化学式ワープロと分子軌道計算～量子力学もコンピュータで解こう～

エネルギー化学への応用

量子力学計算を エネルギー化学に応用できます。 波動関数のエネルギー準位と酸化還元電位の関係を調べることができます。

酸化還元電位の算出

Fe3+/Fe2+の半反応式は次式で表されている．この半反応式の酸化還元電位は標準水素電極(NHE)に対し+0.771 Vである．

${\mathrm{Fe}}^{\mathrm{2+}}={\mathrm{Fe}}^{\mathrm{3+}}+e^{\mathrm{-}}$

HOMO軌道とLUMO軌道のエネルギー順位をSCIGRESS(PM6 geometry with PM6 wavefunction※1)を用いて計算すると下図のようになった． Fe³⁺のLUMO軌道のエネルギー準位は，-30.23eVとなり，Fe²⁺のエネルギー準位は-28.68eVとなった． さらに，水素分子(H₂)のHOMO軌道のエネルギー準位は，-15.04eVとなった． 水素イオン(H⁺)のLUMO軌道のエネルギー準位をSCIGRESSで計算すると，「No surface was found for molecular orbital 1 since it does not contain a value as large as 0.060.」とエラーが表示されLUMO軌道のエネルギー準位を計算できない．

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Keywords used in this job are as follows:
 PM6 NOMM NOXYZ XYZ NODIIS GRAPH T=10D CHARGE=1  

MO-GManager 1.1.1.0 Apr  2 2018 21:50:58

MO-GComputeEngine 2.9.0 Apr  2 2018 21:50:15

Final heat of formation =     311.4630 kcal/mol
Calculation done.
TabulatorManager 2.9.0 Apr  2 2018 21:45:33

TabulatorComputeEngine 2.9.0 Apr  2 2018 21:44:57

3	3	3	(529169.25,529169.25,529169.25) Angstrom	(-529169.25,-529169.25,-529169.25) Angstrom	Molecular orbital values:  0.060, -0.060	Using molecular orbitals 1 - 1
No surface was found for molecular orbital 1 since it
 does not contain a value as large as  0.060.
Computation time: 00:00:00.388
 

新型コロナウイルスの影響による在宅課題

分子軌道計算ソフトを使ったα-シクロデキストリンのHOMO-LUMOエネルギーの計算

Winmostarのインストール

Winmostarのインストールをしてください．学生の方は学生版が利用できます．あとは，ウェブページの指示に従ってインストールしてください． 本学の電子メールの使い方がわからない方は，「学生向け電子メールの使い方」をご覧ください．

α-シクロデキストリンの3次元のmolファイルをダウンロード

Chemspiderを使ってα-シクロデキストリン(alpha-cyclodextrin)の3次元のmolファイルをダウンロードしてください．

Winmostarの起動

Winmostarを起動して，molファイルを開いてください．

構造最適化

構造最適化を行います．メニューバーの「半経験QM] -> [MOPAC] -> 「MOP7W70の実行」をクリックしてください．

MOPAC Setupのダイアログウィンドウが起動したら，OKをクリックしてください． ファイル名の保存ダイアログウィンドが立ち上がった[保存]をクリックしてください．なお，ダイアログウィンドウは，起動しないこともあります． メモ帳が軌道したら，最適化完了です．

エネルギー計算

エネルギー計算を行います．メニューバーの「半経験QM] -> [CNDO/S] -> 「実行」をクリックしてください．

CNDO/S Setupのダイアログウィンドウが起動したら，OKをクリックしてください． ファイル名の保存ダイアログウィンドが立ち上がった[保存]をクリックしてください．なお，ダイアログウィンドウは，起動しないこともあります． CNDO/S UV-Vis-Spectrumなど３つのダイアログウィンドウが起動したエネルギー計算完了です．

HOMO LUMOエネルギーの表示

Energy Level… ダイアログウィンドウを見てください．HOMO:の後の数字と同じUnitの値がHOMO軌道のエネルギーになります．その値を読みとりウェブクラスに提出してください． また，HOMO:のUnitの値に１を加えた値がLUMO軌道となります．LUMO軌道のエネルギーの値をウェブクラスに提出してください．