分子科学计算基础

1、原子的微观结构组成？

答：原子由原子核和核外电子组成，原子核内有质子、中子，还有其他基本粒子。 2、什么是原子轨道？其意义是什么？

答：原子轨道又称轨态，是以数学函数描述原子中电子似波行为。此波函数可用来计算在原子核外的特定空间中，找到原子中电子的机率，并指出电子在三维空间中的可能位置。“轨道”便是指在波函数界定下，电子在原子核外空间出现机率较大的区域。将电子在某个区域出现的概率大于90%的密集区称为原子轨道。 3、原子轨道形状与空间分布图？

答：原子轨道的形状有球形（s轨道）、纺锤形（p轨道）、哑铃形等。空间分布图有径向分布图、角度分布图，由于原子轨道和电子云都是三元函数，无法在三维空间中作图，为解决这一难题，须对函数做处理，通常固定原子轨道的形状有球形、纺锤形等，

4、金刚石和石墨的物理性质都有哪些差别？试从分子的微观结构特点解释。 答：金刚石极硬、绝缘体、透明、价值昂贵；石墨质软、是优良导体、不透光、普通常见。在金刚石晶体中，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石中的C-C键很强，所以金刚石硬度大，熔点极高；又因为所有的价电子都被限制在共价键区域，没有自由电子，所以金刚石不导电。

石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六角形蜂巢状的平面层状结构，而每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子。这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大π键。因而这些π电子可以在整个碳原子平面上活动，故石墨导电性好。而平面结构的层与层之间则依靠分子间作用力结合起来，由于层间的分子间作用力弱，因此石墨晶体的层与层之间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂。 5、什么是化学键？化学键主要有哪些类型？他们的特点分别是什么？

答：化学键是纯净物分子内或晶体内相邻或多个原子间强烈的相互作用的统称。主要有离子键、共价键和金属键。离子键是由带异性电荷的离子产生的相互吸引作用，没有方向性；共价键是两个或两个以上原子通过共用电子对产生的吸引作用，有方向性和饱和性；金属键主要是金属中自由电子与全部金属离子的相互作

用，没有方向性。

6、原子结构与性质在实际的实验测量与结构表征中都有哪些应用？举例说明。 答：主要应用于EDS(x射线能谱仪)和XPS（x射线光电子能谱仪）

7、FT-IR、Rman和xps测试都能表征分子/材料哪些性质？这些测试手段的基本原理是利用分子的哪些特性进行测量的？

答：FT-IR测试能表征分子中包含的化学键种类，基本原理是分子中化学键由振动基态跃迁至激发态会吸收特定频率的红外线；Rman可以用来表征晶格及分子的振动模式、旋转模式，原理是当激发态的分子放出一个光子后会返回到一个不同于基态的旋转或振动状态，基态与新状态间的能量差会使释放光子的频率与激发光线的波长不同；XPS可用测定材料中元素构成、实验式，以及其中所含元素原子的价态，原理是样品在X射线作用下，由于各种原子、电子轨道结合能的不同，会激发出不同强度的光电子。

8、什么是价电子互斥理论？该理论主要应用在哪方面？

9、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。

答：石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的。氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。由于其他基团的加入，石墨烯中的一些碳原子变成sp3杂化轨道和其他相邻碳原子结合，使得体系不再是大π共轭，失去平面结构，体系稳定性下降。氧化石墨烯具有两亲性，从氧化石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。

答：价电子对互斥理论是一个用来预测单个共价分子形态的化学模型。通过计算中心原子的价层电子数和配位数来预测分子的几何构型，并构建一个合理的路易斯结构式来表示分子中所有键和孤对电子的位置。电子对数2，单电子数为0，杂化类型为sp，几何构型一般为直线型，如O2、HF；电子对数为4，单电子数为0，杂化类型为sp3，几何构型一般为正四面体，如CH4，若单电子数为1，则为三角锥形，如NH3，若单电子数为2，则是V形，如H2O等。

