水合硅酸分子電子結構的從頭算與基組效應研究

種晨陽

（西安郵電大學理學院，陜西 西安710121）

水合硅酸分子是硅酸鹽系列中的一部分，屬于簡單的小分子類別，為了能夠進一步實現硅酸鹽材料的設計，需要在聚硅酸分子聚合后，研究水合硅酸分子的電子結構[1]。目前，理論上可以使用半經驗方法進行計算，還可以使用小基礎從頭算計算水合硅酸分子的電子結構。為了研究基集效應，應使用百分比基礎集（例如最小基礎和擴展基礎）進行計算，通過深入研究確定計算方法。

1 水合硅酸的形成

中國鋁土礦具有高硅、高鋁的特點，高品位鋁土礦每天都在消耗，因此，尋找對鈉和硅渣更經濟的處理方法變得非常迫切，鈉硅渣經濕法加工，制成硅向水合硅酸的轉化是研究的熱點和難點[2]。例如高壓水化學法，主要技術路線是將硅轉化為水合硅酸或水合榴石，形成的含硅化合物少于堿和氧化鋁，其中氧化鋁回收率約為70%，堿的回收率大于80%。

2 水合硅酸分子電子結構的從頭算方法

水合硅酸分子電子結構的從頭算方法可以使用GAMFSS程序分析水合硅酸分子，通過電子結構的計算，可以確?；鶖挡捎昧薙TO-GTO系統。從頭算就是分別在最小基中選擇了STO-3G與STO-6G，通過選擇分組可以擴展基礎組，在分裂價基中選擇3-21G、6-21G與6-31G，然后在解析能量梯度方法的分子優化系統平衡幾何構型，最后在擴展基中選擇6-31G*與6-31G**，使用構型階段交互方法和系統能源進行校準控制，主要控制分子軌道圖并確定分子軌道能級的變化，通過激發態能量可以對總能量和分子軌道等方面討論分子系統的基集效應。

3 水合硅酸分子電子結構基組效應研究

3.1 水合硅酸分子幾何模型

表1是水合硅酸分子的鍵參數與基組效應，通過對分子的優化可以確保每個鍵的長度基本相同，每個鍵的長度相差并不大。在對不同基組優化后可以得到Si（OH）4分子平衡幾何。從類型綁定參數可以看出，幾何構型已通過最小基礎，并進行了優化。結合角的計算也是如此，通過使用基本集合優化模型，導致較大聚硅酸分子的結果不同，在特定計算基礎下，有必要對特定分子系統進行計算線分析[3]。

表1 水合硅酸分子的鍵參數與基組效應

3.2 水合硅酸分子軌道能級

表2是水合硅酸分子電子軌道能級與基組效應，使用計算分子的前線軌道可以看出，由原子所組成的“反鍵”軌道能級較高，導致電子具有更高的激發能力，分子相對穩定[4]。同時，使用不同基集所獲得的兩者交錯H軌道是相同的，主要是通過基組獲得的，其中一個是并排的，另一個是頭對頭形式，并且基礎集中有兩對并排形式，隨著基礎集的增加，軌道分量和原子軌道分量逐漸減少，原子軌道組成逐漸增加。

表2 水合硅酸分子電子軌道能級與基組效應

表2（續）

3.3 水合硅酸分子系統能夠相關校正

表3 是水合硅酸分子的基態能量與基組效應，隨著基礎計算期間基數的增加，分子系統所產生的能量也會越來越低，在此基礎上，分子應盡可能使用基礎集，由基礎集計算出的能量比更高，對系統能量有更大影響，但使用的幾何配置參數不足，導致子系統能量較低，因此，從更接近描述使用的各種基集及其校正能量值可以看出，基數越小，相關能量的校正效果越好[5]。從水合硅酸分子系統能夠相關校正的計算可以看出，基態系統的基數越大，系統能量越低，因此，應該增加基礎集以顯著改善能量計算。

表3 水合硅酸分子的基態能量與基組效應（單位：eV）

4 結束語

水合硅酸分子電子結構從頭算是通過不同的基集進行從頭算，可以用于優化平衡幾何配置的結構。在計算系統能量期間，應考慮極化和相關能量校正，進而使用基集加法的方法，綜合考慮基集效果確定使用的基集，執行分子系統從頭算，以有效分析水和硅酸分子電子結構的基組效應。