تحلیل محاسبات کوانتومی مولکول های ساده با روش های DFT و HF
محاسبات شیمی کوانتومی با استفاده از نرم افزار Gaussian به منظور بررسی ساختار الکترونی، هندسه مولکولی و ویژگی های انرژی زای سیستم های ساده شامل H₂O، H₂ و اتم اکسیژن انجام شده است. در این مطالعات از روش نظریه تابعی چگالی (DFT) با تابعی B3LYP و روش هارتری–فوک (HF) همراه با مجموعه پایه 3-21G استفاده شده است. نتایج حاصل، اطلاعات ارزشمندی درباره پایداری ساختاری، توزیع بار الکترونی و ویژگی های مولکولی ارائه می دهد.
بررسی ساختار بهینه شده مولکول آب (H₂O)
بهینه سازی هندسی مولکول آب با روش DFT/B3LYP/3-21G انجام شد. محاسبه پس از چهار مرحله تکرار به نقطه ایستایی پایدار رسیده و معیارهای همگرایی نیرو و جابه جایی به طور کامل برآورده شده اند. ساختار بهینه شده دارای طول پیوند O–H برابر با 0.9968 Å و زاویه پیوندی H–O–H برابر با 103.99° است که تطابق مناسبی با داده های تجربی دارد. اختلاف جزئی ناشی از محدودیت مجموعه پایه 3-21G و ماهیت تقریبی روش محاسباتی است.
انرژی کل الکترونی مولکول آب برابر با −75.973965 Hartree محاسبه شده است. همچنین شکاف انرژی HOMO–LUMO حدود 9.36 eV به دست آمده که نشان دهنده پایداری الکترونی بالا و رفتار عایقی مولکول آب است. آنالیز بار مولیکن نیز بار منفی روی اتم اکسیژن (−0.638) و بار مثبت روی اتم های هیدروژن (+0.319) را نشان می دهد که بیانگر قطبیت ذاتی مولکول آب است. ممان دوقطبی محاسبه شده برابر با 2.238 Debye بوده و تقارن مولکولی C₂v نیز با ساختار شناخته شده آب سازگار است.
بررسی محاسبه الکترونی مولکول هیدروژن (H₂)
برای مولکول H₂ محاسبه با روش Hartree–Fock/3-21G انجام شده است. این محاسبه از نوع Single Point بوده و بهینه سازی هندسی انجام نشده است؛ بنابراین طول پیوند گزارش شده مربوط به هندسه اولیه ورودی بوده و مقدار آن (0.60 Å) با طول تعادلی تجربی (~0.741 Å) اختلاف دارد.
انرژی کل محاسبه شده برابر با −1.104721 Hartree بوده و وجود اوربیتال پیوندی σg و اوربیتال ضدپیوندی σu* تاییدکننده تشکیل پیوند کووالانسی در مولکول هیدروژن است. شکاف انرژی HOMO–LUMO حدود 25.7 eV محاسبه شده که نشان دهنده پایداری بالای پیوند H–H است. به دلیل هم اتمی بودن مولکول، بارهای مولیکن هر دو اتم صفر و ممان دوقطبی نیز صفر گزارش شده است.
بررسی اتم منفرد اکسیژن (O)
محاسبه اتم اکسیژن با روش DFT/B3LYP/3-21G انجام شده است. از آنجا که سیستم شامل تنها یک اتم است، هیچ پارامتر هندسی مانند طول پیوند یا زاویه تعریف نمی شود و درجه آزادی هندسی برابر صفر است. محاسبه بدون مشکل همگرا شده و انرژی الکترونی کل برابر با −74.554918 Hartree به دست آمده است.
به دلیل تقارن کروی توزیع چگالی الکترونی در اتم منفرد، بار مولیکن برابر صفر و ممان دوقطبی نیز صفر است. این انرژی می تواند به عنوان مقدار مرجع اتمی در محاسبات انرژی تشکیل یا انرژی پیوند مورد استفاده قرار گیرد.
جمع بندی
نتایج محاسبات نشان می دهد که روش های DFT/B3LYP و HF قادر به توصیف مناسب ویژگی های الکترونی و ساختاری سیستم های ساده هستند. مولکول آب با هندسه و قطبیت صحیح بازسازی شده، مولکول H₂ تشکیل پیوند σ پایدار را نشان داده و اتم اکسیژن به عنوان یک سیستم مرجع انرژی بررسی شده است. با این حال، برای مطالعات دقیق تر، استفاده از مجموعه پایه های بزرگ تر، محاسبات فرکانسی (Frequency)، تحلیل NBO و بررسی ترموشیمیایی پیشنهاد می شود.