Нейросети наносят ответный удар
Квантово-химические расчеты как хобби. Часть 3

(Это часть третья, первую можно посмотреть по ссылке, вторую - здесь)


Не совсем та третья часть, о которой я думал после зимних каникул, но тем не менее)
В первой части я попробовал рассчитать энергетический профиль реакции, между молекулой метана и гидроксильным радикалом. Потом подумал, а что еще можно похожего рассмотреть?
Потом мне в голову пришла мысль, а не посмотреть ли мне на реакцию молекулы воды с атомом фтора. Сказано – дождался летних каникул – сделано. Такой входной файл в Orca
! B3LYP SV(P) Opt TightSCF SlowConv

%geom
 Scan
   B 1 3 = 4.0, 0.7, 100
 end
end

* xyz 0 2
O     0.000000   0.0000000.000000
H     0.960000   0.0000000.000000
H    -0.240000   0.9300000.000000
F     4.000000   0.0000000.000000
*
Сканирует длину связи между атомами 1 и 3 (нумерация атомов с нуля), остальные позиции атомов оптимизируются до минимума по энергии. Я начинаю с 4 ангстрем, заканчиваю на 0.7, прогоняю 100 шагов, потом питоном делаю из выходных данных картинку.
Рисунок 1. Зависимость энергии системы от расстояния между атомами фтора и водорода в системе H2O + F. Можно заметить глобальный минимум на расстоянии H-F порядка 0.9 ангстрем, как в молекуле.
На рисунке 1 полученная зависимость – на ней зияет разрыв. Объяснение простое – молекула воды повернулась при оптимизации, но выглядит не очень.

Перезапустил процесс, повернув молекулы так, как они у меня в конце первого расчета встали, но получилось так, что перескочил атом водорода, расстояние до которого я не фиксировал, полученный скачок на рисунке 2 – как раз-таки результат такого перехода атома водорода.
Рисунок 2. Зависимость энергии системы от расстояния между атомами фтора и водорода в системе H2O + F при втором расчете.
Пришел к выводу, что для красивых картинок надо брать более простые системы, например, из трех атомов. Мне приглянулась реакция HCl +F = HF + Cl. Выставил все три атома на одну прямую и запустил аналогичный расчет.
! B3LYP SV(P) Opt TightSCF SlowConv

%geom
  Scan
    B 1 2 = 4.0, 0.8, 90
  end
end

* xyz 0 2
Cl     0.000000    0.000000    0.000000
H      1.270000    0.000000    0.000000
F      5.270000    0.000000    0.000000
*
Рисунок 3. Зависимость энергии системы от расстояния между атомами фтора и водорода в системе HCl +F.

По справочным данным изменение энергии для такого процесса примерно 137 кДж/моль, по моей картинке получилось 130.6 кДж/моль. Мне кажется, что это неплохо для такой простой комбинации базиса и метода, плюс вполне вероятно, что атом хлора не до конца отошел от молекулы фтороводорода, скорее всего, там есть ВдВ взаимодействия между ними. Кстати, по поводу Ван-дер-Ваальса. Я вижу минимум на расстоянии порядка 2 ангстрем, есть подозрение, что это ВдВ комплекс с энергией связи около 10 кДж/моль.

Вроде все хорошо, но мне не очень нравится, что при приближении геометрии к равновесной для молекулы фтороводорода энергия сильно скачет. Конечно, какой-либо дополнительной структуры, немонотонного поведения, не ожидается, но для порядка захотелось это поправить.

С помощью ChatGPT написал скрипт на питоне, который читает подряд файлы с оптимизированными на каждом шаге геометриями и энергиями. Если у двух соседних файлов разница по энергии больше 5 кДж/моль, то он берет промежуточную геометрию и запускает аналогичный предыдущим расчет в Orca с фиксированным расстоянием между атомами фтора и водорода. Если полученное значение энергии снова не удовлетворяет моему правилу в отличие в 5 кДж/моль от соседей, то процесс повторяется до получения достаточно гладкой кривой, как на рисунке 4.
Рисунок 4. Зависимость энергии системы от расстояния между атомами фтора и водорода в системе HCl + F. Дополнил точками, см текст.
В итоге, в самых чувствительных местах шаг изменения расстояний опустился примерно до 0.2 пм (1 пм = 1 пикометр = 0.001 нм = 10-12 м).

Вот эта, четвертая картинка, мне уже по нраву)

Спасибо вам, Вам и тебе за внимание)