b5h5的结构和性能研究(附件)【字数：12706】
摘 要摘 要 采用密度泛函理论(DFT)中的杂化密度泛函（B3LYP）方法，在6-31G基组基础上对B5H5团簇进行了几何结构的全方位优化。在优化得到的多种稳定的几何结构中，选取能量最低的构型作为B5H5团簇的基态结构。并在基态结构的基础上计算研究B5H5团簇的物理和化学性能。主要结论如下通过优化B5H5的几何构型，得到了B5H5团簇的多种稳定构型，其中构型为C1对称以及自旋多重度为1的三维立体结构的结合能量最低，并将其作为B5H5的基态结构。通过对B5H5基态结构稳定性的分析，得到其化学活性强，分子不稳定，容易被激发，热力学稳定性和化学稳定性较弱。2p轨道上B原子的电荷分布最多，在B5H5团簇的B原子内部和原子之间都会发在生s、p轨道杂化、电荷转移。B5H5比B2H6中电子结构的稳定性相对减弱，而原子之间的成键作用和离域效应都相对增强。B5H5比B2H6的各向异性不变量显著增大，则对外场的各向异性响应增大，B5H5团簇的体密堆积性弱于B2H6。在红外光谱中，B5H5团簇位于波数1332cm-1频率处的峰值最大，相应的红外强度最大，该处的振动模式为呼吸振动。波数频率范围在2600~2900cm-1之间的振动峰的峰值相差不大，相应的振动强度也相差不是很大，其振动模式为伸缩振动。在拉曼光谱中，处于波数2116cm-1频率处的振动峰的峰值最大，其活性最强。由HOMO图发现，B5H5团簇的电离能低，便于失去电子，容易发生亲电反应；由LUMO图来看，B5H5团簇电子亲核势高，便于得到电子，发生亲核反应。当试探原子Bq位于B5H5团簇空间几何构型的中心(0.000 nm)位置和试探原子到平面的垂直距离为0.025 nm、0.050 nm、0.075 nm、0.100 nm位置时，计算得到的NICS值全为负，则B5H5团簇在这五个位置均具有芳香性。芳香性最强的位置在试探原子Bq到平面的垂直距离在0.075 nm处。NICS值随着垂直距离的增大先减小后增大，表明芳香性先增大后减小，B5H5中可能拥有多重芳香性。关键词B5H5团簇；密度泛函理论；物理化学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 团簇 1
1.1.1 团簇的概念 1
1.1.2 团簇研究的内容及意义 1
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1.2 研究B5H5团簇的意义 2
1.3 研究B5H5团簇的主要内容 2
第二章 理论计算基础 4
2.1 量子化学的简介 4
2.2 绝热近似 5
2.3 密度泛函理论（DFT) 5
2.3.1 DFT的简介 5
2.3.2 DFT的应用 6
第三章 B5H5团簇的结构和性能研究 7
3.1 引言 7
3.2 计算方法 7
3.3 研究结果和讨论 8
3.3.1 B5H5 团簇的基态结构 8
3.3.1.1 基态结构 8
3.3.1.2 团簇稳定结构 9
3.3.2 B5H5 团簇的稳定性分析 10
3.3.3 B5H5 团簇的电子性质 12
3.3.3.1 B5H5 团簇的自然键轨道（NBO）分析 12
3.3.3.2 B5H5 团簇的极化率分析 13
3.3.4 B5H5 团簇的振动光谱分析 15
3.3.5 B5H5 团簇的能级轨道分析 16
3.3.6 B5H5 团簇的NICS分析 17
结 论 19
致 谢 21
参考文献 22
绪论
1.1 团簇
1.1.1 团簇的概念
团簇分为原子团簇和分子团簇，空间尺寸很小，在几埃到几百埃之间，由几个甚至几百个、几千个粒子通过物理化学结合力而形成的比较稳定的微观或者亚微观聚集体。它代表了凝聚态物质的初始状态，当团簇的内部结构中的原子个数发生变化时，团簇的物理性质和化学性质也会发生一些简单的变化[1]。由于团簇的几何构型和物理化学性质都会随着团簇空间尺寸大小的改变而发生变化，因此人们也把团簇称为介于凝聚态与气态之间的一种特殊状态——“第五态”[2]。它与固态、液态和气态是不一样的，它可以由小分子发展成大分子物质。
