苯分子轨道和电子结构专业教学

1、西南大学化学化工学院物理化学实验报告实验名称 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 日实验环境 室温 大气压 mmhg仪器型号 实验目的（ 1）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 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 实验原理离域键:形成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型化学键称为离域键.共轭效应:形成离域键,增加了电子的活动范围，使 分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应.

2、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，1 931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hmo法.休克尔分子轨道法主要运用了下列基本假设 : -分离体系, 独立电子近似, lcao-mo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 键电子连同电子一起冻结为“分子实”，构 成了由键相连的分子骨架，电子在分子骨架的势场

3、中运动。由此，可 写出一个电子的hamilton算符及轨道方程 h=e（ 1-1）.采用变分法,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: =c11 + c22 + + cnn（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）c 1+（ h12-es12）c 2+（ h1n-es1n）= 0 （ hn1-e）c 1+（ hn2-esn2）c 2+（ hnn-es1n）=0 （1-3）. 式中已假定原子轨道是归一化的，h rr,srr代表能量积分及重叠积分:h rs=rhdt, srs=rsdt (1-4) .进一步的近似假定（1）h

4、 rr=(r=1,2,n),称之为库伦积分（2）h rs=对应于原子r和s邻近，否 则=0（3） 称为共振积分s rr=0(rs) 即为忽略重叠近似做上述处理后久期方程可化为:(1-5)进一步做变换，x =（-e）/ ，式（1-5）的 非零解方程化为（1-6）由上述方程通过求x得n个e i值并回代到久期方程，再 结合归一化条件得分子轨道组合系数cik及i 实验相关软件gaussian 98 程序包 gaussian 图形查看程序gview2实验步骤1. 在e盘中新建文件夹019再在019文件夹中新建文件夹ben和dingerxi2. 构建苯分子结构：打开桌面gauss view软件点击buil

5、der中的element，选择c原子选择苯环模型点击builder中add valence，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。3. 保存文件：点击calculate选择gaussian在弹出的对话框中输入：e：/ben/019/benjob type选择optimization点击retain保留点击file，选择save保存，打开ben文件夹命名为ben.gif，点击save保存点击calculate，选择gaussian对话框中选择submit提交连续点击两次save4. 系统计算过程：连续上述步骤对话框点击okay计算机开始计算程序对话框选择“是”选择新建一个

6、输出文件,点击yes选择chk格式，点击ok弹出chk输出文件5. 结果统计：打开ben文件夹中的ben.log将滚动条拉倒最下面，光标放到最后ctrl+f键弹出查找对话框输入orbital symmetries，向上查找下一个向下滚动少许找到the electronic state is 1-a1 第17个数字为苯分子的第一个轨道的能量，依次找出第17、20、21、22、23、24六个数据即为苯的六个轨道能量。6. 绘制苯的六个轨道图形：点击results，选择surfaces点击generate，select orbital 选择othere输入数字17，点击okay选择apply，弹出苯

7、的第一个轨道图形将图形调至适当角度，点击file，选择save image在弹出的保存对话框中命名为17.gif同样的方法分别输入20、21、22、23、24查看剩余五个轨道的图形并将其保存。7. 查看键长：点击file选择open，打开ben.chk点击band，再点击chk文件中碳碳原子，可查看苯环中c-c键长8. 查看电荷：打开新文件夹ben中的ben.log找到total atomic charges下面即为c原子和h原子的电荷。9. 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。数据记录与处理一、苯分子（1）苯的六个

8、轨道形状和能量轨道数能量 图形轨道数能量图形17-0.50849220.1512420-0.33900230.1512421-0.33900290.37550（2）苯分子中离域键的键长c-c:1,380 c-h:1.072（3）苯分子中碳原子和氢原子的电荷c:-0.239 h:0.239二、丁二烯分子（1）丁二烯分子的轨道形状和能量轨道数能量图形轨道数能量图形14-0.4480215-0.72517160.13186170.27026（2）丁二烯分子中离域键的键长c-c:1.46 c=c:1.32 c-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：-0.41

9、2单键h：0.210 双键h：0.231 0.217实验讨论（1）什么是离域键?答：形成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型化学键称为离域键（2）什么是共轭效应?答：形成离域键,增加了电子的活动范围，使分子具有特殊的物理化学性质,这种效应称为共轭效应。（3）写出苯的hmo列式方程，并由此计算出相应的6个分子轨道波函数.答：e1=+2 1=(1+2+3+4+5+6) e2=+ 2=(21+2-3-24-5+6)e3=+ 3=(2+3-5-6)e4=- 4= (2-3+5-6)e5=- 5=(21-2-3+24-5-6)e6=-2 6

10、=(1-2+3-4+5-6)（4）写出丁二烯的hmo列式方程，并由此计算出相应的4个分子轨道波函数.e1=+ 1.618e2=+ 0.618e3=- 0.618e4=- 1.618=0.37171+0.60152 +0.60153 +0.37174=0.60151 +0.37172 -0.37173+0.60154=0.60151-0.37172 -0.37173 +0.60154=0.37171-0.60152 +0.60153 +0.37174（5）写出苯分子的所有共振式答：（）式和（）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（）式和（）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