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三、開展第二課堂，培養學生計算技能

為了讓學生把學到的量子化學理論運用到研究中，掌握一些專業軟件的計算技巧，教師可利用課余時間開展第二課堂，為學生提供一個學習和實踐的平臺，給他們創造更多的鍛煉機會。例如，搞有機合成的研究生，根據專業需要可以讓這些學生學會過渡態的尋找和優化，通過理論計算探索反應機理，能預測最佳反應通道，為他們的研究方向提供理論支持；研究方向是無機配位化學，可以讓這些學生學習一些金屬配合物的計算方法，學習配合物電子吸收光譜、熒光光譜及磁性的計算，這些計算結果對合成具有特殊性能的配合物都是很有幫助的。在第二課堂中，也可以讓基礎較好的學生參與到自己的科研活動中，承擔一部分力所能及的科研課題，使學生科研能力得到鍛煉，激發他們的科研熱情，拓寬他們的視野，同時自己通過學生的實踐活動，找到自己課堂教學中的不足。第二課堂的開展，不僅把學生所學的理論知識轉化成學生認識和解決實際問題的能力，更重要的是教師身上這些品質能夠言傳身教地影響學生，從而使學生具備創造的興趣和素質。

四、結語

量子化學的教學改革取得了一定的效果，首先學生克服了量子化學難學的畏難心理，激發了學生學習量子化學的激情，可以在有限的教學時間內達到較好的教學效果；其次，通過開展第二課堂，將量子化學理論與科研實例有機地結合起來，培養了學生分析問題、解決問題及科研創新的能力。

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一、 在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1 ，2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca 鈣礬石、含Ba 鈣礬石和含Sr 鈣礬石的Al -O鍵級基本一致，而含Sr 鈣礬石、含Ba 鈣礬石中的Sr，Ba 原子鍵級與Sr-O，Ba -O共價鍵級都分別大于含Ca 鈣礬石中的Ca 原子鍵級和Ca -O共價鍵級，由此認為，含Sr 、Ba 硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二） 在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe 、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子， 如低級芳香烴作為碳/ 碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經驗方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。 轉貼于

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li + 離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago 等[8] 用半經驗分子軌道法以C32 H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li - C 和具有共價性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、 在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘， 進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

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[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717

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一、軟件介紹

Gaussian是目前計算化學領域內最流行、應用范圍最廣的商業化量子化學計算程序包。它最早是由美國卡內基梅隆大學的約翰?波普在上世紀60年代末、70年代初主導開發的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，現在常用的是Gaussian 03，最新版本為Gaussian 09。該程序可在不同型號的大型計算機、超級計算機及工作站上運行，是當今理論計算化學科研工作的基本工具之一。

Gaussian程序是由許多程序相連接的體系，用于執行各種半經驗和從頭算分子軌道計算。Gaussian 03 可用來預測氣相和液相條件下，分子和化學反應的許多性質，包括：分子的能量和結構、過渡態的能量和結構、分子體系的振動頻率、NMR、IR和拉曼光譜及熱化學性質、分子軌道、原子電荷、多極矩、電子親和能、離子化勢，等等［1］。

GaussView是與Gaussian配套的輔助圖形軟件，可用于繪圖、文本和結構編輯；顯示結構（從計算輸出文件中讀取優化的結構）、振動模式和化合物的分子軌道；查詢鍵長、鍵角、二面角和耦合因子等。

二、計算并顯示分子軌道

分子軌道理論是結構化學教學的重點內容之一。由于“分子軌道”中的軌道不同于經典物理中的軌道，指的是分子中的單電子波函數φi，即分子中每個電子都是在由各個原子核和其余電子組成的平均勢場中運動，那么第i個電子的運動狀態用波函數φi描述，該波函數又稱為分子軌道［2］。關于分子軌道的概念理解需要學生具有較好的抽象思維能力，在結構化學教學中是重點和難點。在講述這部分內容時，可用Gaussian軟件計算相關雙原子分子的分子軌道，并用GaussView演示分子軌道的分布特點、電子填充情況等，幫助學生很好地理解分子軌道的概念。

下面以N2為例進行介紹。首先，用GaussView軟件搭建分子模型、編輯輸入文件，然后用Gaussian 03程序優化分子，就可得到各分子軌道能級。Gaussian 03優化結果文件中會具體給出N2的各分子軌道能級大小及其對稱性。用GaussView軟件可顯示優化分子的分子軌道形狀，見圖1。

在“分子軌道的對稱性和反應機理”一節中，涉及前線分子軌道理論、LUMO、HOMO等概念，以及離域π鍵和共軛效應，均可用Gaussian 03和GaussView軟件計算并顯示分子軌道形狀，輔助教學。通過借助這些量子化學軟件來描述分子軌道，使得過于抽象、艱澀難懂的理論、概念變得生動形象，直觀易懂，易被學生接受，方便教學。

三、顯示分子的振動模式

分子光譜是測定和鑒別分子結構的重要實驗手段，也是分子軌道理論發展的實驗基礎。分子光譜和分子的內部運動密切相關。如紅外光譜來源于分子中原子的振動，不同化學鍵或基團具有不同的振動模式，對應有不同的特征振動頻率。在講述這一部分內容時，如用GaussView給學生以動畫形式展示每一種振動，可大大提高課堂趣味性。

