量子化學(xué)應(yīng)用
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量子化學(xué)應(yīng)用范文第1篇
摘要：本文針對大學(xué)化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，從四個方面探討了量子化學(xué)計(jì)算軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用實(shí)例。運(yùn)用形象直觀的量子化學(xué)軟件，結(jié)合多媒體教學(xué)手段，將枯燥、深奧、抽象的化學(xué)知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生建立形象思維，使學(xué)生進(jìn)入一種喜聞樂見、生動活潑的學(xué)習(xí)氛圍，從而開拓學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。結(jié)果表明，該方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時也豐富了大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)方法。
關(guān)鍵詞：量子化學(xué)；密度泛函理論；計(jì)算化學(xué)；Gaussian 09
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0176-04
傳統(tǒng)的化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾千年的時間。發(fā)展至今，化學(xué)科學(xué)已經(jīng)成為了包含有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、分析化學(xué)、實(shí)驗(yàn)化學(xué)、理論化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、精細(xì)化學(xué)、材料化學(xué)等眾多子學(xué)科的中心學(xué)科。在大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)理論的教學(xué)中，涉及很多抽象的化學(xué)知識和概念，比如原子、分子及晶體結(jié)構(gòu)等，無法通過肉眼進(jìn)行直接觀測，而且微觀結(jié)構(gòu)難以用宏觀模型進(jìn)行科學(xué)的描述。傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿足學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的需求，這就需要引入新型的先進(jìn)教學(xué)方法和手段。上個世紀(jì)20年代開始形成了一門新的化學(xué)子學(xué)科――量子化學(xué)。量子化學(xué)是用量子力學(xué)原理研究原子、分子和晶體的電子層結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論、分子間作用力、化學(xué)反應(yīng)理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機(jī)和有機(jī)化合物、生物大分子和各種功能材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的科學(xué)[1]。理論與計(jì)算化學(xué)能滲透到化學(xué)領(lǐng)域的很多方面，與其他學(xué)科交叉，并形成了很多分支學(xué)科，例如：物理化學(xué)方面，我們可以通過量子化學(xué)方法計(jì)算分子的熱力學(xué)性質(zhì)、動力學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、固體的化學(xué)成鍵性質(zhì)等，從而形成了量子電化學(xué)、量子反應(yīng)動力學(xué)等子學(xué)科；在有機(jī)化學(xué)方面，可以通過量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測異構(gòu)體的相對穩(wěn)定性、反應(yīng)中間體性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理與譜學(xué)性質(zhì)（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機(jī)化學(xué)；在分析化學(xué)方面，可以借助于計(jì)算化學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)光譜的解析等；無機(jī)化學(xué)方面，可以進(jìn)行過渡金屬化合物的成鍵性質(zhì)的解析等，并形成了量子無機(jī)化學(xué)；在生物化學(xué)領(lǐng)域中，也可以通過理論計(jì)算研究生物分子活性中心結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)環(huán)境效應(yīng)、酶與底物相互作用等，并逐漸產(chǎn)生了量子生物化學(xué)。隨著計(jì)算量子化學(xué)方法與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，本世紀(jì)有望在復(fù)雜體系的精確量子化學(xué)計(jì)算研究方面取得較大進(jìn)展，從而更好地從微觀角度去理解和預(yù)測宏觀化學(xué)現(xiàn)象。本文通過四個教學(xué)實(shí)例，運(yùn)用形象直觀的量子化學(xué)軟件，結(jié)合多媒體教學(xué)手段，將枯燥、深奧、抽象的化學(xué)知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生建立形象思維，使學(xué)生進(jìn)入一種喜聞樂見、生動活潑的學(xué)習(xí)氛圍，從而開拓學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。結(jié)果表明，該方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時也豐富了大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)方法。
一、常用量子化學(xué)軟件Gaussian/GaussView簡介
