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緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網為您精選了8篇量子化學基礎，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規(guī)律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。
量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。
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(fā)現(xiàn)，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(lián)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(fā)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(fā)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(fā)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(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優(yōu)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(fā)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(huán)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(tài)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(yōu)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(fā)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(zhàn)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(xiàn)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(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便?？梢灶A言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發(fā)揮更加重要的作用。
參考文獻：
[1]程新. [ 學位論文] .武漢:武漢工業(yè)大學材料科學與工程學院，1994
[2]程新，馮修吉.武漢工業(yè)大學學報，1995，17 (4) :12
[3]李北星，程新.建筑材料學報，1999，2(2):147
[4]閔新民，沈爾忠， 江元生等.化學學報，1990，48(10): 973
[5]程新，陳亞明.山東建材學院學報，1994，8(2):1
[6]閔新民.化學學報，1992，50(5):449
[7]王寶俊，張玉貴，秦育紅等.煤炭轉化，2003，26(1):1
[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717
[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262
論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規(guī)律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。
量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。
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(fā)現(xiàn)，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(lián)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(fā)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(fā)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(fā)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Guassian98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UB3LYP/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]。（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(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優(yōu)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(fā)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C32H14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(huán)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(tài)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(yōu)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(fā)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(zhàn)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(xiàn)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(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發(fā)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(fā)揮更加重要的作用。
參考文獻：
[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業(yè)大學材料科學與工程學院,1994
[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學學報,1995,17(4):12
[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147
[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973
[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1
[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449