下面以HO為例，首先用GaussView搭建水分子的分子模型并編輯輸入文件，然后用Gaussian 03軟件進行優化和頻率計算，最后用GaussView打開結果文件。打開GaussView中Results下拉菜單下的Vibrations，得到圖2所示的窗口，可以看到3個振動模式。點擊圖2顯示的Display Vibratons文本框中的#1行，可以看到圖2（1）所示的彎曲振動；點擊#2行，可看到圖2（2）所示的2個氫原子的對稱伸縮振動；點擊#3行，可看到圖2（3）所示的2個氫原子的不對稱伸縮振動。每一種振動的振動頻率均可從圖2顯示的Display Vibratons文本框中讀出。點擊Display Vibratons文本框中的start按鈕，可顯示所選振動模式的振動動畫，點擊stop，可停止該振動。點擊spectrum按鈕，可以生成水分子的紅外光譜圖。在課堂上，這樣的動畫演示可使枯燥乏味的知識變得生動活潑，大大增強結構化學的趣味性。

四、結語

Gaussian 03和GaussView等量子化學軟件在結構化學教學中的應用遠不止以上幾種，還可以建立和顯示三維分子結構模型、獲得分子化學反應的性質，等等。總之，常用量子化學軟件可提供許多具體的量子化學計算結果，幫助闡述結構化學中抽象的概念、理論，讓學生用分子模擬的方法，通過具體的實踐領悟微觀世界的運動規律、建立抽象的量子化學思維，提高學習結構化學的積極性。

參考文獻：

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為了解決這兩大難題，人們已做了一些有益的嘗試和探索，如，整合教材內容，采用多媒體教學等。這些改革都不同程度地改進了結構化學的教學，也取得了一些積極的效果。但是，這些改革措施和方法并沒有徹底解決這兩大難題。我們結構化學教學組經過長期的嘗試和探索，得到了一種行之有效的方法，這就是在結構化學的教學中采用目前先進的可視化量子化學分子設計軟件來輔助教學。下面予以介紹，以期為同行們提供一些借鑒。

二、可視化量化計算軟件的使用

使用可視化的量子化學軟件，通過計算得出教材中的結論，將抽象的概念變為直觀的圖形，也可以通過化學軟件的使用使學生了解到所學的基本概念在實際中的應用，在課堂上用多媒體的形式加以演示。在實際教學過程中具體做法如下：

第四章對于分子的對稱操作和點群的有關知識，利用可視化軟件畫出具體的圖形，在課堂上利用多媒體對具體的圖形進行各種對稱變化和操作，形象直觀容易接受。

丁二烯分子π軌道圖形

另外，對于結構化學知識在實踐中的應用、NMR數值的測定、偶極距、分子光譜等問題都可以利用量子化學軟件計算得出與實驗相符合的數值，使學生進一步了解學習結構化學課程的作用。

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文章編號：1005?6629（2014）3?0011?04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2013年的諾貝爾化學獎被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美國科學家，以表彰他們在發展復雜化學體系多尺度模型方面所做出的杰出貢獻。我們知道，長久以來，化學學科的奠基和發展始終離不開化學家在實驗室中的辛勤勞動，但與此同時，隨著實踐知識的不斷豐富和完善，以及運算能力的突飛猛進，理論和計算化學有可能也應當在新世紀在化學學科的傳統領域發揮更大的作用。當前，解開每個人生命背后的謎團也是人們的興趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科學家將經典力學模擬方法結合最新發展的量子物理計算方法，為建立和發展多尺度復雜模型的理論模擬研究做出了基礎性的貢獻。那么，到底什么是理論模擬方法？它有什么重要的科學意義？對我們又有什么啟迪？

1 理論與計算化學的建立和發展歷程

20世紀初量子力學的發現為科學家們打開了深層次研究分子和原子的大門。量子力學中著名的薛定諤方程以其優美簡潔的形式描述了原子和分子的重要組成部分――電子的行為[1]。1927年，Walter Heitler以及Fritz London兩位科學家利用薛定諤方程解開了氫氣分子電子結構[2]，理論化學從此悄然興起。隨后，價鍵理論[3]、Hartree-Fock理論[4]、分子軌道理論[5]等的建立極大地豐富了理論化學的內容。從此，化學學科可以說與物理學一樣，開始了真正的兩條腿走路，而不再只是依靠實驗知識的獲取跛足而行。

早在20世紀50年代，科學家利用半經驗的方法對原子軌道進行了計算。50至60年代期間，各種各樣基于現代量子理論的計算已經被用來計算一些簡單分子的電子結構和相互作用。20世紀70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化學計算軟件的開發也擴充了計算化學的內涵。

與此同時，新的化學合成與表征技術的開發使得越來越多新穎的分子被制造出來，人們不僅需要認識這些新分子，而且也需要借助一定手段來指導新分子的合成。在這樣的前提下，就需要借助計算機對分子進行模擬。

1990年，密度泛函理論（Density Functional Theory）的提出將理論和計算化學帶到了一個新紀元。和以往的方法相比，密度泛函理論解決了以往的分子模型中電子交換和相關作用的近似，由其得出的分子幾何結構和電子結構的預測與實驗數據吻合得非常好。直至目前，密度泛函理論依然是分子和化學反應模擬中最重要也是最為常用的方法，兩位科學家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因為分別發展了密度泛函理論以及將這種量子力學計算方法融入到計算化學中去而獲得了1998年的諾貝爾化學獎，這是諾貝爾化學獎第一次被授予理論和計算化學領域的科學家。獲獎者之一的Pople也是著名量子化學計算軟件Gaussian[8]的開發者之一，該軟件在2009年又進行了一次更新，是當今功能最完善、計算最有效、生命力最長的量子化學計算軟件。

