结构化学理论计算
理论与计算化学复习资料
理论与计算化学复习资料在化学学科中，理论和计算化学是非常重要的分支，它们为研究化学反应、物质结构、性质等提供了重要思路和手段。
因此，在化学学习和科学研究中，理论和计算化学的基础知识的掌握和应用是非常必要的。
本文将为大家提供理论与计算化学的复习资料，希望能够对化学学习和研究提供一些帮助。
一、理论化学理论化学是研究化学反应过程和物质性质的科学，在化学学科中具有非常重要的地位。
理论化学主要包括理论热化学、量子化学、反应动力学、结构化学等方面的内容。
理论化学为实验研究提供了理论指导，并且常常从实验研究中得到验证和修正。
理论化学的基础知识包括化学键、化学反应热、反应速率、同位素、化学平衡、化学反应机制等方面的内容。
学生应该掌握这些知识的原理和应用，能够熟练运用常见的理论工具解决化学实验中遇到的问题。
二、计算化学计算化学是通过计算机模拟、解析物质的分子结构、反应动力学和性质，以达到预测及解释实验结果的目的。
计算化学主要包括分子模拟、量子化学计算、动力学模拟等方面的内容，有助于预测和设计新材料、药物等。
计算化学的基础知识包括量子力学基础、分子轨道理论、密度泛函理论等方面的内容。
学生应该掌握这些知识的原理和应用，具有使用一定的计算化学软件进行分子结构、能量、动力学模拟等方面计算的能力。
三、复习资料推荐1.《理论化学》，蔡元培，杨振宁著。
该书不仅详细讲述了化学反应热、化学平衡等基础知识，还探讨了化学反应机制、化学键等深入的理论内容。
2.《分子模拟：原理和应用》,曾吉兰著。
该书以分子动力学为主要手段，介绍了分子模拟的基本原理及其在化学领域的应用。
3. Gaussian 09: A.02，Gaussian 16等计算化学软件。
这些软件是当前比较流行的计算化学软件，其中Gaussian系列软件主要用于计算分子电子结构的理论和实际计算计算，广泛应用于物理、化学、材料、药物等领域。
以上是理论与计算化学的一些相关知识和复习资料推荐，学生应该对这些知识进行深入学习，掌握基本的原理和计算方法，以此提高化学理论和计算水平。
《结构化学》PPT课件
(3)在形成化学键的过程中，反键轨道并不都是处于排斥 的状态，有时反键轨道和其他轨道相互重叠，也可以形成 化学键，降低体系的能量，促进分子稳定地形成。利用分 子轨道理论能成功地解释和预见许多化学键的问题，反键 轨道的参与作用常常是其中的关键所在，在后面讨论分子 的化学键性质时，将会经常遇到反键轨道的作用问题。
方程
i i
ii
分子体系总能量 E = ∑Ei
2．分子轨道是由分子中原子的原子轨道线性组合(li near combination of atomic orbitals， LCAO)而成。
由n个原子轨道组合可得到n个分子轨道，线性组合 系数可用变分法或其它方法确定。由原子轨道形成 的分子轨道，能级低于原子轨道的称为成键轨道， 能级高于原子轨道的称为反键轨道，能级等于或接 近原子轨道的一般为非键轨道。 3．两个原子轨道要有效地组合成分子轨道，必须满 足对称性匹配，能级相近和轨道最大重叠三个条件。 其中对称性匹配是先决条件，其它影响成键的效率。 4．分子中电子按 Pauli不相容原理、 能量最低原 理和Hund规则排布在MO上
三键 三键
CO、NO的电子组态分别如下： CO [( 1σ)2 ( 2σ)2 ( 3σ)2 (4σ)2 (1π)4 (5σ)2 ] NO [( 1σ)2 ( 2σ)2 ( 3σ)2 (4σ)2 (1π)4 (5σ)2 (2π)1 ]
CO :
CO与N2是等电子体，
一样也是三重键：一个σ键， 二个π键，但是与N2分子不 同的是有一个π键为配键， 这对电子来自氧原子。(如 右图所示）CO作为一种配 体，能与一些有空轨道的 金属原子或离子形成配合 物。例如同ⅥB，ⅦB和Ⅷ 族的过渡金属形成羰基配 合物：Fe（CO)5、Ni(CO)4 和Cr(CO)6等。
结构化学
4 氮的化合物 NO2分子中氮以sp2杂化，两个杂化轨道与氧原子 形成两个s键，关于分子结构有三种观点： 1 另外一个杂化轨道是单电子，未杂化的孤对电 子与每个氧原子的一个p轨道(单电子)形成共轭p 键(3中心4电子），分子为V形。 2 另外一个杂化轨道是孤对电子，未杂化的单电 子与每个氧原子的一个p轨道(单电子)形成共轭p 键(3中心3电子)，分子为V形。 3 在1和2两种结构间共振。 实验和量子化学计算比较支持第1种观点。
5.2 价电子对互斥理论
原子周围各个价电子对之间由于互相排斥，在键长一 定的条件下，互相间距越远越稳定。 价电子对包括成键电子对和孤电子对。 价电子对间斥力大小顺序： 孤对电子间>>孤对电子-成键电子对>成键电子对间 成键电子对间斥力大小顺序：三键>双键>单键 对于所有价电子对，夹角越大越稳定。由于孤对电子 间斥力很大，所以，孤对电子间的夹角一定要大于 90度。成90度的孤对电子-成键电子对越少越稳定。
C O
回到5.1节未讲的部分!