[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1
[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717
[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262
摘要：本文針對大學化學的學科特點，從四個方面探討了量子化學計算軟件在大學化學教學的應用實例。運用形象直觀的量子化學軟件，結合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發(fā)學生學習興趣。結果表明，該方法對激發(fā)學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。
關鍵詞：量子化學；密度泛函理論；計算化學；Gaussian 09
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0176-04
傳統(tǒng)的化學是一門實驗科學，它的發(fā)展已經經歷了幾千年的時間。發(fā)展至今，化學科學已經成為了包含有機化學、無機化學、物理化學、生物化學、分析化學、實驗化學、理論化學、應用化學、精細化學、材料化學等眾多子學科的中心學科。在大學化學基礎理論的教學中，涉及很多抽象的化學知識和概念，比如原子、分子及晶體結構等，無法通過肉眼進行直接觀測，而且微觀結構難以用宏觀模型進行科學的描述。傳統(tǒng)的教學模式很難滿足學生學習化學的需求，這就需要引入新型的先進教學方法和手段。上個世紀20年代開始形成了一門新的化學子學科――量子化學。量子化學是用量子力學原理研究原子、分子和晶體的電子層結構、化學鍵理論、分子間作用力、化學反應理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機和有機化合物、生物大分子和各種功能材料的結構和性能關系的科學[1]。理論與計算化學能滲透到化學領域的很多方面，與其他學科交叉，并形成了很多分支學科，例如：物理化學方面，我們可以通過量子化學方法計算分子的熱力學性質、動力學性質、光譜性質、固體的化學成鍵性質等，從而形成了量子電化學、量子反應動力學等子學科；在有機化學方面，可以通過量子化學計算預測異構體的相對穩(wěn)定性、反應中間體性質、反應機理與譜學性質（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機化學；在分析化學方面，可以借助于計算化學進行實驗光譜的解析等；無機化學方面，可以進行過渡金屬化合物的成鍵性質的解析等，并形成了量子無機化學；在生物化學領域中，也可以通過理論計算研究生物分子活性中心結構、結構環(huán)境效應、酶與底物相互作用等，并逐漸產生了量子生物化學。隨著計算量子化學方法與計算機科學的發(fā)展，本世紀有望在復雜體系的精確量子化學計算研究方面取得較大進展，從而更好地從微觀角度去理解和預測宏觀化學現(xiàn)象。本文通過四個教學實例，運用形象直觀的量子化學軟件，結合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現(xiàn)出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發(fā)學生學習興趣。結果表明，該方法對激發(fā)學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。
一、常用量子化學軟件Gaussian/GaussView簡介
Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統(tǒng)中運行，是在半經驗計算和從頭計算中使用最為廣泛的計算化學軟件之一。該軟件可以計算分子的能量和結構、鍵和反應能量、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、極化率和超極化率、熱力學性質、反應路徑等。該軟件的量子化學計算可以對體系的基態(tài)或激發(fā)態(tài)執(zhí)行，可以預測周期體系的能量，結構和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領域的課題，例如取代基的影響、化學反應機理、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測很多宏觀的化學性質及現(xiàn)象。Gaussian計算軟件經常與相應的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。
二、量子化學理論及軟件在大學化學教學中的應用實例
1.分子穩(wěn)定性預測。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉，因而理論上可以形成順式和反式異構體。那么兩種異構體的熱力學穩(wěn)定性如何？我們可以通過理論計算給出合理的預測。運用密度泛函理論（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丁二烯的幾何結構，并做了頻率分析。頻率計算無虛頻，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。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丁二烯的幾何結構和相對應的分子的能量。理論計算結果表明，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丁二烯的熱力學穩(wěn)定性更強，這就解釋了為什么實驗上沒有發(fā)現(xiàn)順式-1，3丁二烯構象的存在。
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構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進行結構分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動能級不同，化學鍵具有不同的頻率。因此，通過理論上的頻率計算，就可以相應地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實驗得到的紅外光譜進行比較。以最常見的H2O為例，基于水分子穩(wěn)定點，通過DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計算了H2O分子的頻率，并得到了相應的紅外光譜圖。如圖2所示，在計算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個吸收峰，理論值與實驗值（括號內的數值）是一致的。并且按照波數從小到大，分別對應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。通過理論計算和圖形界面的動畫演示，有利于加強學生對紅外光譜的理解。
3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結構化學教學的重點和難點內容之一。分子軌道理論是指當原子組合成分子時，原來專屬于某個原子的電子將在整個分子范圍內運動，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。關于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數學的角度學生難以理解[3，4]。如果能夠結合量子化學軟件將分子軌道圖形化，有助于學生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計算為例，簡單說明量子化學在結構化學教學中的應用。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.溶劑化顯色效應的模擬及其機理解釋。溶劑分子能引起溶質吸收帶的位置，強度，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。在從微觀結構研究溶劑對噻吩類化合物結構及性能影響方面，理論計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，與實驗現(xiàn)象一致。根據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)過程可能會導致溶質偶極矩和能量發(fā)生變化。基于此，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，從而從本質上解釋了噻吩吸收光譜發(fā)生紅移的原因[6]。