目前，專門刊登量子化學理論、模型化學和計算化學的學術期刊也紛紛涌現，如，美國化學會（American Chemistry Society）下已有Journal of Chemical Information and Modeling， Journal of Chemical Theory and Computation， Journal of Physical Chemistry A三本期刊出版，而著名學術出版集團Elsevier也有Journal of Molecular Graphics and Modeling， Journal of Molecular Modeling， International Journal of Quantum Chemistry和Computational and Theoretical Chemistry等專刊，國內也有例如《物理化學學報》和《計算機及應用化學》等期刊。

2 復雜化學體系多尺度模型的建模以及應用

1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化學反應的通用理論研究方法[10]。這個方法將生物酶-底物間的復合物和溶劑作用一起考慮在整個體系之內，并且用量子力學和經典力學兩種方法探討了所有可能影響催化路徑的因素。其中，量子力學包含了酶-底物鍵的斷裂，底物與酶結合時電荷的重新分布；而經典力學部分則考慮了酶和底物之間的立體作用能和靜電作用能。綜合考慮以上兩點，兩位作者以一種水解酶裂解糖苷鍵為實例，首次進行了水解酶-糖苷這個復雜化學體系多尺度模型的理論計算（圖1）。如今復雜化學體系的QM/MM方法已經被廣泛應用到酶-底物催化反應，有機反應以及DNA/RNA的相關研究中去。

那么，如何建立一個合理的多尺度復雜模型？科學家們和軟件工程師們通力合作開發出了各種功能強大的分子建模和可視化軟件。對于小分子的構建，最為常用的為PerkinElmer公司下屬的劍橋軟件公司開發的ChemBioOffice？系列軟件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？兩個模塊（圖2）。當在軟件窗口的右側ChemDraw？面板畫出感興趣的分子后，左邊的窗口就會立即顯示出分子的3D模型。本軟件還包括了其他很多內容，例如對分子進行簡單的幾何結構優化操作或者分子動力學計算，根據計算結果畫出分子的部分電荷、分子軌道等信息。

GaussView？是Gaussian公司開發的用于分子建模的軟件包，目前已經更新到GaussView5.0b版本。此軟件包的功能類似于ChemBioOffice？，該軟件并不如ChemBioOffice？那樣還具有計算功能，而只是作為量子化學計算軟件Gaussian？的圖形輸入接口，圖3是利用GaussView？創建了聯苯分子，當利用Gaussian？軟件對分子進行計算完畢之后，也能夠展示分子軌道的圖形。

以上兩種軟件不僅可以在各自的軟件內部進行計算，而且ChemBioOffice？軟件還提供了Gaussian？計算軟件的接口。我們可以在ChemBioOffice？中構建完小分子，并設置運行參數之后在Gaussian？中進行對應的計算。

在一個復雜化學體系中，往往還要涉及到生物大分子的構建。現在科學家們已經構建起了大分子結構庫，最著名就是由美國布魯克海文（Brookhaven）國家實驗室建立的蛋白質數據庫（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。庫內包含了蛋白質、多肽、DNA、RNA等95644個晶體結構數據。我們可以通過下載數據來得到生物大分子的晶體結構。

Accelrys公司開發的Discovery Studio Client？軟件能夠讀取從Protein Data Bank下載的pdb文件，如圖4展示的是Discovery Studio Client？的界面，展示了人體血清白蛋白和一種DNA的結構。

此外，Discovery Studio Client？還具有將小分子和大分子組裝結合在一起的功能，如圖5分別是將一種長鏈的污染物分子結合到了脂肪酸結合酶和人體血清白蛋白中，這就完成了一個復雜化學體系的模型構建。

VMD？軟件也是一種常用的可視化軟件，相對于Discovery Studio Client？，其功能更側重于動態展現動力學情況下分子的運動和形變情況。圖6則是VMD？軟件的界面以及其展示的人體血清白蛋白分子和DNA分子。

在分子建模完成之后，就可以對一個建立完成的化學體系進行理論的計算，預測這個復雜化學體系的物理化學性質。對于一個多尺度模型的計算，計算方法的選擇也是多尺度的。首先，對需要模擬的化學反應的區域要進行界定。在界定了這個區域之后，必須對這個區域內的分子進行高精度的量子化學計算，模擬或預測該區域內可能存在的化學鍵以及鍵的斷裂。在界定的反應區域之外，由于不牽涉到化學反應，所以不需要高精度的量子化學計算方法，而只需要相對簡單的半經驗的計算方法或者更簡單的分子力學方法進行計算。總而言之，這就是復雜化學體系多尺度模型的計算，即QM/MM計算。涉及量子化學部分的QM計算，需要用到包含量子化學計算的軟件，例如最著名的Gaussian？，GAMESS？等。在這些軟件中，也可以采用ONIOM方法[12]進行計算。

3 復雜化學體系多尺度模型建立的科學意義及其展望

結合理論以及計算化學發展本身的歷程來看，復雜化學體系多尺度模型具有十分重要的科學意義。首先，此模型的建立使我們從簡單分子的化學反應進入到了生物大分子體系的理論計算研究。利用理論計算這個強有力的工具，生命科學的奧秘將很快被解開，人們對生命科學背后的化學機制的認識將會上升到分子層面，對帶動化學，乃至生命科學學科具有舉足輕重的作用。其次，多尺度模型的建立也能夠促進理論和計算化學本身的發展，豐富理論和計算化學本身的內涵，并且隨著研究體系的進一步復雜化，將在現有的多尺度基礎上提出新的超尺度模型的可能。

