序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]十篇量子化學(xué)基礎(chǔ)范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

篇（1）

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門(mén)學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)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(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)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(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)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(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)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(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)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(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開(kāi)始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)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(duì)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(yù)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(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)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(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)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(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見(jiàn)運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)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(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報(bào),1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報(bào),1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報(bào),1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

篇（2）

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門(mén)學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)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(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)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(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)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(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)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(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)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(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開(kāi)始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)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(duì)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(yù)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(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)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(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)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(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見(jiàn)運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)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(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報(bào),1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報(bào),1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報(bào),1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

篇（3）

結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門(mén)從微觀角度研究原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的科學(xué)。這門(mén)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，需要學(xué)生具備扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，特別是量子力學(xué)中許多新概念、新方法和新原理，使得學(xué)生普遍感到艱澀難懂，缺乏學(xué)習(xí)的積極性。要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的量子化學(xué)思維，使其能夠運(yùn)用結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識(shí)解釋化學(xué)事實(shí)、闡明分子結(jié)構(gòu)及揭示化學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，僅用傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難達(dá)到目的。在此介紹比較新穎的量子化學(xué)軟件Gaussian和GaussView，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，可使枯燥乏味的理論學(xué)習(xí)變得生動(dòng)形象，大大提高教學(xué)質(zhì)量，取得良好的教學(xué)效果。

一、軟件介紹

Gaussian是目前計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最流行、應(yīng)用范圍最廣的商業(yè)化量子化學(xué)計(jì)算程序包。它最早是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的約翰?波普在上世紀(jì)60年代末、70年代初主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，現(xiàn)在常用的是Gaussian 03，最新版本為Gaussian 09。該程序可在不同型號(hào)的大型計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)及工作站上運(yùn)行，是當(dāng)今理論計(jì)算化學(xué)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(zhí)行各種半經(jīng)驗(yàn)和從頭算分子軌道計(jì)算。Gaussian 03 可用來(lái)預(yù)測(cè)氣相和液相條件下，分子和化學(xué)反應(yīng)的許多性質(zhì)，包括：分子的能量和結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、分子體系的振動(dòng)頻率、NMR、IR和拉曼光譜及熱化學(xué)性質(zhì)、分子軌道、原子電荷、多極矩、電子親和能、離子化勢(shì)，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(jié)構(gòu)編輯；顯示結(jié)構(gòu)（從計(jì)算輸出文件中讀取優(yōu)化的結(jié)構(gòu)）、振動(dòng)模式和化合物的分子軌道；查詢鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角和耦合因子等。

二、計(jì)算并顯示分子軌道

分子軌道理論是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。由于“分子軌道”中的軌道不同于經(jīng)典物理中的軌道，指的是分子中的單電子波函數(shù)φi，即分子中每個(gè)電子都是在由各個(gè)原子核和其余電子組成的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，那么第i個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用波函數(shù)φi描述，該波函數(shù)又稱為分子軌道［2］。關(guān)于分子軌道的概念理解需要學(xué)生具有較好的抽象思維能力，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中是重點(diǎn)和難點(diǎn)。在講述這部分內(nèi)容時(shí)，可用Gaussian軟件計(jì)算相關(guān)雙原子分子的分子軌道，并用GaussView演示分子軌道的分布特點(diǎn)、電子填充情況等，幫助學(xué)生很好地理解分子軌道的概念。

下面以N2為例進(jìn)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(yōu)化分子，就可得到各分子軌道能級(jí)。Gaussian 03優(yōu)化結(jié)果文件中會(huì)具體給出N2的各分子軌道能級(jí)大小及其對(duì)稱性。用GaussView軟件可顯示優(yōu)化分子的分子軌道形狀，見(jiàn)圖1。

在“分子軌道的對(duì)稱性和反應(yīng)機(jī)理”一節(jié)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(yīng)，均可用Gaussian 03和GaussView軟件計(jì)算并顯示分子軌道形狀，輔助教學(xué)。通過(guò)借助這些量子化學(xué)軟件來(lái)描述分子軌道，使得過(guò)于抽象、艱澀難懂的理論、概念變得生動(dòng)形象，直觀易懂，易被學(xué)生接受，方便教學(xué)。