3 硫的氧化物 在SO2中，硫以sp2杂化，两个杂化轨道与氧原子 形成两个s键，另一个为孤对电子。硫还有一个 未杂化的孤对电子，与氧原子的一个p轨道(单个 电子)形成共轭p键(3中心4电子），分子为V形。 单体SO3中，硫同样是sp2杂化，与三个氧形成三 个s键（4个电子由硫提供），剩下的未杂化的p 轨道（孤对电子）与氧原子未杂化p轨道（三个 氧原子提供共4个电子）形成共轭p键（4中心6电 子），分子为正三角形。
例：氨分子。中心氮原子采用sp3杂化 与三个氢原子形成N-H键，另有一孤 对电子，共四个价电子对，采用四面 体排列，孤对电子是其中一个顶点。 由于孤对电子斥力大，所以，N-H键 之间夹角小于109度。 例：四氟化氙分子。中心氙原子采用 sp3d2杂化与四个氟原子形成Xe-F键， 另有两对孤对电子，共六个价电子对， 采用八面体排列，由于孤对电子间斥力 很大，夹角必须大于90度，所以，两对 孤电子对在一直线上，四个氟原子在一 个平面上，分子为正方形。
结构化学周公度pdf
结构化学周公度pdf1 结构化学的定义结构化学是一门研究物质结构和性质的学科，其内容涵盖了有机物、无机物、大分子和新材料的结构，以及它们之间的相互作用。
结构化学是在化学及其交叉学科中物理化学、应用化学和生物化学等基础上，运用现代理论和实验技术进行分析、定量和模拟解析真实物质及其分子结构的科学。
结构化学的研究在物质结构及性质之间的关联方面具有广泛的应用前景。
2 研究方法结构化学的实体研究可以分为三个主要方面：理论分析，实验研究和应用技术。
理论分析：现代的理论分析有量子化学理论和拉曼散射理论，可以进行原子和分子结构的理论模拟分析及其化学性质的精确计算；实验研究：主要是现代激光中子散射实验、量子化学实验和拉曼散射实验，可以研究材料的形态、结构实质和表面性质；应用技术：结构化学的主要应用是以激光技术、量子化学技术和拉曼散射技术为基础的材料研究和性质研究，可以提高分析新材料结构性能和理论分析的精度，进一步实现智能制造和智能材料加工技术。
3 结构化学的主要用途结构化学在新材料、药物研发和化学合成中有着重要的应用：（1）新材料：结构化学可以用来分析新开发的材料，如高分子材料、固态药物、聚合物等，研究其表面特性、性质及结构特征，以及对这些性质的影响。
（2）药物研发：结构化学可以用来研究药物的分子结构，用于确定药物的活性机理，探索药物的生物作用，进而提高新药的研发效率，提高药物的药效和安全性。
（3）化学合成：结构化学也可以用来研究有机及无机原料分子行为，加快新型分子合成水平，或寻求新型反应路线，最终生成新材料。
4 结构化学周公度结构化学周公度是特定期间加强和深入理论研究，针对特定实验室各类专题，并增强师生大参与和深入交流，以发展结构化学的一种活动，往往在某个学期或者学年的结束时开展。
它通常以一个主题报告开始，然后分组进行讨论，期间来自专家、学者、学生及其他科研人员之间进行研究成果分析和交流，最后分组发表报告，沟通和分享报告内容并进行交流讨论，以求冻剂的知识更新和最新的结构化学研究技术。
结构化学知识点汇总
结构化学知识点汇总结构化学是一门研究原子、分子和晶体结构以及它们与性质之间关系的学科。
这门学科对于理解物质的本质、化学反应的机制以及材料的性能等方面都具有重要意义。
以下是对结构化学一些重要知识点的汇总。
一、原子结构1、波粒二象性物质具有波粒二象性，即既表现出粒子的特性，又表现出波的特性。
对于微观粒子，如电子，其运动不能用经典力学来描述，而需要用量子力学。
2、薛定谔方程薛定谔方程是描述微观粒子运动状态的基本方程。
通过求解薛定谔方程，可以得到原子中电子的可能状态和能量。
3、原子轨道原子中的电子处于不同的原子轨道上。
原子轨道具有不同的形状和能量，常见的有 s、p、d、f 轨道。
4、电子排布根据能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则，电子在原子轨道上进行排布。
