Строение молекул SmCl3, DyCl3, HoCl3, SmBr3, DyBr3 и LuBr3 по данным метода газовой электронографии

Установление влияния природы центрального атома и лигандов на структурные параметры молекул LnX3. Определение симметрии равновесной геометрической конфигурации молекул LnX3 из анализа экспериментальных данных и результатов квантово-химических расчетов.

Рубрика Химия
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 14.12.2017
Размер файла 157,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ SmCl3, DyCl3, HoCl3, SmBr3, DyBr3 и LuBr3 ПО ДАННЫМ МЕТОДА ГАЗОВОЙ ЭЛЕКТРОНОГРАФИИ

02.00.04 - физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Чернова Елена Васильевна

Иваново 2007

Работа выполнена на кафедре физической химии Ивановского государственного университета

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Гиричева Нина Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Беляков Александр Васильевич

доктор химических наук, профессор Рыбкин Владимир Владимирович

Ведущая организация: Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва.

Защита состоится «_5__»_февраля___2007_ г. в _10.00__часов на заседании диссертационного совета К 212.063.01 при ГОУВПО ?Ивановский государственный химико-технологический университет? по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО ?ИГХТУ? по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «___»_______________2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Егорова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Особенности строения молекул определяют комплекс физико-химических свойств веществ, и данное обстоятельство делает структурные исследования неотъемлемой частью современной химической науки. При этом самостоятельное значение имеют сведения о свободных молекулах, когда отсутствуют коллективные взаимодействия, вносящие трудно предсказуемые возмущения молекулярной структуры.

Исследованные в работе объекты относятся к ряду соединений, выделяющемуся среди класса галогенидов металлов электронным строением центрального атома. Несмотря на неоднократные попытки установить геометрическое строение молекул тригалогенидов лантанидов, окончательный ответ на вопрос о том, к какому типу симметрии относится равновесная конфигурация этих молекул, и что представляет собой структура молекул в условиях высокотемпературного пара, до сих пор не получен. Неполнота, а подчас и противоречивость имеющейся в литературе информации о строении молекул тригалогенидов лантанидов делает актуальным их дальнейшее исследование.

Электронографические данные для свободных молекул тригалогенидов лантанидов являются важным источником информации при тестировании квантово-химических методов расчета структуры молекул разных соединений, в состав которых входит атом лантанида.

Бульшая часть представленных в диссертации исследований поддержана грантами РФФИ (02-03-33308 и 05-03-32804) и грантом РНП.2.2.1.1.7181.

Цель работы. Продолжение систематических электронографических исследований структуры молекул тригалогенидов лантанидов с целью выяснения закономерностей изменения геометрических и колебательных параметров молекул LnX3 (где X=Cl, Br) в ряду La-Lu и создания общей картины, отражающей влияние электронного строения центрального атома Ln на геометрию и ядерную динамику молекул.

Конкретные задачи работы:

1. Получение сведений о составе насыщенного пара над изучаемыми тригалогенидами лантанидов масс-спектрометрическим методом.

2. Определение структурных параметров молекул электронографическим методом.

3. Установление влияния природы центрального атома и лигандов на структурные параметры молекул LnX3.

4. Определение симметрии равновесной геометрической конфигурации молекул LnX3 из совместного анализа экспериментальных данных и результатов квантово-химических расчетов.

5. Использование квантово-химических расчетов:

- для изучения ангармоничности колебаний;

- для расчета параметров эффективной rg-конфигурации молекул, соответствующей температуре электронографического эксперимента с целью оценки различия между равновесными re(Ln-X) и температурно-усредненными rg(Ln-X) параметрами;

- для теоретического исследования температурной зависимости параметров эффективной конфигурации.

Объекты исследования: SmCl3, DyCl3, HoCl3, SmBr3, DyBr3 и LuBr3.

Методы исследования: Электронография, масс-спектрометрия, квантово-химические расчеты. лиганд молекула химический атом

Научная новизна. Впервые электронографическим методом определена структура свободных молекул SmCl3, DyCl3, SmBr3, DyBr3. Уточнены параметры эффективной конфигурации молекул HoCl3 и LuBr3. Установлено, что экспериментальные структурные rg-параметры не противоречат представлению о плоской равновесной конфигурации симметрии D3h изученных молекул LnХ3.

С помощью квантово-химических расчетов в пренебрежении возбужденными электронными состояниями показано, что различие между рассчитанными значениями равновесного re(Ln-X) и температурно-усредненного расстояния rg(Ln-X) составляет менее 0,003 Е, что не превышает погрешности экспериментального определения rg(Ln-X). Показана слабая зависимость расстояния rg(Ln-X) от температуры и существенная температурная зависимость остальных параметров эффективной конфигурации rg(Х…Х), l(Ln-Х), l(Х…Х) и д(Х…Х).

Практическая значимость. Структурные параметры молекул тригалогенидов лантанидов LnX3 необходимы для развития стереохимии неорганических соединений, включающих f-элементы. Подобная информация представляет интерес для исследователей, работающих в области физической, координационной и неорганической химии.

Галогениды f-элементов являются участниками во многих современных технологических процессах, основные стадии которых протекают в газовой фазе. Молекулярные константы тригалогенидов лантанидов необходимы для моделирования высокотемпературных газофазных процессов методами статистической термодинамики при разработке новых технологий.

Электронографические данные для свободных молекул тригалогенидов лантанидов являются важной информацией при тестировании квантово-химических методов расчета структуры молекул разных соединений, в состав которых входит атом лантанида.

Найденные в работе структурные параметры молекул включены в международное справочное издание Ландольт-Бернштейн "Структурные данные для свободных многоатомных молекул", в международное справочное издание "МOGADOC" (г. Ульм, ФРГ).