三、顯示分子的振動(dòng)模式

分子光譜是測(cè)定和鑒別分子結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)手段，也是分子軌道理論發(fā)展的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。分子光譜和分子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。如紅外光譜來(lái)源于分子中原子的振動(dòng)，不同化學(xué)鍵或基團(tuán)具有不同的振動(dòng)模式，對(duì)應(yīng)有不同的特征振動(dòng)頻率。在講述這一部分內(nèi)容時(shí)，如用GaussView給學(xué)生以動(dòng)畫(huà)形式展示每一種振動(dòng)，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(jìn)行優(yōu)化和頻率計(jì)算，最后用GaussView打開(kāi)結(jié)果文件。打開(kāi)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(gè)振動(dòng)模式。點(diǎn)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(dòng)；點(diǎn)擊#2行，可看到圖2（2）所示的2個(gè)氫原子的對(duì)稱伸縮振動(dòng)；點(diǎn)擊#3行，可看到圖2（3）所示的2個(gè)氫原子的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)。每一種振動(dòng)的振動(dòng)頻率均可從圖2顯示的Display Vibratons文本框中讀出。點(diǎn)擊Display Vibratons文本框中的start按鈕，可顯示所選振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)畫(huà)，點(diǎn)擊stop，可停止該振動(dòng)。點(diǎn)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(dòng)畫(huà)演示可使枯燥乏味的知識(shí)變得生動(dòng)活潑，大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化學(xué)的趣味性。

四、結(jié)語(yǔ)

Gaussian 03和GaussView等量子化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止以上幾種，還可以建立和顯示三維分子結(jié)構(gòu)模型、獲得分子化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，等等?？傊?，常用量子化學(xué)軟件可提供許多具體的量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果，幫助闡述結(jié)構(gòu)化學(xué)中抽象的概念、理論，讓學(xué)生用分子模擬的方法，通過(guò)具體的實(shí)踐領(lǐng)悟微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、建立抽象的量子化學(xué)思維，提高學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性。

參考文獻(xiàn)：

篇（4）

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是我國(guó)高等學(xué)校化學(xué)專業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學(xué)，分子對(duì)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(shí)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(shī)詞所言，無(wú)限風(fēng)光在險(xiǎn)峰，學(xué)好這門(mén)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(lái)，學(xué)生忙起來(lái)，效果實(shí)起來(lái)，筆者在此對(duì)授課以來(lái)的問(wèn)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(yǔ)言描述核心知識(shí)，而對(duì)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(duì)這個(gè)問(wèn)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?cè)谑谡n過(guò)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(wú)法對(duì)物理圖像有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)和把握。紙上得來(lái)終覺(jué)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(shuō)過(guò)：“任何一門(mén)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(mén)科學(xué)。因此我們?cè)谑谡n時(shí)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(gè)章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時(shí)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(duì)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(duì)稱性，配位化學(xué)以及晶體學(xué)基礎(chǔ)。盡管這四個(gè)部分知識(shí)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(wèn)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(wú)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(duì)這些問(wèn)題，我們對(duì)課程的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理的補(bǔ)充和刪減。首先，對(duì)于量子化學(xué)部分，我們?cè)谑谡n一開(kāi)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(jiǎn)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(guò)程及解的物理意義，以及針對(duì)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(kāi)始時(shí)，我們對(duì)之前的內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行展開(kāi)復(fù)習(xí)，進(jìn)行鞏固。配位化學(xué)部分，對(duì)于和無(wú)機(jī)化學(xué)有重疊的部分，我們通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)，同時(shí)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(gè)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(duì)稱性進(jìn)行線性組合的方式，同時(shí)介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見(jiàn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問(wèn)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(guò)知識(shí)解決實(shí)際科研問(wèn)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(shí)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(shí)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(lái)獲得感和高階樂(lè)趣。

3反客為主，多元考核

篇（5）

中圖分類號(hào)O64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674—6708（2012）76—0109—02

“燃燒熱測(cè)定”是物理化學(xué)中一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中一般測(cè)定固體物質(zhì)萘或蔗糖等有機(jī)物固體的燃燒熱[1—2]。本文通過(guò)熱力學(xué)綜合測(cè)定儀中的燃燒熱測(cè)定裝置，可以測(cè)量出液體苯、環(huán)己烷、環(huán)己烯的燃燒熱，進(jìn)行計(jì)算可得到苯的共振能。應(yīng)用量子化學(xué)理論算方法亦可計(jì)算苯的共振能，通過(guò)計(jì)算方法的選擇，并與文獻(xiàn)值比較[3]，可找到計(jì)算適合苯、環(huán)己烷、環(huán)己烯系列物質(zhì)的最佳方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