運用量子化學計算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結合多媒體技術，將大學化學教學中抽象難懂的化學知識以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現(xiàn)出來，有利于學生更加深入形象地理解化學知識，還能提高學習效率，對激發(fā)學生學習化學的興趣具有顯著的促M作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程教學的方法。
參考文獻：
[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics，Kluwer Acadamic Publishers：New York，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2004：1-5.
[2]Frisch，M. J. et al.，Gaussian 09，Revision A. 02，Gaussian，Inc.，Wallingford，CT，2009.
[3]李延偉，姚金環(huán)，楊建文，申玉芬，鄒正光.量子化學計算軟件在物質結構教學中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（5）.
[4]劉楊先.量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用[J].課程教材改革，2012，（19）：41-42.
一、結構化學課程的教學現(xiàn)狀分析
目前結構化學教學面臨兩大難題。首先，結構化學中的很多概念過于抽象，教師難以形象地去講授，學生難以理解和接受。其次，隨著現(xiàn)代化學學科本身的快速發(fā)展以及與其他學科的交叉融合，使得結構化學的教學內容快速膨脹，而結構化學的教學課時不但沒有增加反而有所減少，這就勢必產生“任務重，時間少”的難題。
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?yōu)橹庇^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。
總之，可視化量化計算軟件可以使結構化學的教學從單純的理論講授變成理論與實踐相結合的課程，將結構化學抽象的概念變成直觀的圖形；通過讓學生動手進行計算，分析計算結果，加深了學生對課程內容的理解，使學生便于接受和理解，同時提高了他們的學習興趣，培養(yǎng)他們的科研能力。
關鍵詞 燃燒熱；密度泛函（DFT） ；共振能；苯
中圖分類號O64 文獻標識碼A 文章編號 1674—6708（2012）76—0109—02
“燃燒熱測定”是物理化學中一個經典的實驗，在實驗室中一般測定固體物質萘或蔗糖等有機物固體的燃燒熱[1—2]。本文通過熱力學綜合測定儀中的燃燒熱測定裝置，可以測量出液體苯、環(huán)己烷、環(huán)己烯的燃燒熱，進行計算可得到苯的共振能。應用量子化學理論算方法亦可計算苯的共振能，通過計算方法的選擇，并與文獻值比較[3]，可找到計算適合苯、環(huán)己烷、環(huán)己烯系列物質的最佳方法。
1 實驗部分
1.1 實驗儀器及藥品
物理化學熱力學綜合實驗裝置RLXZH— ?（配計算機及相關軟件），氧彈量熱計，壓片機，電子天平，氧氣鋼瓶；苯甲酸，苯（A.R），環(huán)己烯（A.R），環(huán)己烷（A.R），藥用膠囊（本實驗用的是重慶申高生化制藥有限公司生產的氨咖黃敏膠囊，把藥粉倒出，只用外包裝的膠囊）。
1.2 空心膠囊燃燒熱的測定
取6個空心膠囊，將其疊壓在一起，量取約15cm的鐵絲，在分析天平上準確稱取鐵絲的質量，然后把鐵絲綁在膠囊上面，準確稱量總質量。利用量熱計測出空心膠囊的燃燒熱。
1.3 測定試劑的燃燒熱
選取一個密封完好的藥用膠囊，在分析天平上準確稱取它的質量，取適量鐵絲，準確稱取它的質量，放入膠囊中，用滴管小心加入苯，使其裝滿，再把膠囊套好，在分析天平上準確稱取質量，算出苯的質量。再把裝好的膠囊置于氧彈中，沖入氧氣，利用氧彈量熱計測出燃燒熱，扣除膠囊的燃燒熱，即得到苯的燃燒熱，用同樣的方法測出環(huán)己烷和環(huán)己烯的燃燒熱。
1.4 實驗記錄及其數據處理
根據所測的數據作圖，并對各測定做溫度雷諾校正圖，直接通過南大萬和綜合熱測定儀隨即軟件作圖，求出每次實驗時溫度差T。之后再作雷諾校正圖得到溫差，圖l是四個實驗的雷諾校正圖，溫差T已標出；計算量熱計的熱容，計算結果可由南大萬和物理化學熱力學綜合實驗裝置隨機軟件記錄并處理數據。從量熱計的熱容、各液體樣品燃燒時的水溫升高值以及膠囊的燃燒熱值，計算苯、環(huán)己烷和環(huán)己烯的恒容燃燒熱，并由H=QP=QV+ nRT計算恒壓反應熱，結果見表1。
2 理論計算部分
2.1 計算方法
在ChemDraw程序中構建苯、環(huán)己烷和環(huán)己烯的分子結構模型，先用AM1半經驗算法對分子模型進行初步的幾何優(yōu)化。之后分別用半經驗法（AM1）、從頭算方法HF（6—311+g*和6—311++g*基組水平）和密度泛函（B3lyp/6—31）進行優(yōu)化構型的量子化學計算，整個計算過程使用Gaussian 03程序包完成。
2.2 計算結果
分別使用半經驗AM1法，從頭算方法HF（6—311+g*）、HF（6—311++g*）、B3lyp/6—31進行結構全優(yōu)化計算。苯是一個完全對等的正六邊形，6個C—C單鍵完全。由于苯環(huán)的共軛作用，使得苯環(huán)中C—C單鍵長度介于環(huán)己烷的C—C和環(huán)己烯的C=C雙鍵之間。環(huán)己烷是較為穩(wěn)定的椅式結構，6個C原子不在一個平面上。
3 結果與討論
3.1 實驗結果與計算結果對比
按照下列公式求得苯的共振能E[4]，計算結果如表2所示。
3.2 誤差分析
文獻值是123.58kJ·mol—1[5]，從實驗測量與計算結果上分析，實驗方法與文獻值相差較大，測量了多次仍存在較大誤差，主要原因：1）由于苯、環(huán)己烷和環(huán)己烯都具有強揮發(fā)性，在裝入氧彈并排出氧彈中空氣的過程中已有部分揮發(fā)所導致；2）用膠囊盛裝液體，在高溫時膠囊變軟，從而導致液體揮發(fā)，使液體燃燒不完全引入誤差。用量子化學理論計算方法，經過半經驗法（AM1）、從頭算方法HF（6—311+g*和6—311++g*基組水平）和密度泛函（B3lyp/6—31）4 種方法計算，密度泛函方法計算得到的結論與文獻3值吻合較好，而且在用HF方法計算時，我們用了不同的基組，發(fā)現(xiàn)基組的改變對計算數值影響不大，所以用密度泛函方法使用較小的基組也能得到與文獻值相符的結果。
4 結論
通過實驗和量子化學理論計算均能得到苯的共振能，通過方法和誤差分析也可比較兩種方法的優(yōu)點。從誤差分析，實驗方法得到的結果誤差較大，經過多次改進仍不理想。量子化學理論計算方法中的密度泛函（DFT）方法得到的結果與文獻值接近，是計算該類物質能量的較好的方法。
參考文獻
[1]復旦大學.物理化學實驗[M].北京：高等教育出版社，2002，6：24—26.
