Проблема определения значений потенциалов ионизации и сродства к электрону существует с 30-х годов 20-го века. К наиболее точным прямым экспериментальным методам определения потенциала ионизации и сродства к электрону молекул традиционно относятся: метод электронного удара, электронный захват, рассеяние электронов, фотоионизация, фотоэлектронная спектроскопия, полярографический метод. Погрешность измерений в этих методах составляет от 5 до 20%, в зависимости от особенностей метода анализа и вещества. Эти методы являются затратными и могут выполняться только на дорогостоящем оборудовании.
Важность определения сродства к электрону и потенциалов ионизации в аренах элементарных нанотекстурных фрагментов трудно переоценить. Они определяют основные свойства молекул и веществ – реакционную способность в реакциях окисления и восстановления. Эти же свойства определяют электронно-обменные взаимодействия твёрдой матрицы и адсорбированных на поверхности молекул, электронно-обменные взаимодействия в кристаллической матрице, электрофизические и оптические свойства материала.
В настоящее время доступным и наиболее перспективным методом оценки электронно-обменных свойств в углеродных материалах является метод компьютерного квантово-химического расчёта.
Целью работы был выбор квантово-химических методов компьютерного моделирования, оптимальных для расчётов электронно-обменных свойств ароматических молекул.
В доступных программах Hyperchem и Chemoffice в одинаковых условиях (Т=300К, твёрдое тело) рассчитывали энергии образования ароматических молекул – нейтральных и их ионов (антрацен, тетрацен, нафталин, пицен, пирен, коронен и др.). Из их сравнения определяли потенциал ионизации и сродство к электрону. Полученные расчетные значения сопоставляли со справочными, экспериментальными данными [1].
Выяснили, что полуэмпирический метод расчёта РМ3 (Hyperchem) и Gamess (в Chemoffice) позволяет достаточно точно оценивать значения потенциалов ионизации ароматических молекул (пирен, трифенилен, пицен, антрацен, нафталин и т.д.).
Определили, что методом полуэмпирического расчёта TNDO можно рассчитывать сродство к электрону для большинства ароматических молекул. Значения потенциалов ионизации и сродства к электрону молекул – стенок пор углеродных молекулярных сит, полученных из углеродного волокна, активированного при 500, 600, 700 и 750C, оценивали с помощью квантово-химического моделирования в полуэмпирической программе PM-3 в пакете MOPAC. В методе молекулярной механики и программном комплексе Gamess (Chemoffice), а также в полуэмпирических методах (PM-3, АМ3, ММ1, INDO, ZNDO, TNDO в Hyperchem), производили поиск энергетически и геометрически выгодного пространственного строения молекул, проводили оптимизацию структур нанофрагментов.
В методах Монте-Карло, молекулярной и Ланжевеновской динамики вычисляли значения энергий образования катионов, анионов, нейтральных молекул коронена, аренов с 19, 37, 61 циклами. Коронен является моделью стенок пор восстановленного углеродного молекулярного сита, полученного при 500C (C24H12), арены с 19, 37, 61 ароматическими циклами – моделями стенок пор углеродных молекулярных сит, полученных при 600, 650, 700C (C54H18, C96H24, C150H30) [2].
Выяснено, что значения энергии образования модельных молекул и их ионов, рассчитанные методами INDO, АМ1 и РМ3, близки. Разница значений, полученных методами молекулярной и Ланжевеновской динамики, незначительна. И чуть больше она отличается для метода Монте-Карло.
Самая высокая общая энергия образования из всех исследуемых молекул получена для коронена. Полученные методами квантово-химических рассчетов данные позволяют судить не только о возможности применения эмпирических и полуэмпирических методов рассчета электронно-обменных свойств вместо или в дополнение к экспериментальным методам исследования, но и сравнивать модели аренов между собой.
Библиографический список
- Л.В. Гурвич и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Наука, 1974 .- 351 с.
- Бервено А.В., Бервено В.П., Взаимосвязь наноструктуры и свойств углеродных молекулярных сит, Ползуновский вестник, 2008, № 3, С. 84-87.
Количество просмотров публикации: Please wait