物理化學(xué)熱力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置RLXZH— ?（配計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件），氧彈量熱計(jì)，壓片機(jī)，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(shí)驗(yàn)用的是重慶申高生化制藥有限公司生產(chǎn)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(cè)定

取6個(gè)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(zhǔn)確稱取鐵絲的質(zhì)量，然后把鐵絲綁在膠囊上面，準(zhǔn)確稱量總質(zhì)量。利用量熱計(jì)測(cè)出空心膠囊的燃燒熱。

1.3 測(cè)定試劑的燃燒熱

選取一個(gè)密封完好的藥用膠囊，在分析天平上準(zhǔn)確稱取它的質(zhì)量，取適量鐵絲，準(zhǔn)確稱取它的質(zhì)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(zhǔn)確稱取質(zhì)量，算出苯的質(zhì)量。再把裝好的膠囊置于氧彈中，沖入氧氣，利用氧彈量熱計(jì)測(cè)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(cè)出環(huán)己烷和環(huán)己烯的燃燒熱。

1.4 實(shí)驗(yàn)記錄及其數(shù)據(jù)處理

根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)作圖，并對(duì)各測(cè)定做溫度雷諾校正圖，直接通過(guò)南大萬(wàn)和綜合熱測(cè)定儀隨即軟件作圖，求出每次實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度差T。之后再作雷諾校正圖得到溫差，圖l是四個(gè)實(shí)驗(yàn)的雷諾校正圖，溫差T已標(biāo)出；計(jì)算量熱計(jì)的熱容，計(jì)算結(jié)果可由南大萬(wàn)和物理化學(xué)熱力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置隨機(jī)軟件記錄并處理數(shù)據(jù)。從量熱計(jì)的熱容、各液體樣品燃燒時(shí)的水溫升高值以及膠囊的燃燒熱值，計(jì)算苯、環(huán)己烷和環(huán)己烯的恒容燃燒熱，并由H=QP=QV+ nRT計(jì)算恒壓反應(yīng)熱，結(jié)果見(jiàn)表1。

2 理論計(jì)算部分

2.1 計(jì)算方法

在ChemDraw程序中構(gòu)建苯、環(huán)己烷和環(huán)己烯的分子結(jié)構(gòu)模型，先用AM1半經(jīng)驗(yàn)算法對(duì)分子模型進(jìn)行初步的幾何優(yōu)化。之后分別用半經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行優(yōu)化構(gòu)型的量子化學(xué)計(jì)算，整個(gè)計(jì)算過(guò)程使用Gaussian 03程序包完成。

2.2 計(jì)算結(jié)果

分別使用半經(jīng)驗(yàn)AM1法，從頭算方法HF（6—311+g*）、HF（6—311++g*）、B3lyp/6—31進(jìn)行結(jié)構(gòu)全優(yōu)化計(jì)算。苯是一個(gè)完全對(duì)等的正六邊形，6個(gè)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)，6個(gè)C原子不在一個(gè)平面上。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

按照下列公式求得苯的共振能E[4]，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.2 誤差分析

文獻(xiàn)值是123.58kJ·mol—1[5]，從實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)算結(jié)果上分析，實(shí)驗(yàn)方法與文獻(xiàn)值相差較大，測(cè)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(qiáng)揮發(fā)性，在裝入氧彈并排出氧彈中空氣的過(guò)程中已有部分揮發(fā)所導(dǎo)致；2）用膠囊盛裝液體，在高溫時(shí)膠囊變軟，從而導(dǎo)致液體揮發(fā)，使液體燃燒不完全引入誤差。用量子化學(xué)理論計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)半經(jīng)驗(yàn)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(jì)算，密度泛函方法計(jì)算得到的結(jié)論與文獻(xiàn)3值吻合較好，而且在用HF方法計(jì)算時(shí)，我們用了不同的基組，發(fā)現(xiàn)基組的改變對(duì)計(jì)算數(shù)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(xiàn)值相符的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和量子化學(xué)理論計(jì)算均能得到苯的共振能，通過(guò)方法和誤差分析也可比較兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。從誤差分析，實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)果誤差較大，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)仍不理想。量子化學(xué)理論計(jì)算方法中的密度泛函（DFT）方法得到的結(jié)果與文獻(xiàn)值接近，是計(jì)算該類物質(zhì)能量的較好的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]復(fù)旦大學(xué).物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2002，6：24—26.

