量子化学应用
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量子化学应用范文第1篇
摘要：本文针对大学化学的学科特点，从四个方面探讨了量子化学计算软件在大学化学教学的应用实例。运用形象直观的量子化学软件，结合多媒体教学手段，将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围，从而开拓学生思路，激发学生学习兴趣。结果表明，该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程的教学方法。
关键词：量子化学；密度泛函理论；计算化学；Gaussian 09
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）50-0176-04
传统的化学是一门实验科学，它的发展已经经历了几千年的时间。发展至今，化学科学已经成为了包含有机化学、无机化学、物理化学、生物化学、分析化学、实验化学、理论化学、应用化学、精细化学、材料化学等众多子学科的中心学科。在大学化学基础理论的教学中，涉及很多抽象的化学知识和概念，比如原子、分子及晶体结构等，无法通过肉眼进行直接观测，而且微观结构难以用宏观模型进行科学的描述。传统的教学模式很难满足学生学习化学的需求，这就需要引入新型的先进教学方法和手段。上个世纪20年代开始形成了一门新的化学子学科――量子化学。量子化学是用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论，以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学[1]。理论与计算化学能渗透到化学领域的很多方面，与其他学科交叉，并形成了很多分支学科，例如：物理化学方面，我们可以通过量子化学方法计算分子的热力学性质、动力学性质、光谱性质、固体的化学成键性质等，从而形成了量子电化学、量子反应动力学等子学科；在有机化学方面，可以通过量子化学计算预测异构体的相对稳定性、反应中间体性质、反应机理与谱学性质（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有机化学；在分析化学方面，可以借助于计算化学进行实验光谱的解析等；无机化学方面，可以进行过渡金属化合物的成键性质的解析等，并形成了量子无机化学；在生物化学领域中，也可以通过理论计算研究生物分子活性中心结构、结构环境效应、酶与底物相互作用等，并逐渐产生了量子生物化学。随着计算量子化学方法与计算机科学的发展，本世纪有望在复杂体系的精确量子化学计算研究方面取得较大进展，从而更好地从微观角度去理解和预测宏观化学现象。本文通过四个教学实例，运用形象直观的量子化学软件，结合多媒体教学手段，将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围，从而开拓学生思路，激发学生学习兴趣。结果表明，该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程的教学方法。
一、常用量子化学软件Gaussian/GaussView简介
Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系统中运行，是在半经验计算和从头计算中使用最为广泛的计算化学软件之一。该软件可以计算分子的能量和结构、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径等。该软件的量子化学计算可以对体系的基态或激发态执行，可以预测周期体系的能量，结构和分子道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响、化学反应机理、势能曲面和激发能等等，因此我们可以从微观角度去理解和预测很多宏观的化学性质及现象。Gaussian计算软件经常与相应的可视化软件GaussView连用。目前Gaussian软件的最新版本是Gaussian 09[2]。
二、量子化学理论及软件在大学化学教学中的应用实例
