HO2和HNO分子势能面及光谱的理论研究

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三原子体系的反应动力学研究已经达到量子态分辨的水平。为更好地理解实验结果,剖析化学反应的微观机制,理论上分子反应动力学的研究必须基于一个可信赖的平台:高精度的分子势能面。本文采用高水平的量子化学计算方法构建了HO2分子激发态((?)2A′)和HNO体系三个电子态((?)1A′,(?)1A"和(?)3A")的全域势能面,在所得势能面上,利用Lanczos算法计算了相应分子振动束缚态的能级,分析了相关体系的光谱性质,并通过与实验结果比较显示了势能面的精确性,为进一步的分子反应动力学研究提供了好的基础。对于HO2分子,采用aug-cc-pVQZ基组,在Davidson校正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)计算的基础上构建了其第一激发态(?)2A′的全域势能面。势能面给出的两个反应通道的解离能De(H-00)和De(O-OH)分别为56.20和46.35 kcal/mol,零点能校正后,Do(H-OO1和Do(O-OH)分别是50.18和43.51kcal/mol,与实验值(50.39和44.13 kcal/mol)吻合的非常好;并且对H(2S)O2(?)1Δg)←→OH((?)2Π)+ O(3p)反应的渐进区域和势阱区域的描述也足够精确,为进一步的反应动力学精确计算提供了保证。在此势能面的基础上,采用Lanczos方法求解核振动方程计算得到了HO2((?)2A′)的振动能级,计算所得的O-O伸缩振动基频(v3=927.95 cm-1)与最近的实验结果(929.068 Cm-1)非常接近,然而另外两个振动模式的基频(v1=3566.72 cm-1和v2=11 96.22 cm-1)却与实验值(3268.5 and 1285 cnm-1)有很大的差别。通过分析比较,我们认为文献中总结的v1和v2的振动基频有误,需要更新。HNO体系三个电子态的势能面是分别构建的。其中(?)3A"态的势能面基于13000多个高水平从头算(icMRCI+Q/AV5Z)数据点,由三次样条插值方法得到。我们计算所得的H…NO解离能De(H-NO)为1.484 eV,仅比实验值(1.424±0.013eV)高0.06 eV。我们还重点考察了N+OH渐进区域,计算得到反应N(4s)+OH(X2Π)→H(2S)+NO(X2Π)的放热为1.978 eV,与实验值(2.004±0.043eV)相当,为精确地研究该反应的动力学提供了一个更加可信赖的平台。为进一步验证势能面的精确性,计算了HNO和HON的振动能级,计算结果与实验值吻合良好。单重态戈(?)1A′和(?)1A"的势能面计算选择了与(?)3A"态类似的方法,但使用了AVQZ基组。经测试该基组己能足够精确地描述这两个态。计算所得的基态势能面全域极小点对应于HNO分子的弯曲构型,位于rNo=2.286 a0,rNH=1.986α0,θH-N-O=108.3°,与实验值以及之前的理论计算结果都相当的一致;包含零点能的H…NO解离能D0(H-NO)为2.035 eV,与以前的理论计算值相比,跟实验值2.0395±0.0012 eV吻合的更好。并且计算得到的A和戈态之间的跃迁能为13371cm-1,相较于以前的理论计算结果(13985 CFcm-1),我们的结果更接近于实验值(13153 cm-1)。为了研究Renner-Teller效应对振动光谱的影响,在完全活性空间自洽场(CASSCF)水平上计算了与电子角动量算符(?)和三(?)2相关的电子矩阵元。在戈(?)1A′和(?)1A"的势能面及Renner-Teller耦合项的基础上,计算了这两个态的振动能级,发现Renner-Teller效应对基态的较低振动能级影响不大,而对激发态(?)1A"的较高弯曲振动能级影响明显。未考虑RT效应时,弯曲振动激发态(0,0,3)的计算值比实验观测值低了30 cm-1,在包含RT对角项之后,计算得到的(0,0,2)和(0,0,3)的弯曲振动频率分别为1957.77和2933.07 cm-1,与实验值(1959.4和2932.2Cm-1)吻合的非常好。该势能面也为H(2S)+NO(X2Π)←→O(3P)+NH(X3Σ-)反应分子动力学的研究提供了一个很好的基础。
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