此外，作為一門交叉學科，理論和計算化學的發展也勢必會帶動其他相關學科的進一步發展。90年代開始，納米學科蓬勃發展，各種新材料如雨后春筍般出現，得益于理論化學中平面波和贗勢（即將離子實的內部勢能用假想的勢能取代真實的勢能，但在求解波動方程時，不改變能量本征值和離子實之間區域的波函數）的發展，對具有周期性結構的晶體材料性質的模擬和預測也成為可能。目前，已經有Material Studio？、VASP？等多種模擬軟件。在藥物合成方面，計算機輔助藥物合成的概念已經深入人心（Computer-aided Drug Design）。顧名思義，計算機輔助藥物設計利用計算化學這個強有力的工具來發現或者研究具有生物活性的藥物分子的行為，其最基本的目標就是通過計算化學來預測一個分子與靶生物分子是否會結合，并且其結合能力有多強，能夠實現這一功能的軟件則包括了GOLD？、SYBYL？等等。

可以說，理論和計算化學已經成為輔助化學家們探索世界的重要工具，也成為了指引科學家探索未知世界的新羅盤。

參考文獻：

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化學研究的核心在于“化”字，即分子之間的相互轉化，舊化學鍵斷裂、新化學鍵生成。只有這樣，才能創造出新材料，設計出新藥物。可是，分子之間的轉化經常發生得很快，在毫秒瞬間，電子便從一個原子核躍遷到另一個，傳統的化學方式已很難捕捉這個過程，必須借助計算機這一工具。時至今日，計算機對化學家的作用已經和化學實驗手段一樣重要。因為計算機對化學反應的模擬能夠非常逼真，化學家們已經能夠通過計算機預測傳統實驗的結果了。

在20世紀70年代計算機還未被普及的時候，馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾就打造了堅實的計算機程序基礎，為后人用于了解和預測化學反應進程作了強大鋪墊。近年來，因為計算方法和計算機軟硬件的飛速發展，在他們的基礎上取得了很多的后續成果，并得到推廣應用。

得益于他們的工作，我們將解開許多關于自然界的疑問。比如世界上最重要的化學反應——光合作用是怎么進行的？如果能模擬出來，那么我們就將能制造出更加高效的太陽能電池板；催化劑如何加快化學反應？如果深入了解其中的機理，我們可以嘗試通過催化讓水分子分解，從而開發出清潔的能源；藥物如何在人體中發生作用？通過計算的方法，尋找出藥物的靶點以及可能的藥物干擾，我們就能設計出滿足我們特定需求的理想藥物。

諾貝爾“理綜”獎？

如果化學反應在氣相中發生，由于參與反應的分子受環境影響小，因此是理想的模型體

系（1986年，李遠哲等三人因為用實驗方法揭示氣相化學反應微觀細節而獲得諾貝爾化學獎）；然而，化學反應更多是在液相，在生物體系中發生，體系自由度多，非常復雜，不容易弄清楚細節。而反映真實情況的多尺度模型可以用來研究復雜體系的分子行為，包括液相化學反應或者是生化反應。

為什么生物體系中的分子反應如此復雜呢？舉例來說，“人體的一個細胞內就可有上百億個蛋白質分子。一個大的蛋白質分子可包含上百萬個原子。蛋白質內每兩個原子間都有相互作用，這些原子處于不停的運動中，其情形就像北京城內同一時刻有兩百萬輛機動車行駛一樣。計算和跟蹤一個蛋白質的原子運動就像記錄和監控北京的車輛一樣。如此巨大的分析計算量必須借助計算機技術來存儲和分析。”這番話出自中科院計算數學與科學工程計算研究所的盧本卓研究員，他的研究方向就與此次諾貝爾化學獎相關，而他原本是學物理出身。這是不是有點兒“亂套”了？當然沒有，而且還恰恰反映了本屆諾貝爾化學獎的交叉學科屬性，即計算機、物理、數學、生物學和化學等多學科相互滲透和融合。難怪本屆諾貝爾化學獎被戲稱為諾貝爾“理綜”獎。

這是化學的榮譽

雖然被戲稱為“理綜”獎，但這的的確確是屬于化學的榮譽。理論化學發展到今天，其最大的組成部分就是計算化學。計算化學的基礎理論大多來源于兩部分：量子力學和牛頓經典力學，這兩個學科在化學上的應用則分別誕生了量子化學和分子模擬兩個學科。涉及電子的化學反應需要用量子化學來解決，一旦涉及到分子間的相互作用，其量子效應往往可以忽略不計，使用經典力學就足以描述，從而大大地簡化了計算，這就是分子模擬。

篇8

作者認為任何物質系統都是一個開放系統，它們永久地接觸隨機零點輻射場，并與其達到平衡狀態。從這個基礎出發，導出量子力學形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機制。本書打開了通向進一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務遠沒有結束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進一步研究。

本書闡明了量子理論一些核心特點的根源，諸如原子的穩定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發展的理論重新確認了諸如實在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學原理

全書內容共分10章：1.量子力學：某些問題；2.唯象隨機方法：通向量子力學的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點場波（和）物質。

本書適合熟悉量子力學的最基本概念和結果的讀者閱讀。其內容適用于從事理論物理、數學物理、實驗物理、量子化學和物理哲學的研究人員、研究生和教師參考。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

Ding Yibing，Professor

（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al

Supersymmetry After the

Higgs Discovery

2014

http：///book/

篇9

積極與相關領導深入溝通交流，在充分闡述“人才聯盟”成立的初衷、即將開展的業務范圍、廣泛深遠的社會經濟意義以及發展前景的基礎上，對可行性征詢材料進行了系統的完善。

“人才聯盟”籌備委員會已經在第一時間通知所有發起單位、會員單位以及捐資單位按照成立登記申請相關要求完成相關材料的整理，近期提交籌委會進行審核、報送社會團體管理處。