1.分子稳定性预测。1，3-丁二烯分子中的碳-碳单键能够自由旋转，因而理论上可以形成顺式和反式异构体。那么两种异构体的热力学稳定性如何？我们可以通过理论计算给出合理的预测。运用密度泛函理论（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我们分别优化了顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的几何结构，并做了频率分析。频率计算无虚频，说明所得到的顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均为最小点。图1给出了B3LYP/6-31G*优化得到的顺式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的几何结构和相对应的分子的能量。理论计算结果表明，相对于顺式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大约低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的热力学稳定性更强，这就解释了为什么实验上没有发现顺式-1，3丁二烯构象的存在。
2.分子的红外吸收光谱和振动模式。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外光谱法的工作原理是由于振动能级不同，化学键具有不同的频率。因此，通过理论上的频率计算，就可以相应地得到分子的红外吸收光谱，并可以与实验得到的红外光谱进行比较。以最常见的H2O为例，基于水分子稳定点，通过DFT理论，在B3LYP/6-31G*水平计算了H2O分子的频率，并得到了相应的红外光谱图。如图2所示，在计算的水分子的红外光谱图中，一共有三个吸收峰，理论值与实验值（括号内的数值）是一致的。并且按照波数从小到大，分别对应H2O分子中O-H键的三种振动模式，分别是剪式振动，对称性伸缩振动，非对称的伸缩振动模式。通过理论计算和图形界面的动画演示，有利于加强学生对红外光谱的理解。
3.苯的前线分子轨道。分子轨道理论是结构化学教学的重点和难点内容之一。分子轨道理论是指当原子组合成分子时，原来专属于某个原子的电子将在整个分子范围内运动，其轨道也不再是原来的原子轨道，而成为整个分子所共有的分子轨道。关于分子轨道的概念非常抽象，单纯从理论和数学的角度学生难以理解[3，4]。如果能够结合量子化学软件将分子轨道图形化，有助于学生深入理解该理论。以苯分子的分子轨道计算为例，简单说明量子化学在结构化学教学中的应用。苯分子中有6个碳原子，6个π电子。这6个π电子杂化成6个π型分子轨道，其中三个成键轨道三个反键轨道。图3是通过Gaussian 09软件，在B3LYP/6-31G*水平计算得到苯分子的所有π型轨道，并通过GaussView可视化软件，将这6个π轨道显示出来。从图3中可以看出，这6个π型分子轨道的节面数分别是0，1，2或3。这6个π型轨道共有四个能级，节面为1和2的分子轨道，分别有两个简并能级。
4.溶剂化显色效应的模拟及其机理解释。溶剂分子能引起溶质吸收带的位置，强度，甚至谱线形状的变化[5]。这种现象称为溶剂化显色现象。在从微观结构研究溶剂对噻吩类化合物结构及性能影响方面，理论计算起着越来越重要的作用。图4（a）展示了含时密度泛函（TD-DFT）方法计算得到的齐聚噻吩的吸收光谱图，谱线按Lorentzian线形展开，从气相到强极性的水溶液，聚噻吩的吸收光谱发生了红移现象，与实验现象一致。根据Frank-Condon原理，垂直激发通常伴随着电荷的重新分布，因此激发过程可能会导致溶质偶极矩和能量发生变化。基于此，我们采用完全活性空间自洽场方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分别计算了二噻吩气相与溶液中基态和第一单重激发态的能量。如图4（b）所示，随着溶剂极性的增加，基态和激发态能量均随着溶剂极性增加而降低，但是激发态的能量降低的比基态的能量降低的要多一些，从而从本质上解释了噻吩吸收光谱发生红移的原因[6]。
