質(zhì)子水團(tuán)簇的異構(gòu)體和紅外振動(dòng)譜的理論研究.pdf

1、團(tuán)簇是最近幾十年來(lái)科學(xué)研究中出現(xiàn)的一個(gè)新領(lǐng)域。它是一門(mén)涉及物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科的新型學(xué)科。團(tuán)簇神奇的量子尺寸效應(yīng)，使團(tuán)簇在很多方面表現(xiàn)出既不同于微觀(guān)粒子又不同于塊體材料的奇異性質(zhì)：如幻數(shù)、光學(xué)性質(zhì)、同分異構(gòu)現(xiàn)象等。團(tuán)簇的獨(dú)特性質(zhì)引起了國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家的興趣，團(tuán)簇的研究進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)代，一些重要的研究成果正悄然改變?nèi)藗兊纳睢Ｒ虼藢?duì)團(tuán)簇的研究不僅能夠促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，而且還能開(kāi)發(fā)其應(yīng)用價(jià)值，其發(fā)展前景必將更加廣闊。
　　氫鍵

2、的存在使水有了獨(dú)特的性質(zhì)，水中氫鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一直是研究的一個(gè)基本問(wèn)題。為了在分子水平上了解水中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，人們廣泛研究了質(zhì)子水團(tuán)簇。這些團(tuán)簇作為水溶液的微觀(guān)模型，分別提供了氫鍵結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。氫鍵的環(huán)境很容易受到水中OH伸縮振動(dòng)頻率的影響，因此對(duì)固定尺寸團(tuán)簇的研究可以利用紅外振動(dòng)譜這一有力工具去探討水中氫鍵的結(jié)構(gòu)。
　　質(zhì)子水團(tuán)簇在大氣、生物、化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。水中質(zhì)子一個(gè)重要的方面是它的不規(guī)則的高度流動(dòng)性，準(zhǔn)

3、確的模擬這個(gè)過(guò)程需要研究氫在具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大量水環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。最近幾十年來(lái)對(duì)質(zhì)子水團(tuán)簇H+(HW)n結(jié)構(gòu)和振動(dòng)光譜的研究成為化學(xué)家們的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在人們對(duì)液相質(zhì)子水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的研究大都集中于研究其紅外振動(dòng)譜的情況，通過(guò)對(duì)紅外振動(dòng)譜的理論分析確定質(zhì)子水團(tuán)簇的穩(wěn)定存在結(jié)構(gòu)。但是目前人們還沒(méi)有直接測(cè)定質(zhì)子水團(tuán)簇幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)手段，因此對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的確定大都局限于理論探索階段。質(zhì)子水團(tuán)簇根據(jù)n的大小分為小尺寸、中等尺寸和大尺寸團(tuán)簇再加上每一個(gè)尺寸異

4、構(gòu)體的多樣性，大多數(shù)的團(tuán)簇還要考慮包含氫鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一些都給人們對(duì)質(zhì)子水團(tuán)簇的研究帶來(lái)很大麻煩。
　　密度泛函理論是本文研究的一個(gè)重要理論基礎(chǔ)。本文首先采用HF方法和6-31G(d)基組得到質(zhì)子水團(tuán)簇H+(H2O)6的一些原始結(jié)構(gòu)，然后使用高斯09軟件中B3LYP化學(xué)模型，并借助于精度較高的6-311++G**基組，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率數(shù)據(jù)處理獲得了質(zhì)子水團(tuán)簇H+(H2O)6的29種結(jié)構(gòu)不同的穩(wěn)定構(gòu)型和紅外光振動(dòng)光譜。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)

5、和能量的分析發(fā)現(xiàn)，以Zundel陽(yáng)離子為中心的鏈狀結(jié)構(gòu)與其它異構(gòu)體相比最為穩(wěn)定。最后通過(guò)理論結(jié)構(gòu)的紅外振動(dòng)譜合成圖與實(shí)驗(yàn)紅外振動(dòng)譜的比較，表明本文所選穩(wěn)定構(gòu)型的合理性。
　　論文的主要內(nèi)容如下：
　　第一章：介紹了團(tuán)簇的定義、分類(lèi)、性質(zhì)；研究的方向、進(jìn)展、意義和本文要做的工作。
　　第二章：闡述了包括變分原理、哈特利近似、?？私坪虳FT等在內(nèi)的本文所用到的基礎(chǔ)知識(shí)。
　　第三章：主要介紹了常用的斯萊特基組、高斯