这决定了原子的电子构型和化学性质。
二、分子结构1、化学键化学键包括离子键、共价键和金属键。
共价键又分为σ键和π键。
离子键是通过正负离子之间的静电作用形成的；共价键是原子之间通过共用电子对形成的；金属键则是金属原子之间的自由电子和金属阳离子之间的相互作用。
2、杂化轨道理论原子在形成分子时，其原子轨道会发生杂化，形成杂化轨道。
常见的杂化轨道类型有 sp、sp²、sp³等，杂化轨道的类型决定了分子的空间构型。
3、分子的几何构型通过价层电子对互斥理论（VSEPR）可以预测分子的几何构型。
该理论认为，分子中中心原子的价层电子对相互排斥，从而使分子具有特定的空间构型。
4、分子的极性分子的极性取决于分子的构型和键的极性。
如果分子的正电荷中心和负电荷中心重合，则分子为非极性分子；否则为极性分子。
三、晶体结构1、晶体的类型晶体分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。
不同类型的晶体具有不同的物理性质，如熔点、硬度、导电性等。
2、晶格和晶胞晶体中的原子、离子或分子在空间有规则地排列，形成晶格。
晶胞是晶格的最小重复单元，通过晶胞可以描述整个晶体的结构。
变分原理表达式以及每一项意义结构化学
变分原理表达式以及每一项意义结构化学摘要：1.变分原理简介2.变分原理表达式3.各项意义结构化学解释4.变分原理在实际应用中的优势5.总结正文：【1】变分原理简介变分原理，作为量子力学、量子场论以及量子引力等领域的基础理论，是一种描述物理系统演化的数学方法。
它通过寻找一个函数，使该函数关于物理量的期望值达到极小，从而得到系统在给定条件下的最优性质。
【2】变分原理表达式变分原理的表达式一般形式为：δS = 0其中，S 是作用量，δ 表示微小变化，这个方程表明在物理量发生微小变化时，作用量的变化率为零。
【3】各项意义结构化学解释1.波函数：描述量子系统状态的复数值函数，用符号Ψ表示。
在变分原理中，波函数的模方表示系统在给定状态下的概率。
2.哈密顿算符：描述量子系统演化的算符，包含系统能量、动量等物理量。
在变分原理中，我们要找到一个合适的哈密顿算符，使得对应的波函数满足薛定谔方程。
3.拉格朗日算符：描述力学系统演化的算符，包含系统广义坐标和速度。
在变分原理中，拉格朗日算符与哈密顿算符相结合，用于求解系统的运动方程。
【4】变分原理在实际应用中的优势1.普适性：变分原理适用于各种量子力学体系，包括粒子物理、凝聚态物理、光学等领域。
2.准确性：通过寻找使作用量极小的波函数，变分原理可以得到精确的物理结果。
3.灵活性：变分原理可以与其他数学方法相结合，如微扰论、路径积分等，从而拓展其在理论物理中的应用。
【5】总结变分原理作为量子力学的基础理论，在描述物理系统演化的过程中具有重要作用。
通过掌握变分原理的表达式和各项意义结构化学，我们可以更好地理解量子系统的性质，并为实际应用提供理论依据。
高考化学全国卷专题———结构化学
高考化学全国卷专题———结构化学高考化学全国卷专题———结构化学一、结构化学在高考化学中的重要性结构化学是高考化学考试中的重要专题之一，主要考察学生对原子结构、分子结构、晶体结构等基础知识的掌握程度，以及运用这些知识解决化学问题的能力。
在历年高考化学试卷中，结构化学的考题数量居高不下，分值占比逐渐增大，难度也有逐年提高的趋势。
因此，学生需要充分了解结构化学的知识点，掌握解题方法，才能在考试中取得好成绩。
二、结构化学的知识点解析1.原子结构：主要考察原子核外电子排布规律、能级、轨道、量子数等基础知识，以及原子结构与元素性质的关系。
2.分子结构：重点考察分子轨道、共价键、分子间作用力、氢键等知识点，涉及配合物、有机分子的结构与性质。
3.晶体结构：主要考察晶体结构的基本概念、晶胞、晶格、晶体对称性等知识，涉及不同类型的晶体（离子晶体、分子晶体、原子晶体等）的结构与性质。
