外电场下CHBr3分子的光谱和解离特性

doi:10.19596/j.cnki.1001-246x.8502

摘要/Abstract

摘要：

利用密度泛函理论在B3LYP/6-311G++(d, p)基组上优化和计算分析三溴甲烷分子处于外电场中的基态稳定构型, 包括分子结构、总能量、偶极矩、键长、电荷分布、轨道能级、红外光谱和拉曼光谱及解离势能曲线等。结果表明: 随着Y轴(平行于1C-4Br连线)方向外电场的增加(0a.u.~0.02a.u.), 分子总能量减小, 1C-4Br键键长增大, 分子偶极矩增大, 分子能隙逐渐减小, 分子红外光谱呈现蓝移。对解离势能曲线的计算分析发现, 强度为0.02a.u.的外电场使得1C-4Br键断裂而降解, 为三溴甲烷进行外电场降解提供参考依据。

关键词: 三溴甲烷, 密度泛函理论, 外电场, 解离势能

Abstract:

Ground-state configurations of bromomethane molecules under external electric fields were optimized on B3LYP/6-311G++(d, p) basis set using density functional theory. Molecular structure, total energy, dipole moment, bond length, charge distribution, orbital energy level, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy and dissociation potential energy curve were analyzed computationally. It shows that with the increase of external electric field (0 a.u. -0.02 a.u.) along Y axis (parallel to the 1C-4Br line), the total molecular energy decreases, the 1C-4Br bond length increases, and the molecular dipole moment increases, the molecular energy gap decreases gradually, and the molecular infrared spectrum exhibits a blue shift. The dissociation potential energy curve shows that an external electric field with a strength of 0.02 a.u. makes the 1C-4Br bond broken and the molecule degraded.

Key words: tribromomethane, density functional theory, external electric field, dissociation potential energy

乃皮赛·吾买尔江, 闫好奎, 布玛丽亚·阿布力米提, 王丹琦, 向梅, 安桓. 外电场下CHBr₃分子的光谱和解离特性[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 624-630.

Wumaierjiang NAIPISAI, Haokui YAN, Abulimiti BUMALIYA, Danqi WANG, Mei XIANG, Huan AN. Spectrum and Dissociation Characteristics of CHBr₃ Molecule Under External Electric Fields[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(5): 624-630.

图/表 20

图1 无外电场下的CHBr3分子基态稳定构型

Fig.1 The stable ground state configuration of CHBr3 molecule without external electric field

表1 不同方法优化CHBr3分子基态结构

Table 1 Ground state structures of CHBr3 molecules with different optimization methods

Method	1C-4Br/nm	1C-2H/nm	A(5, 1, 4)/(°)	A(2, 1, 4)/(°)	μ/Debye
HF/6-311G	0.195 426	0.106 467	112.162 71	106.623 37	1.345 5
B3LYP/6-31G+(d, p)	0.198 301	0.108 234	111.311 65	107.795 5	0.925 1
B3LYP/6-311G++(d, p)	0.198 301	0.108 234	111.311 65	107.694 7	0.965 4
Experimental^[13]					0.99

表2 外电场下CHBr3分子的键长、偶极矩和总能量

Table 2 Bond lengths, dipole moment and total energy of CHBr3 molecules under external electric fields

F/(a.u.)	1C-4Br/nm	1C-2H/nm	μ/Debye	E/(a.u.)
0	0.195 234	0.108 093	0.965 4	-7 761.141 067
0.005	0.197 308	0.108 094	1.506 9	-7 761.142 198
0.01	0.200 097	0.108 09	2.564 5	-7 761.145 656
0.015	0.204 116	0.108 083	3.867 7	-7 761.151 64
0.02	0.211 896	0.108 052	5.642 7	-7 761.160 666

图2 外电场下CHBr3分子的键长

Fig.2 Bond length of CHBr3 molecule under external electric fields

图3 外电场下CHBr3分子的偶极矩

Fig.3 Dipole moment of CHBr3 molecule under external electric fields

图4 外电场下CHBr3分子的总能量

Fig.4 Total energy of CHBr3 molecule under external electric fields

表3 外电场下CHBr3分子的电荷分布

Table 3 Charge distribution of CHBr3 molecule under external electric fields

F/(a.u.)	C	Br
0	-0.293	0.017
0.005	-0.292	-0.054
0.01	-0.289	-0.131
0.015	-0.284	-0.217
0.02	-0.275	-0.331

图5 外电场下CHBr3分子的电荷分布

Fig.5 Charge distribution of CHBr3 molecule under external electric fields

表4 外电场下CHBr3分子的最低空轨道能量、最高占据轨道能量和能隙

Table 4 The lowest empty orbital energy, the highest occupied orbital energy and energy gap of CHBr3 molecules under external electric fields

