5. Рассчет электростатического потенциала

5.1. Снимите Labels в меню Display.

5.2. Выберите Plot Molecular Properties из меню Compute, чтобы открыть диалоговое окно Plot Molecular Properties Options.

5.3. Выберите Electrostatic Potential как тип графика, который Вы хотите показать и выберете двумерное построение контура электростатического потенциала.

HyperChem вычислит и покажет двумерное построение контура для электростатического потенциала.

5.4. Повторно откройте диалоговое окно Plot Molecular Properties. Нажмите на Contour Grid tab, чтобы показать свойства сетки контура.

5.5. Установите горизонтальные пункты (Horizontal grid) на 60.

5.6. Установите вертикальные пункты(Vertical grid) на 60.

5.7. Установите уровни контура(Contour levels) на 30.

5.8. Установите погашение плоскости (Plane Offset )на 0.5.

5.9.Нажмите Ок для начала расчёта.

5.10. Через некоторое время появится электростатический потенциал.

5.11. Повторно откройте диалоговое окно Plot Molecular Properties и выберите трехмерный контур (Isosurface) вместо двумерного. Это поможет показать электростатический потенциал в трехмерной поверхности.

5.12. Нажмите на Isosurface Rendering. Задайте величину электростатического потенциала контура 0.1, и выберите Shaded surface (Заштрихованная поверхность). Поверхность покажет, что в трехмерной плоскости электростатический потенциал имеет величину 0.1 e/a. Поверхность будет заштрихована.

5.13. Перейдите на вкладку Isosurface Grid, чтобы открыть окно свойств сетки. Определите, что сетка должна быть средней (Medium grid). Это окно позволит Вам выбирать, должна ли поверхность быть вытянута в нескольких точках (для грубой картины, которая вычислена быстро), или во многих точках (для гладкой картины, которая требует намного более долгих вычислений). Нажмите ОК.

5.14. Повторно откройте диалоговое окно Plot Molecular Properties и выберете 3D Mapped Isosurface . В этом случае будет построена поверхность с общими значениями, определенной полной плотностью заряда, но окрашеная согласно электростатическому потенциалу.

5.15. Нажмите на Isosurface Rendering ,чтобы открыть свойства. Определите значение плотности контура 0.135, и выберите заштрихованную поверхность Gouraud.

5.16. Нажмите на Mapped Function, чтобы показать возможные функции. Определите минимальную величину -1.0 и максимальную 1.0. Удостоверьтесь, что вывод легенды диапазона показа (Display Range Legend) включен. Поверхность будет окрашена согласно электростатическому потенциалу.

5.17. Нажмите Ок, чтобы начать вычисление поверхности.

Поверхность электростатического потенциала должна выглядеть так:

6. Построение общей плотности заряда

Вы можете также показать контурную карту плотности общего заряда (электрон). Так CNDO и другие методы, доступные с HyperChem не включают электроны, находящиеся внутри (например, 1s электроны кислорода в воде), показанная плотность заряда - только плотность валентности заряда.

6.1. Откройте диалоговое окно Plot Molecular Properties.

6.2. Выберите общее количество плотности заряда Total Charge Density, выберете двумерные контуры, затем нажмите ОК левой кнопкой мыши, чтобы закрыть это диалоговое окно.

Протонирование воды

Создание иона H₃O+:

1. Выберите Explicit Hydrogen (явный водород) в меню Build (Построить).

2. Выберите Allow Arbitrary Valence (допускаемая валентность) в меню Build (Построить).

3. Если Вы не выбираете Allow Arbitrary Valence (допускаемая валентность), то будет невозможно построить три связи от атома кислорода, поскольку принято, что кислород имеет в норме валентность два. Рисование и построение модели не обеспечивает формальный заряд молекулярной системы. Выбор допускаемых ионов позволяет Вам построить столько связей, сколько Вы хотите.

4. Выберите Labels (ярлыки) в меню Display (дисплей), чтобы вызвать диалоговое окно ярлыков.