运用量子化学计算软件Gaussian 09和可视化软件GaussView，结合多媒体技术，将大学化学教学中抽象难懂的化学知识以一种形象、直观、易于理解的形式呈现出来，有利于学生更加深入形象地理解化学知识，还能提高学习效率，对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促M作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了大学化学课程教学的方法。
参考文献：
[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]李延伟，姚金环，杨建文，申玉芬，邹正光.量子化学计算软件在物质结构教学中的应用[J].中国现代教育装备，2012，（5）.
[4]刘杨先.量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用[J].课程教材改革，2012，（19）：41-42.
量子化学应用范文第2篇
[关键词]结构化学；教学改革；互动教学
结构化学课程是我国高等学校化学专业的必修课程，内容涉及量子化学，分子对称性，配位化学和晶体学基础等部分。该课程内容抽象，知识系统庞杂，数理推导较多，学习曲线陡峭，不少学生因此存在着畏难情绪。然而正如诗词所言，无限风光在险峰，学好这门课程不仅有助于理解其它化学课程的内容，也是为进一步在本专业深造打下坚实的基础。[1]在当前深化本科教育教学改革的背景下，如何将结构化学课程上好，真正做到让老师强起来，学生忙起来，效果实起来，笔者在此对授课以来的问题和解决方法进行总结。
1重视数理，夯实基础
结构化学课程的一大难点在于数学推导较多，譬如量子化学部分完全使用数学语言描述核心知识，而对于化学专业的同学，数学一直是软肋，于是极容易产生厌学和畏难情绪。[2-4]针对这个问题，很多老师采取的解决方法是淡化数学推导，重点介绍推导后的结论和意义，但我们在授课过程中，发现这样的授课方式效果欠佳，因为基础不牢，课程的学习只能是空中楼阁、风中沙塔，很多同学在课程结束后还是无法对物理图像有一个正确的认识和把握。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，笔者认为与其淡化数学，不如严格要求，把数学学到位。伟大的思想家恩格斯说过：“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用。”正是因为数学和物理的引入，才让化学摆脱了炼金术的桎梏而成为一门科学。因此我们在授课时自始至终强调数学的重要性，在涉及数学内容较多的章节，提前讲授将要用到的数学工具并布置作业，每章节结束后将重要的公式和结论进行串讲并配合习题进行强化训练，要求所以学生每学完一个章节就做思维导图及时总结复习，将重要公式进行总结归纳制作公式索引表格。尽管提升了学习的难度，但学生对于推导的结果和物理意义理解的更加准确和深入，记忆也更加牢固，锻炼了学生的逻辑思维和严谨认真的科学态度。
2理清主线，合理增负
结构化学课程内容主要涉及量子化学基础，分子对称性，配位化学以及晶体学基础。尽管这四个部分知识彼此之间较为独立，但所表达的核心思想是一致的，即结构决定性质，性质也反映着结构。目前授课内容主要存在问题是：量子化学部分各章节之间主线不够明确；配位化学部分和专业无机化学课程内容有重叠；晶体学基础部分，结构相关的内容介绍较多而相关的性质介绍较少。针对这些问题，我们对课程的授课内容进行了合理的补充和删减。首先，对于量子化学部分，我们在授课一开始给出课程的故事主线，即量子力学的诞生背景，量子力学基本假设，简单模型的量子力学处理方法，氢原子薛定谔方程的求解过程及解的物理意义，以及针对于多电子原子和多原子分子的近似方法。这条主线清晰明确，在每一章节开始时，我们对之前的内容进行简要回顾，帮助学生理清了各章节的逻辑关系，在学期末复习课时对每一个知识点进行展开复习，进行巩固。配位化学部分，对于和无机化学有重叠的部分，我们通过翻转课堂的方式简要复习，同时突出结构化学的重点，即分子轨道理论在配位化学的应用，着重介绍了配体群轨道这个新概念，以及不同配位几何构型下配体群轨道和中心原子如何依据对称性进行线性组合的方式，同时介绍了金属配合物作为均相催化剂催化反应的常见机理。在此基础上，我们还将科研中的一些问题引入课堂讨论，如金属氮宾体和金属氧化物的电子结构，让学生通过知识解决实际科研问题，真正做到科研反哺教学。晶体学部分除了介绍基本知识以外，补充介绍了能带理论，态密度等概念，并介绍了导体，半导体，绝缘体在电子结构上的差异，这些基础知识有利于化学专业的同学在材料化学方向进行科研工作打下基础。尽管课程在深度和广度上都有所增加，但不少同学都表示感受到了挑战性学习所带来获得感和高阶乐趣。