Gaussian軟件是一個功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統(tǒng)中運(yùn)行，是在半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算中使用最為廣泛的計(jì)算化學(xué)軟件之一。該軟件可以計(jì)算分子的能量和結(jié)構(gòu)、鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等。該軟件的量子化學(xué)計(jì)算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預(yù)測周期體系的能量，結(jié)構(gòu)和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、勢能曲面和激發(fā)能等等，因此我們可以從微觀角度去理解和預(yù)測很多宏觀的化學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)象。Gaussian計(jì)算軟件經(jīng)常與相應(yīng)的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。
二、量子化學(xué)理論及軟件在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例
1.分子穩(wěn)定性預(yù)測。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉(zhuǎn)，因而理論上可以形成順式和反式異構(gòu)體。那么兩種異構(gòu)體的熱力學(xué)穩(wěn)定性如何？我們可以通過理論計(jì)算給出合理的預(yù)測。運(yùn)用密度泛函理論（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我們分別優(yōu)化了順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)，并做了頻率分析。頻率計(jì)算無虛頻，說明所得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均為最小點(diǎn)。圖1給出了B3LYP/6-31G*優(yōu)化得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結(jié)構(gòu)和相對應(yīng)的分子的能量。理論計(jì)算結(jié)果表明，相對于順式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大約低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的熱力學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)，這就解釋了為什么實(shí)驗(yàn)上沒有發(fā)現(xiàn)順式-1，3丁二烯構(gòu)象的存在。
2.分子的紅外吸收光譜和振動模式。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動能級不同，化學(xué)鍵具有不同的頻率。因此，通過理論上的頻率計(jì)算，就可以相應(yīng)地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實(shí)驗(yàn)得到的紅外光譜進(jìn)行比較。以最常見的H2O為例，基于水分子穩(wěn)定點(diǎn)，通過DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計(jì)算了H2O分子的頻率，并得到了相應(yīng)的紅外光譜圖。如圖2所示，在計(jì)算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個吸收峰，理論值與實(shí)驗(yàn)值（括號內(nèi)的數(shù)值）是一致的。并且按照波數(shù)從小到大，分別對應(yīng)H2O分子中O-H鍵的三種振動模式，分別是剪式振動，對稱性伸縮振動，非對稱的伸縮振動模式。通過理論計(jì)算和圖形界面的動畫演示，有利于加強(qiáng)學(xué)生對紅外光譜的理解。
3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。分子軌道理論是指當(dāng)原子組合成分子時，原來專屬于某個原子的電子將在整個分子范圍內(nèi)運(yùn)動，其軌道也不再是原來的原子軌道，而成為整個分子所共有的分子軌道。關(guān)于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數(shù)學(xué)的角度學(xué)生難以理解[3，4]。如果能夠結(jié)合量子化學(xué)軟件將分子軌道圖形化，有助于學(xué)生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計(jì)算為例，簡單說明量子化學(xué)在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。苯分子中有6個碳原子，6個π電子。這6個π電子雜化成6個π型分子軌道，其中三個成鍵軌道三個反鍵軌道。圖3是通過Gaussian 09軟件，在B3LYP/6-31G*水平計(jì)算得到苯分子的所有π型軌道，并通過GaussView可視化軟件，將這6個π軌道顯示出來。從圖3中可以看出，這6個π型分子軌道的節(jié)面數(shù)分別是0，1，2或3。這6個π型軌道共有四個能級，節(jié)面為1和2的分子軌道，分別有兩個簡并能級。
4.溶劑化顯色效應(yīng)的模擬及其機(jī)理解釋。溶劑分子能引起溶質(zhì)吸收帶的位置，強(qiáng)度，甚至譜線形狀的變化[5]。這種現(xiàn)象稱為溶劑化顯色現(xiàn)象。在從微觀結(jié)構(gòu)研究溶劑對噻吩類化合物結(jié)構(gòu)及性能影響方面，理論計(jì)算起著越來越重要的作用。圖4（a）展示了含時密度泛函（TD-DFT）方法計(jì)算得到的齊聚噻吩的吸收光譜圖，譜線按Lorentzian線形展開，從氣相到強(qiáng)極性的水溶液，聚噻吩的吸收光譜發(fā)生了紅移現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。根據(jù)Frank-Condon原理，垂直激發(fā)通常伴隨著電荷的重新分布，因此激發(fā)過程可能會導(dǎo)致溶質(zhì)偶極矩和能量發(fā)生變化?；诖?，我們采用完全活性空間自洽場方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分別計(jì)算了二噻吩氣相與溶液中基態(tài)和第一單重激發(fā)態(tài)的能量。如圖4（b）所示，隨著溶劑極性的增加，基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量均隨著溶劑極性增加而降低，但是激發(fā)態(tài)的能量降低的比基態(tài)的能量降低的要多一些，從而從本質(zhì)上解釋了噻吩吸收光譜發(fā)生紅移的原因[6]。