1.1.2 团簇研究的内容及意义
现在，科学家们对于团簇科学的研究，最根本的问题是弄明白团簇是怎么一步一步的由分子或者原子等微观粒子演变结合在一起从而成为团簇。而且随着微观粒子演变成团簇的过程, 团簇的几何结构和性能是怎样改变的,有着怎样的规律。当团簇的空间尺寸达到什么样的情况时, 团簇会渐渐的从微观状态演变成宏观状态。对于团簇研究还有一些其他探讨对象，如：团簇的组成规律及其稳定的电子结构；团簇新材料的合成方法及其物理化学的稳定性；如何用其他的方法有效的控制团簇表面，从而达到修饰团簇表面的目的。重构是指人们向空间尺寸小的团簇不断的增加原子个数，团簇的几何结构就会渐渐的发生一些改变。当团簇发生重构以后，继续向团簇的空间结构中增加原子个数，团簇会慢慢演变成大块固体，在这个时候，即使增加原子的个数，团簇也不会发生重构，并且只有表面上的原子具有弛豫, 团簇性质不再发生什么变化，这就是关节点（临界尺寸）[3]。团簇科学是对团簇的几何结构、电子组态、振动光谱等性能和团簇的空间大小与转变成大块固体过程之间的关系进行研究。
在人类日常生活中的许多生活现象都有着团簇参与, 如发酵、酿酒、燃烧等。团簇科学的探究不光可以促进原子结合理论的发展, 还可以为各类大分子物质的形成及其构型的探究给予很大的帮助。团簇是凝聚态位置的初始状态，是一种特殊物态，从而有着很多独特的性质。如气态、液态、固态三种物质形态可以同时存在也可以相互转换；还有着一定的化学活性、电子特性、催化效应等[4]。通过研究这些特性，可以促进许多新物质、新材料以及新科学的形成和发展。对许多学科的形成和发展有着很大的促进作用，如现代物理学、现代化学、生物学、量子力学、量子化学等。在材料、化工、生物、医药、航空、天体以及能源等众多领域都有着巨大的应用前景。现在，人们越来越重视对有关团簇的课题进行探讨和研究[5]。
1.2 研究B5H5团簇的意义
在航天航空领域，安全、高速的太空飞行一直是科学家们的期待，因此对于能源方面的推进剂和燃料的制造成为了重要的研究课题。在化学分子中，人们公认的单位质量燃烧产生的热量最大的天然分子是氢，把氢作为燃料可以大大的降低燃料的质量。跟其他的金属燃料或者非金属燃料比较，硼原子有着很大的体积和质量热值。假若可以将硼、氢元素结合在一起，研发出一种新型的燃料推进剂，将会大大提高太空燃料的性能。因而硼氢类团簇成为了人们的重点研究课题。但在硼氢类化合物的研究中，硼烷主要有两种类型：BnHn+4和BnHn+6，前者比较稳定，特别是对BnHn这样的硼烷团簇结构研究的很少，而B5H5作为一种新颖团簇，还没有对其分子结构与物理化学性能得到确定，因而对B5H5的稳定结构及其性能的研究不但有着很高的理论价值，而且对于新型的BH团簇的形成和应用有着很大的促进作用。
1.3 研究B5H5团簇的主要内容
目 录
第一章 绪论 1
1.1 团簇 1
1.1.1 团簇的概念 1
1.1.2 团簇研究的内容及意义 1
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1.2 研究B5H5团簇的意义 2
1.3 研究B5H5团簇的主要内容 2
第二章 理论计算基础 4
2.1 量子化学的简介 4
2.2 绝热近似 5
2.3 密度泛函理论（DFT) 5
2.3.1 DFT的简介 5
2.3.2 DFT的应用 6
第三章 B5H5团簇的结构和性能研究 7
3.1 引言 7
3.2 计算方法 7
3.3 研究结果和讨论 8
3.3.1 B5H5 团簇的基态结构 8
3.3.1.1 基态结构 8
3.3.1.2 团簇稳定结构 9
3.3.2 B5H5 团簇的稳定性分析 10
3.3.3 B5H5 团簇的电子性质 12