Апробация работы. Результаты работы представлены на Всероссийской научной конференции «Молодые женщины в науке», Иваново, 2004; региональной школе-семинаре «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул», Иваново, 2005; межвузовских конференциях "Молодая наука в Классическом университете", ИвГУ, 2003, 2004, 2005 и 2006 г.г.; конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете: теория, методология, практика», Иваново, 2004 и 2005 г.г.; на международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» и «Ломоносов-2006», МГУ, Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 7 статей и 5 тезисов докладов научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, посвященных обзору литературы, описанию эксперимента и структурного анализа, описанию теоретических исследований и обсуждению результатов, а также включает раздел «Основные результаты и выводы» и список цитируемой литературы (140 наименования). Материал работы изложен на страницах машинописного текста и содержит 36 таблиц, 28 рисунков.

Личный вклад автора заключался в проведении фотометрического эксперимента, обработке данных электронографического и масс-спектрометрического экспериментов, в выполнении структурного анализа, проведении квантово-химических расчетов и участия в обсуждении результатов исследований.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю проф. Гиричевой Н.И за помощь на всех этапах работы, доц. С.А.Шлыкову за съемку электронограмм и проф. Гиричеву Г.В. за плодотворные дискуссии при обсуждении результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулирована ее цель, отмечена научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. Обзор литературы.

Рассмотрены работы по изучению строения молекул соединений тригалогенидов лантанидов методом газовой электронографии, по изучению их колебательных и электронных спектров, а также работы, посвященные квантово-химическим расчетам тригалогенидов РЗЭ.

Глава 2. Синхронный электронографический и масс-спектрометрический эксперимент и первичная обработка.

Эксперимент выполнялся на комплексе аппаратуры ЭМР-100/АПДМ-1. Препараты SmCl3, DyCl3, HoCl3 и SmBr3, DyBr3, LuBr3 (коммерческие, “ХЧ”) испарялись из молибденовой ампулы при температуре 1205(10) К, 1160(10) К, 1148(10) К и 1151(10) К, 1141(10) К, 1161(10) К соответственно. Съемки электронограмм проводились с двух расстояний “сопло ампулы - фотопластинка” L1=598 мм и L2=338 мм при ускоряющем напряжении 75 кВ. Длина волны электронов определялась по дифракционной картине кристаллического стандарта ZnO. Регистрация дифракционной картины осуществлялась на фотопленки Кодак. Одновременно со съемкой электронограмм проводилась запись масс-спектра исследуемого пара. Были зарегистрированы ионы, представленные в таблице 1.

Масс-спектральные данные показывают, что в насыщенном паре наряду с мономерными формами присутствует незначительное (до 3 мол. %) количество димерных молекул. При расшифровке масс-спектров предполагалось, что ионы Ln2X4+ и Ln2X5+ происходили из димера, а все остальные ионы - из мономера.

Фотометрирование электронограмм производилось с помощью модернизированного микрофотометра MD-100 (Carl Zeiss, Jena). Для выделения экспериментальной приведенной молекулярной интенсивности рассеяния sM(s) использовалась графическая процедура.

Таблица 1

Масс-спектры паров исследованных тригалогенидов лантанидов, зарегистрированные во время съемки электронограмм

Ln+

LnX+

LnX2+

LnX3+

Ln2X4+

Ln2X5+

МС/ЭГ чмол.%*

SmCl3

52

23

100

7,5

-

3

1.1/1.2(5)

DyCl3

52

22

100

19

-

8

1.7/1.0(7)

HoCl3

58

22

100

10

-

7

1.6/2.3(6)

SmBr3

56

39

100

7

2

3

1.2/1.3(6)

DyBr3

49

23

100

10

-

7

1.9/1.0(3)

LuBr3

37

35

100

21

-

12

3.0/2.7(4)

*мольный процент димеров в насыщенном паре, найденный по отношению токов ионов в масс-спектре и при МНК-анализе интенсивности рассеяния электронов.

Глава 3. Структурный анализ

Теоретический аналог функции sM(s), строился в предположении сложного состава пара: sM(s)= sM(s)LnХ3 + (1-)sM(s)Ln2Х6. Предполагалось, что мономерные молекулы LnХ3 имеют ось симметрии третьего порядка. Для димерных молекул Ln2Х6 принималась модель геометрического строения симметрии D2h с четырьмя концевыми связями Ln-Xt и четырьмя мостиковыми связями Ln-Хb. В качестве независимых параметров функции sM(s) были выбраны параметры ra(Ln-Х) и a(X-Ln-X) мономерной молекулы, а также валентные углы h1(Xt-Ln-Xt), h1(X t-Ln-Xb) и величина ?=rh1(Ln-Xb)-rh1(Ln-Xt). Поскольку концентрация димеров в паре невелика, определить все параметры димерной молекулы не представляется возможным. Поэтому при МНК-анализе функции sM(s) предполагалось, что расстояние rh1(Ln-Xt) в димере равно расстоянию rh1(Ln-X) в мономере. Кроме того, было принято, что ?=0,20Е и h1(Xt-Ln-Xt) = 116.00.