運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結(jié)合多媒體技術(shù)，將大學(xué)化學(xué)教學(xué)中抽象難懂的化學(xué)知識以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現(xiàn)出來，有利于學(xué)生更加深入形象地理解化學(xué)知識，還能提高學(xué)習(xí)效率，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣具有顯著的促M(fèi)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時也豐富了大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)的方法。
參考文獻(xiàn)：
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量子化學(xué)應(yīng)用范文第2篇
[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)改革；互動教學(xué)
結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是我國高等學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學(xué)，分子對稱性，配位化學(xué)和晶體學(xué)基礎(chǔ)等部分。該課程內(nèi)容抽象，知識系統(tǒng)龐雜，數(shù)理推導(dǎo)較多，學(xué)習(xí)曲線陡峭，不少學(xué)生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風(fēng)光在險峰，學(xué)好這門課程不僅有助于理解其它化學(xué)課程的內(nèi)容，也是為進(jìn)一步在本專業(yè)深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。[1]在當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革的背景下，如何將結(jié)構(gòu)化學(xué)課程上好，真正做到讓老師強(qiáng)起來，學(xué)生忙起來，效果實(shí)起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進(jìn)行總結(jié)。
1重視數(shù)理，夯實(shí)基礎(chǔ)
結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的一大難點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，譬如量子化學(xué)部分完全使用數(shù)學(xué)語言描述核心知識，而對于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)，數(shù)學(xué)一直是軟肋，于是極容易產(chǎn)生厭學(xué)和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重點(diǎn)介紹推導(dǎo)后的結(jié)論和意義，但我們在授課過程中，發(fā)現(xiàn)這樣的授課方式效果欠佳，因?yàn)榛A(chǔ)不牢，課程的學(xué)習(xí)只能是空中樓閣、風(fēng)中沙塔，很多同學(xué)在課程結(jié)束后還是無法對物理圖像有一個正確的認(rèn)識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認(rèn)為與其淡化數(shù)學(xué)，不如嚴(yán)格要求，把數(shù)學(xué)學(xué)到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用?！闭且?yàn)閿?shù)學(xué)和物理的引入，才讓化學(xué)擺脫了煉金術(shù)的桎梏而成為一門科學(xué)。因此我們在授課時自始至終強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的重要性，在涉及數(shù)學(xué)內(nèi)容較多的章節(jié)，提前講授將要用到的數(shù)學(xué)工具并布置作業(yè)，每章節(jié)結(jié)束后將重要的公式和結(jié)論進(jìn)行串講并配合習(xí)題進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，要求所以學(xué)生每學(xué)完一個章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時總結(jié)復(fù)習(xí)，將重要公式進(jìn)行總結(jié)歸納制作公式索引表格。盡管提升了學(xué)習(xí)的難度，但學(xué)生對于推導(dǎo)的結(jié)果和物理意義理解的更加準(zhǔn)確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。
2理清主線，合理增負(fù)