3反客为主，多元考核
传统理论课授课方式，采用幻灯片讲述授课，学生被动填鸭式学习，效果较差，也不利于学生培养综合能力。针对这些问题，我们开始尝试翻转课堂教学方法来提高学生参与性，重点培养学生的学习能力，表达能力，独立思考，发现问题，解决问题的能力，这些都是未来创新型人才所具有的重要特质。翻转课堂的内容主要涉及三个方面，一个是结构化学课程中难度较低的几个章节，如双原子分子电子结构，分子对称性，配位化学基础知识等章节，各章节的总结复习以及研究性课题，教师提供慕课资源，书籍资料和分子建模软件，让所有学生统一准备，课堂上抽签进行讲解，在授课过程中，要求其他小组必须提问，教师在课程结束时对各小组所准备的课件进行补充点评，我们也将翻转课堂教学纳入了考核评价，提高了课程总结笔记，课堂提问，翻转课堂课件等分数项的比例。翻转课堂授课方式有效的活跃了课堂气氛，提高了课堂参与度，也增强了学生的学习能力和思辨精神。
量子化学应用范文第3篇
化学键是理解有机化合物结构的理论基础，有机化学中最常见的是σ键和π键，借助于GAMESS－US的计算结果可清楚地从三维空间立体显示σ键和π键的形成过程。图1是乙烷中的两个碳原子在最小基基组下相距不同距离时所对应的分子轨道的图像，从图中可明显看出当碳原子相距为3倍平衡键长(3Re)时，两个碳原子上的sp3杂化轨道不能有效重叠成键;当碳原子间距离靠近为2Re时，两个碳原子的sp3杂化轨道能够部分重叠形成弱的σ键;当碳原子间距离靠近到Re时，两个sp3杂化轨道可最大重叠形成稳定的沿键轴呈圆柱形对称的σ键。图2则显示了乙烯中两个碳原子上的2pz轨道从相距3Re逐渐靠近到Re按“肩并肩”方式形成成键π和反键π*轨道的过程。从图2可明显看出，π轨道在乙烯平面上的电子云密度为零，而通过两个位相相反的2pz轨道组合形成的反键π*轨道，原子间电子云密度明显降低。
2构象的演示
构象是有机化学中的一个基本概念，一般是在讲述烷烃的时候引入。这里以正丁烷中C2－C3单键内旋转为例来说明如何通过量子化学计算直观解释构象以及构象间的相互转换这些概念。图3是正丁烷在6－31G(d)基组下绕中心C2－C3旋转不同角度并限制性优化得到的不同构象的能量曲线。图中同时给出了各典型构象的相对能量及其立体分子结构。从图中所标示的分子结构的球棍模型可以明显看出，在二面角为180°(反交叉式)时，丁烷的两个甲基相聚最远，整个分子能量最低;而在二面角为60°(顺交叉式)时两个甲基的相互排斥使能量升高大约4．2kJ/mol，两者都处于势能曲线上的极小值点，都是较稳定的构象。从反交叉式转换到顺交叉式需要越过15．3kJ/mol的势垒。而另外的全重叠式和部分重叠式构象由于甲基相距太近，排斥能较大使得它们处于能量曲线上的极大值点，因此是不稳定构象。我们还可以利用频率计算得到的各构象相对自由能根据玻尔兹曼公式近似计算室温下各构象所占的比例。
3反应机理的演示
有机反应机理是有机化学的重要组成部分，也可以说是理解和掌握基本有机反应的基础。但是有机反应机理普遍较为抽象，对于刚接触到有机反应的学生而言显得难以掌握。若能够以动画的形式来直观化整个反应过程，显然有助于学生对反应机理的理解。这里我们以有机化学里常见的双分子亲核取代(SN2)反应和(氢迁移反应来说明如何通过计算化学来动画图示整个反应历程。3．1SN2反应图4显示的是6－31+G(d)基组下由内禀内坐标(IRC)方法计算得到的SN2反应F－+CH3ClCH3F+Cl－整个反应历程［6］。从IRC计算得到的反应路径可以很直观地阐明整个反应过程:F－从C－Cl键背面进攻C原子，随着反应的进行，F－和中心C原子的距离逐渐接近;与此同时，原来的C－Cl键的键长逐渐拉长;在反应的过渡态，C原子近似采用sp2杂化，和三个氢原子形成一个近似平面的结构，F－和Cl－分别位于这个平面的两侧，F和C以及C和Cl均是靠弱的σ键联系在一起，随后F－进一步靠近和C形成F－C键，Cl－离去最后形成自由的Cl－。