebyeCPU时间B3LYP6-31G-119.111798000.058211sHF-118.213551540.07283sCAM-B3LYP-119.026197420.057814sB3LYPSTO-3G-117.726701540.02057s3-21G-118.497787440.04558s6-311G-119.139166350.081513s图3、B3LYP方法STO-3G基组下电荷分布图4、HF方法6-31G基组下电荷分布图2、3、4是相同基组不同方法和不同基组相同方法的到的丙烷分子的电荷分布图。红色代表负电荷，绿色代表正电荷。可以看出丙烷分子的C和H原子所带的电荷不同，C原子带负电荷，H原子带正电荷。HF方法和密度泛函理论中，在将多电子系统转换为等效的电子问题过程中所采用的方法有所不同，导致结果的不同，从而不同方法的电荷分布存在不同；不同的基组解释为将分子中的电子限制在不同的特定的空间区域，从而导致了电荷分布的不同。4）静电势图：图5、B3LYP方法6-31G基组下的静电势图图6、B3LYP方法6-31G基组下的彩色静电势图2、苯甲醛1)构建分子模型——苯甲醛双击环工具按钮，选择苯基，会看到主程序框体中出现苯环。在工作窗口单击，可以看到工作窗口会出现一个苯环。从链烃库中选择醛基，然后点击苯环上的任何一个H即可。这样就可以得到苯甲醛的分子结构模型。图7、苯甲醛分子构型2）六种方式的性能差异采用3种不同的方法在相同的基组下进行计算；采用同一种方法在3种不同的基组下进行计算；表2：苯甲醛分子在6种方式下的性能差异苯甲醛分子采用的方法与基组同上面的丙烷相同，得到的规律大致也相同。苯甲醛分子不具有对称性；苯甲醛电荷数之和为0；偶极矩的大小不同，但方向都指向X和Y轴方向。偶极矩具体情况如下：6种方式的偶极矩大小及方向（Debye）：X=-2.9922Y=1.3826Z=0.0001Tot=3.2962X=-3.2803Y=1.8277Z=0.0000Tot=3.7551X=-2.9316Y=1.4608Z=0.0000Tot=3.2754X=-1.5042Y=0.8127Z=-0.0001Tot=1.7098X=-2.5835Y=1.1923Z=0.0000Tot=2.8454X=-2.9940Y=1.4347Z=0.0000Tot=3.32003）苯甲醛的电荷分布方法基组单点能/a.u.偶极矩/DebyeCPU时间B3LYP6-31G-345.481272273.296328sHF-343.291655573.75524sCAM-B3LYP-345.290152453.275540sB3LYPSTO-3G-341.195600291.709825s3-21G-343.664998982.845423s6-311G-345.561143843.320141s图8、B3LYP方法6-31G基组下的电荷分布苯甲醛分子的C、H和O原子所带的电荷不同，H带正电荷，醛基上的C原子及其与苯环相连的C原子带正电荷，苯环上的其他C原子带负电荷，O也带负电荷。4）静电势图：图9、B3LYP方法6-31G基组下的静电势图图10、彩色静电势图五、总结与感想：通过本次实验，我接触到了Gaussian软件，学会了利用GaussView进行分子模型的构建，可以立体的直观的观察所构建的分子模型几何构型。从而了解了量子化学计算的一些知识与计算方法，也与上学期所学习的计算材料学理论课程有了直接的联系，从而得到了实践与理论的结合，对部分知识的理解也更加深刻。Gaussian软件以量子化学和密度泛函理论计算为主，我们可以用来计算分子的能量、分子的轨道与轨道能量、分子中的电荷分布及电偶极矩和高阶电多极矩等。利用GaussView先进行分子模型的构建，然后选择合适计算方法及基组进行计算。根据生成的.chk文件，用GaussView打开，可以查看许多有用的信息，比如单点能、电荷分布、偶极矩大小和方向等，通过这些就可以比较一下材料分子的性质。有了这款软件，让我们对材料分子性质的模拟与研究更加简单方便，操作性更加简易，得出的计算结果更加直观，所以说科学技术的发展会更加促进科学技术的发展。