結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容主要涉及量子化學(xué)基礎(chǔ)，分子對稱性，配位化學(xué)以及晶體學(xué)基礎(chǔ)。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨(dú)立，但所表達(dá)的核心思想是一致的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)也反映著結(jié)構(gòu)。目前授課內(nèi)容主要存在問題是：量子化學(xué)部分各章節(jié)之間主線不夠明確；配位化學(xué)部分和專業(yè)無機(jī)化學(xué)課程內(nèi)容有重疊；晶體學(xué)基礎(chǔ)部分，結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容介紹較多而相關(guān)的性質(zhì)介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理的補(bǔ)充和刪減。首先，對于量子化學(xué)部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學(xué)的誕生背景，量子力學(xué)基本假設(shè)，簡單模型的量子力學(xué)處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節(jié)開始時，我們對之前的內(nèi)容進(jìn)行簡要回顧，幫助學(xué)生理清了各章節(jié)的邏輯關(guān)系，在學(xué)期末復(fù)習(xí)課時對每一個知識點(diǎn)進(jìn)行展開復(fù)習(xí)，進(jìn)行鞏固。配位化學(xué)部分，對于和無機(jī)化學(xué)有重疊的部分，我們通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡要復(fù)習(xí)，同時突出結(jié)構(gòu)化學(xué)的重點(diǎn)，即分子軌道理論在配位化學(xué)的應(yīng)用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構(gòu)型下配體群軌道和中心原子如何依據(jù)對稱性進(jìn)行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生通過知識解決實(shí)際科研問題，真正做到科研反哺教學(xué)。晶體學(xué)部分除了介紹基本知識以外，補(bǔ)充介紹了能帶理論，態(tài)密度等概念，并介紹了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體在電子結(jié)構(gòu)上的差異，這些基礎(chǔ)知識有利于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)在材料化學(xué)方向進(jìn)行科研工作打下基礎(chǔ)。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學(xué)都表示感受到了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)所帶來獲得感和高階樂趣。
3反客為主，多元考核
傳統(tǒng)理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學(xué)生被動填鴨式學(xué)習(xí)，效果較差，也不利于學(xué)生培養(yǎng)綜合能力。針對這些問題，我們開始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法來提高學(xué)生參與性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，表達(dá)能力，獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，這些都是未來創(chuàng)新型人才所具有的重要特質(zhì)。翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容主要涉及三個方面，一個是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中難度較低的幾個章節(jié)，如雙原子分子電子結(jié)構(gòu)，分子對稱性，配位化學(xué)基礎(chǔ)知識等章節(jié)，各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習(xí)以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學(xué)生統(tǒng)一準(zhǔn)備，課堂上抽簽進(jìn)行講解，在授課過程中，要求其他小組必須提問，教師在課程結(jié)束時對各小組所準(zhǔn)備的課件進(jìn)行補(bǔ)充點(diǎn)評，我們也將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)納入了考核評價，提高了課程總結(jié)筆記，課堂提問，翻轉(zhuǎn)課堂課件等分?jǐn)?shù)項(xiàng)的比例。翻轉(zhuǎn)課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思辨精神。
量子化學(xué)應(yīng)用范文第3篇
化學(xué)鍵是理解有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，有機(jī)化學(xué)中最常見的是σ鍵和π鍵，借助于GAMESS－US的計(jì)算結(jié)果可清楚地從三維空間立體顯示σ鍵和π鍵的形成過程。圖1是乙烷中的兩個碳原子在最小基基組下相距不同距離時所對應(yīng)的分子軌道的圖像，從圖中可明顯看出當(dāng)碳原子相距為3倍平衡鍵長(3Re)時，兩個碳原子上的sp3雜化軌道不能有效重疊成鍵;當(dāng)碳原子間距離靠近為2Re時，兩個碳原子的sp3雜化軌道能夠部分重疊形成弱的σ鍵;當(dāng)碳原子間距離靠近到Re時，兩個sp3雜化軌道可最大重疊形成穩(wěn)定的沿鍵軸呈圓柱形對稱的σ鍵。圖2則顯示了乙烯中兩個碳原子上的2pz軌道從相距3Re逐漸靠近到Re按“肩并肩”方式形成成鍵π和反鍵π*軌道的過程。從圖2可明顯看出，π軌道在乙烯平面上的電子云密度為零，而通過兩個位相相反的2pz軌道組合形成的反鍵π*軌道，原子間電子云密度明顯降低。
2構(gòu)象的演示
構(gòu)象是有機(jī)化學(xué)中的一個基本概念，一般是在講述烷烴的時候引入。這里以正丁烷中C2－C3單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)為例來說明如何通過量子化學(xué)計(jì)算直觀解釋構(gòu)象以及構(gòu)象間的相互轉(zhuǎn)換這些概念。圖3是正丁烷在6－31G(d)基組下繞中心C2－C3旋轉(zhuǎn)不同角度并限制性優(yōu)化得到的不同構(gòu)象的能量曲線。圖中同時給出了各典型構(gòu)象的相對能量及其立體分子結(jié)構(gòu)。從圖中所標(biāo)示的分子結(jié)構(gòu)的球棍模型可以明顯看出，在二面角為180°(反交叉式)時，丁烷的兩個甲基相聚最遠(yuǎn)，整個分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時兩個甲基的相互排斥使能量升高大約4．2kJ/mol，兩者都處于勢能曲線上的極小值點(diǎn)，都是較穩(wěn)定的構(gòu)象。從反交叉式轉(zhuǎn)換到順交叉式需要越過15．3kJ/mol的勢壘。而另外的全重疊式和部分重疊式構(gòu)象由于甲基相距太近，排斥能較大使得它們處于能量曲線上的極大值點(diǎn)，因此是不穩(wěn)定構(gòu)象。我們還可以利用頻率計(jì)算得到的各構(gòu)象相對自由能根據(jù)玻爾茲曼公式近似計(jì)算室溫下各構(gòu)象所占的比例。