[2]孫爾康.物理化學實驗[M].南京：南京大學出版社，2010，1：8—10.
[3]馬沛生.有機化合物實驗物性數據手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006，8： 476—480.
大氣污染是人類無法逃避、日趨嚴重的環(huán)境問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環(huán)境。從分子水平上理解大氣二次污染物形成機理是預防、控制和治理大氣污染的重要基礎。在這方面，基于電子結構計算和動力學模擬的理論研究有其獨特的優(yōu)勢。由于機理過程涉及光誘導的超快反應，如何開展多尺度計算模擬，目前還面臨諸多挑戰(zhàn)。在擬開展的工作中，我們將發(fā)展和應用高精度的量子化學計算方法、非絕熱的速率和動力學理論；建立適合大氣復雜環(huán)境的量子力學和分子力學組合的計算模型；研究系列揮發(fā)性有機物形成光化學煙霧的分子機理，發(fā)現(xiàn)并解決光化學煙霧形成過程中的一些重要的關鍵基礎科學問題，為預防、控制和治理大氣光化學污染提供理論依據和有意義的指導。
空氣污染已經成為全世界居民生活中一個無法逃避的問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環(huán)境。改革開放30多年來，中國經濟的持續(xù)高速增長和日益加快的城市化進程，也讓空氣污染問題變得越來越嚴重。
空氣污染是大氣中污染物濃度達到一定有害程度，破壞生態(tài)系統(tǒng)和人類正常生活條件，對人和物造成危害的現(xiàn)象。空氣污染物的種類繁多，按照產生方式的不同主要分為一次和二次污染物。一次污染物指直接從污染源排放的污染物質，比如煤炭燃燒和工業(yè)生產產生的粉塵、灰塵、二氧化硫等，以及機動車排放的氮氧化物、碳氫化合物等。二次污染物指排放到對流層中的一次污染物在大氣中發(fā)生化學反應或者光化學反應形成的新的、毒性更強的污染物，光化學煙霧就是其中的一種。
光化學煙霧是指對流層中的碳氫化合物、氮氧化物、揮發(fā)性有機污染物等，在陽光的作用下發(fā)生光化學反應，生成臭氧、過氧乙酰硝酸酯、醛、酮、自由基、有機和無機酸等二次污染物產生的混合污染。光化學煙霧的最早認識來源于著名的“洛杉磯煙霧事件 ”。上世紀40年代，洛杉磯出現(xiàn)大量淡藍色煙霧，持續(xù)多天，誘發(fā)了一系列疾病，比如眼睛紅腫、流淚等，并造成大量人員死亡。此后，在北美、日本、澳大利亞和歐洲部分地區(qū)也先后出現(xiàn)類似光化學煙霧。我國于1972年在蘭州西固石油化工區(qū)首次發(fā)現(xiàn)光化學煙霧。近30年來，隨著我國城市交通需求和汽車保留量急劇增多，機動車尾氣污染迅速加重，在一些城市出現(xiàn)光化學污染的現(xiàn)象日趨增多，嚴重威脅了當地居民的健康和生活。另一個方面，光化學煙霧最后生成大量臭氧，會增加大氣的氧化性，導致大氣中的碳氫化合物、氮氧化物、揮發(fā)性有機污染物被氧化并逐漸凝結成顆粒物，從而加大了大氣中懸浮微粒顆粒物的濃度，這是造成大氣霧霾的源頭之一。因為光化學煙霧的危害比一次污染物更加嚴重，所以如何預防、控制和治理光化學煙霧已經成為一個全球性的嚴峻的環(huán)境問題，特別是對于發(fā)展中國家的中國來說。毫無疑問，在提出高效、可行的大氣治理措施前，我們必須首先從源頭掌握光化學煙霧的形成機制，尤其是二次氣態(tài)污染物的形成機制，對癥下藥。
我國的大氣污染問題已經十分嚴峻，有效地改善空氣質量需從源頭出發(fā)，了解空氣中存在哪些污染物以及它們之間是如何相互作用產生各種二次污染物及二次氣溶膠的。在提出科學可行的控制和治理光化學煙霧污染技術和措施前，必須從分子水平上理解光化學煙霧形成的分子機理。正如芬蘭赫爾辛基大學 Kulmala 教授在《自然》雜志中寫到的，“改善中國城市和家庭中的空氣質量需要對空氣污染物之間發(fā)生的化學反應有更深刻的理解，需要知道有哪些污染物存在以及它們之間如何相互作用產生二次污染?！?/p>
光化學煙霧形成的分子機理研究是一項難度大且十分復雜的課題。盡管隨著激光、分子束和時間分辨的超快光譜等現(xiàn)代實驗技術的飛速發(fā)展，實驗學家已能從基元反應的層面上討論自由基和光化學反應的微觀機制，但是，由于實驗的種種困難和限制，一些重要的微觀反應信息比如過渡態(tài)和中間體的電子和幾何結構很難通過實驗測量，同時實驗測量大氣條件下的光化學反應以及隨壓力變化的化學反應速率常數也面臨挑戰(zhàn)。因此，僅僅依靠外場檢測和煙霧腔實驗等，很難在分子水平上理解污染物的形成機制以及反應的動力學過程，必須依靠高精度的量子化學和化學反應動力學計算。在這方面，量子化學計算體現(xiàn)出了“價值”。它能夠計算過渡態(tài)的性質，評判反應通道的可行性，也可直觀形象地描述反應過程中涉及的短壽命中間體的詳細信息等。