F/(a.u.)	E_L/(a.u.)	E_H/(a.u.)	E_G/eV
0	-0.091 87	-0.292 25	5.450 336
0.005	-0.093 61	-0.291 9	5.393 488
0.01	-0.099 97	-0.291 18	5.200 912
0.015	-0.112 58	-0.290 88	4.849 76
0.02	-0.133 83	-0.292 9	4.326 704

图6 外电场下CHBr3分子的EL (最低空轨道能量)、EH (最高占据轨道能量)

Fig.6 EL(the lowest empty orbital energy) and EH (the highest occupied orbital energy) of CHBr3 molecule under external electric fields

图7 外电场下CHBr3分子的能隙

Fig.7 Energy gap of CHBr3 molecule under external electric fields

图8 外电场下CHBr3分子的红外光谱

Fig.8 IR spectra of CHBr3 molecule under external electric fields

表5 外电场下CHBr3分子的红外光谱

Table 5 IR spectra of CHBr3 molecule under external electric fields

Vibration	Frequency/cm^-1	Ref.[19]
Cl-Br₃ d-deform	150.53	155 cm^-1
C-Br₃ s-deform	219.15	222 cm^-1
C-Br₃ s-str	527.36	541 cm^-1
C-Br₃ d-str	621.18	669 cm^-1
C-H bend	1 169.83	1 149 cm^-1
C-H str	3 198.23	3 042 cm^-1

图9 外电场下CHBr3分子的CBr3 d-deform振动和CBr3 s-deform振动

Fig.9 CBr3 d-deform vibration and CBr3 s-deform vibration of CHBr3 molecule under external electric fields

图10 外电场下CHBr3分子的CBr3 d-str振动

Fig.10 CBr3 d-str vibration of CHBr3 molecule under external electric fields

图11 外电场下CHBr3分子的拉曼光谱

Fig.11 Raman spectrum of CHBr3 molecule under external electric fields

图12 外电场下CHBr3分子的拉曼光谱

Fig.12 Raman spectrum of CHBr3 molecule under external electric fields

图13 无外电场作用下CHBr3分子的紫外可见光谱

Fig.13 UV-V is spectrum of CHBr3 molecule without external electric field

图14 外电场作用下CHBr3分子的紫外可见光谱

Fig.14 UV-Vis spectrum of CHBr3 molecule under external electric fields

图15 外电场下CHBr3分子1C-4Br键的势能曲线

Fig.15 Potential energy curve of 1C-4Br bond of CHBr3 molecule under external electric fields

参考文献 23

1	丁恩民, 刘炘, 龚伟, 等. 三溴甲烷的毒性作用概述[J]. 中国工业医学杂志, 2016, 29 (5): 356- 358.
2	李永真, 陆永生, 王菲菲, 等. 活性炭对水中多种消毒副产物的吸附及毒性控制[J]. 工业水处理, 2020, 40 (11): 36- 40.
3	翟学东, 刘娟昉, 诸晓平. 海水入侵对澳门供水中三卤甲烷形成的影响[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2006, 22 (1): 24- 27. DOI
4	李城镐, 塔娜. 生活饮用水中三卤甲烷的测定及其致癌风险评估[J]. 理化检验(化学分册), 2018, 54 (12): 1376- 1382. DOI
5	黄君礼, 甘卉芳, 吴坤. 饮用水中典型有机卤代物体外致突变性研究[J]. 环境科学, 1998, 19 (1): 55- 58.
6	李勇. 硅碳烯纳米带的电子结构及电场效应的理论研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2016.
7	孔繁鑫, 王小仡, 杨宏伟, 等. 纳滤控制饮用水中消毒副产物的研究进展[J]. 中国给水排水, 2013, 29 (18): 28- 32.
8	朱丽娟, 杨洁, 接婷, 等. 真空紫外脱卤技术作为总有机卤检测预处理方法的优化研究[J]. 分析试验室, 2021, 40 (7): 6- 7.
9	员建, 夏佰钦, 罗小平, 等. 紫外光/H₂O₂对氯化消毒副产物三溴甲烷、二溴一氯甲烷的去除效果[J]. 环境污染与防治, 2018, 40 (9): 965- 969.
10	吴位巍, 岳莉, 吴学科. PF₃分子在外电场作用下的结构与红外光谱研究[J]. 凯里学院学报, 2020, 38 (6): 20- 23.
11	HE Junbo , LIU Yuzhu , LIN Hua , et al. Molecular structure and spectrum of aflatoxin B1 under external electric fields[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2018, 35 (3): 335- 342.
12	李世雄. 硼富勒烯及内嵌金属硼富勒烯电子结构与光谱特性的第一性原理研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2017.
13	NELSON R. Selected values of electric dipole moments for molecules in the gas phase[M]. The United States, 1967: 15-16.
14	杨涛, 吉俊懿, 邓俊, 等. 外电场下甲醛的分子光谱与解离特性研究[J]. 原子与分子物理学报, 2021, 38 (5): 7- 13.
15	荆涛, 梁冬梅. 外电场下HNO分子结构和光谱性质的研究[J]. 凯里学院学报, 2021, 39 (6): 14- 20.
16	张翔云, 刘玉柱, 尹文怡, 等. 外电场作用下BrCl分子的物理特性与光谱[J]. 计算物理, 2018, 35 (2): 230- 234.
17	刘玉柱, 李相鸿, 王俊锋, 等. 哈龙1301分子在外电场中的光谱特征和解离特性[J]. 光谱学与光谱分析, 2017, 37 (3): 679- 684.
18	李静, 刘玉柱, 程启源, 等. 哈龙1211分子在外电场中的物理特性研究[J]. 原子与分子物理学报, 2017, 34 (6): 1017- 1024.
19	LIDE D R . Takehiko Shimanouchi and the codification of spectroscopic information[J]. Journal of Molecular Structure, 1986, 146 (8): 1- 7.
20	尹文怡, 刘玉柱, 张翔云, 等. SiC在辐射场中的物理特性和光谱研究[J]. 原子与分子物理学报, 2018, 35 (01): 1- 6.
21	尹文怡, 刘玉柱, 林华, 等. GaN在辐射场中的物理特性和光谱研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018, 38 (1): 21- 25.
22	段逸群, 刘玉柱, 李静, 等. CF_3I分子在外电场中的物理和光谱性质研究[J]. 原子与分子物理学报, 2018, 35 (5): 719- 724.
23	王啸卿, 刘玉柱, 李相鸿, 等. 外电场下氯甲烷的光谱和解离特性[J]. 大气与环境光学学报, 2017, 12 (3): 195- 201.