3.3.3.1 B5H5 团簇的自然键轨道（NBO）分析 12
3.3.3.2 B5H5 团簇的极化率分析 13
3.3.4 B5H5 团簇的振动光谱分析 15
3.3.5 B5H5 团簇的能级轨道分析 16
3.3.6 B5H5 团簇的NICS分析 17
结 论 19
致 谢 21
参考文献 22
绪论
1.1 团簇
1.1.1 团簇的概念
团簇分为原子团簇和分子团簇，空间尺寸很小，在几埃到几百埃之间，由几个甚至几百个、几千个粒子通过物理化学结合力而形成的比较稳定的微观或者亚微观聚集体。它代表了凝聚态物质的初始状态，当团簇的内部结构中的原子个数发生变化时，团簇的物理性质和化学性质也会发生一些简单的变化[1]。由于团簇的几何构型和物理化学性质都会随着团簇空间尺寸大小的改变而发生变化，因此人们也把团簇称为介于凝聚态与气态之间的一种特殊状态——“第五态”[2]。它与固态、液态和气态是不一样的，它可以由小分子发展成大分子物质。
1.1.2 团簇研究的内容及意义
现在，科学家们对于团簇科学的研究，最根本的问题是弄明白团簇是怎么一步一步的由分子或者原子等微观粒子演变结合在一起从而成为团簇。而且随着微观粒子演变成团簇的过程, 团簇的几何结构和性能是怎样改变的,有着怎样的规律。当团簇的空间尺寸达到什么样的情况时, 团簇会渐渐的从微观状态演变成宏观状态。对于团簇研究还有一些其他探讨对象，如：团簇的组成规律及其稳定的电子结构；团簇新材料的合成方法及其物理化学的稳定性；如何用其他的方法有效的控制团簇表面，从而达到修饰团簇表面的目的。重构是指人们向空间尺寸小的团簇不断的增加原子个数，团簇的几何结构就会渐渐的发生一些改变。当团簇发生重构以后，继续向团簇的空间结构中增加原子个数，团簇会慢慢演变成大块固体，在这个时候，即使增加原子的个数，团簇也不会发生重构，并且只有表面上的原子具有弛豫, 团簇性质不再发生什么变化，这就是关节点（临界尺寸）[3]。团簇科学是对团簇的几何结构、电子组态、振动光谱等性能和团簇的空间大小与转变成大块固体过程之间的关系进行研究。
在人类日常生活中的许多生活现象都有着团簇参与, 如发酵、酿酒、燃烧等。团簇科学的探究不光可以促进原子结合理论的发展, 还可以为各类大分子物质的形成及其构型的探究给予很大的帮助。团簇是凝聚态位置的初始状态，是一种特殊物态，从而有着很多独特的性质。如气态、液态、固态三种物质形态可以同时存在也可以相互转换；还有着一定的化学活性、电子特性、催化效应等[4]。通过研究这些特性，可以促进许多新物质、新材料以及新科学的形成和发展。对许多学科的形成和发展有着很大的促进作用，如现代物理学、现代化学、生物学、量子力学、量子化学等。在材料、化工、生物、医药、航空、天体以及能源等众多领域都有着巨大的应用前景。现在，人们越来越重视对有关团簇的课题进行探讨和研究[5]。
1.2 研究B5H5团簇的意义
在航天航空领域，安全、高速的太空飞行一直是科学家们的期待，因此对于能源方面的推进剂和燃料的制造成为了重要的研究课题。在化学分子中，人们公认的单位质量燃烧产生的热量最大的天然分子是氢，把氢作为燃料可以大大的降低燃料的质量。跟其他的金属燃料或者非金属燃料比较，硼原子有着很大的体积和质量热值。假若可以将硼、氢元素结合在一起，研发出一种新型的燃料推进剂，将会大大提高太空燃料的性能。因而硼氢类团簇成为了人们的重点研究课题。但在硼氢类化合物的研究中，硼烷主要有两种类型：BnHn+4和BnHn+6，前者比较稳定，特别是对BnHn这样的硼烷团簇结构研究的很少，而B5H5作为一种新颖团簇，还没有对其分子结构与物理化学性能得到确定，因而对B5H5的稳定结构及其性能的研究不但有着很高的理论价值，而且对于新型的BH团簇的形成和应用有着很大的促进作用。
1.3 研究B5H5团簇的主要内容
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