二、首批外籍院士工作站項目

篇10

化學的科學方法的介紹任何一門學科都有其發生和發展的過程，學習知識時若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識當成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識的同時，應該介紹量子化學發展史，學習科學家勇于探索的精神，由師生共同創造一種嶄新的價值理念。例如普朗克(M．Planck)的“離經叛道”的假設;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．Schrdinger)的異曲同工———薛定諤用數學形式開辟出量子力學的新體系;另外，還有一個德國物理學家海森堡提出一個矩陣力學體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數形式;湯姆遜(Thomson)父子的珠聯壁合———父親發現了電子，兒子又證實了電子是波，父子二人在物理學方面進行接力研究，在科學史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規則，唐敖慶的獨辟蹊徑等［2］。科學的先驅是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進，他們的精神值得我們敬佩。學生聽到和看到這些史實，無不浮想聯翩，對優化思維結構，激發科學壯志都有潛移默化的作用。在傳授理論知識的同時，指導學生學會抽象思維和用數學工具處理問題，并運用類比、模擬的科學方法［3］，寓科學方法于教學內容中。類比方法是提出和建立科學假說的重要方法。例如德布羅意假設是在光的波粒二象性思想啟發下，提出電子等實物微粒也具有波動性，他當時推導固然復雜些，從科學方法論的角度講，由光的波粒二象性到實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，是發展科學知識的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質波假說的啟發，引出了電子運動的波函數方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學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。使學生在學習科學知識的同時，得到方法論的啟迪。在教學中應引導學生追蹤量子化學發展的足跡，不失時機地揭示其中的科學方法，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。這樣使學生在學習過程中不僅可以獲得化學知識，而且能學習科學家嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神和大膽創新的進取精神。

通過改進課程教學方法培養學生創新能力

篇11

羥汞化-脫汞是由烯烴合成醇的有效途徑之一［1］。羥汞化反應主要分為兩個階段:①烯烴在含水的四氫呋喃溶液中與乙酸汞發生羥汞化;②羥汞化產物不經分離，直接加入NaBH4進行還原脫汞。該反應具有條件溫和(一般在室溫進行)、速度快(一般第一階段只需要幾分鐘，第二階段需要1小時)、中間產物不需分離、區域選擇性好(Markovnikov取向)、無重排產物等優點。因此，盡管汞是公認最毒的金屬元素，但由于羥汞化反應的諸多優點，該反應仍被廣泛用于有機合成［2-3］。

以丙烯加乙酸汞為例，目前比較公認的羥汞化反應機理［4-5］見圖1。其中第二步和第三步最為關鍵，但是目前國內外多數有機化學教材都沒有明確指出反應的速控步是哪一步［6-10］，部分教材甚至把羥汞化過程歸類為親電加成反應［8-10］。我們對此產生疑問，整個反應的速控步究竟是汞離子親電加成的第二步，還是水親核進攻的第三步?下面根據軟硬酸堿理論、元素電負性等有機化學基礎知識以及量子化學計算結果對各步反應分析如下:(1)第一步，乙酸汞發生電離產生乙酰氧基汞正離子。我們認為該帶有正電荷的汞離子的生成是必要的。最新的研究證明氯化汞能夠催化芳基烯基醚的羥汞化反應。加入氯化鈉等含有氯離子的無機鹽能夠抑制上述反應，而加入硝酸銀可以促進上述反應。因為氯離子是軟堿，額外增加的氯離子能夠和汞離子絡合生成［HgCl4］2－，抑制了+HgCl的生成，進而抑制了羥汞化。而加入硝酸銀，使銀離子和氯離子結合，則可以促進+HgCl的生成，進而促進羥汞化反應。對于不同的汞鹽，根據軟硬酸堿理論可以判斷其電離的難易。越容易電離的汞鹽，活性越高。不同汞化合物應該具有如下的活性順序:Hg(OOCCF3)2＞Hg(OOCCH3)2＞HgCl2＞HgBr2＞HgI2。因為Hg2+是軟酸，CF3COO－是最硬的堿，I－是最軟的堿。所以Hg(OOCCF3)2最容易電離，HgI2則是“軟親軟”，不易電離，活性最低。實驗結果表明Hg(OOCCF3)2對4-己烯-1-醇分子內氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快，而且產物不同［12］。(2)第二步，乙酰氧基汞正離子與烯烴的碳碳雙鍵發生親電加成生成汞鎓離子。從軟硬酸堿理論分析，烯鍵的π電子為軟堿，汞離子為軟酸，“軟親軟”，該基元反應應該屬于快反應。從電負性考慮，汞的電負性為1．9，略小于碳的2．55［13］，這使正電荷主要集中在汞上而不是碳上。這一點與溴鎓離子截然不同，后者正電荷主要集中在碳原子上。所以，相比溴鎓離子，汞鎓離子不易受到水的親核進攻。我們用量子化學手段計算得出乙烯、丙烯、異丁烯與乙酰氧基汞正離子加成生成的汞鎓離子中間體以及乙烯的溴鎓離子的結構與APT電荷(atomicpolartensor-basedcharges)［14］分布(圖2)(本文量化計算均采用Gaussian03軟件包，分子構型在RB3LYP水平下進行優化，其中C、O使用6-31G*基組，H使用6-31G＊＊基組，Hg和Br使用贗勢基組(Lanl2DZ，其中對Br加上極化函數(極化參數為0．389);