Результаты МНК-анализа для отдельных отрезков функции sM(s), соответствующих расстояниям “сопло ампулы - фотопластинка” L=598 мм и L=338 мм, а также для совместной обработки двух кривых, приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Результаты МНК-анализа функции sM(s) для молекул трихлоридов Sm, Dy и Ho

smin-smax Е-1

ra(Ln-Cl), Е

ra(Cl…Cl), Е

l(Ln-Cl), Е

l(Cl...Cl), Е

B(Ln-Cl) б

Rf,в %

SmCl3

1.4-16.1

2.5053(7)a

4.2336(64)

0.0947(6)

0.3136(52)

2.7(6)

3.0

3.6-28.0

2.5087(5)

4.2173(114)

0.0945(7)

0.3231(76)

5.2(6)

5.6

1.4-28.0

2.5077(5)

4.2257(60)

0.0945(5)

0.3182(46)

5.0(5)

4.3

DyCl3

1.3-16.7

2.4495(7)

4.1606(60)

0.0914(6)

0.2843(50)

1.0(6)

3.3

3.1-29.0

2.4496(4)

4.1692(44)

0.0935(4)

0.2767(32)

0.9(3)

3.0

1.3-29.0

2.4496(4)

4.1593(37)

0.0928(4)

0.2826(29)

1.0(3)

3.3

HoCl3

1.3-16.6

2.4417(5)

4.1360(46)

0.0925(5)

0.2906(37)

0.4(5)

2.4

3.4-29.1

2.4403(5)

4.1491(61)

0.0894(5)

0.2863(40)

1.2(4)

3.6

1.3-29.1

2.4409(4)

4.1399(38)

0.0911(3)

0.2802(29)

1.1(5)

3.3

a В скобках приведены величины МНК. б Приведено значение B*105, Е3

в На интервале 19.0 - smax вводилась весовая функция вида: Wi=exp(-а(smax-si)2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Экспериментальные () и теоретические (-) функции радиального распределения f(r) и их разности Дf(r)

Таблица 3

Результаты МНК-анализа функции sM(s) для молекул трибромидов Sm, Dy и Lu

smin-smax, Е-1

ra(Ln-Br), Е

ra(Br…Br), Е

l(Ln-Br), Е

l(Br...Br), Е

B(Ln-Br)

Rf, %

SmBr3

1.3-16.5

2.6497(6)

4.4409(61)

0.0968(4)

0.3787(67)

2.4(5)

2.9

4.0-28.0

2.6494(12)

4.4655(162)

0.0955(6)

0.3522(83)

4.3(5)

5.4

1.3-28.0

2.6496(9)

4.4480(73)

0.0958(5)

0.3628(43)

3.7(4)

4.3

DyBr3

1.2-14.8

2.6061(7)

4.3746(47)

0.0982(6)

0.3477(37)

1.5(8)

2.6

2.4-26.5

2.6024(5)

4.3857(78)

0.0939(4)

0.3508(57)

4.7(3)

4.2

1.2-26.5

2.6056(5)

4.3803(51)

0.0943(4)

0.3458(38)

5.7(8)

4.4

LuBr3

1.5-16.3

2.5514(6)

4.2752(52)

0.0916(5)

0.3455(40)

1.3(5)

2.7

4.2-28.0

2.5472(4)

4.3056(89)

0.0920(3)

0.3554(50)

1.3(2)

3.3

1.5-28.0

2.5500(4)

4.2796(50)

0.0919(3)

0.3507(35)

2.2(3)

3.5

Глава 4. Квантовохимические расчеты параметров равновесной и эффективной rg- конфигурации молекул.

В настоящее время для атомов лантанидов разработаны эффективные остовные потенциалы, дающие возможность проводить при умеренных вычислительных ресурсах приемлемые по качеству квантово-химические расчеты геометрического строения молекул, в состав которых входят атомы Ln. Совместный анализ экспериментальных данных и результатов расчетов позволяет более обосновано судить о структуре и ядерной динамике молекул тригалогенидов лантанидов LnХ3.

Расчет равновесной геометрии и частот колебаний. Методами HF, МР2 и теории функционала плотности (DFT) выполнены расчеты геометрических и колебательных параметров молекул HoCl3, LuCl3, HoBr3 и LuBr3. Вычисления проводились с использованием пакета программ GAUSSIAN 03.

На примере молекул HoCl3 и LuCl3 было проанализировано влияние видов эффективных остовных потенциалов (ЕСР) атомов лантанидов (в сочетании с функциями валентного базиса, рекомендованными авторами этих потенциалов) и базисных наборов атомов хлора (6-31G* [1s3sp1d], 6-311G* [6s5p1d], Midix [4s3p1d]) на структурные параметры молекул. Потенциалы атомов Ln включали в остов разное число электронов ([Ar3d10], [Kr4d10] и [Kr4d104fn]). Молекула HoCl3 имеет открытую электронную оболочку (Ho3+ 4f10, максимальный спин S=2), а LuCl3 - замкнутую оболочку (Lu3+ 4f14). При использовании любого из трех потенциалов мультиплетность молекулы LuCl3 равна 1. Формальная мультиплетность молекулы HoCl3 зависела от вида ECP.

Для расчета равновесной геометрии и частот колебаний молекул HoCl3, LuCl3, HoBr3 и LuBr3 разными квантово-химическими методами (HF, B3LYP и МР2) было выбрано сочетание остовного потенциала [Kr4d104fn] атомов лантанидов ЕСРD и базиса Мidix атомов галогена.

Установлено, что рассчитанное значение re(Ln-Cl) в трихлоридах гольмия и лютеция уменьшается, соответственно, на 0,03 Е и на 0,01 Е при переходе от метода HF и B3LYP к МР2 и сопровождается ростом валентных частот н1 и н3. Сильнее всего от метода расчета зависит частота неплоского колебания н2. Причем методы HF и МР2 приводят к бульшим величинам н2 и характеризуют молекулы HoCl3 и LuCl3 как существенно более жесткие, чем метод B3LYP.

Слабее от метода расчета зависят параметры молекул трибромидов Ho и Lu. При этом самое короткое расстояние re(Ln-Br) получено методом B3LYP. Значения частот н1, н3 и н4 практически не зависят от метода расчета. Причем, как и следовало ожидать, рассчитанные частоты в трибромидах ниже, чем в соответствующих трихлоридах. Исключение составляет значение частоты н2, полученное методом B3LYP, которое в трибромидах оказалось больше, чем в трихлоридах.

