西南大学化学化工学院物理化学实验
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实验名称苯分子轨道和电子结构2013级化工班姓名学号030同组人指导老师实验日期2015年5月11实验环境室温大气压mmHg仪器型号实验目的掌握休克尔分子轨道法的基本内容(2)学会用休克尔分子轨道法分析和计算苯分子n轨道分布(3)学会用计算的化学方法研究简单分子的电子结构实验原理离域n键:形成n键的电子不局限于两个原子的区域，而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动，这种由多个原子形成的n型化学键称为离域n键.共轭效应:形成离域n键,增加了n电子的活动范围，使分子具有特殊的物理化学性质，这种效应称为共轭效应.分子轨道法:原子组合成分子时，原来专属于某一原子的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道.休克尔分子轨道法：为了讨论共轭体系的分子轨道，1931年休克尔应用LCAO-MO分子轨道的原子线性组合)法，采用简化处理，解释了欢迎下载PAGE\*MERGEFORMAT#大量有机共轭分子性质，该方法称为休克尔分子轨道法，简称HMOfe.休克尔分子轨道法主要运用了下列基本假设厅n分离体系,独立n电子近似，LCAO-M0近似，huckel近似.休克尔分子轨道法基本内容:在分子中把原子核、内层电子、非键电子连同（T电子一起冻结为“分子实”，构成了由b键相连的分子骨架，n电子在分子骨架的势场中运动。由此，可写出一个n电子的Hamilton算符及轨道方程H®=E^(1-1).米用变分法,n电子分子轨道表示为所有碳原子的对称性匹配的p原子轨道的线性组合:®=C1©1+C2©2+…+CN©N(1-2).代入（1-1）式，按线性法处理得有关系数线性齐次方程组(H11-E)C1+(H12-ES12)C2+…+(H1N-ES1N(HN1-E)C1+(HN2-ESN2C2+…+(HNN-ES1N=0(1-3).式中已假定原子轨道是归一化的，Hrr,Srr代表能量积分及重叠积分:Hrs=/©r?H©dt,Srs=/^r?©sdt(1-4).进一步的近似假定(1)Hrr=a(r=1,2,N),a称之为库伦积分（2）Hrs=3对应于原子r和s邻近，否则=0（3）3称为共振积分Srr=0（r丰s）即为忽略重叠近似做上述处理后久期方程可化为:8,式（1-5）的非零解方程化为进一步做变换,由上述方程通过求值并回代到久期方程，再结合归一化(Gt—E)pp0pr■0■05J4-■■=0000(1-5)-E)/X=(a(1-6)条件得分子轨道组合系数Cik及屮i实验相关软件Gaussian98程序包Gaussian图形查看程序Gview2实验步骤在e盘中新建文件夹019—再在019文件夹中新建文件夹ben和pingerxi构建苯分子结构：打开桌面GaussView软件—点击Builder中的Element,选择C原子—选择苯环模型—点击Builder中AddValenee,再点击苯环上的C原子，即加H—点击clean得到形状规则的苯环。保存文件：点击calculate选择Gaussian—在弹出的对话框中输入:e：/ben/019/ben—Jobtype选择optimization—点击Retain保留点击file，选择save保存，打开ben文件夹宀命名为ben.gif,点击save保存7点击Calculate，选择Gaussian对话框中选择submit提交7连续点击两次save系统计算过程：连续上述步骤对话框点击okay7计算机开始计算程序T对话框选择“是”7选择新建一个输出文件，点击yes7选择chk
