星際空間中某些含硫分子生成機(jī)理的理論研究.pdf

1、星際分子及其譜線的發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為20世紀(jì)60年代天文學(xué)上的四大發(fā)現(xiàn)之一.至今科學(xué)家已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了160多種星際分子.其中包含的元素種類也延伸到 H、C、N、P、S、O等許多在地球上廣泛存在的生命元素.在物質(zhì)極其稀薄和極端低溫的苛刻條件下,對(duì)這些星際分子形成和轉(zhuǎn)化過(guò)程的研究對(duì)于推斷恒星的早期形成演化過(guò)程和生命的起源有重要的意義.怎么樣利用實(shí)驗(yàn)室的條件來(lái)模擬這些星際分子,自由基或者離子的形成及消耗過(guò)程,長(zhǎng)期以來(lái)一直是天體物理化學(xué)家和實(shí)驗(yàn)化學(xué)家的

2、研究方向和目標(biāo),現(xiàn)在這方面的工作已經(jīng)開(kāi)展得非常廣泛和深入,并形成了一門交叉學(xué)科“星際化學(xué)”.近年來(lái),人們對(duì)星際分子的觀測(cè)和討論取得了顯著進(jìn)展,尋找和確認(rèn)新的復(fù)雜星際分子并理解其形成和演化過(guò)程成為天文、物理和化學(xué)等多領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn).
　　近幾十年來(lái),星際分子的結(jié)構(gòu),光譜性質(zhì)和形成的研究一直吸引著化學(xué)工作者的關(guān)注,但其中多是關(guān)于含 C、H、N、O等分子的報(bào)道很少見(jiàn)有含硫分子或者離子的報(bào)道.最近十年來(lái)含硫星際分子才引起了化學(xué)工作者的廣泛

3、興趣,包括硫碳簇的穩(wěn)定性等等.到目前為止,H2CS、CH3SH、CS2等等這些含硫星際分子已在星際中相繼觀測(cè)到,但關(guān)于它們形成的機(jī)理研究甚少.因此從理論上詳細(xì)研究這些物質(zhì)形成的機(jī)理是一件非常有意義的工作.
　　因此本文將深入得探討在星際空間中一些含硫元素的分子如 H2CS、CS2、CH3SCHO等它們可能的形成途徑,以及星際空間中一些小分子如 H2O、HF、HCN、NH3等對(duì)生成這些分子的催化作用.
　　綜合以上幾點(diǎn),在查閱

4、文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文采用量子化學(xué)中的密度泛函方法,在B3LYP/6-311+G**水平上,對(duì)星際空間中某些含硫分子形成機(jī)理及在小分子H2O、HCN、HF、NH3等催化作用下的形成機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。研究的具體內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn):
　　1.H2CS形成的機(jī)理研究
　　本文采用密度泛函理論,在B3LYP/6-311+G**理論水平上,系統(tǒng)研究了CS和H2分子的反應(yīng),同時(shí)研究了在星際空間中的小分子 H2O、HF、NH3、HCN催化作

5、用下 CS和H2的反應(yīng),計(jì)算了反應(yīng)的過(guò)渡態(tài),并從活化能的角度對(duì)這些小分子的催化效能進(jìn)行了比較.計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　1.1在無(wú)催化劑下,碳化硫與氫氣分子反應(yīng)的能壘較高,通常情況下很難發(fā)生,且反應(yīng)為放熱反應(yīng).但星際介質(zhì)中的小分子 H2O、HF、NH3等通過(guò)氫鍵作用對(duì)反應(yīng)起到了很好的催化作用.并且從理論上隨著參與反應(yīng)的小分子數(shù)目的增加,催化效能增強(qiáng),反應(yīng)的勢(shì)壘明顯降低.
　　1.2經(jīng)計(jì)算,星際空間中能形成氫鍵的小分子 H2O、HF

6、、NH3對(duì)反應(yīng)都有催化作用,但催化能力不同,氟化氫和氨氣分子的催化效能相差無(wú)幾,但它們的催化作用比水分子要好.具體的催化效能順序依次為:3HF>3H2O>2HF>2H2O>HF>NH3>H2O.
　　2. HCOOCH3和CH3SCHO形成的機(jī)理研究
　　2.1以星際空間存在的一氧化碳和甲醇作為反應(yīng)物,并用星際空間中存在的小分子H2O、HF作催化劑,研究它們對(duì)反應(yīng)的催化效能及在星際空間中形成甲酸甲酯的可能性。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)小分

7、子的催化效能依次為3HF>2HF>3H2O>2H2O>HF>H2O.
　　2.2以CH3SH和CO為反應(yīng)物,用H2O、HCN、NH3、HF作為為催化劑,找出各反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)并通過(guò)IRC進(jìn)行驗(yàn)證,最后從活化能的角度來(lái)比較活化能勢(shì)壘,研究這些小分子可能的催化作用.計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)小分子的催化效能依次為3HF>2HF>3H2O>2H2O>NH3>HF>H2O>HCN.
　　3.CS2形成機(jī)理的研究
　　以CS和H2S為反應(yīng)物,分別

8、用H2O、2H2O、HF、2HF作催化劑,采用量子力學(xué)計(jì)算方法研究它們對(duì)反應(yīng)的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　3.1在無(wú)催化劑下,碳化硫與硫化氫氣分子反應(yīng)的能壘較高,通常情況下很難發(fā)生,且生成物的能量比反應(yīng)物能量低,因此反應(yīng)為放熱反應(yīng).通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)星際空間中的小分子H2O、HF通過(guò)氫鍵作用對(duì)反應(yīng)起到了催化作用,但催化作用不是很明顯,催化效果不是特別理想.但從理論上隨著參與反應(yīng)的小分子數(shù)目的增加,催化效能增加,反應(yīng)的勢(shì)壘會(huì)降低.
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