1
М.К. Мырзахмет, кандидат физико-математических наук, доцент
К.Ж. Бекмырза, докторант PhD
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
НА ФАКУЛЬТАТИВНЫХ ЗАНЯТИЯХ ПО ФИЗИКЕ
Задачи, стоящие перед современной высшей школой, по-прежнему состоят в том, чтобы полноценно обучить студентов в профессиональном плане и развить у них способность творчески мыслить и действовать.
Специальные физические дисциплины, определяющие теоретическую и экспериментальную базу всех современных методов исследования вещества и поля, способны внести важнейший вклад в повышение уровня профессионализма и творческой активности выпускников технических специальностей ВУЗов.
Квантовая химия представляет собой раздел теоретической химии, базирующийся на представлениях квантовой механики и экспериментально установленных закономерностях о строении вещества. Получив развитие в период становления квантовой механики, квантовая химия использует математический аппарат и методы квантовой механики для описания строения и свойств химических соединений. Современная квантовая химия позволяет с высокой точностью вычислять равновесные межъядерные расстояния и валентные углы, барьеры внутреннего вращения, энергии образования и диссоциации, частоты и вероятности переходов, индуцированных электромагнитным излучением в широком диапазоне длин волн
При помощи пакета программ CAChe исследуется структура вещества. Структуру можно нарисовать при помощи мыши используя режим карандаша, или же задать геометрию молекулы при помощи Z матрицы. Минимальное задание для программы молекулярных орбиталей включает заряд молекулы, мультиплетность и параметры молекулярной структуры (тип атомов и их взаимное расположение). Z матрица удобный и общепринятый способ определения геометрических параметров молекулы путем последовательного задания внутренних координат атомов, т.е. длин связей, валентных и двугранных углов. Z матрица определяет не способ образования химических связей в молекуле, а только тип атомов и их взаимное расположение в пространстве.
Приведем пример Z матрицы молекулы метилена:
2
XX 0.00000 0 0.00000 0 0.000000 0 0 0 0 C 1.00000 0 0.00000 0 0.000000 0 1 0 0 H 1.10000 1 122.00000 1 0.000000 0 2 1 0 H 1.10000 0 122.00000 0 180.000000 0 2 1 3 0
Первым описывается фиктивный атом, описанный как ХХ и помещенный в начало координат. Вторым расположен атом углерода, который находиться на расстояний 1 ангстрем от фиктивного атома. И поскольку он расположен на одной плоскости с фиктивным атомом значение валентных и двугранных углов равны нулю. Затем описываются два атома водорода. Они находятся под углом 122 градуса по отношению к оси ХХ-С, а двугранный угол между ними равен 180 градусам. Последняя строка сообщает программе что все этементы структуры описаны.
В программе CAChe файл с заданием должен иметь разшерение *.mop или *.inp. При открытии файла с заданием, программе строит молекулу в рабочей области по заданным геометрическим параметрам. Длину связи, валентные и двугранные углы изменяются при помощи пункта меню Adjust соответтственно Atom distance, Bond angle и Dihedral angle. Тип связей модифицируется с использованием выпадающего списка на рабочей области.
3
Эксперимент запускается при помощи пункта меню Experiment New. Если пример предварительно не был сохранен программа предложит его сохранить. После сохранения необходимо выбрать параметры эксперимента, при помощи окна Experiment1.
После определения метода оптимизаций геометрий и остальных параметров нажимаем кнопку Start и начинаем эксперимент. Такого рода расчет занимает коло 0,5 секунды.
В итоге проведенной работы получаем файл с результатом расчетов:
******************************************************************
4
* MOPAC 2002 Version 2.5.0
* For CAChe Version 6.1.12.33
* Built 13:02:39 Jan 11 2005
* Microsoft(R) Windows 2000/XP
* Copyright (c) Fujitsu Limited. All Rights Reserved.
******************************************************************
Cite this work as: MOPAC 2002 Version 2.5.0, J. J. P. Stewart, Fujitsu Limited, Tokyo, Japan.
******************************************************************
MNDO CALCULATION RESULTS CALC.'D 09:52:30 Feb 13 2009
******************************************************************
* MNDO - THE MNDO HAMILTONIAN TO BE USED
* NOMM - DO NOT MAKE MM CORRECTION TO CONH BARRIER * NODIIS - DO NOT USE GDIIS GEOMETRY OPTIMIZER
* XYZ - CARTESIAN COORDINATE SYSTEM TO BE USED * T= - A TIME OF 10.0 DAYS REQUESTED
* DUMP=N - RESTART FILE WRITTEN EVERY 7200.000 SECONDS * NOLOG - SUPPRESS LOG FILE TRAIL, WHERE POSSIBLE
* GRAPH - GENERATE FILE FOR GRAPHICS
******************************************************************
NOMM XYZ NODIIS GRAPH T=10D Optimize geometry
ATOM CHEMICAL X Y Z
NUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (ANGSTROMS) (ANGSTROMS) 1 C( 1) 0.000000000 * 0.000000000 * 0.000000000 * 2 H( 2) 1.100000000 * 0.000000000 * 0.000000000 *
5
3 H( 3) -0.482207399 * 0.988673872 * 0.000000000 * CARTESIAN COORDINATES
NO. ATOM X Y Z
1 C 0.00000000 0.00000000 0.00000000 2 H 1.10000000 0.00000000 0.00000000 3 H -0.48220740 0.98867387 0.00000000
RHF CALCULATION, NO. OF DOUBLY OCCUPIED LEVELS = 3 Memory needed: 141098 bytes Memory available: 1048576000 bytes
H: (MNDO): M.J.S. DEWAR, W. THIEL, J. AM. CHEM. SOC., 99, 4899, (1977) C: (MNDO): M.J.S. DEWAR, W. THIEL, J. AM. CHEM. SOC., 99, 4899, (1977) EMPIRICAL FORMULA: C H2
MOLECULAR POINT GROUP : C2v
DIAGONAL MATRIX USED AS START HESSIAN
CYCLE: 1 TIME: 0.000 TIME LEFT: 1.43W GRAD.: 18.353 HEAT: 107.7527 CYCLE: 2 TIME: 0.000 TIME LEFT: 1.43W GRAD.: 11.232 HEAT: 107.5410 CYCLE: 3 TIME: 0.000 TIME LEFT: 1.43W GRAD.: 2.274 HEAT: 107.3696 CYCLE: 4 TIME: 0.000 TIME LEFT: 1.43W GRAD.: 0.388 HEAT: 107.3592 RMS GRADIENT = 0.38790 IS LESS THAN CUTOFF = 1.00000
--- NOMM XYZ NODIIS GRAPH T=10D
Optimize geometry
GEOMETRY OPTIMISED USING EIGENVECTOR FOLLOWING (EF).