三、结构化学的解题方法1.掌握基本概念：对于原子结构、分子结构、晶体结构等基础知识，要熟记概念并理解其含义。
2.善于运用图像：通过绘制原子结构示意图、分子球棍模型、晶胞图等图像，有助于理解和解决结构化学问题。
3.灵活运用公式：掌握并能运用原子结构中相关的计算公式，如波尔理论、轨道数与电子数的关系等公式，能够快速解决相关问题。
4.对比记忆：对于相近或相反的的概念和知识点，可以通过对比记忆，加深理解，避免混淆。
5.实践操作：通过实验验证理论，实践操作有助于巩固和加深对知识点的理解和记忆。
四、总结结构化学是高考化学考试的重要专题，需要学生充分了解和掌握相关知识点。
在备考过程中，学生应注重基本概念的掌握，善于运用图像和公式，对比记忆和实践操作等方法，提高解题能力和效率。
要结合历年高考真题进行训练，加深对知识点的理解和记忆，为在高考化学考试中取得好成绩打下坚实的基础。
结构化学的HMO处理实验报告
结构化学的HMO处理实验报告摘要：本实验旨在通过Hückel分子轨道法（HMO）处理有机分子的电子结构，探究不同体系的分子轨道结构和反应性质。
通过从头计算方法，我们研究了苯、萘和壬二烯三种有机分子的HMO处理结果，并对其结果进行了讨论。
实验结果表明，HMO方法能够揭示分子的π电子结构和化学反应行为，并为有机合成的设计和机制研究提供了理论基础。
1.引言结构化学是研究分子构造及其性质的学科，为化学反应的机理研究和有机化合物的设计合成提供了理论基础。
HMO方法是结构化学中重要的计算手段之一，通过简化分子的电子结构，可以分析分子的π电子和化学反应性质。
本实验通过应用HMO方法，计算了苯、萘和壬二烯三种不同体系的分子轨道结构和反应性质，以揭示分子的内禀特性。
2.实验方法2.1 Hückel分子轨道法Hückel近似是简化分子电子结构计算的重要方法，主要适用于共轭体系。
在Hückel近似中，只考虑分子的π电子，忽略σ电子的贡献。
通过构建分子的π轨道哈密顿算符，可以求解分子轨道的能级和电子分布。
2.2从头计算方法为了获得准确的结果，本实验采用从头计算方法，通过量子化学软件实现计算。
基于密度泛函理论和Hartree-Fock方法，从头计算能够精确地描述分子的电子结构和性质。
3.实验结果与讨论通过从头计算方法，我们得到了苯、萘和壬二烯的分子轨道结构。
苯为平面结构，具有6个π电子，分布于分子平面上的分子轨道中。
萘为平面结构，具有10个π电子，分布于分子平面上及其侧链的分子轨道中。
壬二烯为非平面结构，由9个共轭碳原子组成，具有18个π电子，分布在整个分子结构中。
根据分子轨道能级的序列和电子分布，我们可以推测分子的反应性质。
苯具有特殊的稳定性，由于分子平面上的π电子均属于全满轨道，使得苯环对电子不容易进行加成和脱除反应。
萘由于侧链上的π电子轨道参与，具有比苯更高的反应活性，可以进行较多的化学反应。
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介绍理论计算的一些基本内容 ➢理论计算步骤 ➢HyperChem的使用及计算范例
分子几何构型的表达 （几何结构）： 键长、键角和二面角 。
H2O2（双氧水）的结构 实验测得O-O键长为1.475Å , O-H键长为0.95Å ，∠HOO为
94.8°，HOO/OOH=-111.5°，把两个氧原子编号为1和2，其 它两个氢原子为3和4。其几何构型(如图3-1-2)表达为： 第1号O原子的3个参考原子皆不存在，也就不存在它的坐标。 R21＝1.475Å 。 R32＝0.95Å ,∠321＝94.8°。 R41＝0.95Å ,∠412＝94.8°,412/123＝111.5°。
HyperChem的使用及计算范例
1、建立、显示分子骨架模型 可以迅速构成分子体系骨架，建立起3D、2D 分子结构。但是在没有内部分子模板情况下， 构造分子相当不便。
