2.2.2 Контрольный пример. Расчет характеристик молекулы кислорода o2

КИСЛОРОД, O (oxygenium), химический элемент VIA подгруппы периодической системы элементов. ¹⁶₈O наиболее распространенный из трех изотопов кислорода (99,76%). Электронная структура кислорода (1s²2s²2p⁴) такова, что в молекуле кислорода образуется прочная ковалентная неполярная связь за счет спаривания p- электронов. По табличным данным расстояние между атомами 0,122 нм. Основное состояние является триплетным ³P₂.

2.2.2.1 Визуализация электронной структуры атома кислорода

Основным состоянием атома кислорода, также как и молекулы, является триплет, т.е. число полный спин S=1. Электронная конфигурация атома кислорода:

1s2

↑↓

2s2

↑↓

2p4

↑↓

↑

↑

Создаем новое активное окно. В библиотеке элементов выбираем атом кислорода и переносим его активное окно. На панели меню редактора GaussView выбираем Calculate → Gaussian Calculation Setup. Устанавливаем следующие параметры расчетов: Job Type- energy, Method – DFT B3LYP 6-31(d)G, Spin – triplet, Job Title – (например, O_DFT_B3LYP_6-31dG_triplet_energy). Нажимаем Submit, при сохранении файла для удобства лучше указывать то же имя файла, что и во вкладке Title. При запуске расчетов появится окно Gaussian03 (рис.2.2), в окне которого отображается текущее состояние расчетов.

Рис.2.2 Окно Gaussian 03

Информация о распределение электронной плотности атомных и молекулярных орбиталей (АО и МО) содержится в output файле с расширением *.chk. После окончания расчетов открываем файл расширением O_DFT_B3LYP_6-31dG_triplet_energy.chk. На панели команд GaussView выбираем редактор молекулярных орбиталей (табл.1.1). В окне редактора МО отображена диаграмма уровней - распределение электронов по энергетическим уровням молекулярных орбиталей (рис.2.3). Энергия выражена в атомных единицах энергии 1a.u.= 1Хартри=27.2эВ. Alpha и Beta электроны соответствуют противоположным ориентациям электронных спинов.

Рис.2.3 Диаграмма уровне атома кислорода в триплетном состоянии.

Переходим во вкладку Visualize, выделяем мышью интересующие орбитали на диаграмме уровней (выбранные МО подсвечиваются желтым цветом) и нажимаем Update. Визуализированные АО представлены на рис.2.4. Для отображения декартовой системы координат, на панели команд выбираем View → Cartesian Axes.

Одной из характеристик атомов и молекулярных структур является потенциал ионизации- минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с внешней оболочки на бесконечность. По теореме Купманса, потенциал ионизации определяется как энергия электронов на высшей занятой орбитали HOMO (High Occupied Molecular Orbital), взятая с противоположным знаком.

(2.12)

Поскольку энергия электрона на 2p↓ орбитали выше, чем на 2p↑, то потенциал ионизации атома кислорода, рассчитанный методом DFT B3LYP 6-31(d)G составляет 0.317 a.u.=8.622 эВ.

Задание 1. Визуализировать электронную плотность атомных орбиталей и соотнести с электронной конфигурацией атома (1s²2s¹2p³) углерода, используя метод DFT B3LYP 6-31(d)G.

№ АО	α-орбиталь	EАО↑, a.u.	β-орбиталь	ЕАО↓, a.u.
4	2p↑	-0.369
3	2p↑	-0.446
2	2p↑	-0.446	2p↓	-0.317
1	2s↑	-1.006	2s↓	-0.848
	1s↑	-19.291	1s↓	-19.241

Рис. 2.4 Атомные орбитали атома кислорода. Масштаб сохранен