3反應(yīng)機(jī)理的演示
有機(jī)反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分，也可以說是理解和掌握基本有機(jī)反應(yīng)的基礎(chǔ)。但是有機(jī)反應(yīng)機(jī)理普遍較為抽象，對于剛接觸到有機(jī)反應(yīng)的學(xué)生而言顯得難以掌握。若能夠以動畫的形式來直觀化整個反應(yīng)過程，顯然有助于學(xué)生對反應(yīng)機(jī)理的理解。這里我們以有機(jī)化學(xué)里常見的雙分子親核取代(SN2)反應(yīng)和(氫遷移反應(yīng)來說明如何通過計(jì)算化學(xué)來動畫圖示整個反應(yīng)歷程。3．1SN2反應(yīng)圖4顯示的是6－31+G(d)基組下由內(nèi)稟內(nèi)坐標(biāo)(IRC)方法計(jì)算得到的SN2反應(yīng)F－+CH3ClCH3F+Cl－整個反應(yīng)歷程［6］。從IRC計(jì)算得到的反應(yīng)路徑可以很直觀地闡明整個反應(yīng)過程:F－從C－Cl鍵背面進(jìn)攻C原子，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)－和中心C原子的距離逐漸接近;與此同時，原來的C－Cl鍵的鍵長逐漸拉長;在反應(yīng)的過渡態(tài)，C原子近似采用sp2雜化，和三個氫原子形成一個近似平面的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)－和Cl－分別位于這個平面的兩側(cè)，F(xiàn)和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯(lián)系在一起，隨后F－進(jìn)一步靠近和C形成F－C鍵，Cl－離去最后形成自由的Cl－。整個反應(yīng)過程可以制作成一個動畫進(jìn)行直觀演示，活化能的數(shù)據(jù)也可直接從反應(yīng)混合物和過渡態(tài)的相對能量差得到。3．2σ遷移反應(yīng)σ遷移反應(yīng)屬于周環(huán)反應(yīng)的一種，和有機(jī)化學(xué)中大多數(shù)離子型或者自由基反應(yīng)機(jī)理不同，σ遷移反應(yīng)一般是通過環(huán)狀過渡態(tài)協(xié)同完成。這里我們以1，3－戊二烯的［1，5］σ氫遷移反應(yīng)為例，說明通過量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果所展示的整個協(xié)同反應(yīng)歷程(圖5)。從IRC計(jì)算得到的結(jié)果可以直觀重現(xiàn)整個反應(yīng)過程:甲基上的氫逐漸向端基的烯基碳原子靠近，形成一個六元環(huán)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，隨后舊的碳?xì)滏I逐漸斷裂、新碳?xì)滏I生成，最后形成產(chǎn)物。
4紅外光譜的指認(rèn)
量子化學(xué)應(yīng)用范文第4篇
在重點(diǎn)院校中，學(xué)生素質(zhì)相對較高，數(shù)學(xué)、物理學(xué)習(xí)能力普遍較強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)化學(xué)的作用與地位認(rèn)識也相對較好，可能較少存在結(jié)構(gòu)化學(xué)“無用”的觀念;而在地方高校的化學(xué)專業(yè)學(xué)生中，有相當(dāng)一部分學(xué)生存在認(rèn)識誤區(qū)，特別是有一些不考結(jié)構(gòu)化學(xué)的考研學(xué)生和畢業(yè)后將從事中學(xué)教學(xué)的學(xué)生具有“結(jié)構(gòu)化學(xué)無用”的思想。作為教師，應(yīng)該認(rèn)識到這一問題的嚴(yán)重性。通過這幾年的實(shí)踐證明提高學(xué)生認(rèn)識，堅(jiān)定學(xué)習(xí)信心，對消除學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)“無用”的觀念以及畏難的心理是很必要和有效的。因此，在開課之前必須詳細(xì)介紹該課程在整個化學(xué)中所處的地位和作用，闡明學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要意義。
注重對量子化學(xué)發(fā)展史和研究結(jié)構(gòu)
化學(xué)的科學(xué)方法的介紹任何一門學(xué)科都有其發(fā)生和發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)知識時若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識當(dāng)成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識的同時，應(yīng)該介紹量子化學(xué)發(fā)展史，學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于探索的精神，由師生共同創(chuàng)造一種嶄新的價值理念。例如普朗克(M．Planck)的“離經(jīng)叛道”的假設(shè);德布羅意(deBroglie)波的提出是類比法的成功典范，戴維遜(C．Davisson)-革末(L．H．Germer)的因禍得福;狄拉克(Dirac)、薛定諤(E．Schrdinger)的異曲同工———薛定諤用數(shù)學(xué)形式開辟出量子力學(xué)的新體系;另外，還有一個德國物理學(xué)家海森堡提出一個矩陣力學(xué)體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數(shù)形式;湯姆遜(Thomson)父子的珠聯(lián)壁合———父親發(fā)現(xiàn)了電子，兒子又證實(shí)了電子是波，父子二人在物理學(xué)方面進(jìn)行接力研究，在科學(xué)史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規(guī)則，唐敖慶的獨(dú)辟蹊徑等［2］?？