分子计算科学

1、原子的微观结构是什么样的？原子的微观结构是由以质子和中子组成的原子核为中心，核外电子以电子云的形式在原子核周围概率性出现。什么是原子轨道？原子轨道又叫轨态，是以数学函数的形式（即波函数）来表示原子中核外电子在原子核周围出现的几率，轨道就是在波函数的界定下电子出现几率较大的区域。原子轨道形状与空间分布图？最简单几类原子轨道形态：s轨道形状，球形；p轨道形状，无柄哑铃形； d轨道形状，花瓣形。具体的空间分布（手画）。原子结构与性质在实际的实际测量与结构表征中都有那些应用？举例说明主要的应用有：EDS等可以用来分析样品的元素和元素的特征以及物质的种类。如：EDS（HYPERLINK /search?

2、word=X%E5%B0%84%E7%BA%BF&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blankX射线HYPERLINK /search?word=%E8%83%BD%E8%B0%B1%E4%BB%AA&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank能谱仪）可以利用不同元素的HYPERLINK /search?word=X%E5%B0%84%E7%BA%BF&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blankX射线HYPERLINK /search?word=%E5%85%89%E5%AD%90&fr=qb_search_exp&ie=u

3、tf8 t _blank光子特征能量不同进行成分分析，借助于分析试样发出的元素特征X射线波长和强度实现的， 根据波长测定试样所含的元素，根据强度测定元素的相对含量。金刚石和石墨是碳的两种同素异形体，他们的物理性质都有哪些差别？试从分子的微观结构进行解释？金刚石的硬度大、不能导电；而石墨的硬度较小，具有柔性、HYPERLINK /search?word=%E5%AF%BC%E7%94%B5%E6%80%A7&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank导电性好。HYPERLINK /search?word=%E9%87%91%E5%88%9A%E7%9F%B3&fr=qb_

4、search_exp&ie=utf8 t _blank金刚石是典型的HYPERLINK /search?word=%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%99%B6%E4%BD%93&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank原子晶体，晶体中的基本结构粒子是HYPERLINK /search?word=%E7%A2%B3%E5%8E%9F%E5%AD%90&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank碳原子，每个HYPERLINK /search?word=%E7%A2%B3%E5%8E%9F%E5%AD%90&fr=qb_search_exp

5、&ie=utf8 t _blank碳原子都以sp3HYPERLINK /search?word=%E6%9D%82%E5%8C%96%E8%BD%A8%E9%81%93&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank杂化轨道与四个HYPERLINK /search?word=%E7%A2%B3%E5%8E%9F%E5%AD%90&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank碳原子形成HYPERLINK /search?word=%E5%85%B1%E4%BB%B7&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank共价单键，构成HYPE

6、RLINK /search?word=%E6%AD%A3%E5%9B%9B%E9%9D%A2%E4%BD%93&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank正四面体，碳原子在HYPERLINK /search?word=%E7%A9%BA%E9%97%B4%E6%9E%84%E6%88%90&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank空间构成连续的、坚固的骨架结构，所以金刚石的硬度大。同时，由于碳的4个电子都参与了成键，没有空余的自由电子所以其导电性差。HYPERLINK /search?word=%E7%9F%B3%E5%A2%A8&fr=qb_

7、search_exp&ie=utf8 t _blank石墨晶体是属于混合键型的晶体，石墨中的同层碳原子用sp2HYPERLINK /search?word=%E6%9D%82%E5%8C%96%E8%BD%A8%E9%81%93&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank杂化轨道与相邻的三个碳原子以键结合，每个碳原子还有一个2p轨道，这些p轨道互相平行，形成了离域HYPERLINK /search?word=%E5%A4%A7%CF%80%E9%94%AE&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank大键，且大键中的电子可以自由移动，所以石墨在平行

8、于单石墨层的方向具有导电性，在垂直方向上没有导电性。而不同的石墨层之间是以分之间作用力相连接，作用力较小，能够出现层与层之间的滑动，所以石墨具有柔性和硬度小的特点。什么是化学键？化学键主要有那些类型，他们都有哪些特点？化学键是指纯物质通常以HYPERLINK /view/25255.htm t _blank分子内或HYPERLINK /view/51869.htm t _blank晶体内相邻两个或多个HYPERLINK /view/21855.htm t _blank原子（或离子）间强烈的HYPERLINK /view/1224554.htm t _blank相互作用力的统称。主要有：离子键、

9、金属键，共价键（极性共价键和非极性共价键）几个类型。离子键：指的是两个原子的电负性差异非常大，而形成的化学键。金属键：是指金属原子间电负性差异不大的两个原子形成的化学键，可以看成是高度离域的共价键。共价键：是指非金属原子间电负性差异不大的两个原子之间形成的化学键。又根据两个非金属原子之间的极性的差异性，共价键又可分为极性和非极性两类。极性共价键是指两个原子的极性差有差异，非极性共价键是指两个原子的极性没有差异。FT-IR、Rman和xps测试都能表征分子材料的那些性质？这些测试手段的基本原理是利用分子哪些特征进行测量的？红外光谱：可以通过观察样品的红外光谱吸收峰来分析样品的化学键和官能团。主要