[2]孫爾康.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].南京：南京大學(xué)出版社，2010，1：8—10.

篇（6）

關(guān)鍵詞：2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；理論與計(jì)算化學(xué)；計(jì)算機(jī)輔助；模型化學(xué)

文章編號(hào)：1005?6629（2014）3?0011?04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2013年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美國(guó)科學(xué)家，以表彰他們?cè)诎l(fā)展復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型方面所做出的杰出貢獻(xiàn)。我們知道，長(zhǎng)久以來(lái)，化學(xué)學(xué)科的奠基和發(fā)展始終離不開(kāi)化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中的辛勤勞動(dòng)，但與此同時(shí)，隨著實(shí)踐知識(shí)的不斷豐富和完善，以及運(yùn)算能力的突飛猛進(jìn)，理論和計(jì)算化學(xué)有可能也應(yīng)當(dāng)在新世紀(jì)在化學(xué)學(xué)科的傳統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。當(dāng)前，解開(kāi)每個(gè)人生命背后的謎團(tuán)也是人們的興趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科學(xué)家將經(jīng)典力學(xué)模擬方法結(jié)合最新發(fā)展的量子物理計(jì)算方法，為建立和發(fā)展多尺度復(fù)雜模型的理論模擬研究做出了基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。那么，到底什么是理論模擬方法？它有什么重要的科學(xué)意義？對(duì)我們又有什么啟迪？

1 理論與計(jì)算化學(xué)的建立和發(fā)展歷程

20世紀(jì)初量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們打開(kāi)了深層次研究分子和原子的大門(mén)。量子力學(xué)中著名的薛定諤方程以其優(yōu)美簡(jiǎn)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(xué)家利用薛定諤方程解開(kāi)了氫氣分子電子結(jié)構(gòu)[2]，理論化學(xué)從此悄然興起。隨后，價(jià)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(xué)的內(nèi)容。從此，化學(xué)學(xué)科可以說(shuō)與物理學(xué)一樣，開(kāi)始了真正的兩條腿走路，而不再只是依靠實(shí)驗(yàn)知識(shí)的獲取跛足而行。

早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家利用半經(jīng)驗(yàn)的方法對(duì)原子軌道進(jìn)行了計(jì)算。50至60年代期間，各種各樣基于現(xiàn)代量子理論的計(jì)算已經(jīng)被用來(lái)計(jì)算一些簡(jiǎn)單分子的電子結(jié)構(gòu)和相互作用。20世紀(jì)70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化學(xué)計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)也擴(kuò)充了計(jì)算化學(xué)的內(nèi)涵。

與此同時(shí)，新的化學(xué)合成與表征技術(shù)的開(kāi)發(fā)使得越來(lái)越多新穎的分子被制造出來(lái)，人們不僅需要認(rèn)識(shí)這些新分子，而且也需要借助一定手段來(lái)指導(dǎo)新分子的合成。在這樣的前提下，就需要借助計(jì)算機(jī)對(duì)分子進(jìn)行模擬。

1990年，密度泛函理論（Density Functional Theory）的提出將理論和計(jì)算化學(xué)帶到了一個(gè)新紀(jì)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(guān)作用的近似，由其得出的分子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得非常好。直至目前，密度泛函理論依然是分子和化學(xué)反應(yīng)模擬中最重要也是最為常用的方法，兩位科學(xué)家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因?yàn)榉謩e發(fā)展了密度泛函理論以及將這種量子力學(xué)計(jì)算方法融入到計(jì)算化學(xué)中去而獲得了1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)第一次被授予理論和計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家。獲獎(jiǎng)?wù)咧坏腜ople也是著名量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian[8]的開(kāi)發(fā)者之一，該軟件在2009年又進(jìn)行了一次更新，是當(dāng)今功能最完善、計(jì)算最有效、生命力最長(zhǎng)的量子化學(xué)計(jì)算軟件。