整个反应过程可以制作成一个动画进行直观演示，活化能的数据也可直接从反应混合物和过渡态的相对能量差得到。3．2σ迁移反应σ迁移反应属于周环反应的一种，和有机化学中大多数离子型或者自由基反应机理不同，σ迁移反应一般是通过环状过渡态协同完成。这里我们以1，3－戊二烯的［1，5］σ氢迁移反应为例，说明通过量子化学计算结果所展示的整个协同反应历程(图5)。从IRC计算得到的结果可以直观重现整个反应过程:甲基上的氢逐渐向端基的烯基碳原子靠近，形成一个六元环过渡态结构，随后旧的碳氢键逐渐断裂、新碳氢键生成，最后形成产物。
4红外光谱的指认
量子化学应用范文第4篇
在重点院校中，学生素质相对较高，数学、物理学习能力普遍较强，对结构化学的作用与地位认识也相对较好，可能较少存在结构化学“无用”的观念;而在地方高校的化学专业学生中，有相当一部分学生存在认识误区，特别是有一些不考结构化学的考研学生和毕业后将从事中学教学的学生具有“结构化学无用”的思想。作为教师，应该认识到这一问题的严重性。通过这几年的实践证明提高学生认识，坚定学习信心，对消除学生学习结构化学“无用”的观念以及畏难的心理是很必要和有效的。因此，在开课之前必须详细介绍该课程在整个化学中所处的地位和作用，阐明学习结构化学的重要意义。
注重对量子化学发展史和研究结构
化学的科学方法的介绍任何一门学科都有其发生和发展的过程，学习知识时若不从历史中寻找借鉴，就易把知识当成是“终极真理”而死记硬背，不求甚解。因此，在传授知识的同时，应该介绍量子化学发展史，学习科学家勇于探索的精神，由师生共同创造一种崭新的价值理念。例如普朗克(M．Planck)的“离经叛道”的假设;德布罗意(deBroglie)波的提出是类比法的成功典范，戴维逊(C．Davisson)-革末(L．H．Germer)的因祸得福;狄拉克(Dirac)、薛定谔(E．Schrdinger)的异曲同工———薛定谔用数学形式开辟出量子力学的新体系;另外，还有一个德国物理学家海森堡提出一个矩阵力学体系，薛定谔用的是微积分形式，海森堡用的是代数形式;汤姆逊(Thomson)父子的珠联壁合———父亲发现了电子，儿子又证实了电子是波，父子二人在物理学方面进行接力研究，在科学史上传为美谈。还有徐光宪的巧妙规则，唐敖庆的独辟蹊径等［2］。科学的先驱是勇敢的探索者，他们常常在黑暗中摸索前进，他们的精神值得我们敬佩。学生听到和看到这些史实，无不浮想联翩，对优化思维结构，激发科学壮志都有潜移默化的作用。在传授理论知识的同时，指导学生学会抽象思维和用数学工具处理问题，并运用类比、模拟的科学方法［3］，寓科学方法于教学内容中。类比方法是提出和建立科学假说的重要方法。例如德布罗意假设是在光的波粒二象性思想启发下，提出电子等实物微粒也具有波动性，他当时推导固然复杂些，从科学方法论的角度讲，由光的波粒二象性到实物微粒的波粒二象性是一种类比推理。类比是利用两个或两类对象之间在某些方面的相似或相同，推出它们在其他方面也可能相似或相同的思维方法，是一种由特殊到特殊、由此及彼的过程。类比可以提供重要线索，启迪思想，是发展科学知识的一种有效的试探方法。还有薛定谔受物质波假说的启发，引出了电子运动的波函数方程，他走的也是依赖类比的“近路”。许多化学问题的解决有赖于类比方法的使用，而类比方法的使用有可能形成简捷的思维路径。使学生在学习科学知识的同时，得到方法论的启迪。在教学中应引导学生追踪量子化学发展的足迹，不失时机地揭示其中的科学方法，更清楚地了解各种知识理论的相对合理性及有待完善的地方。这样使学生在学习过程中不仅可以获得化学知识，而且能学习科学家严谨求实的治学态度、高度的敬业精神和大胆创新的进取精神。
通过改进课程教学方法培养学生创新能力