對所有優化的結構進行頻率計算，以確認所有結構均是穩定結構(駐點是極小值，沒有虛頻))。從以上計算結果可得出結論:①上述汞鎓離子中，乙酰氧基與汞原子是雙齒配位的，兩個O—Hg鍵長幾乎等長，都在2．30左右。②汞原子上總是帶有最多的正電荷。③在丙烯等不對稱烯烴的汞鎓離子中，由于甲基的供電誘導效應，C2上正電荷多于C1，在異丁烯的汞鎓離子中這一差異更加明顯。從乙烯到丙烯到異丁烯，Hg—C1鍵逐漸變短，從2．602變為2．478，再到2．419。而Hg—C2鍵逐漸變長，在異丁烯的汞鎓離子中，Hg—C2鍵最長，達到2．876。這都預示著第三步水親核進攻的位置在C2上，即Markovnikov取向。④在異丁烯的汞鎓離子中，C2上帶有最多的正電荷，可以預期其與水的親核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓離子更快，這一結論與實驗結果一致［15］:2-甲基-2-丁烯的羥汞化在10s內完成，而環己烯需要55s。⑤與電負性分析結果一致，與乙烯的乙酸汞鎓離子不同，在乙烯的溴鎓離子中，正電荷主要集中在碳原子上，溴原子上正電荷很少，這表明汞鎓離子與溴鎓離子有著本質的不同。眾所周知，羥汞化反應通常不會發生重排，這正是由于汞鎓離子中間體的正電荷主要集中在汞上而不是碳上的具體體現。因為涉及鎓離子的碳上正電荷較少，臨近α位的烴基或氫原子不易發生遷移。

我們分別計算了叔丁基乙烯的汞鎓離子和溴鎓離子甲基重排前后的能量變化，結果如圖3所示。從量子化學計算的結果也可以看出，在叔丁基乙烯汞鎓離子中，C2上的正電荷僅為0．4858e，而且甲基重排后所得到的叔碳正離子中間體的吉布斯自由能比重排前升高了77．78kJ/mol;而叔丁基乙烯的溴鎓離子中C2上正電荷高達0．8574e，非常有利于甲基遷移，而且發生類似重排后產物的吉布斯自由能比重排前降低了45．19kJ/mol。因此叔丁基乙烯的汞鎓離子的重排在熱力學上是極其不利的，不易重排。而叔丁基乙烯與溴的親電加成生成的溴鎓離子容易重排。事實上，許多烯烴，如:莰烯［16］、降冰片烯［17］和苯并二環［2．2．2］-2，5-辛二烯［18］與溴的親電加成都發生了重排。(3)第三步，水作為親核試劑進攻汞鎓離子。在該步中，水分子中的氧原子是硬堿，而帶有部分正電荷的碳原子是軟酸。由于碳上的正電荷較少，水的親核性又弱，此類弱親核試劑的親核進攻就變得更加困難。由此推斷，該步基元反應才應該是整個反應的慢步驟，即整個羥汞化反應的速控步。通過查閱文獻［19］，這一結論得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羥汞化反應速度比1-己烯快10倍，比四甲基乙烯的羥汞化速度快833倍。上述實驗結果與相應汞鎓離子中C2上的正電荷多少有關(圖4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓離子中C2上的正電荷最大(0．6632e)，羥汞化最快;而四甲基乙烯的類似物相應碳原子上的正電荷最少，羥汞化最慢。如果汞鎓離子生成的一步是速控步，含有4個供電甲基的四甲基乙烯與乙酸汞離子形成汞鎓離子進而得到羥汞化中間體應該是上述3個烯烴中最快的，然而實驗 事實正好相反。這反過來證明汞鎓離子生成的一步不是整個羥汞化反應的速控步。另外，對于含多個雙鍵的烯烴，羥汞化優先發生在最不對稱的雙鍵上，即1，1-二取代優于1，1，2-三取代，單取代優于1，2-二取代［20］，反應速度與汞鎓離子中取代最多的碳原子上的正電荷密度成正比，也進一步說明水親核進攻的一步是整個反應的速控步。(4)第四步是中間產物Ⅱ快速失去質子的過程，不再贅述。(5)關于烯烴和炔烴羥汞化產物的脫汞問題。在烯烴的羥汞化產物中，由于碳與汞的電負性差別太小，使得碳汞鍵的電荷分布比較均勻，碳汞鍵的極性較小。量子化學計算得出乙烯羥汞化產物中與汞原子相連的碳原子上負電荷密度均為－0．1300e，同樣說明碳汞鍵的極性很小，所以乙烯羥汞化產物HOCH2CH2HgOAc不像其他金屬有機試劑(例如Grignard試劑)那樣容易水解，而必須使用還原劑NaBH4進行還原。

相反，乙炔在汞催化下的水合產物是互變異構體(圖5):HOCHCHHg+和OHCCH2Hg+，前者與汞相連的碳原子是sp2雜化，比sp3雜化碳原子具有更大的電負性［21］和更強的吸引電子能力，會使碳汞鍵極性增大;后者甲酰基是強吸電基，而且在稀硫酸中，氧原子會發生質子化，使碳汞鍵極性進一步增大。因此，乙炔羥汞化產物中的碳汞鍵更像一般金屬-碳鍵，在稀硫酸中容易水解。所以在炔烴羥汞化反應中，汞離子是催化量的。為了便于比較，我們在乙炔羥汞化中間體的汞原子上螯合了一個乙酸根，量子化學計算結果見圖6。從圖6能夠明顯地看出，乙炔羥汞化產物中的碳汞鍵正負電荷差別明顯大于乙烯羥汞化產物中的碳汞鍵電荷差，鍵的極性也明顯比后者強，即乙炔羥汞化產物中碳汞鍵容易直接水解變為碳氫鍵。本文從有機化學基本概念、基本理論出發，結合量子化學計算結果，對烯烴的羥汞化機理進行了分析，得出該反應的速控步是水分子親核進攻汞鎓離子的一步，整個反應屬親核加成。同時指出，烯烴羥汞化產物中的碳汞鍵極性小，不能直接水解為碳氫鍵，故需要硼氫化鈉還原;而炔烴羥汞化產物中的碳汞鍵極性較大，在反應過程中可以直接水解轉化為碳氫鍵。