SCF FIELD WAS ACHIEVED
MNDO CALCULATION
6 MOPAC 2002 Version 2.5.0 09:52:31 Feb 13 2009
FINAL HEAT OF FORMATION = 107.35920 KCAL = 449.19089 KJ COSMO AREA = 52.66 SQUARE ANGSTROMS
COSMO VOLUME = 35.38 CUBIC ANGSTROMS TOTAL ENERGY = -151.58683 EV
ELECTRONIC ENERGY = -240.24651 EV POINT GROUP: C2v CORE-CORE REPULSION = 88.65968 EV
IONIZATION POTENTIAL = 9.13962 NO. OF FILLED LEVELS = 3
MOLECULAR WEIGHT = 14.027 MOLECULAR DIMENSIONS (Angstroms) Atom Atom Distance
H 3 H 2 1.79963 H 2 C 1 0.61762 H 3 H 2 0.00000 SCF CALCULATIONS = 7
COMPUTATION TIME = 0.02 SECONDS WALL CLOCK TIME = 0 SECONDS
ATOM CHEMICAL X Y Z
NUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (ANGSTROMS) (ANGSTROMS) 1 C( 1) -0.006772801 * -0.010781172 * 0.000000000 * 2 H( 2) 1.083693447 * 0.036144849 * 0.000000000 * 3 H( 3) -0.442520595 * 0.989746493 * 0.000000000 * MOLECULAR POINT GROUP : C2v
EIGENVALUES
-26.85929 -14.20224 -9.13962 -0.00884 4.34561 4.48098
7
NET ATOMIC CHARGES AND DIPOLE CONTRIBUTIONS
ATOM NO. TYPE CHARGE No. of ELECS. s-Pop p-Pop 1 C 0.104443 3.8956 1.62447 2.27108
2 H -0.052231 1.0522 1.05223 3 H -0.052213 1.0522 1.05221 DIPOLE X Y Z TOTAL
POINT-CHG. -0.164 -0.263 0.000 0.310 HYBRID 0.981 1.570 0.000 1.852 SUM 0.817 1.308 0.000 1.542
CARTESIAN COORDINATES NO. ATOM X Y Z 1 C -0.0068 -0.0108 0.0000 2 H 1.0837 0.0361 0.0000 3 H -0.4425 0.9897 0.0000
ATOMIC ORBITAL ELECTRON POPULATIONS
1.62447 0.99410 1.27699 0.00000 1.05223 1.05221
В результате оптимизации геометрии меняется угол между атомами Н-С-Н. Так же изменяются межатомные расстояния. Геометрия молекула оптимизирована, и обладает симметрией C2v. Минимальная теплота образования составляет 107.35920 KCAL или 449.19089 KJ.
8
Использование элементов квантово-химического моделирования на факультативных занятиях по физике позволяет сделать следующие выводы.
Во-первых, объяснение наиболее важных особенностей современной прикладной физики помогает повысить мотивацию студентов для получения глубоких знаний.
Во-вторых, внесение биографического элемента в преподавание, описывающего личностные качества талантливых ученых, значительно повышает интерес студентов к предмету, наполняя постулаты, принципы, законы интереснейшими судьбами реальных ученых.
В-третьих, своевременное проведение корректировки базовых знаний в процессе преподавания позволяет обеспечить гораздо более эффективное усвоение студентами новых знаний. Важность такой корректировки определяется большой неоднородностью базовых знаний студентов и необходимостью повышений этих знаний до уровня, достаточного для усвоения новой дисциплины.
В-четвертых, практически всегда удается раскрыть у студентов дополнительные интеллектуальные ресурсы, если перед ними поставить нестандартные экспериментальные или теоретические физические задачи.
В-пятых, при преподавании этой дисциплины очень важно способствовать процессу становления студента не только как специалиста, но и как личности, что возможно при гибком сочетании стимулирующих факторов и действенного контроля с применением рейтинговой системы при оценке работы студентов. Такая система создает у студентов постоянную заинтересованность в самосовершенствовании в течение всего периода преподавания дисциплины. Комплексное использование как минимум этих пяти факторов способно помочь достижению поставленных целей и развить у студентов способность самообучаться на базе полученных глубоких знаний.
Список литературы:
9
1. Кларк Т. Компьютерная химия, Мир, Москва, 1990 г.
2. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. - Феникс, Ростов-на-Дону, 1997.
3. Кобзев Г.И. Применение неэмпирических и полуэмпирических методов в квантово-химических расчета - Оренбург, 2004.