本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機量子力學以及隨機零點場理論密切相關。這是一種漲落場，屬于經典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認為量子化源于經典物理與這種零點場漲落緊密聯(lián)系的深刻隨機過程，而量子力學的基本理論建筑在第一原理的基礎上，這個原理揭示從更深層次的隨機過程引發(fā)的涌現(xiàn)（Emergency，或譯突現(xiàn)）現(xiàn)象的量子化。
作者們在本書所呈現(xiàn)的理論觀點是經過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學的發(fā)展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎；量子力學背后的物理學的最新發(fā)現(xiàn)中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。
作者認為任何物質系統(tǒng)都是一個開放系統(tǒng)，它們永久地接觸隨機零點輻射場，并與其達到平衡狀態(tài)。從這個基礎出發(fā)，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(wěn)定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發(fā)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/
10.1007/978-3-662-44172-5
化學鍵是理解有機化合物結構的理論基礎,有機化學中最常見的是σ鍵和π鍵,借助于GAMESS-US的計算結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的分子軌道的圖像,從圖中可明顯看出當碳原子相距為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構象的演示
構象是有機化學中的一個基本概念,一般是在講述烷烴的時候引入。這里以正丁烷中C2-C3單鍵內旋轉為例來說明如何通過量子化學計算直觀解釋構象以及構象間的相互轉換這些概念。圖3是正丁烷在6-31G(d)基組下繞中心C2-C3旋轉不同角度并限制性優(yōu)化得到的不同構象的能量曲線。圖中同時給出了各典型構象的相對能量及其立體分子結構。從圖中所標示的分子結構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,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,都是較穩(wěn)定的構象。從反交叉式轉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,因此是不穩(wěn)定構象。我們還可以利用頻率計算得到的各構象相對自由能根據玻爾茲曼公式近似計算室溫下各構象所占的比例。
3反應機理的演示
有機反應機理是有機化學的重要組成部分,也可以說是理解和掌握基本有機反應的基礎。但是有機反應機理普遍較為抽象,對于剛接觸到有機反應的學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過程,顯然有助于學生對反應機理的理解。這里我們以有機化學里常見的雙分子親核取代(SN2)反應和(氫遷移反應來說明如何通過計算化學來動畫圖示整個反應歷程。3.1SN2反應圖4顯示的是6-31+G(d)基組下由內稟內坐標(IRC)方法計算得到的SN2反應F-+CH3ClCH3F+Cl-整個反應歷程[6]。從IRC計算得到的反應路徑可以很直觀地闡明整個反應過程:F-從C-Cl鍵背面進攻C原子,隨著反應的進行,F-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構,F-和Cl-分別位于這個平面的兩側,F和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯(lián)系在一起,隨后F-進一步靠近和C形成F-C鍵,Cl-離去最后形成自由的Cl-。整個反應過程可以制作成一個動畫進行直觀演示,活化能的數據也可直接從反應混合物和過渡態(tài)的相對能量差得到。3.2σ遷移反應σ遷移反應屬于周環(huán)反應的一種,和有機化學中大多數離子型或者自由基反應機理不同,σ遷移反應一般是通過環(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氫遷移反應為例,說明通過量子化學計算結果所展示的整個協(xié)同反應歷程(圖5)。從IRC計算得到的結果可以直觀重現(xiàn)整個反應過程: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)結構,隨后舊的碳氫鍵逐漸斷裂、新碳氫鍵生成,最后形成產物。