茖W(xué)的先驅(qū)是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進(jìn)，他們的精神值得我們敬佩。學(xué)生聽到和看到這些史實(shí)，無不浮想聯(lián)翩，對優(yōu)化思維結(jié)構(gòu)，激發(fā)科學(xué)壯志都有潛移默化的作用。在傳授理論知識的同時，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會抽象思維和用數(shù)學(xué)工具處理問題，并運(yùn)用類比、模擬的科學(xué)方法［3］，寓科學(xué)方法于教學(xué)內(nèi)容中。類比方法是提出和建立科學(xué)假說的重要方法。例如德布羅意假設(shè)是在光的波粒二象性思想啟發(fā)下，提出電子等實(shí)物微粒也具有波動性，他當(dāng)時推導(dǎo)固然復(fù)雜些，從科學(xué)方法論的角度講，由光的波粒二象性到實(shí)物微粒的波粒二象性是一種類比推理。類比是利用兩個或兩類對象之間在某些方面的相似或相同，推出它們在其他方面也可能相似或相同的思維方法，是一種由特殊到特殊、由此及彼的過程。類比可以提供重要線索，啟迪思想，是發(fā)展科學(xué)知識的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質(zhì)波假說的啟發(fā)，引出了電子運(yùn)動的波函數(shù)方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學(xué)問題的解決有賴于類比方法的使用，而類比方法的使用有可能形成簡捷的思維路徑。使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時，得到方法論的啟迪。在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生追蹤量子化學(xué)發(fā)展的足跡，不失時機(jī)地揭示其中的科學(xué)方法，更清楚地了解各種知識理論的相對合理性及有待完善的地方。這樣使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅可以獲得化學(xué)知識，而且能學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神。
通過改進(jìn)課程教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力
使用多種教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力與創(chuàng)新能力，是結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)的重要目的。課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要和基本的學(xué)習(xí)形式。課堂教學(xué)質(zhì)量的高低與課堂教學(xué)方法的運(yùn)用有很大關(guān)系。以前我們采用的是“一言堂”的教學(xué)方式，這種教學(xué)方法壓抑了學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性和主動性，因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活地采用不同的教學(xué)方法是提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)質(zhì)量的重要手段。結(jié)構(gòu)化學(xué)雖是理論性較強(qiáng)的學(xué)科，但與其他學(xué)科一樣，來源于對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、思考，且要通過實(shí)踐來檢驗(yàn)其結(jié)論正確與否，內(nèi)容博大精深，集科學(xué)性、思想性于一體，并具有前沿性。結(jié)構(gòu)化學(xué)教師必須重視對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)方法的研究，針對不同教學(xué)內(nèi)容采取不同的教學(xué)方法，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。我們采用的教學(xué)方法主要有:啟發(fā)式教學(xué)、互動式教學(xué)、討論式教學(xué)、對話式教學(xué)、模型教學(xué)和專題式教學(xué)，并布置小論文，開展學(xué)生的科技活動。如在課程討論時將學(xué)生分成幾個學(xué)習(xí)小組，針對不同主題進(jìn)行討論，并在課堂上交流。把個體作業(yè)學(xué)習(xí)與大組討論交流結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如布置“超分子結(jié)構(gòu)”為主題的小論文，許多學(xué)生通過期刊和網(wǎng)絡(luò)收集了大量與超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)有關(guān)的信息，從不同角度撰寫了心得體會和小論文，有的學(xué)生還發(fā)表了自己的設(shè)想和見解。課程教學(xué)討論不僅豐富了學(xué)生的知識，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。利用多媒體輔助教學(xué)在有限的教學(xué)時間內(nèi)運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，可以加大信息量。我們使用幻燈片和CAI課件，通過圖、文、聲、像等手段，把抽象的理論變成具體的形象，讓學(xué)生在直觀、生動的學(xué)習(xí)中加深對理論的理解。目前，我們研制的結(jié)構(gòu)化學(xué)CAI課件已連續(xù)使用幾屆，受到學(xué)生的好評。例如講授等徑球密堆積時，無論用黑板繪圖或圓球模型展示表現(xiàn)得都不夠清楚，現(xiàn)在用多媒體課件，動態(tài)演示等徑球一層層的排列方式，效果很明顯。必修課與選修課相結(jié)合在上好必修課的同時，開設(shè)量子化學(xué)、波譜學(xué)、化學(xué)中的數(shù)學(xué)方法等選修課，理論與實(shí)踐相結(jié)合，以科學(xué)方法啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思想。