Определение ангармоничности полносимметричного и неплоского колебаний.

Методами HF, B3LYP и МР2 выполнено исследование сечений поверхности потенциальной энергии (ППЭ) вдоль нормальных координат Q1 и Q2 полносимметричного колебания н1(А'1) и неплоского колебания н2(А"2). Определена ангармоничность этих колебаний, которая вносит основной вклад в различие между эффективным и равновесным расстоянием Ln-Х и заметно влияет на величину эффекта сокращения (X…X). Ангармоничность потенциальных функций U(Q1) для всех четырех молекул оказалась невелика. В ангармоническом приближении усредненное по температуре значение нормальной координаты <Q1> отлично от нуля, поскольку ветви ангармонической функции Uanh(Q1) смещены в сторону больших значений колебательной координаты Q1 (рис.2).

В силу симметричности ангармонической функции инверсионного колебания U(Q2) среднее значение координаты <Q2> равно нулю. Однако график функции U(Q2) и величина среднеквадратичной амплитуды <Q22> существенно зависят от метода расчета (рис. 3). Особенно высокую ангармоничность колебания н2 предсказывает метод B3LYP. Использование в этом случае гармонической функции Uharm(Q2) вместо Uanh(Q2) при расчете колебательных характеристик молекулы ведет к неразумным результатам.

В процессе неплоского колебания происходит изменение валентного угла и межъядерного расстояния Ri(Ln-Х). В методах HF, B3LYP и МР2 было получено сходное уменьшение Ri(Ln-Х) при увеличении координаты Q2. Таким образом, за счет неплоского колебания усредненная величина расстояния <R(Ln-Х)> будет эффективно сокращаться, и это сокращение будет увеличиваться с ростом амплитуды данного колебания.

Расчет температурно-усредненных структурных параметров молекул.

По методике [Гиричева Н.И., Гиричев Г.В., Смородин С.В. //Журн. Структ. Химии, в печати] выполнен расчет температурно-усредненных структурных параметров молекул. При расчете теоретических значений rg(Ln-Х), rg(Х…Х), l2(Ln-Х) и l2(Х…Х) для каждого нормального колебания были найдены и затем просуммированы величины R(Ln-Х)T, R(Х…Х)T, r2(Ln-Х)T и r2(Х…Х)T. Скобки T означают усреднение по колебательным уровням при температуре Т в соответствии с распределением Больцмана, а r представляет собой разность между мгновенным Ri и равновесным re расстояниями. При усреднении величин R и r2 применялись функции плотности вероятности P(Qk), рассчитанные в классическом приближении.

Для нахождения P(Q1)класс и P(Q2)класс использовались ангармонические потенциальные функции, а для нахождения P(Q)класс нормальных координат Q3a(E), Q3b(E), Q4a(E) и Q4b(E) вырожденных колебаний н3 и н4 - гармонические потенциальные функции.

Глава 5. Обсуждение результатов.

Состав пара. В насыщенном паре над всеми изученными соединениями при температуре выполненного эксперимента наряду с мономерными молекулами присутствуют димеры в количестве, не превышающем 3 мол.%. Наблюдается полное соответствие между концентрацией молекулярных форм пара, найденной по отношению токов ионов в масс-спектре и при МНК-анализе интенсивности рассеяния электронов (табл. 1).

Экспериментальные параметры эффективной rg-конфигурации.

В табл.4. представлены параметры эффективной rg-конфигурации изученных молекул. Расстояния rg рассчитаны на основании найденных при МНК-анализе функции sM(s) величин ra(Ln-Х) и ra(Х…Х) по формуле

rg= ra + l2/ra. (1)

Параметры rg-структуры молекул являются экспериментальным материалом, свободным от различных приближений, используемых при моделировании ядерной динамики. Именно они, на наш взгляд, будучи приведенными к единой температуре, должны быть использованы для установления тенденции в изменении как геометрических, так и колебательных характеристик при смене центрального атома в ряду тригалогенидов лантанидов LnХ3.

Таблица 4

Параметры эффективной rg-конфигурации молекул трихлоридов Sm, Dy, Ho и трибромидов Sm, Dy и Lu

SmCl3

DyCl3

HoCl3

SmBr3

DyBr3

LuBr3

T, K

120510

116010

114810

115110

114110

116110

rg(Ln-X),Е

2.511(5)а

2.453(5)

2.444(5)

2.653(6)

2.609(5)

2.553(5)

rg(X…X),Е

4.250(17)

4.179(12)

4.159(13)

4.477(20)

4.407(15)

4.308(15)

l(Ln-X),

0.095(2)

0.093(2)

0.091(2)

0.096(2)

0.094(1)

0.092(1)

l(X…X) Е

0.318(14)

0.283(9)

0.280(11)

0.363(12)

0.346(12)

0.351(11)

g(X-Ln-X)

115.6(11)

116.8(10)

116.6(10)

115.1(9)

115.3(7)

115.1(10)

(X…X) Е

0.100(20)

0.071(15)

0.074(15)

0.118(23)

0.111(18)

0.114(18)

a В скобках приведены полные погрешности, рассчитанные по формулам: для расстояний у=[(2,5 уМНК)2 + умасш2]1/2, где умасш = 0,002rg; для амплитуд у=3уМНК ; для величин эффектов сокращения

б Экспериментальный эффект сокращения d(Х...Х)=Ц3rg(Ln-Х)-rg(Х…Х)

Структурные параметры rg-конфигурации относятся к ансамблю молекул, находящихся не только в различных вращательных, колебательных состояниях, но также и в различных электронных состояниях, заселенных при температуре эксперимента.

