Details
GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure
System) ist ein kostenloses, sehr leistungsfähiges quantenchemisches
Programmpaket (Homepage: http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html).
Man kann damit eine Vielzahl von quantenchemischen Berechnungen durchführen:
Schwerpunkt des vorliegenden Projektes ist der Umgang mit GAMESS, das
Verständlichmachen von Prinzipien der Quantenchemie durch die Berechnung von
"künstlichen" Systemen (quantenchemische Experimente),
die theoretische Ergänzung zu Praktikumsversuchen in der Physikalischen Chemie
und dabei die Berechnung spektroskopischer Eigenschaften,
insbesondere von Elektronen-Schwingungsspektren, und die Berechnung
elektronisch angeregter Zustände.
Das Projekt besteht aus mehreren Teilen
- Grundlagen I : Handhabung von GAMESS anhand von wenigen Beispielen,
theoretische Hintergründe
- Grundlagen II: weitere Beispiele
- Details: ausführlich kommentierte Output-Files
- Spezielles: Komplexere Projekte
Eine analoge Anleitung gibt es für Gaussian 98W. Beide Anleitungen
sind miteinander verknüpft (zur Zeit noch nicht realisiert). Da im Praktikum aber vorwiegend GAMESS eingesetzt
wird, liegt darauf das Hauptgewicht.
Die Bedienung des Programms erfolgt über die MS-DOS-Eingabeaufforderung
(Win9x), die Eingabeaufforderung (Win XP), günstig ist, den "Norton-Commander"
zu verwenden, sonst sind ein paar DOS-Befehle erforderlich (cd.., cd gamess,
edit, del, dir, u.a.). Zuerst muss man einen Input-File erstellen.
Bei Verwendung des Norton-Commanders geht das sehr bequem über den short-key
"Bearbeiten". Ansonsten kann man jedes Textverarbeitungsprogramm
benutzen; es muss aber reiner ascii-Text sein. Das Programm wird dann mit dem Befehl gambat name gestartet.
Beim Norton-Commander gibt man diesen Befehl einfach in die Befehlszeile ein. Dabei stellt
gambat eine batch-Datei dar und name ist der Name
des Input-Files (ohne extension).
Nach Ablauf des Programms wird ein Output-File
und ein Punch-File erzeugt. Diese kann man wiederum mit den Norton-Commander öffnen (Bearbeiten
oder Ansicht).
Folgende inhaltliche Probleme stehen im Vordergrund:
- Experimente mit GAMESS an "künstlichen" Systemen:
lineares Hn mit einem und zwei oder mehr Elektronen,
cyclisches Hn
mit einem und zwei oder mehr Elektronen,
verzweigtes Hn mit einem, zwei oder mehreren Elektronen.
- Atome:
H, H-Anion, He,
He+,
C, N, O,
Li, Na, Si,
I,
- Geometrie-Optimierungen:
H2, H2+,
H2¯,
HeH+, LiH, O2,
O3, N2,
I2,
H2O,
NO2, N2O4,
CO2, SiO2, Acetylen, Benzol,
Bicyclopropenylen,
Bicyclopropylium,
Bicyclobutenylen,
Polymethine
- Berechnung von Potenzialkurven
in verschiedenen elektronischen Zuständen: H2,
H2¯, HeH+, LiH
Im folgenden Bild sind Potenzialkurven des H2-Moleküls dargestellt:
Auffällig ist, dass der S2-Zustand zwei Minima aufweist. Es soll
deshalb der Frage nachgegangen werden, ob so ein Effekt auch bei anderen
Systemen auftritt. Solche Systeme können in verschiedener Hinsicht interessant
sein (bistabile Systeme, duale Fluoreszenz).
Weiterhin fällt auf, dass T1 ein repulsiver Zustand ist. T2
zeigt aber ein normales Minimum (nicht abgebildet). Auch hier stellt sich die Frage, ob bei
anderen Systemen repulsive Zustände auftreten.
-
Vergleich CO2 - SiO2
- Dissoziation von
N2O4
in 2 NO2
-
Elektronische Übergänge
(Absorption): NO2, Benzol,
Polymethine,
- Berechnung von
Emissionsübergängen in Atomen und kleinen Molekülen (H,
Na, O2,
N2, NO2)
-
Schwingungsspektren (H2,
O2, N2, CO, H2O,
- Berechnung von
Elektronen-Schwingungs-Spektren (N2, I2, Benzol)
- Verdrillung um eine zentrale
Bindung (Bicyclopropen, N2O4)
- Valenzisomerisierung (Bicyclopropen
- Bicyclobuten)
- p-Systeme
- Cluster
Grafische Tools zur Erstellung der Molekülstruktur - Molecule
Builder - gibt es eine ganze Reihe: ArgusLab
Zur grafischen Darstellung der Molekülgeometrie, der MO's, der
Ladungsdichteverteilung und der Normalschwingungen muss man separate Programme
verwenden (z. B. : Molekel, gOpenMol, Jmol).
Für den Vergleich mit experimentellen Daten und Literaturdaten gibt es im
Internet eine hervorragende Quelle: Computational Chemistry Comparison and
Benchmark Database (http://srdata.nist.gov/cccbdb/).
Die Vertrauenswürdigkeit
quantenchemischer Rechnungen hängt von vielen Faktoren ab.
Methodische Gesichtspunkte