5. Выберите Symbols (Символы) для ярлыка и закройте его, нажав ОК.

6. Выберите Default Element (Элемент по умолчанию) в меню Build (Построить), чтобы вызвать периодическую таблицу и затем двойной щелчок на О (Кислород), чтобы выбрать его элементом по умолчанию и закрыть периодическую систему.

Щелчок левой кнопкой мыши на панели Drawing (Панель рисования) – верхняя левая панель.

Теперь все готово для рисования молекул, где водороды явно нарисованы, правильнее, чем добавлены автоматически. H₃O⁺ содержит больше водородов, чем построитель модели добавит автоматически.

Создание H₃O⁺

Чтобы нарисовать H₃O⁺:

Щелчок левой кнопкой мыши один раз в рабочей области, чтобы построить атом кислорода.

Построить три связи от атома кислорода, чтобы создать чертеж H₃O, как показано ниже:

Преобразование в 3-D структуру:

Двойной щелчок на панели Selection (Выбор)

Вместо выбора Model Build (Построить модель) из меню Build (Построить) Вы можете вызвать построителя модели путем двойного щелчка на панели Selection (Выбор).

Чтобы добавить формальный положительный заряд для кванто-механических вычислений:

1. Выберите Аb Initio (Начальные) в меню Setup (установка)

2. Нажмите на кнопку Options (Опции)

3. Напечатайте 1 в Total charge (общего заряда) и затем щелчок левой кнопкой мыши на кнопку ОК, чтобы закрыть диалоговое окно Аb Initio Options (Начальные опции).

4. Щелчок левой кнопкой мыши на кнопку ОК закроет диалоговое окно Аb Initio Method (Начальный метод).

Это добавляет формальный заряд +1 молекуле для кванто-механических вычислений, по сути снижая количество электронов на один. Формальный заряд не распознается построителем модели или большинством аспектов молекулярной механики.

Выбор базисного набора

Базисный набор — набор функций, который используется для построения молекулярных орбиталей, которые представляются как линейная комбинация функций этого набора с определенными весами или коэффициентами. Обычно этими функциями являются атомные орбитали, центрированные на атомах, хотя иногда функции центрируют на связях, на половинах p-орбитали и т. п.

Чтобы выбрать базисный набор:

1. Выберите Аb Initio в меню Setup (установка)

2. Выберите Other (Другое) для Basic Set (базисный набор)

3. Нажмите кнопку Assign Other Basis Set (назначить другой базисный набор)

4. Выберите 4-31G из списка и нажмите ОК

Данная процедур добавляет набор 4-31G в список базисных наборов, которые могут быть быстро выбраны при помощи кнопки мыши. Перечень наборов, представленный в диалоговом окне Assign Other Basis Set, включает все основные базисные наборы, реализуемые в HyperChem. Другие базисные наборы могут быть добавлены в список путем создания нового текстового файла *.BAS и добавления его в именные файлы в CHEM.INI. Лучше использовать базисный набор 4-31G, однако, в данный момент мы выберем минимальный базисный набор.

5. Выберите Minimal (Минимальный) (STO-3G) для Basis set.

6. Выберите либо Apply Basis Set (Применить базисный набор) и затем ОК, либо только нажмите ОК, чтобы закрыть диалоговое окно Ab Initio Method.

Чтобы увидеть, что базисный набор установлен для каждого атома:

1. Выберите Labels (Ярлыки) в меню Display (Вывести на экран)

2. Выберите Basis Set (базисный набор) как ярлык атома и нажмите ОК.

Структура с минимальной энергией

Чтобы рассчитать оптимальную энергию для H₃O⁺

1. Выберите Аb Initio в меню Setup (установка)

2. Выберите подходящие опции для геометрической оптимизации путем нажатия на кнопку Options (Опции), обратите внимание на то, чтобы Вы выбрали Total charge = 1 (Общий заряд), Spin multiplicity = 1 (Спиновое число), Spin pairing = RHF (Пары спинов), Convergence limit = 0.01 (Предел сходимости), Iteration limit = 50 (Количество повторов), и Accelerate convergence = Yes (Ускорение сходимости). Только Single Point (Начальная точка) не используется в геометрической оптимизации и может иметь любое качество.