[1]	詹泓飞, 蔡振宁, 胡光辉. 基于虚时间演化与谱方法的一类基态Wigner函数计算方法[J]. 计算物理, 2022, 39(6): 651-665.
[2]	吉航, 孙仲谋, 周卓彦, 刘玉柱. 外电场对CO分子及离子性质的调制和降解[J]. 计算物理, 2022, 39(3): 327-334.
[3]	高慧, 杨在发, 赵敬芬, 袁慧敏, 刘志娥, 赵显. 第一性原理研究Nb、Sn、Cu、Fe和Cr对Zr (0001)晶面抗疖状腐蚀性能的影响[J]. 计算物理, 2022, 39(1): 101-108.
[4]	周卓彦, 刘玉柱, 陈宇, 张昕阳, 孙卓怡. 丙烯醛在外电场中的解离性质[J]. 计算物理, 2021, 38(6): 722-728.
[5]	柴汝宽, 刘月田, 杨莉, 张艺馨, 辛晶, 马晶. 两种不同极性有机小分子在方解石(104)面吸附的密度泛函研究[J]. 计算物理, 2020, 37(2): 221-230.
[6]	陈余, 邢永明. 静水压力对Al₁₄Mn₂P₁₆磁光性质影响的密度泛函理论研究[J]. 计算物理, 2020, 37(2): 231-239.
[7]	尹海峰, 曾春花, 陈文经. 二维二元碳化硅纳米结构的等离激元激发[J]. 计算物理, 2019, 36(5): 603-609.
[8]	何志伟, 张秀荣. (BN)₂₅团簇的结构与性能[J]. 计算物理, 2019, 36(2): 219-224.
[9]	周康, 冯庆, 田芸, 李科, 周清斌. 过渡金属Cu、Cr掺杂TiO₂表面氧化性气体NO₂光学气敏传感特性[J]. 计算物理, 2018, 35(6): 702-710.
[10]	王啸卿, 刘玉柱, 尹文怡, 李金花. 电场作用下溴甲烷的光谱和解离特性[J]. 计算物理, 2018, 35(5): 619-625.
[11]	谢建明, 陈红霞, 庄国策. Mn掺杂(ZnSe)₁₂团簇物性研究[J]. 计算物理, 2018, 35(4): 481-486.
[12]	李大伟, 高云亮, 朱芫江, 李进平. Ga掺杂δ-Pu的密度泛函理论计算[J]. 计算物理, 2018, 35(4): 487-493.
[13]	何君博, 刘玉柱, 林华, 葛英健, 韩顺. 外电场作用下黄曲霉素B₁的分子结构和光谱[J]. 计算物理, 2018, 35(3): 335-342.
[14]	林艳, 刘芸, 彭清维, 魏晓楠, 唐延林. 基于密度泛函理论的5~10元瓜环结构参数与前线轨道的计算[J]. 计算物理, 2018, 35(2): 221-229.
[15]	张翔云, 刘玉柱, 尹文怡, 马馨宇, 秦朝朝. 外电场作用下BrCl分子的物理特性与光谱[J]. 计算物理, 2018, 35(2): 230-234.

外电场下CHBr₃分子的光谱和解离特性

Spectrum and Dissociation Characteristics of CHBr₃ Molecule Under External Electric Fields

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