Из-за различного числа 4f-электронов атомов Ln молекулы SmХ3, DyХ3 и HoХ3 имеют разные системы низколежащих электронных состояний, отличающиеся распределением электронной плотности в пределах 4fn-подоболочки центрального атома, экранированной от лигандов заполненными 5s25p6 подоболочками. Поэтому молекулы LnХ3 в возбужденных электронных 4f-состояниях допустимо рассматривать как конформеры с геометрическими параметрами, близкими к параметрам молекул в основном электронном состоянии, а найденные структурные параметры молекул SmCl3, DyCl3, HoCl3 и SmBr3, DyBr3, LuBr3 (табл.4) можно отнести к характеристикам основного состояния.

В дальнейшем будем полагать, что наблюдаемые температурные эффекты в геометрических и колебательных параметрах, найденных в электронографическом эксперименте, связаны только с колебательно-вращательными состояниями молекул.

Существующие методики анализа электронографических данных включают стадию перехода от rg- к re-параметрам, которые основаны на ряде допущений, приводящих к тому, что погрешность в рекомендуемом значении re в 1,5 - 3 раза превышает погрешность в экспериментально определяемом rg-параметре. Поэтому нами был использован другой способ сопоставления «эксперимент - квантовая химия», [Гиричева Н.И., Гиричев Г.В., Смородин С.В. //ЖСХ, в печати], который заключается в теоретическом расчете эффективных rg-параметров и их сравнении с экспериментальными rg-величинами.

Сравнение экспериментальных и рассчитанных параметров rg -конфигураций молекул. Квантово-химический расчет rg-структуры позволяет учесть как ангармоничность потенциальной функции, так и смещения ядер при внутримолекулярных движениях, форма которых может существенно отличаться от линеаризованных координат, используемых в теории малых гармонических колебаний. Показано, что ангармоничность функции U(Q1) приводит к эффективному увеличению расстояния r(Ln-Х) на ~0.003-0.004 Е, а ангармоничность функции U(Q2) и зависимость расстояния r(М-Х) от координаты Q2 - к его эффективному сокращению на 0.002-0.004 Е. Суммарное изменение межъядерного расстояния Ln-Х r=rg-re за счет ангармоничности колебаний оказывается мало и в несколько раз меньше экспериментальной погрешности параметра rg(Ln-Х). Причем это справедливо как для трихлоридов, так и для трибромидов лантанидов. В результате появляется возможность непосредственно сравнивать величины разных по физическому смыслу параметров rе(Ln-Х) и rg(Ln-Х).

В табл. 5. приведены параметры rg-структуры четырех молекул, рассчитанные с учетом ангармоничности полносимметричного н1 и неплоского н2 колебаний, а также величина rе(Ln-Х).

Отметим, что вывод о небольшом различии между величинами равновесного rе(Ln-Х) и эффективного rg(Ln-Х) расстояний при высокой температуре (более 1000 К) существенно отличается от выводов, делаемых в электронографических исследованиях при использовании традиционных методов оценки температурных эффектов.

Таблица 5

Рассчитанные и экспериментальные значения структурных параметров (Е, град.) молекул трихлоридов и трибромидов Ho и Lu

re(LnX)

rg(LnX)

rg(X…X)

gXLnX

l(LnX)

l(X…X)

д(X…X)

HoCl3 Tэксп.=1148(10) К

Эксп.

2,444(5)

4,159(13)

116,6(10)

0,091(2)

0,280(11)

0,074(15)

B3LYP

2.445

2,444

4,117

114,7

0,086

0,339

0,117

HF

2.474

2,471

4,199

116,4

0,087

0,326

0,080

LuCl3 Tэксп.=1070(10) К

Эксп.

2,403(5)

4,119(18)

117,9(13)

0,086(2)

0,315(11)

0,044(20)

B3LYP

2.396

2,397

4,053

115,5

0,082

0,324

0,097

HF

2.424

2,422

4,130

117,0

0,082

0,298

0,065

HoBr3 Tэксп.=999(10) К

Эксп.

2,594(5)

4,384(17)

115,3(11)

0,087(2)

0,322(13)

0,110(20)

B3LYP

2.611

2,612

4,4196

115,5

0,088

0,347

0,105

HF

2.646

2,647

4,5146

117,0

0,088

0,324

0,071

LuBr3 Tэксп.=1161(10) К

Эксп.

2,553(5)

4,308(15)

115,1(10)

0.092(1)

0.351(11)

0,114(18)

B3LYP

2.564

2,565

4,346

115,8

0,094

0,350

0,098

HF

2.597

2,599

4,445

117,6

0,091

0,327

0,056

По сравнению с методом HF метод B3LYP приводит к лучшему согласию расчетного параметра rg(Ln-X) с экспериментальным значением как для трихлоридов, так и для трибромидов лантанидов. Величины амплитуды l(X…X) и эффекта сокращения (X…X) определяются значением деформационной частоты н4 и формой потенциала неплоского колебания U(Q2). Для трихлоридов Ho и Lu метод HF, дает лучшее согласие этих параметров с экспериментальными, чем метод B3LYP. Существенно завышенное значение (Cl…Cl) в расчетах по методу B3LYP свидетельствует о том, что данный метод преувеличивает структурную нежесткость молекул трихлоридов лантанидов.

Для трибромидов лантанидов сочетание метода B3LYP с комбинированным базисом ЕСРD [Kr4d104fn], Midix дает хорошие результаты.

Теоретическое исследование температурной зависимости rg-параметров. На примере молекулы LuBr3 теоретически исследована температурная зависимость rg-параметров. Значения эффективных параметров были рассчитаны для четырех температур 298, 700, 1000 и 1161 К.

