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Título: Estudo dos efeitos dos conjuntos de base sobre a descrição da estrutura eletrônica molecular e do espalhamento elétron-molécula: H2, N2 e O2
Título(s) alternativo(s): Study of the effects of basis sets on the description of the molecular electronic structure and electron-molecule scattering: H2, N2 e O2
Autor(es): Azzolini, Natielle
Orientador(es): Weiss, Luciara Indrusiak
Palavras-chave: Química quântica
Estrutura molecular
Frações contínuas
Quantum chemistry
Molecular structure
Continued fractions
Data do documento: 21-Jan-2016
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Referência: AZZOLINI, Natielle. Estudo dos efeitos dos conjuntos de base sobre a descrição da estrutura eletrônica molecular e do espalhamento elétron-molécula: H2, N2 e O2. 2016. 96 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2016.
Resumo: Este trabalho apresenta uma análise da influência dos conjuntos de base na descrição da estrutura eletrônica molecular, bem como nos resultados do cálculo de espalhamento elétron-molécula, aplicada às moléculas de hidrogênio, nitrogênio e oxigênio. Secundariamente, são apresentadas comparações entre métodos semiempíricos pela aplicação de dois softwares: GAMESS e MOPAC. Foram calculadas as energias totais e orbitais, pelo método HF-SCF, os potenciais estáticos, via método ab initio, os potenciais modelo de correlação-polarização e de absorção e as seções de choque diferenciais elásticas, pelo Método das Frações Continuadas, a partir de um conjunto variado de bases atômicas. As seções de choque foram calculadas para as energias de incidência de 30 e 100 eV, pelas abordagens PET-PCoPol e PET-PAb, respectivamente. Os efeitos dos conjuntos de base sobre os cálculos de espalhamento foram avaliados pela metodologia de análise de componentes principais (ACP), que se mostrou eficiente ao explicar de 83,6 a 99,7 % da variância total dos dados, por meio de duas componentes principais. O Método das Frações Continuadas apresentou uma excelente concordância com os dados experimentais para o espalhamento e-H2, e uma boa concordância com os dados experimentais para e-N2. Os potenciais de interação, descreveram bem o comportamento esperado. Em todos os casos, os conjuntos de base mínimos, MINI para H2 e STO-6G para N2 e O2, apresentaram comportamento anômalo em relação aos demais. Nesse sentido, as seções de choque mostraram-se sensíveis, em maior ou menor grau, às diferenças presentes nos potenciais de interação a ela associados. Além disso, na maior parte dos casos, foram observadas e constatadas, através da análise de ACP, correlações entre os conjuntos de base DZ, ADZ e UGBS (e STO-6G, no caso do H2) e entre os conjuntos de base DZP e 6-311++G(2d,2p) (e Base1, no caso do N2). Com relação à estrutura eletrônica molecular, obteve-se uma melhora contínua das energias totais moleculares com o aumento dos conjuntos de bases, como esperado. Entretanto, o comportamento análogo dos métodos semiempíricos não foi observado. Em geral, os melhores resultados foram obtidos pelos métodos MNDO e AM1. De maneira geral, houve boas ou razoáveis concordâncias entre as energias orbitais obtidas via método ab initio e via métodos semiempíricos. As inversões em energia ocorridas entre os orbitais 1πu e 3σg do N2, foram associadas à negligência dos efeitos de correlação eletrônica, constituindo, portanto, em uma falha intrínseca do método HF-SCF. Além disso, obteve-se uma ótima concordância entre as propriedades moleculares calculadas pelos softwares GAMESS e MOPAC, na abordagem semiempírica.
Abstract: This paper presents an analysis of the influence of basis sets on the description of the molecular electronic structure and in calculation results of electron-molecule scattering applied to molecules of hydrogen, nitrogen and oxygen. Secondly, comparisons are presented between semiempirical methods for the application of two software: GAMESS and MOPAC. Total and orbital energies were calculated by the HF-SCF method, the static potential via ab initio method, potential-model correlation-polarization and absorption and elastic cross sections differential by Method of Continued Fractions, from a wide range of atomic bases. The cross sections were calculated for the incidence energy of 30 and 100 eV, in approaches the SEP-CoPolP and SEP-AbP, respectively. The effects of basis sets for scattering calculations were evaluated by Principal Component Analysis (PCA), which proved to be efficient to explain 83.6 to 99.7% of the total variance of the data, through two principal components. The Method of Continued Fractions showed excellent agreement with experimental data for e-H2 scattering, and a good agreement with the experimental data for e-N2. The interaction potentials described well the expected behavior. In all cases, base sets MINI for H2 and STO-6G for N2 and O2, showed anomalous behavior in relation to others. In this sense, the cross sections were sensitive to a greater or lesser extent, to these differences in potential of interaction associated with it. Moreover, in most cases, correlations were observed and detected by PCA analysis between basis sets DZ, ADZ and UGBS (and STO-6G, in the case of H2) and between the DZP and 6-311++G(2d, 2p) basis sets (and Base1, in the case of N2). Regarding the molecular electronic structure, we obtained a continuous improvement of the molecular total energies with increasing sets of bases, as expected. However, the semiempirical methods analogous behavior was observed. In general, the best results were obtained by MNDO and AM1. Overall, there was good and reasonable agreements between the orbital energies obtained via ab initio and semiempirical methods. The inversions energy occurred between orbital 1πu and 3σg for N2, were linked to the neglect of the effects of electron correlation, and therefore is in an intrinsic failure of the HF-SCF method. In addition, we obtained a good agreement between the molecular properties calculated by GAMESS and MOPAC software in semiempirical approach.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/6982
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