10、什么是杂化轨道？金刚石是石墨中的碳原子采用的分别是哪种杂化形式？

答：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道重新组合，形成一组新的轨道叫做杂化轨道。金刚石中的碳原子采用sp3杂化，石墨里的碳原子采用sp2杂化。

11、什么是大π键？大π键对物质的性质有哪些影响？试举例说明。

答：分子里三个或三个以上原子彼此平行的p轨道从侧面相互重叠形成的π键，称为大π键。分子的稳定性增加，酸碱性的改变，化学反应性能的改变，分子极性的改变，有机化合物颜色的产生，导电性能的提高。

12、分子间作用力主要包括色散力、取向力和诱导力的区别是什么？产生机理又有什么不同？

答：色散力：瞬时偶极之间产生的分子间力叫做色散力，任何分子相互靠近时都存在色散力；取向力：极性分子靠近时，由于它们之间固有偶极之间的同极相斥，异极相吸，于是按异极相邻的状态取向，由于固有偶极之间的取向而引起的分子间力；诱导力：极性分子和非极性分子靠近时，非极性分子受到极性分子电场的影响产生偶极，这种诱导偶极和极性分子之间的固有偶极之间产生的吸引力。 13、量子化学计算中，求解Schrodinger方程所使用的三个重要近似都是什么？ 答：非相对论近似：忽略相对论效应，认为电子质量不变；B-O近似：根据电子运动速率比核运动速率高3个数量级，可将方程中某些项忽略，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。

14、量子化学计算中，什么是半经验方法和从头计算法？它们各自的特点是什么？

答：半经验方法：借用经验或半经验参数代替分子积分求解多电子体系的量子计算方法。特点：通常只考虑价轨道，因而量小，适用于较大的分子体系。 从头计算法：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其他的经验参数求解。特点：理论上最严格，计算结果最精确，但量大，适用于较小的分子体系。

15、Gaussian软件是使用最广泛的分子计算模拟软件，该软件主要功能都有哪些？

答：可以用来计算分子能量和结构、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨

道、多重矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等。

16、使用Gaussian软件进行量子化学计算的一般步骤是什么？

答：确定计算类型→建立分子模型→检验和优化分子模型→选择合适的计算方法和基组→大规模正式计算→对计算结果分析比较和讨论→重新建立模型进行更高级的计算。

17、分子结构建模中，什么是直角坐标？什么是内坐标？

答：在分子内坐标中，分子中每个原子的相对位置是用与它成键的另一原子间键长、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；直角坐标系是一种正交坐标系，二维的直角坐标系是由两条相互垂直、0点重合的数轴构成的。在平面内，任何一点的坐标是根据数轴上对应的点的坐标设定的。在原本的二维直角坐标系，再添加一个垂直于x-轴，y-轴的坐标轴，称为z-轴

18、Gaussian软件计算中，计算执行路径行“#HF/STO-3G OPT”中各符号的含义是什么？

答：HF表示算法，为从头计算方法；STO-3G表示计算基组；OPT表示几何结构优化。

19、什么是计算基组？常用的基组都有哪些？

答：分子当中分子轨道的数学表达式。常用基组有（均用于小分子计算）STO-3G，6-31G，6-31G*，6-31G**，6-31+G，6-31+G**，6-311G（*表示极化函数，+表示弥散效应）。

20、什么是自旋多重度？如何计算自旋多重度？

答：当总自旋量子数（S）给定后，对于相同的空间电子波函数来说，其自旋角动量的可能取向数等于2S+1，即为自旋多重度，其中S=n*1/2，n为单电子数。简单的说，电子数目是偶数，未成对电子数目n=0、2、4、6…，自旋多重度为1、3、5、7…；电子数目是奇数，未成对电子数目n=1、3、5、7…自旋多重度2、4、6、8…。

21、什么是单点能计算？什么是几何结构优化计算？

答：单点能计算是指对给定的几何构型的分子的能量以及性质进行计算，由于分