篇12

無機化學研究元素、單質和無機化合物的來源、制備、結構、性質、變化和應用的一門化學,是化學中最古老的化學分支學科。浮選的對象為礦物巖石,本身就是無機物,礦物的表面性質決定于礦物本身的結構和性質,礦物表面性質的研究離不開礦物內部組成、結構及性質的研究。礦物與巖石的研究將涉及無機化學的所有領域與內容,無機化學成為礦物加工工程學科學生的必修課程。有機化學又稱為碳化合物的化學,是研究有機化合物的結構、性質、制備的學科,是化學中極重要的一個分支。含碳化合物被稱為有機化合物是因為以往的化學家們認為含碳物質一定要由生物(有機體)才能制造;然而在1828年的時候,德國化學家弗里德里希•維勒,在實驗室中成功合成尿素(一種生物分子),自此以后有機化學便脫離傳統所定義的范圍,擴大為含碳物質的化學。礦物浮選是通過改變礦物表面的疏水性來實現的,而增加礦物表面疏水性的方法是采用含烴基的異極性分子在礦物表面吸附,含烴基的異極性分子就是典型的有機物質分子,研究捕收劑、起泡劑等浮選藥劑,將涉及廣泛的有機化學。有機化學也是礦物加工工程學科學生的必修課程。物理化學的內容大致可以概括為三個方面:化學體系的宏觀平衡性質,以熱力學的三個基本定律為理論基礎,研究宏觀化學體系在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡物理化學性質及其規律性。屬于這方面的物理化學分支學科有化學熱力學。溶液、膠體和表面化學。化學體系的微觀結構和性質以量子理論為理論基礎,研究原子和分子的結構,物體的體相中原子和分子的空間結構、表面相的結構,以及結構與物性的規律性。屬于這方面的物理化學分支學科有結構化學和量子化學。化學體系的動態性質研究由于化學或物理因素的擾動而引起體系中發生的化學變化過程的速率和變化機理。屬于這方面的物理化學分支學科有化學動力學、催化、光化學和電化學。物理化學是一門內容豐富,外延廣闊的化學,浮選涉及的礦物巖石、礦漿溶液、有機分子以及泡沫浮選氣體介質與礦物之間的相互作用等等,都涉及到物理化學。物理化學在礦物加工工程本科課程設置,占有最多的學時數,分兩學期學習,是礦物加工工程學科至關重要的一門化學課程。物理化學學習好壞直接關系到浮選學習。物理化學也是礦物加工工程學科研究生入學考試的必考課程。分析化學的內容主要是:物質中元素、基團的定性分析;每種成分的數量或物質純度的定量分析;物質中原子彼此聯結而成分子和在空間排列的結構和立體分析。研究對象從單質到復雜的混合物和大分子化合物,從無機物到有機物,從低分子量到高分子量。樣品可以是氣態、液態和固態。稱樣重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的殘渣測定,只取10微克樣品,便屬于超微量分析。所用儀器從試管直到附自動化設備并用電子計算機程序控制、記錄和儲存等的高級儀器。分析化學以化學基本理論和實驗技術為基礎,并吸收物理、生物、統計、電子計算機、自動化等方面的知識以充實本身的內容,從而解決科學、技術所提出的各種分析問題。礦物加工工程學科涉及的礦物巖石、溶液、有機和無機藥劑、礦物加工原料及產品都需要通過分析檢測得以定性或定量的描述,理論研究過程中的儀器分析檢測,對礦物加工過程中的行為機理也才能進行研究和了解,所以礦物加工也與分析化學密切相關。礦物加工工程學科課程設置中,在本科階段或者在研究生階段需要對分析化學進行系統學習。結構化學、高分子化學、絡合物化學、電化學、量子化學等是比以上四大化學更加細化的化學分支方向,在進行礦物浮選研究中,針對具體的研究內容和目的,不同程度地將涉及到這些更加深入和細化的內容。為了使化學與礦物加工工程學科結合的更加緊密,在研究生階段還開設了浮選表面化學、浮選藥劑化學、浮選電化學、浮選溶液化學等。盡管在礦物加工工程學科不同階段開設了大量的化學課程，涉及的化學內容幾乎涵蓋了化學領域的所有內容，但對浮選的深入研究和理解仍然不夠。礦物浮選發展至今，還有大量的浮選理論問題沒有解決，浮選工藝的水平還有待提升，進一步強化化學教育和礦物浮選化學研究對礦物浮選的發展具有重要的基礎作用。

