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环状水分子簇异构体的稳定性及其相互作用能的多体效应

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摘要

第一章 绪论

1.1 水与氢键

1.1.1 水

1.1.2 氢键和氢键的协同作用

1.1.3 水分子簇的形成及其氢键网络

1.2 相互作用能的能量分解和多体效应

1.3 量子化学及应用程序Gaussian简介

1.4 分子间弱相互作用的量子化学计算方法

1.4.1 分子轨道理论(molecular orbital theory,MO)

1.4.2 Hatree-Fock方程

1.4.3 闭壳层的Hatree-Fock-Roothann方程

1.4.4 从头计算法(ab initio)

1.4.5 从头计算后自洽场方法(ab initio Post-SCF)

1.5 电子相关和多体微扰理论

1.5.1 电子相关

1.5.2 电子相关能

1.5.3 微扰理论(M(θ)ller-Plesset perturbation theory)

1.6 基组的选择

1.7 基组重叠误差的校正与相互作用能的量化计算

1.8 自然键轨道(NBO)理论

第二章 五元环状水分子簇相互作用能的计算

2.1 五元环状水分子簇四种异构体的几何优化

2.2 五元环状水分子簇相互作用能的计算

2.3 水分子的排布方式与电荷转移

2.4 氢键形成方式与氢键协同作用

2.5 环状结构中的氢键协同作用

第三章 五元环状水分子簇相互作用能的能量分解与多体效应

3.1 环状分子间相互作用能的能量分解方案

3.2 五元环状水分子之间相互作用能的多体效应

3.3 协同作用与多体效应

3.4 多体效应与环结构的稳定性

第四章 六元环状水分子簇相互作用能与多体效应

4.1 六元环状水分子簇的结构优化及相互作用能的计算

4.2 六元环状水分子簇相互作用能的能量分解和多体效应

4.3 六元环的稳定性

第五章 da-da-da三联体对环状结构稳定性的影响

5.1 da-da-da三联体与五、六元环的稳定性

5.2 da-da-da三联体与五元双环的稳定性

第六章 结论

参考文献

附录

致谢

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摘要

氢键是水分子间最主要的相互作用。若干氢键结合形式的多样,使得水分子团簇结构复杂多变。氢键结合形式的多样是由于每个水分子既可作为质子供体(d)又可作为质子受体(a),因此有dd、aa、da三种排布方式。本文利用量子化学计算方法,讨论了环状水分子簇中因氢键结合方式不同对氢键协同作用、相互作用能的多体效应和环结构稳定性造成的影响。主要做了以下几个方面的工作:
   1.以三种(H2O)3“V”形结构为例,利用NBO分析,讨论顶点水分子采取da、dd、aa三种取向时电荷密度的变化及由此原因导致的氢键正协同作用和负协同作用,为后面探讨环状结构提供模型。
   2.在五元环状和六元环状水分子簇中分别利用2种和3种方式计算环内分子间的相互作用能,进而做公式的推导,将相互作用能与其中包含的多体效应作用项相关联,采用一种相对简便的能量分解方案,讨论了(H2O)5和(H2O)6各四种环状异构体稳定性、氢键协同作用、多体效应(主要是二体和三体作用)与氢键结合方式之间的关系,
   3.通过对(H2O)5和(H2O)6稳定性的讨论,得到三体作用项(特别是三体相邻作用项)是影响环结构稳定性的重要因素,还发现环中da-da-da三联体的数目与环状结构的稳定性的趋势存在一致性。通过对五元双环的四种异构体的考察,证明该规律也同样适用于五元双环水分子簇。因此,da-da-da三联体数目可作为一种比较直观的环状水分子簇异构体相对稳定性的判断依据。

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