使用多种教学方法培养学生的理论思维能力与创新能力，是结构化学课教学的重要目的。课堂教学是学生学习结构化学的主要和基本的学习形式。课堂教学质量的高低与课堂教学方法的运用有很大关系。以前我们采用的是“一言堂”的教学方式，这种教学方法压抑了学生学习结构化学的积极性和主动性，因此，根据教学内容灵活地采用不同的教学方法是提高结构化学课教学质量的重要手段。结构化学虽是理论性较强的学科，但与其他学科一样，来源于对实验现象的分析、思考，且要通过实践来检验其结论正确与否，内容博大精深，集科学性、思想性于一体，并具有前沿性。结构化学教师必须重视对结构化学教学方法的研究，针对不同教学内容采取不同的教学方法，更好地提高教学质量。我们采用的教学方法主要有:启发式教学、互动式教学、讨论式教学、对话式教学、模型教学和专题式教学，并布置小论文，开展学生的科技活动。如在课程讨论时将学生分成几个学习小组，针对不同主题进行讨论，并在课堂上交流。把个体作业学习与大组讨论交流结合起来，以培养学生的创新思维。如布置“超分子结构”为主题的小论文，许多学生通过期刊和网络收集了大量与超分子结构化学有关的信息，从不同角度撰写了心得体会和小论文，有的学生还发表了自己的设想和见解。课程教学讨论不仅丰富了学生的知识，而且也培养了学生的创新能力。利用多媒体辅助教学在有限的教学时间内运用现代化教学手段，可以加大信息量。我们使用幻灯片和CAI课件，通过图、文、声、像等手段，把抽象的理论变成具体的形象，让学生在直观、生动的学习中加深对理论的理解。目前，我们研制的结构化学CAI课件已连续使用几届，受到学生的好评。例如讲授等径球密堆积时，无论用黑板绘图或圆球模型展示表现得都不够清楚，现在用多媒体课件，动态演示等径球一层层的排列方式，效果很明显。必修课与选修课相结合在上好必修课的同时，开设量子化学、波谱学、化学中的数学方法等选修课，理论与实践相结合，以科学方法启迪学生的创新思想。以科研促教学从专业基础知识的结构上看，结构化学课程是基础课和专业课的枢纽课程，是介于本科生学习和毕业论文之间承上启下的课程。结构化学课程理论性强，但实践性也很重要，有些知识一直影响到学生的硕士、博士学位论文［4］。因此，科研进教学、教学促科研的双向互动就显得很重要。结构化学教学内容基本是20世纪的科研成果。我们发挥科研背景优势，在教学中不断将当前的科研成果融入教学，以使课堂内容具有丰富性、代表性、创造性和启发性，能跟上时代前进的步伐。在开展第二课堂活动中，通过设计专题科研实验，使学生能有更多机会加入到自身科研之中，有时间和空间从事自己有兴趣的课题研究;通过使用Origin，Chemistry3D等软件制作分子结构及其轨道图;利用Gaussian98以及GaussView等专业软件开展分子设计与量子化学计算模拟实验，帮助学生学习与理解自洽场运算原理、原子轨道、分子轨道及其能量电荷分布、热化学性质、简谐振动、对称性等相关知识。在科研过程中，学生有了正确的科研方向和学习目的，能有针对性地查阅最新资料，及时了解学科前沿，从而改变了被动学习的局面。
量子化学应用范文第5篇
在结构化学课程教学中设置课程论文作为激励学生学习知识和课程评价的手段。引导学生将课堂学习的结构化学理论知识应用于课程论文研究中，达到学以致用效果。论文指导过程中，注意学生创新思维模式的培育，教学的重点应放在课程论文研究的过程上，同时注意培养学生的科学道德，全面提升学生的科学素养。
【关键词】 结构化学 课程论文 创新思维
《结构化学》是理科院校化学专业的一门重要基础理论专业课。这门课程以严谨的数学逻辑推导为基础，建立比较抽象的理论概念，学生一般感到难学难懂。因此，学生易缺乏学习的积极性，影响到教学效果。根据结构化学教学的特点，我们在教学中，设置课程论文作为激励学生学习知识和评价教学效果的手段。对此， 我们在教学实践中， 在掌握学生基本学习情况的基础上，根据本课程的教学内容和教学特点，设置与教学目标和教学要求相适应的，注重理论研究和解释实际实验现象的课程论文题目，引导学生尝试应用结构化学/量子化学的理论计算结果来解释化学实验，深入了解分子结构和理论性质，揭示其内在规律性。从而在应用理论的过程中加深对理论知识的认识，提高学生的学习积极性，取得较好的教学效果。
1 设置课程论文的重要性
与其他化学专业课程不同，《结构化学》的内容主要是抽象理论，缺乏合适的配套实验对所学理论知识进行加深、拓宽和巩固。该门课程的对象一般是大学三年级学生，具有相当的化学专业知识。设置课程论文可以让学生在搜寻研究对象或者范围时，对以前专业知识进行回顾和分析，思考大学一年级以来学习的知识是否存在可以采用结构化学理论解释的地方，引发学生对化学知识、原理和现象进行思考，在自由选择题目范围的情况下，激发学生的学习和研究兴趣。在指导学生进行课程论文研究时，注意讲述一般科学研究的方法和步骤及科学工作者所应当具备的科学道德，全面提升学生的科学素养。在指导学生进行课程论文撰写时，着重讲授一般论文的写作格式，培养学生的逻辑思维，提高学生的书面表达能力，形成一定论文写作规范。这对于一般理工科学生尤其重要。设置的课程论文同时为四年级毕业论文研究阶段所需要的逻辑思维和论文写作打下基础。