10、是通过将一束具有连续 HYPERLINK /view/45341.htm t _blank 波长的红外光通过样品，样品中的分子振动或转动会对红外光进行吸收，通过测试其吸收光谱来分析样品的性质，可以做定性分析。拉曼光谱：可以测量物质的物质种类，化学键以及官能团，以红外光谱进行互补。主要是将一束光照射在样品表面，由于分子的振动和转动会对入射光产生散射，可以通过对其中的非弹性散射光进行处理，制成拉曼光谱，即可对样品的性质进行分析。X光电子能谱分析：是一种表面分析方法，可以分析样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分，其信息深度约为3-5nm。主要是通过对样品发射一定能量的X光照射到样品表面，样

11、品受到激发产生光电子，并对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成，可以做定性分析和半定量分析以及价态分析。什么是价电子对互斥理论？该理论有哪些应用？价层电子对互斥理论的基础指的是分子或离子的几何构型主要决定于与中心原子相关的电子对之间的排斥作用。该电子对既可以是成键的，也可以是没有成键的（叫做孤对电子）。其主要应用在于通过计算中心原子和配位数来预测离子、分子的几何构型。如不带孤对电子的sp2杂化为正三角形，如：BCl3，而带孤对电子的sp2杂化为V字型，如：H2O。什么是杂化轨道？金刚石及石墨中的碳原子采用的是哪种杂化方式？在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨

12、道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫做杂化轨道。金刚石：sp3；石墨：sp2什么是石墨烯？石墨烯和氧化石墨烯在结构和性质上都有哪些差别？试从分子共轭和碳原子杂化轨道等角度进行分析？石墨烯是指碳原子都是以sp2杂化的形式与其它碳原子相连接碳原子通过紧密排列形成的具有六元环网状结构的二维平面点阵，是目前所发现的最薄的二维材料。具有很好的导电性，但是亲水性较差，在水中容易团聚。氧化石墨烯仍保持石墨烯的层状结构，但是在石墨烯表面引入了许多氧基功能团，这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。其导电性较差，但是亲水性较好，在水中的分散性好。在结构上石墨烯的碳原

13、子以sp2HYPERLINK /search?word=%E6%9D%82%E5%8C%96%E8%BD%A8%E9%81%93&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank杂化轨道与相邻的三个碳原子以键结合，每个碳原子还有一个2p轨道，这些p轨道互相平行，形成了离域HYPERLINK /search?word=%E5%A4%A7%CF%80%E9%94%AE&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank大键，且大键中的电子可以自由移动，所以石墨烯的导电性很好。但是由于碳原子都是非极性基团，整个分子为非极性的，所以与水的亲和性差。而氧化石墨烯在石墨烯

14、表面引入了许多的氧基功能团，破坏了原有石墨烯的共轭结构，造成氧化石墨烯的导电性变差。同时，氧化石墨烯的分子的电荷密度分布发生了改变，使得分子带有一定的极性，所以氧化石墨烯具有很好的亲水性能。什么是大键？大键对物质的性质都有哪些影响？试举例说明p电子在多个原子间运动形成型化学键，这种不局限在两个原子之间的键称为离域键，或大键。形成的条件：1.这些原子都在同一平面上；2.这些原子都有相互平行的P轨道；3.P轨道上的电子总数小于P轨道数的2倍。影响：1.可以提高分子的稳定性。 如苯分子有着高度不饱和性，却显示出化学稳定性。2.提高导电性。 如石墨有着良好的导电性能。3.酸碱性质的改变 如羧酸的酸性小

15、于庚酸的酸性。4.有机化合物颜色的产生。如大多数有色化合物都有着较大的大键。分子间作用力主要包括色散力、取向力和诱导力，他们产生的机理是什么？色散力：任何原子都是处于不断振动的状态，当期偏离平衡位置时，就会产生瞬间的偶极，而两个分子有这种瞬间偶极所产生的作用力，就叫做色散力。诱导力：是由于极性分子与非极性分子相互靠近时，极性分子的固有偶极使得非极性分子的电子云偏离平衡位置而产生的诱导偶极，而固有偶极与诱导偶极之间的作用力，叫做诱导力取向力：由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成固有偶极。当两个极性分子相互接近时，他们的固有偶极的相互作用叫做取向力。 量子化学计算中，求解sc