以科研促教學(xué)從專業(yè)基礎(chǔ)知識的結(jié)構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的樞紐課程，是介于本科生學(xué)習(xí)和畢業(yè)論文之間承上啟下的課程。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程理論性強(qiáng)，但實(shí)踐性也很重要，有些知識一直影響到學(xué)生的碩士、博士學(xué)位論文［4］。因此，科研進(jìn)教學(xué)、教學(xué)促科研的雙向互動就顯得很重要。結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容基本是20世紀(jì)的科研成果。我們發(fā)揮科研背景優(yōu)勢，在教學(xué)中不斷將當(dāng)前的科研成果融入教學(xué)，以使課堂內(nèi)容具有豐富性、代表性、創(chuàng)造性和啟發(fā)性，能跟上時代前進(jìn)的步伐。在開展第二課堂活動中，通過設(shè)計(jì)專題科研實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能有更多機(jī)會加入到自身科研之中，有時間和空間從事自己有興趣的課題研究;通過使用Origin，Chemistry3D等軟件制作分子結(jié)構(gòu)及其軌道圖;利用Gaussian98以及GaussView等專業(yè)軟件開展分子設(shè)計(jì)與量子化學(xué)計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)與理解自洽場運(yùn)算原理、原子軌道、分子軌道及其能量電荷分布、熱化學(xué)性質(zhì)、簡諧振動、對稱性等相關(guān)知識。在科研過程中，學(xué)生有了正確的科研方向和學(xué)習(xí)目的，能有針對性地查閱最新資料，及時了解學(xué)科前沿，從而改變了被動學(xué)習(xí)的局面。
量子化學(xué)應(yīng)用范文第5篇
在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中設(shè)置課程論文作為激勵學(xué)生學(xué)習(xí)知識和課程評價的手段。引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識應(yīng)用于課程論文研究中，達(dá)到學(xué)以致用效果。論文指導(dǎo)過程中，注意學(xué)生創(chuàng)新思維模式的培育，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在課程論文研究的過程上，同時注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)化學(xué) 課程論文 創(chuàng)新思維
《結(jié)構(gòu)化學(xué)》是理科院?；瘜W(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)理論專業(yè)課。這門課程以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)為基礎(chǔ)，建立比較抽象的理論概念，學(xué)生一般感到難學(xué)難懂。因此，學(xué)生易缺乏學(xué)習(xí)的積極性，影響到教學(xué)效果。根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)，我們在教學(xué)中，設(shè)置課程論文作為激勵學(xué)生學(xué)習(xí)知識和評價教學(xué)效果的手段。對此， 我們在教學(xué)實(shí)踐中， 在掌握學(xué)生基本學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)置與教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求相適應(yīng)的，注重理論研究和解釋實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的課程論文題目，引導(dǎo)學(xué)生嘗試應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)/量子化學(xué)的理論計(jì)算結(jié)果來解釋化學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入了解分子結(jié)構(gòu)和理論性質(zhì)，揭示其內(nèi)在規(guī)律性。從而在應(yīng)用理論的過程中加深對理論知識的認(rèn)識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得較好的教學(xué)效果。
1 設(shè)置課程論文的重要性
與其他化學(xué)專業(yè)課程不同，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》的內(nèi)容主要是抽象理論，缺乏合適的配套實(shí)驗(yàn)對所學(xué)理論知識進(jìn)行加深、拓寬和鞏固。該門課程的對象一般是大學(xué)三年級學(xué)生，具有相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)專業(yè)知識。設(shè)置課程論文可以讓學(xué)生在搜尋研究對象或者范圍時，對以前專業(yè)知識進(jìn)行回顧和分析，思考大學(xué)一年級以來學(xué)習(xí)的知識是否存在可以采用結(jié)構(gòu)化學(xué)理論解釋的地方，引發(fā)學(xué)生對化學(xué)知識、原理和現(xiàn)象進(jìn)行思考，在自由選擇題目范圍的情況下，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文研究時，注意講述一般科學(xué)研究的方法和步驟及科學(xué)工作者所應(yīng)當(dāng)具備的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文撰寫時，著重講授一般論文的寫作格式，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，提高學(xué)生的書面表達(dá)能力，形成一定論文寫作規(guī)范。這對于一般理工科學(xué)生尤其重要。設(shè)置的課程論文同時為四年級畢業(yè)論文研究階段所需要的邏輯思維和論文寫作打下基礎(chǔ)。