2各層次人才培養中的化學教育

以技術工人為培養目標的中專和職業教育,由于生源大多是初中和高中畢業生,化學知識非常有限,僅對一些化學基礎知識有所了解,特別是初中文化水平的學生,只能了解一些初步的化學現象,因此,在進行礦物加工專業知識教學的過程中,必須補充一些學習浮選技術必要的化學知識。這種化學知識的補充,可以貫穿在專業知識的學習過程中,也可以單獨開設簡單的化學課程。只有在學生初步了解和掌握了浮選技術必備的基本化學知識以后,浮選技術專業課程的教學才能有效開展,學生也才能真正理解礦物浮選的技術知識。對于以生產技術管理和技術應為目標的專科和本科教育,系統的課程設置已經考慮了化學對礦物加工工程的重要性,無機化學、有機化學、物理化學都是必修課程,學時數占到專業基礎課程學時數很大的比例,經過系統的化學知識的學習,學生在學習浮選專業課程時,已經能夠較深入理解礦物浮選中的化學問題,也能較好掌握浮選理論和浮選工藝專業知識。在生產技術管理和技術應用過程中,也基本能根據礦石性質的變化,應用所學到的化學知識和浮選理論,分析解決生產過程中出現的一般性的技術問題。以科學研究為目標的研究生教育,為了使學生能夠從生產中發現和解決生產技術問題,具備獨立從事礦物加工工程領域科學研究的能力,在大學期間學習無機化學、有機化學、物理化學的基礎上,還需要進一步學習分析化學。通過分析化學的學習,可以讓研究生掌握常規的分析檢測技術,了解和掌握科學研究過程中所要使用的現代檢測手段,發現、分析和研究試驗過程中獲得的數據、結果,從而解決科學技術問題。對于博士研究生,是要讓他們更深層次理解礦物浮選的機理,培養其創新精神和意識,為此,從電子、原子、分子層面上理解礦物浮選理論是必要的,所以,在已經較好掌握了無機化學、有機化學、物理化學、分析化學的基礎上,量子化學的學習和了解對于博士研究生來說是需要的。從以上的分析可知,浮選跟化學是不可分的,浮選實際上就是應用化學的一部分。無論是技術操作工人,還是從而浮選理論研究的博士研究生,不同程度都必須將化學作為基礎,沒有相應的化學基礎,從事浮選技術應用、技術開發及浮選理論研究都是難以想象的。化學是浮選的基礎,浮選是礦物加工工程最重要的方法,因而礦物加工工程學科的化學教育是極端重要的。

3重視礦物加工工程學科的化學教育

篇13

計算機輔助教學在化學教學中，尤其適用于理論性和抽象性較強的內容，例如原子核的組成、電子云、核外電子的運動、分子的結構、構型和構象、化學鍵的形成、離子反應和離子方程式等，適用于模擬實驗難以操作、危險性大或反應現象不明顯的內容。

二、化學教學中常用的計算化學軟件

計算化學軟件作為化學化工領域中最常用的工具，無論在科研或者教學中都擔負著重要的作用。化學教學中通常應用到下列軟件：

1.ChemDraw

ChemDraw軟件美國CambridgeSoft公司推出的一款優秀的商業化化學軟件ChemOffice中的模塊之一。ChemDraw中存貯了大量的分子結構圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學教學中主要用于繪制有機分子結構式及反應方程式等，ChemDraw中的實驗裝置繪制模版則是繪制反應流程及實驗儀器裝置圖的重要工具。

2.Gaussian

Gaussian程序是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件之一，GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過渡態的空間結構。和一般化學作圖軟件相比，它更加專業和精確，可以直接讓學生觀察了解各種物質的鍵長、鍵角、電子云分布等微觀結構以及分子內部的各種振動。

3.Materials Studio

Materials Studio軟件包是Accelrys公司開發的，是常用的分子設計和模擬軟件，可進行量子力學、分子力學、分子動力學計算。Materials Studio軟件包功能非常強大，主要由這樣幾個模塊組成：構造分子；優化分子結構；研究分子反應；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動力學。

Materials Studio可以快速準確地獲得分子的構型與結構參數，通過對分子的結構進行分析，運用所得的結果來解釋或預測化學反應的性質。除此之外，也可以計算出分子的靜態性質，通過這些數據我們可以預測化學反應的位置、說明化學反應的途徑和機制、解釋分子的動力學行為等，在教學中可以達到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio在晶體結構教學中的應用

在化學中，晶體的結構和對稱性是學生不易掌握的內容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書式教學對學生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結構和對稱性等特點。圖4是面心立方NaCl在不同視角下的晶體結構圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結構，同時可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。

此外，點擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時，Materials Studio還允許自由的創建晶體結構，只要已知空間群類型、晶體結構參數和元素類型，我們就可以任意的創建晶體。如果按下Find Symmetry選項，便可看到已找到的NaCl晶體的對稱性為FM-3M，在教學中展示這種效果，能使學生容易理解晶體的對稱性的類型。

（2）Materials Studio在電荷密度教學中的應用

在講授極性分子和非極性分子過程中，常常提到原子電荷分布情況及對物質化學性質的影響。Materials Studio中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示total electron density，會將場給顯現出來。這個場是電子在空間中的分布，Isosurface則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來區其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學生清楚地了解極性。

（3）原子軌道顯示在教學中的應用

Materials Studio可以輕松地對各種原子軌道能量進行計算并獲得其空間圖像。利用Element可以調出一個元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計算套件計算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計算基態能量之后，就可以分析原子軌道了。

三、結束語

使用最新的化學計算軟件，采用新穎的教學形式和教學手段，直接在屏幕上顯示三維構型，同時可以任意旋轉操作，使同學們的興趣大增，而且通過計算機輔助教學的動畫模擬，使得微觀抽象的知識點更具體形象化，便于學生理解和掌握，收到很好的教學效果。

參考文獻：

[1]王守緒.計算機技術在化學中的應用研究進展[J].化學研究與應用，2000，12（4）：119.

[2]任萃毅.介紹一個新型的化學軟件包-CS Chemoffice 2000[J].化學教學，2001，（3）：34.