量子化学方面有关专升本论文范文 与量子化学计算软件在大学化学教学中的应用类本科论文开题报告范文

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量子化学计算软件在大学化学教学中的应用

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,结构和分子轨道.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3.55kcal/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Gaussian09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-consistentfield)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教学的方法.

参考文献:

[1]Lewars,E. Computational Chemistry-Introduction to theTheory 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.

[5]Reichardt. C. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry,3rd ed.;VCH:Weinheim,2003:285-300.

[6]Meng,S.;Ma,J.;Jiang,Y. J. Phys. Chem. B,2007,111,4128.

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