3. Щелкните левой кнопкой мыши на ОК, чтобы закрыть диалоговое окно начальных опций и затем щелкните левой кнопкой мыши на ОК, чтобы закрыть диалоговое окно начального метода.

4. Выберите Geometry Optimization (Геометрическую оптимизацию) из меню Compute (Вычисления).

5. Выберите Polak-Ribiere для метода оптимизации и 0.1 для ограничения RMS градиента и затем нажмите левой кнопкой мыши на ОК, чтобы вызвать оптимизацию. Появится новая голубая иконка HyperGauss пока Вы будете ожидать завершение оптимизации.

Вы увидите, что оптимальная STO-3G структура для H₃O⁺ изогнутая с углом 113.74° и длиной связи 0.99 Å.

Чтобы вычислить общую энергию оптимизированной H₃O⁺, включая энергию корреляции:

1. Выберите Аb Initio в меню Setup (установка), нажмите кнопку Options (Опции) и затем выберите Вычислить MP2 энергию корреляции, нажмите ОК в диалоговом окне Ab Initio Options (Начальные опции) и затем в диалоговом окне Ab Initio Method (Начальный метод), чтобы закрыть их.

2. Выберите Single Point (Начальная точка) из меню Compute (Вычисления).

Вы должны получить общую энергию H₃O⁺ с STO-3G основным рядом -47270.57 kcal/mol на SCF уровне и -47300.98 kcal/mol на MP2 уровне, когда Вы включите -30.50 kcal/mol вычисленной энергии корреляции.

Энергия протонирования

Чтобы вычислить оптимизированную энергию STO-3G молекулы H₂O + H⁺:

1. Выберите Drawing (Панель построения) и нажмите правой кнопкой мыши на одном из водородов H₃O⁺, чтобы удалить его и сформировать H₂O.

Электронная энергия H⁺ равна нулю, поэтому чтобы вычислить энергию протонирования H₂O нам нужно только вычесть прежде вычисленные энергии H₃O⁺ от соответственных энергий H₂O.

2. Выберите Аb Initio в меню Setup (установка) и нажмите кнопку Options (Опции), чтобы изменить Общий заряд с 1 на 0. Затем нажмите ОК дважды, чтобы закрыть диалоговые окна.

3. Выберите Geometry Optimization (Геометрическую оптимизацию) из меню Compute (Вычисления) и оптимизируйте H₂O как Вы делали для H₃O⁺.

У Вас должен получиться оптимум STO-3G угла связи 100.0° и оптимум длины связи 0.99 Å.

4. Выберите Single Point (Начальная точка) из меню Compute (Вычисления).

У Вас должна получиться общая энергия H₂O с STO-3G основным рядом -47041.82 kcal/mol на SCF уровне и -47066.21 kcal/mol на MP2 уровне, когда Вы включите -24.45 kcal/mol вычисленной энергии корреляции. Эти результаты – выход энергии протонирования 228.75 kcal/mol на SCF уровне или 234.77 kcal/mol на MP2 уровне. Эффект корреляции в этом примере небольшой.

Практические упражнения

Выполните вычисления с 3-21G и затем с 6-31G* базисными наборами. Вы увидите, один из базисных наборов дает оптимум геометрии для H₃O⁺, что является плоской фигурой. Для больших базисных наборов, однако, молекула (на SCF) уровне спрогнозирована как изогнутая.

Построение кластеров воды

1. Постройте димер, тример, тетрамер, пентамер и гексамер воды, как показано на рисунке:

Равновесная структура димера воды	Тример воды
Тетрамер	Пентамер
Гексамер воды

Измерить длины связей, углов в молекуле. Построить распределение электронной плотности в кластере воды.