С ростом температуры происходит увеличение поправок rT к равновесному расстоянию re(Lu-Br), связанных с ангармоничностью колебаний н1 и н2. Поправки имеют противоположные знаки, поэтому величина эффективного расстояния rg(Lu-Br) практически не меняется и остается близкой к равновесному значению re(Lu-Br). В то же время с ростом температуры происходит заметное сокращение расстояния rg(Br…Br), уменьшение валентного угла g(Br-Lu-Br) от 118,6є при Т=298 К до 115,8є при Т=1161 К и возрастание эффективной пирамидальности молекулы. Существенно увеличиваются и амплитуды колебаний l(Lu-Br) и l(Br…Br).

Из анализа температурной зависимости rg-параметров молекулы LuBr3 можно сделать следующие заключения:

- в рядах молекул LnХ3 можно проводить сопоставление полученных при разных температурах эффективных расстояний rg(Ln-Х) из-за их слабой зависимости от температуры.

Размещено на http://www.allbest.ru/

- для молекул LnХ3 из-за малой величины r=rg-re, не превышающей погрешности экспериментального определения rg(Ln-Х), допустимо непосредственно сравнивать величины разных по физическому смыслу параметров: rg(Ln-Х), определенных в ЭГ эксперименте, с равновесными расстояниями rе(Ln-Х), полученными квантово-химическими методами,

- при сопоставлении колебательных характеристик l(Ln-X), l(X…X) и д(X…X) молекул LnХ3 необходимо приводить их к единой температуре; если температуры высоки (близки к 1000 К), но разность температур не превышает 200є, можно использовать приближенные формулы [Сивин, 1971 г.]: ,

Закономерности в геометрических и колебательных характеристиках молекул рядов трихлоридов и трибромидов лантанидов.

На рис.4. представлены зависимости экспериментальных величин межъядерных расстояний rg(Ln-Х) от порядкового номера лантанида в рядах трихлоридов и трибромидов. Наблюдаемые зависимости носят плавный характер, который хорошо коррелирует с характером изменения радиусов трехзарядных ионов r(Ln3+) от номера лантанида. С учетом погрешности измерений разницу между величинами rg(Ln-Br) и rg(Ln-Cl) можно считать постоянной (в ряду La, Sm, Dy, Ho, Er и Lu она составляет 0.150(7) Е, 0.142(7) Е, 0.156(7) Е, 0.150(7) Е. 0.152(7) Е и 0.149(7) Е). Если рассматривать связь Ln-X как ионную, то эта разность, в среднем равная 0,150(7) Е, может представлять различие радиусов ионов галогенов Br- и Cl-.

На рис.4 сравниваются экспериментальные rg(Ln-Х) и рассчитанные нами в варианте B3LYP/ECPD,Midix re(Ln-Х) параметры пяти трихлоридов и пяти трибромидов. Видно, что указанная комбинация метод/базис дает очень близкие к экспериментальным значения межъядерных расстояний для трихлоридов, и завышенные на 0,012 - 0,035 Е расстояния для трибромидов лантанидов. Причем разница «эксперимент - расчет» уменьшается от La к Lu. В результате величина лантанидного сжатия, рассчитанная по экспериментальным данным (0,186 Е для трихлоридов и 0,185 Е для трибромидов) оказывается меньше рассчитанной методом B3LYP/ECPD,Midix (0,215 Е для трихлоридов и 0,208 Е для трибромидов).

Для сравнения колебательных характеристик экспериментальные величины всех молекул были приведены к одной температуре, равной 1150 К. Амплитуды колебаний l(Ln-Х) и l(Х…Х) для тригалогенидов самария оказались несколько больше, чем для соответствующих тригалогенидов Dy и Ho. Поскольку l(Ln-Х) и l(Х…Х) связаны с частотами колебаний молекул, то такое соотношение амплитуд колебаний подтверждает наблюдаемый в спектральных экспериментах незначительный рост частот колебаний, а следовательно, и силовых постоянных в ряду тригалогенидов лантанидов LaX3 - LuX3. Амплитуды колебаний для трихлоридов (Т=1150 К) ниже, чем для трибромидов, что согласуется с общей тенденцией понижения частот колебаний при переходе от трихлоридов к соответствующим трибромидам лантанидов.

Симметрия равновесной конфигурации молекул LnХ3 определяется видом деформационного потенциала U(Q2). Формально молекула с плоской равновесной конфигурацией должна иметь минимум на графике U(Q2) при Q2=0. Сделать вывод о симметрии молекулы можно путем сопоставления экспериментальных и рассчитанных rg-параметров, причем рассчитанные значения связаны с потенциальными функциями всех нормальных координат молекулы U(Qk).

Функции U(Q2), которые воспроизводят колебательные характеристики молекул, рассчитанные методом HF для изученных трихлоридов Sm, Dy, Ho и рассчитанные методом B3LYP для трибромидов Sm, Dy и Lu, имеют минимум при Q2=0. Таким образом, можно заключить, что полученные электронографические данные не противоречат представлению о плоской равновесной конфигурации перечисленных молекул.

Экспериментальные значения валентных углов g(Br-Ln-Br) эффективной конфигурации в ряду молекул трибромидов одинаковы в пределах погрешности их определения (La - 115,7(11)є, Pr - 114,7(10)є, Nd -115,0(12)є, Sm - 115,1(9)є, Gd - 113,8(25)є, Dy - 115,3(7)є, Ho - 115,3(11)є, Er - 116,0(14)є, Lu - 115,2(8)є). В результате можно предположить, что, во-первых, различия в электронных конфигурациях 4fn-оболочки центрального атома слабо влияет на эффективный валентный угол молекул трибромидов, и, во-вторых, равновесная геометрическая конфигурация всех изученных молекул LnBr3 одинакова.