2 理論化學(xué)計(jì)算軟件的講授
讓學(xué)生進(jìn)行課程論文研究，首先必須先教導(dǎo)學(xué)生使用理論化學(xué)的計(jì)算軟件，讓計(jì)算軟件成為學(xué)生進(jìn)行課程論文研究的工具，所以教師本身需要對該類軟件非常熟悉，同時具備利用該類軟件進(jìn)行科學(xué)研究的能力和經(jīng)驗(yàn)，這對教師的教學(xué)和科研能力有較高的要求。在眾多量子化學(xué)理論計(jì)算軟件中，HyperChem比較適合一般學(xué)生使用?？梢暬浖股願W的理論計(jì)算結(jié)果形象化、直觀化進(jìn)行表達(dá)，讓學(xué)生好學(xué)易懂，同時操作簡單，適合用來作為課程論文研究的計(jì)算軟件。在實(shí)際教學(xué)中，我們只需要1學(xué)時就能教會學(xué)生有關(guān)HyperChem的基本操作和應(yīng)用于簡單的理論計(jì)算。譚君［1］介紹了HyperChem軟件的一些使用操作和特點(diǎn)，這里不再重復(fù)敘述。
3 科學(xué)研究思維和步驟的指導(dǎo)
授之以魚不若授之以漁，所以我們在課堂上，教導(dǎo)學(xué)生一般的科學(xué)研究思維和步驟。課堂上以苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律作為計(jì)算例子，采用Hyperchem軟件計(jì)算各原子電荷并解釋定位規(guī)律的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。眾所周知，苯環(huán)上的取代基分為鄰對位定位基和間位定位基兩類。這里選擇了氨基和甲醛基分別作為鄰對位定位基和間位定位基兩類代表，通過計(jì)算其量子化學(xué)指數(shù)，討論其計(jì)算結(jié)果，從理論上解釋定位效應(yīng)。
首先分析影響親電反應(yīng)的因素。一般認(rèn)為碳原子的電子云密度是主要因素，所以我們可以通過計(jì)算苯環(huán)上的碳原子電荷來解析親電反應(yīng)規(guī)律。
在Hyperchem構(gòu)造并以PM3分別計(jì)算氨基苯和苯甲醛，按display中的labels，選定charge項(xiàng)，在分子中顯示各碳原子的電荷分布。
電荷分布顯示氨基苯上鄰位和對位的C原子帶負(fù)電荷，分別為-0.191和-0.169，均大于間位C原子電荷（-0.05），所以對于氨基苯來說，親電基團(tuán)會首先進(jìn)攻鄰位和對位。而在苯甲醛的情況恰好相反，間位C原子電荷為最負(fù)，為-0.119。親電基團(tuán)會首先進(jìn)攻間位。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果和討論，應(yīng)用原子電荷的規(guī)律變化很好地解釋了親電取代定位規(guī)則。
轉(zhuǎn)貼于 4 擬定結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算題目
自由選擇題目范圍，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，教學(xué)中，我們設(shè)定以下方向（題目）：
① 藥物分子的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系
通過對分子的結(jié)構(gòu)計(jì)算，討論結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系，尋找分子活性中心和主要影響活性的因素。
② 化學(xué)反應(yīng)原理與規(guī)律解釋
以理論方法計(jì)算和解釋常見化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物與規(guī)律，如丁二烯的加成反應(yīng)。
③ 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
計(jì)算出分子的量化指數(shù)，尋找量化指數(shù)與分子性質(zhì)的關(guān)系，如HOMO、LUMO與顏色的關(guān)系。
④ 光譜的移動
研究分子結(jié)構(gòu)與光譜移動的關(guān)系，如分子中的鍵長的變化直接影響紅外吸收峰的移動。
⑤ 分子的結(jié)構(gòu)/構(gòu)型/構(gòu)象
以理論方法研究分子的結(jié)構(gòu)、具體構(gòu)型和構(gòu)象。
⑥ 分子間的相互作用
分子間的作用一般為氫鍵和范德華作用，與化合鍵作用相比，屬于弱作用，是生物大分子主要相互作用。
5 論文指導(dǎo)與創(chuàng)新思維模式的培育
創(chuàng)新思維的特征是求同與求異的統(tǒng)一、發(fā)散與收斂思維的統(tǒng)一、敏銳的直覺與理論思維的統(tǒng)一。課程論文布置下去以后，學(xué)生在對課題的思考會有許多新的問題和新的想法，我們要鼓勵學(xué)生在對新的問題進(jìn)行創(chuàng)新思維。安排課程討論，將學(xué)生的想法在課堂上討論，尊重學(xué)生的新想法，引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識應(yīng)用于課程論文研究中。
具有獨(dú)立思考判斷能力是學(xué)生創(chuàng)新思維模式的主要表現(xiàn)。傳統(tǒng)教師講、學(xué)生聽的缺乏互動的教學(xué)模式已表現(xiàn)出許多弊端，影響了學(xué)生獨(dú)立思考和動手的素質(zhì)及其能力的形成。學(xué)生自己選題，成為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考判斷能力跨出的第一步，也是重要的一步。獨(dú)立開展課程論文研究，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考判斷能力。因此，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在課程論文研究的過程上，而非結(jié)論。教會學(xué)生從抽象的數(shù)理推導(dǎo)中評選出適合個體所需的條件。同時，學(xué)生只有具備獨(dú)立的思考判斷能力和獲取知識的能力，才能在終身教育過程中面對日新月異的世界，不斷實(shí)現(xiàn)知識的更新［2］。
【參考文獻(xiàn)】
1 譚君. HyperChem 在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 重慶教育學(xué)院學(xué)報，2004，17(6):20～22.