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，点击ok7弹出chk输出文件结果统计：打开ben文件夹中的BEN.LO&将滚动条拉倒最下面，光标放到最后ctrl+F键弹出查找对话框7输入OrbitalSymmetries，向上查找下一个7向下滚动少许找到Theelectronicstateis1-A17第17个数字为苯分子的第一个n轨道的能量,依次找出第仃、20、21、22、23、24六个数据即为苯的六个n轨道能量。绘制苯的六个n轨道图形：点击Results，选择surfaces7点击Generate,SelectOrbital选择Othere7输入数字仃，点击okay选择Apply，弹出苯的第一个n轨道图形7将图形调至适当角度,点击file，选择SaveImagi在弹出的保存对话框中命名为仃.gif7同样的方法分别输入20、21、22、23、24查看剩余五个n轨道的图形并将其保存。查看键长：点击file选择open,打开ben.chk7点击Band,再点击bhk文件中碳碳原子，可查看苯环中C-C键长查看电荷：打开新文件夹ben中的BEN.L0&找到Totalatomic[charges7下面即为c原子禾nH原子的电荷对丁二烯的操作重复以上步骤，不同的是丁二烯没有固定结构需要画出4个C原子然后再连键。其它步骤都与苯的操作步骤相同。数据记录与处理、苯分子(1)苯的六个n轨道形状和能量轨道数能量图形轨道数能量图形17-0.5084920-0.3390022230.151240.1512421-0.33900290.37550(2)苯分子中离域n键的键长C-C:1,380C-H:1.072(3)苯分子中碳原子和氢原子的电荷C:-0.239H:0.239、丁二烯分子(1)丁二烯分子的n轨道形状和能量轨道数能量图形轨道数能量图形14-0.44802915-0.72517160.13186170.27026(2)丁二烯分子中离域n键的键长C-C:1.46C=C:1.32C-H:1.072(3)丁二烯分子中碳原子和氢原子的电荷—单键C:-0.247双键C:-0.412单键H:0.210双键H:0.2310.217实验讨论(1)什么是离域n键?答：形成n键的电子不局限于两个原子的区域，而是在参加成键的多个原子形成的分子骨架中运动，这种由多个原子形成的n型化学键称为离什么是共轭效应？答：形成离域n键,增加了n电子的活动范围，使分子具有特殊的物理化学性质，这种效应称为共轭效应。写出苯的HM刮式方程，并由此计算出相应的6个分子轨道波函数.答：E1=aE2=a+3+23屮1=v76(W1+W2+W3+W4+W5+W6)1W2=/(21+2-3-24-5+6)E3=a+3屮3二占(W2+W3-W5-W6)V12E4=a-3答:in>tHD
(V>tY]>tvn屮4=VZ4(W2-W3+W5-W6)E5=a-3屮5=V712(2W1-W2-W3+2W4-W5-W6)E6=a-23屮6二占(W1-W2+W3-W4+W5-W6)函数.E1=a+1.6183屮=0.37仃W1+0.6015W2+0.6015W3+0.37仃W4E2=a+0.6183屮=0.6015W1+0.37仃W2-0.37仃W3+0.6015W4E3=a-0.6183屮=0.6015W1-0.3717W2-0.3717W3+0.6015W4E4=a-1.6183屮=0.3717W1-0.6015W2+0.6015W3+0.3717W4(4)写出丁二烯的HM0U式方程，并由此计算出相应的4个分子轨道波(5)写出苯分子的所有共振式0-0-①一0-0-00(!)式和(n)式结构相似，能量最低，其余共振式的能量都比较高。能量最低而结构又相似的共振式在真实结构中参与最多，或称贡献最大。因此，可以说苯的真实结构主要是(I)式和(n)式的共振杂化体。苯的两个共振结构式，仅在电子排布上不同，而原子核并未改变，这种结构共振所产生的共振杂化体，其稳定性较大。实验建议此实验为操作性实验，实际应用操作非常重要，在本次试验过程中老师的教学重点很突出，操作讲的很好懂，操作起来也很简单，但是关于休克尔分子轨道法的原理比较深化不好理解，所以在这一块儿形象突出的讲述可能会更有助于同学们加深理解，达到对知识回顾和实验原理学习一个比较好的结果。
浙公网安备 33021202002483