То же самое можно отметить и для ряда трихлоридов лантанидов. Наблюдаемое увеличение эффективной пирамидальности трибромидов по сравнению с трихлоридами может быть обусловлено уменьшением частот колебаний при переходе от LnCl3 к LnBr3.

Основные результаты и выводы

1. Впервые электронографическим методом определена структура свободных молекул SmCl3, DyCl3, SmBr3, DyBr3.

2. На основе повторного эксперимента уточнены параметры эффективной конфигурации молекул HoCl3 и LuBr3. Сделаны выводы о D3h симметрии равновесной конфигурации молекулы HoCl3, отличающиеся от имеющихся в литературе.

3. Установлено, что насыщенный пар над изученными соединениями состоит из мономерных и незначительного количества димерных форм.

4. Полученные электронографические данные уточняют основные тенденции в изменении структурных и колебательных характеристик в рядах трихлоридов и трибромидов лантанидов:

- изменения межъядерного расстояния rg(Ln-Х) при переходе от La к Lu в рядах трихлоридов и трибромидов соответствуют изменению радиусов трехзарядных ионов Ln3+;

- эффективная пирамидальность молекул с одинаковыми галогенами в ряду La-Lu одинакова в пределах экспериментальной погрешности, т.е. не зависит от числа 4f-электронов у атома Ln;

- экспериментальные структурные rg-параметры не противоречат представлению о плоской равновесной конфигурации симметрии D3h изученных молекул LnХ3;

- соотношение амплитуд колебаний указывает на незначительный рост частот колебаний, а, следовательно, и силовых постоянных в ряду тригалогенидов лантанидов LaX3 - LuX3.

5. На основании квантово-химических расчетов установлено:

- что величина эффективного расстояния rg(Ln-X) практически не меняется в широком интервале температур (298-1200 К) и остается близкой к равновесному значению re(Ln-X), а различие между рассчитанными значениями равновесного re(Ln-X) и температурно-усредненного rg(Ln-X) расстояния достигает величины 0,003Е, что не превышает погрешности экспериментального определения rg(Ln-X);

- неплоское колебание молекул LnCl3 и LnBr3 обладает заметной ангармоничностью.

Публикации по теме диссертации

1. Гиричева Н.И., Шлыков С.А., Чернова Е.В., Левина Ю.С., Краснов А.В. Строение молекул SmBr3 и DyBr3 по данным синхронного электронографического и масс-спектрометрического эксперимента. // Журн. структ. химии. 2005. Т.46. №6. с. 1031-1037.

2. Гиричева Н.И., Шлыков С.А., Гиричев Г.В., Чернова Е.В., Левина Ю.С. Строение молекул SmCl3, DyCl3 и HoCl3 по данным синхронного электронографического и масс-спектрометрического эксперимента. // Журн. структ. химии. 2006. Т.47. №5. с. 855-865.

3. Гиричева Н.И., Чернова Е.В., Шлыков С.А., Краснов А.В. Строение молекул SmBr3, DyBr3 и LuBr3 по данным синхронного электронографического и масс-спектрометрического эксперимента. // Иваново, 2004. Вестник ИвГУ. Вып.3. С. 41-44.

4. Гиричева Н.И., Чернова Е.В., Левина Ю.С., Шлыков С.А., Краснов А.В. Строение молекулы DyBr3 данным синхронного электронографического и масс-спектрометрического эксперимента. // Материалы научной конференции: Научно-исследовательская деятельность в классическом университете: Иваново, 2004. ИвГУ, с. 27-28.

5. Чернова Е.В., Левина Ю.С., Гиричева Н.И., Шлыков С.А. Строение молекул SmCl3, DyCl3 и HoCl3 по данным синхронного электронографического и масс-спектрометрического эксперимента. // Научно-исследовательская деятельность в классическом университете: Иваново, 2005. ИвГУ, с. 42-43.

6. Галанин И.Е., Гиричева Н.И., Чернова Е.В. Расчет параметров эффективной rg-конфигурации молекул типа МХ3 по данным квантово-химических расчетов. // Матер. Школа-семинар «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». Иваново, 2005, ИвГУ, ч.1, с. 71.

7. Чернова Е.В. Квантово-химические расчеты равновесной и эффективной конфигурации молекул HoCl3 и LuCl3. // Вестник молодых ученых ИвГУ, 2006 с. 147-149.

8. Чернова Е.В., Гиричева Н.И., Шлыков С.А. Структура молекулы LuBr3 по данным газовой электронографии. // Тез. Всеросс. научн. конференция «Молодые женщины в науке». Иваново, 2004. с. 274-276.

9. Чернова Е.В., Гиричева Н.И. Строение молекулы SmBr3 данным синхронного электронографического и масс-спектрометрического эксперимента. // Тез. конф. "Молодая наука в классическом университете". Иваново, 2004. ИвГУ. с. 29-30.

10. Чернова Е.В., Батманова Ю.Д. Электронографическое исследование строения молекул SmCl3 и SmBr3. // Тез. конф. "Молодая наука в классическом университете". Иваново, 2005. ИвГУ. с. 12.

11. Чернова Е.В. Электронографическое исследование строения молекул SmCl3 и HoCl3. //Тез. Мат. Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005». Москва, 2005. МГУ. с. 109.

12. Чернова Е.В. Электронографическое исследование строения молекул SmCl3, DyCl3 и HoCl3. // Тез. Мат. Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006». Москва, 2006. МГУ. с. 98.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Элементы теории групп симметрии молекул. Классы смежности и классы сопряженных элементов. Групповые постулаты и факторизация групп. Векторные (линейные), эвклидовы и унитарные пространства, матрицы. Теория, характер представлений групп симметрии молекул.

