星際空間中某些含硫分子生成機理的理論研究.pdf

1、星際分子及其譜線的發(fā)現被譽為20世紀60年代天文學上的四大發(fā)現之一.至今科學家已經陸續(xù)發(fā)現了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.在物質極其稀薄和極端低溫的苛刻條件下,對這些星際分子形成和轉化過程的研究對于推斷恒星的早期形成演化過程和生命的起源有重要的意義.怎么樣利用實驗室的條件來模擬這些星際分子,自由基或者離子的形成及消耗過程,長期以來一直是天體物理化學家和實驗化學家的

2、研究方向和目標,現在這方面的工作已經開展得非常廣泛和深入,并形成了一門交叉學科“星際化學”.近年來,人們對星際分子的觀測和討論取得了顯著進展,尋找和確認新的復雜星際分子并理解其形成和演化過程成為天文、物理和化學等多領域關注的熱點.
　　近幾十年來,星際分子的結構,光譜性質和形成的研究一直吸引著化學工作者的關注,但其中多是關于含 C、H、N、O等分子的報道很少見有含硫分子或者離子的報道.最近十年來含硫星際分子才引起了化學工作者的廣泛

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到,但關于它們形成的機理研究甚少.因此從理論上詳細研究這些物質形成的機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等對生成這些分子的催化作用.
　　綜合以上幾點,在查閱

4、文獻的基礎上,本文采用量子化學中的密度泛函方法,在B3LYP/6-311+G**水平上,對星際空間中某些含硫分子形成機理及在小分子H2O、HCN、HF、NH3等催化作用下的形成機理進行系統(tǒng)研究。研究的具體內容主要包括以下幾點:
　　1.H2CS形成的機理研究
　　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,同時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,計算了反應的過渡態(tài),并從活化能的角度對這些小分子的催化效能進行了比較.計算結果發(fā)現:
　　1.1在無催化劑下,碳化硫與氫氣分子反應的能壘較高,通常情況下很難發(fā)生,且反應為放熱反應.但星際介質中的小分子 H2O、HF、NH3等通過氫鍵作用對反應起到了很好的催化作用.并且從理論上隨著參與反應的小分子數目的增加,催化效能增強,反應的勢壘明顯降低.
　　1.2經計算,星際空間中能形成氫鍵的小分子 H2O、HF

6、、NH3對反應都有催化作用,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形成的機理研究
　　2.1以星際空間存在的一氧化碳和甲醇作為反應物,并用星際空間中存在的小分子H2O、HF作催化劑,研究它們對反應的催化效能及在星際空間中形成甲酸甲酯的可能性。計算結果發(fā)現小分

7、子的催化效能依次為3HF>2HF>3H2O>2H2O>HF>H2O.
　　2.2以CH3SH和CO為反應物,用H2O、HCN、NH3、HF作為為催化劑,找出各反應的過渡態(tài)并通過IRC進行驗證,最后從活化能的角度來比較活化能勢壘,研究這些小分子可能的催化作用.計算結果發(fā)現小分子的催化效能依次為3HF>2HF>3H2O>2H2O>NH3>HF>H2O>HCN.
　　3.CS2形成機理的研究
　　以CS和H2S為反應物,分別

8、用H2O、2H2O、HF、2HF作催化劑,采用量子力學計算方法研究它們對反應的影響.結果發(fā)現:
　　3.1在無催化劑下,碳化硫與硫化氫氣分子反應的能壘較高,通常情況下很難發(fā)生,且生成物的能量比反應物能量低,因此反應為放熱反應.通過計算發(fā)現星際空間中的小分子H2O、HF通過氫鍵作用對反應起到了催化作用,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的小分子數目的增加,催化效能增加,反應的勢壘會降低.
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