16、hrodinger方程所用的三个重要近似都是什么？非相对论近似：电子在核附近以接近光速的1/3的高速度运动。根据相对论，电子质量u不是一个常数，它由电子运动速度，光速c和电子静止质量un决定：非相对论近似忽略这一相对论效应，认为电子质量u=u0。Born-Oppenheimer (B-O)近似：根据电子运动速率比核运动速率高3个数量级，可将方程中一些项忽略，使其分离为电子运动和核运动两个方程。单电子近似：体系中每个电子在核和（n-1）个电子组成的平均势场中运动。量子化学计算中，什么是半经验方法和从头算计算法？他们各自特点是什么？半经验方法：借用经验或半经验参数代替分子积分来求解多电子体系的量子

17、理论计算方法。特点：半经验计算通常只考虑价轨道，因而半经验方法较从头算方法计算量小得多，适用于较大的分子体系。从头计算法：从头计算方法是仅利用普朗克常数，电子静止质量和电量三个基本物理常数而不借助任何经验参数，求解多电子体系的量子化学计算方法。特点：理论上最严格，计算结果最精确，但计算量非常大，适用于较小的分子体系。Gaussian软件是是使用最广的分子计算模拟软件，该软件主要功能有哪些？Gaussian主要研究：分子能量和结构，过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，分子轨道，偶极矩和多极矩，原子电荷和电势，振动频率，红外和拉曼光谱， NMR，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径。使用Gau

18、ssian软件进行量子化学计算的一般步骤是什么？（1）确定计算类型。 （2）建立分子模型。（3）检验和优化分子模型。（4）选择合适计算方法和机组。（5）进行大规模的正式计算。（6）对计算结果分析比较和讨论。（7）重新建立模型进行更高级的运算。分子结构建模中，什么是直角坐标？什么是内坐标？直角坐标：是通过建立一个两两之间互相垂直的三维坐标系（X-Y-Z），并以在X,Y,Z三个向量上的投影的数值来描述各个原子在空间的分布情况，具有三个参数。内坐标：分子中每个原子的相对位置是用与它成键的另一个原子间键长、该键与另一化学键间的键角，以及后者与和它有一条公共边的另一键角所成的二面角来确定。Gaussia

19、n软件计算中，计算执行路径行“#HF/STO-3G OPT”中各种符号的含义是什么？HF：指的是计算的算法，STO-3G指的是运算所需要的基组，OPT指的是运算的类型需要进行结构优化。什么是计算基组？常用的基组有哪些？计算机组指的是计算时所调用的分子轨道的波函数的表达式。常用的机组有：STO-3G, 6-31G, 6-31G*, 6-31G*, 6-31+G, 6-31+G*, 6-311G, Lanl2dz等。什么是自旋多重度？如何计算自旋多重度？自旋多重度是指当总自旋量子数(S)给定后，对于相同的空间电子 HYPERLINK /view/24951.htm t _blank 波函数来说，其

20、自旋角动量的可能取向数就是自旋多重度。计算方式为：多重度2S+1， S=n*1/2， n为单电子数。先计算出分子的总电子数目：若总电子数目是偶数，未成对电子数目 n=0,2,4,6,.自旋多重度是1,3,5,7,.若总电子数目是奇数，未成对电子数目n=1,3,5,7,.自旋多重度是 2,4,6,8,.依次把自选多重度带进去计算，看是否匹配，若不匹配则继续计算，直到匹配为止。什么是单点能计算？什么是几何结构优化计算？单点能计算是指对给定几何构性的分子的能量以及性质进行计算，由于分子的几何构型是固定不变的。只是“一个点”，所以叫单点能计算。结构优化是指通过改变分子中各个原子的相对位置，迭代计算，直

21、到其结构最优为止。一般是指分子的总能量最低。构型优化是化学计算的基础，任何性质的计算都是在已优化好的分子结构上进行的。使用Gaussian软件对分子进行几何结构优化，通过结果分析都能得到哪些有用的信息？通过几何结构优化可以得到：分子的总能量；总的带电量，电负性，总原子数目；可以量出键长、键角、二面角；分子中各原子的带电量（电荷分布），分子中的各原子的轨道形状，分子的整体形状；可以查看能系（最高占据轨道和最高未占据轨道的能量）等。使用Gaussian软件计算分子振动光谱时，需要使用哪些关键词?需要：算法，基组和计算类型。如：PM3 STO-3G FRE。使用Gaussian软件优化分子的几何结构

22、时，需要使用哪些关键词?需要：算法，基组和计算类型。如：HF STO-3G OPT。Gaussian软件中常用的半经验方法有哪几种？AM1，PM3，MP2，MP3，HF和B3LYP等。 分子科学计算都能研究哪些化学/材料中的基础问题？试结合自己研究课题进行论述。GaussView软件都有哪些功能？1. 搭建或者导入HYPERLINK /search?word=%E5%88%86%E5%AD%90%E7%BB%93%E6%9E%84&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank分子结构，用以创建输入文件；2. 以图形化的方式自然直观的查看输出结果； 3. 查看分子的红外光谱等图谱； 4. 即时提交和监控计算（需要本机装有Gaussian软件）5.查看分子的优化过程。CASTEP软件使用的计算方法是什么？该软件都可以计算哪些物质