    дипломная работа [519,5 K], добавлен 27.07.2010

  • Правило октета, структуры Льюиса. Особенности геометрии молекул. Адиабатическое приближение, электронные состояния молекул. Анализ метода валентных связей, гибридизация. Метод молекулярных орбиталей. Характеристики химической связи: длина и энергия.

    лекция [705,2 K], добавлен 18.10.2013

  • История развития квантово-химических методов анализа "структура вещества – проявляемая физиологическая активность". Вычисление геометрии органических соединений. Физические свойства, механизм действия и синтез сульфаниламидов, параметры их молекул.

    дипломная работа [2,1 M], добавлен 25.03.2011

  • Геометрія молекул як напрям в просторі їх валентних зв'язків. Положення теорії направлених валентностей, що витікає з квантово-механічного методу валентних зв'язків. Залежність конфігурації молекул від числа зв'язаних та неподілених електронних пар.

    реферат [1,2 M], добавлен 19.12.2010

  • Спектроскопия молекул в инфракрасном диапазоне. Особенности исследования щелочно-галоидных кристаллов и молекул в матричной изоляции. Специфический характер взаимодействия заряженных молекул между собой и с окружающими их ионами кристалла; спектр газа.

    практическая работа [348,7 K], добавлен 10.01.2016

  • Полярний і неполярний типи молекул з ковалентним зв'язком. Опис терміну поляризації як зміщення електронів, атомів та орієнтація молекул у зовнішньому полі. Причини виникнення дипольних моментів у молекулах. Визначення поняття електровід'ємності атома.

    реферат [365,0 K], добавлен 19.12.2010

  • Современные представления о механизме активации простых молекул комплексами переходных металлов. Механизмы активации молекул различного типа кислотными катализаторами. Сущность активации. Реакционная способность. Расщепление субстрата на фрагменты.

    реферат [2,8 M], добавлен 26.01.2009

  • Особенности молекулярного, конвективного и турбулентного механизмов переноса молекул, массы и энергии. Расчет средней квадратичной скорости молекул и описание характера их движения, понятие масштаба турбулентности. Процедуры осреднения скорости молекул.

    реферат [4,6 M], добавлен 15.05.2011

  • Строение молекул и цвет. Особенности твердого состояния неорганических красителей. Цвет металлов. Молекулы бесцветны, а вещество окрашено. Цвет полярных молекул. Среда воздействует на цвет. Колориметрия.

    реферат [1,2 M], добавлен 22.08.2007

  • Возникновение неклассических представлений в физике. Эксперимент Дэвиссона и Джермера. Особенности квантово-механического описания микромира. Главные задачи квантовой химии. Электронное строение атомов и молекул. Атомные орбитали Зенера-Слейтера.

    лекция [198,0 K], добавлен 15.10.2013

  • Метод Бенсона при расчете и прогнозировании энтропии органического вещества. Симметрия, атомарные связи углеродных молекул и их классы. Параметры аддитивных схем и проблематика точности для различных свойств молекул алканов в методе Татевского.

    реферат [88,6 K], добавлен 17.01.2009

  • Способы расчетов молекулярной геометрии. Теория отталкивания локализованных электронных пар в валентной оболочке центрального атома. Объекты описания в теории ЛЭП. Примеры, иллюстрирующие прогнозы теории ЛЭП. Связь теории ЛЭП с теорией гибридизации.

    реферат [232,8 K], добавлен 01.02.2009

  • Электронная модель молекулы. Теория отталкивания электронных пар валентной оболочки. Реакционная способность молекул. Классификация химических реакций. Степени свободы молекулы, их вращательное движение. Описание симметрии колебаний, их взаимодействие.

    презентация [230,6 K], добавлен 15.10.2013

  • Понятие диазосоединений как органических молекул, содержащих два связанных между собой атома азота, один из которых не соединен с атомами других элементов. Получение диазосоединений, особенности их получения. Строение диазогруппы, устойчивость соединений.

    контрольная работа [422,7 K], добавлен 05.08.2013

  • Графическое представление молекул и их свойств - теория графов в химии. Методы расчета топологических индексов. Кодирование химической информации. Оценка реакционной способности молекул. Анализ связи между топологией молекулы и свойствами соединения.

    реферат [313,2 K], добавлен 09.12.2013

  • Понятие рефракции как меры электронной поляризуемости атомов, молекул, ионов. Оценка показателя преломления для идентификации органических соединений, минералов и лекарственных веществ, их химических параметров, количественного и структурного анализа.

    курсовая работа [564,9 K], добавлен 05.06.2011

  • Представления об участии атома водорода в образовании двух химических связей. Примеры соединений с водородной связью. Структура димера фторида водорода. Ассоциаты молекул фторида водорода. Методы молекулярной спектроскопии. Суммарный электрический заряд.

    курсовая работа [119,1 K], добавлен 13.12.2010

  • Электростатическая связь: виды взаимодействий. Свойства ковалентных связей (длина, полярность и энергия). Средняя величина дипольных моментов связей и функциональных групп. Строение метана. Строение молекул с n, o-атомами с неподеленной парой электронов.

    лекция [417,9 K], добавлен 21.02.2009

  • Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем, трехкомпонентные системы. Положительная кривизна прямых мицелл. Критические параметры упаковки молекул ПАВ и предпочтительные с геометрической точки зрения структуры агрегатов. Особенности ламелярной фазы.

    контрольная работа [2,4 M], добавлен 04.09.2009

  • Квантово-химический расчет термодинамических данных при полной оптимизации геометрии и оценка количественного содержания наиболее стабильных таутомерных форм молекулы нитрогуанидина при стандартных условиях в газовой фазе с помощью программы GAUSSIAN-03.

    курсовая работа [937,6 K], добавлен 08.06.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.