2 理论化学计算软件的讲授
让学生进行课程论文研究，首先必须先教导学生使用理论化学的计算软件，让计算软件成为学生进行课程论文研究的工具，所以教师本身需要对该类软件非常熟悉，同时具备利用该类软件进行科学研究的能力和经验，这对教师的教学和科研能力有较高的要求。在众多量子化学理论计算软件中，HyperChem比较适合一般学生使用。可视化软件使深奥的理论计算结果形象化、直观化进行表达，让学生好学易懂，同时操作简单，适合用来作为课程论文研究的计算软件。在实际教学中，我们只需要1学时就能教会学生有关HyperChem的基本操作和应用于简单的理论计算。谭君［1］介绍了HyperChem软件的一些使用操作和特点，这里不再重复叙述。
3 科学研究思维和步骤的指导
授之以鱼不若授之以渔，所以我们在课堂上，教导学生一般的科学研究思维和步骤。课堂上以苯环上亲电取代反应的定位规律作为计算例子，采用Hyperchem软件计算各原子电荷并解释定位规律的实验现象。众所周知，苯环上的取代基分为邻对位定位基和间位定位基两类。这里选择了氨基和甲醛基分别作为邻对位定位基和间位定位基两类代表，通过计算其量子化学指数，讨论其计算结果，从理论上解释定位效应。
首先分析影响亲电反应的因素。一般认为碳原子的电子云密度是主要因素，所以我们可以通过计算苯环上的碳原子电荷来解析亲电反应规律。
在Hyperchem构造并以PM3分别计算氨基苯和苯甲醛，按display中的labels，选定charge项，在分子中显示各碳原子的电荷分布。
电荷分布显示氨基苯上邻位和对位的C原子带负电荷，分别为-0.191和-0.169，均大于间位C原子电荷（-0.05），所以对于氨基苯来说，亲电基团会首先进攻邻位和对位。而在苯甲醛的情况恰好相反，间位C原子电荷为最负，为-0.119。亲电基团会首先进攻间位。根据上述计算结果和讨论，应用原子电荷的规律变化很好地解释了亲电取代定位规则。
转贴于 4 拟定结构化学计算题目
自由选择题目范围，可以激发学生的学习和研究兴趣，教学中，我们设定以下方向（题目）：
① 药物分子的结构与活性关系
通过对分子的结构计算，讨论结构与活性关系，寻找分子活性中心和主要影响活性的因素。
② 化学反应原理与规律解释
以理论方法计算和解释常见化学反应的产物与规律，如丁二烯的加成反应。
③ 分子结构与性质
计算出分子的量化指数，寻找量化指数与分子性质的关系，如HOMO、LUMO与颜色的关系。
④ 光谱的移动
研究分子结构与光谱移动的关系，如分子中的键长的变化直接影响红外吸收峰的移动。
⑤ 分子的结构/构型/构象
以理论方法研究分子的结构、具体构型和构象。
⑥ 分子间的相互作用
分子间的作用一般为氢键和范德华作用，与化合键作用相比，属于弱作用，是生物大分子主要相互作用。
5 论文指导与创新思维模式的培育
创新思维的特征是求同与求异的统一、发散与收敛思维的统一、敏锐的直觉与理论思维的统一。课程论文布置下去以后，学生在对课题的思考会有许多新的问题和新的想法，我们要鼓励学生在对新的问题进行创新思维。安排课程讨论，将学生的想法在课堂上讨论，尊重学生的新想法，引导学生将课堂学习的结构化学理论知识应用于课程论文研究中。
具有独立思考判断能力是学生创新思维模式的主要表现。传统教师讲、学生听的缺乏互动的教学模式已表现出许多弊端，影响了学生独立思考和动手的素质及其能力的形成。学生自己选题，成为培养学生独立思考判断能力跨出的第一步，也是重要的一步。独立开展课程论文研究，进一步培养学生独立思考判断能力。因此，教学的重点应放在课程论文研究的过程上，而非结论。教会学生从抽象的数理推导中评选出适合个体所需的条件。同时，学生只有具备独立的思考判断能力和获取知识的能力，才能在终身教育过程中面对日新月异的世界，不断实现知识的更新［2］。
【参考文献】
1 谭君. HyperChem 在结构化学教学中的应用. 重庆教育学院学报，2004，17(6):20～22.