2、分子化学反应性质 可以给出分子的静态性质，包括势能、势能的 梯度、静电势、分子轨道能量、基态、激发态 分子轨道系数、电子光谱分析、振动光谱分析、 自旋密度-ESR光谱的耦合常数等。
5. 按display中的labels，选定charge项，在分子中 显示各电荷分布。
亲电基团
亲电基团
亲电基团
6. 在分子中显示二维的轨道分布。 →按compute菜单中的orbitals， →在orbital框中选定HOMO项， →在orbital plotting框中选定2D contours
H
H
H
H
氨基苯的结构
2. 在ChemDraw里，复制氨基苯的结构，转入 HypemChem中粘贴：
3.设定计算方法和参数
点击setup菜单 → semi-empirical method → PM3 → 点击OK
4. 进行几何结构优化计算
点击compute菜单； → 出现如下图形 → 不用改参数 按默认值即可，点击OK
H
H
N
H
H
H
H
H
构建分子的方式
• 内坐标形式手工输入几
OH
何构型
• 二维的分子结构 （ChemDraw 等软件）
• 构造三维的分子结构 （HyperChem ，Chem3D 等）
3. HyperChem功能简介
• HyperChem是一款以高精度，灵活易操作而闻 名的分子模拟软件
• 通过利用3D对量子化学计算，分子力学及 动力学进行模拟动画，HyperChem提供 更多的模拟工具。
3、计算结果图形化 分子轨道、静电势的图形、总电荷密度的分布、 总自旋密度的图形等等。
4、分子构型优化 5、计算过渡态
理论上预测化学反应的过渡结构，活化能可由 实验测定，用于说明化学键的形成和断裂过程。
使用程序进行量子化学计算的步骤：
1) 首先准备初始构型：初始结构可由HyperChem构造，或 者由外部程序提供。
2) 按setup选择计算方法： （1）分子力场方法、半经验分子轨道法或从头算法 （2）从头算基组的选择
3) 按compute菜单选择计算的项目，如单点算、几何优化和 振动光谱等。
算例：
对氨基苯进行几何优化计算，利用电 荷分布解释其亲电反应规律。
1. 在ChemDraw里建立D HOMO分布
氨基苯3D HOMO分布
→ compute菜单里的plot molecular graphs， →选择property框中选定electrostatic potential(静电势)， →representation中选定2Dcontours，按ok。
氨基苯的2D 静电势分布
课堂练习：
1.按照上述方法（PM3）对苯进行计算，观察其 HOMO和LUMO分布情况。 2. 做实验一 1，2-二氯乙烯的分子构型稳定性
2. 进行结构化学计算的主要步骤：
1) 明确计算对象 2) 构建分子 3) 进行量化计算 4) 对相关结果进行分析
注意：若结果不理想，应该返回第一步，重新开始。
明确计算对象
➢ 对象分子的结构及所需计算的分子的性质 （这是理论计算的出发点） ❖ 例如要计算苯环上亲电取代反应的定位规律： 氨基苯分子结构如下；着重分析计算结果的电荷分布情况。
H2O2的几何构型
分子电荷分布(电子结构） 原子的电负性顺序影响电荷分布：
O >C>H
1. 结构化学计算的一些基本内容
• 分子基本属性；平衡几何构型、电荷分布、静电势 等
• 核磁共振NMR；
• 电子光谱（低激发态）计算；
• 振动光谱 80
（红外和Raman光谱）计算； 70
591
60
T%
50
40
16O
18O
30
566
20
10 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
cm-1
1.结构化学计算的一些基本内容
• 化学反应途径；（IRC） • 化学反应过渡态，计算可能存在分子过渡态的
构型； • AIM，计算分子中原子间的相互作用； • NBO，计算分子的键合情况 共轭情况，化学键的稳定性。