目前，專門(mén)刊登量子化學(xué)理論、模型化學(xué)和計(jì)算化學(xué)的學(xué)術(shù)期刊也紛紛涌現(xiàn)，如，美國(guó)化學(xué)會(huì)（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(xué)術(shù)出版集團(tuán)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(guó)內(nèi)也有例如《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》和《計(jì)算機(jī)及應(yīng)用化學(xué)》等期刊。

2 復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的建模以及應(yīng)用

1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化學(xué)反應(yīng)的通用理論研究方法[10]。這個(gè)方法將生物酶-底物間的復(fù)合物和溶劑作用一起考慮在整個(gè)體系之內(nèi)，并且用量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)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(xué)包含了酶-底物鍵的斷裂，底物與酶結(jié)合時(shí)電荷的重新分布；而經(jīng)典力學(xué)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(diǎn)，兩位作者以一種水解酶裂解糖苷鍵為實(shí)例，首次進(jìn)行了水解酶-糖苷這個(gè)復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的理論計(jì)算（圖1）。如今復(fù)雜化學(xué)體系的QM/MM方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到酶-底物催化反應(yīng)，有機(jī)反應(yīng)以及DNA/RNA的相關(guān)研究中去。

那么，如何建立一個(gè)合理的多尺度復(fù)雜模型？科學(xué)家們和軟件工程師們通力合作開(kāi)發(fā)出了各種功能強(qiáng)大的分子建模和可視化軟件。對(duì)于小分子的構(gòu)建，最為常用的為PerkinElmer公司下屬的劍橋軟件公司開(kāi)發(fā)的ChemBioOffice？系列軟件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？?jī)蓚€(gè)模塊（圖2）。當(dāng)在軟件窗口的右側(cè)ChemDraw？面板畫(huà)出感興趣的分子后，左邊的窗口就會(huì)立即顯示出分子的3D模型。本軟件還包括了其他很多內(nèi)容，例如對(duì)分子進(jìn)行簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化操作或者分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫(huà)出分子的部分電荷、分子軌道等信息。

GaussView？是Gaussian公司開(kāi)發(fā)的用于分子建模的軟件包，目前已經(jīng)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(jì)算功能，而只是作為量子化學(xué)計(jì)算軟件Gaussian？的圖形輸入接口，圖3是利用GaussView？創(chuàng)建了聯(lián)苯分子，當(dāng)利用Gaussian？軟件對(duì)分子進(jìn)行計(jì)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(nèi)部進(jìn)行計(jì)算，而且ChemBioOffice？軟件還提供了Gaussian？計(jì)算軟件的接口。我們可以在ChemBioOffice？中構(gòu)建完小分子，并設(shè)置運(yùn)行參數(shù)之后在Gaussian？中進(jìn)行對(duì)應(yīng)的計(jì)算。

在一個(gè)復(fù)雜化學(xué)體系中，往往還要涉及到生物大分子的構(gòu)建?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)構(gòu)建起了大分子結(jié)構(gòu)庫(kù)，最著名就是由美國(guó)布魯克海文（Brookhaven）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。庫(kù)內(nèi)包含了蛋白質(zhì)、多肽、DNA、RNA等95644個(gè)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。我們可以通過(guò)下載數(shù)據(jù)來(lái)得到生物大分子的晶體結(jié)構(gòu)。

Accelrys公司開(kāi)發(fā)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(jié)構(gòu)。

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

VMD？軟件也是一種常用的可視化軟件，相對(duì)于Discovery Studio Client？，其功能更側(cè)重于動(dòng)態(tài)展現(xiàn)動(dòng)力學(xué)情況下分子的運(yùn)動(dòng)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(duì)一個(gè)建立完成的化學(xué)體系進(jìn)行理論的計(jì)算，預(yù)測(cè)這個(gè)復(fù)雜化學(xué)體系的物理化學(xué)性質(zhì)。對(duì)于一個(gè)多尺度模型的計(jì)算，計(jì)算方法的選擇也是多尺度的。首先，對(duì)需要模擬的化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域要進(jìn)行界定。在界定了這個(gè)區(qū)域之后，必須對(duì)這個(gè)區(qū)域內(nèi)的分子進(jìn)行高精度的量子化學(xué)計(jì)算，模擬或預(yù)測(cè)該區(qū)域內(nèi)可能存在的化學(xué)鍵以及鍵的斷裂。在界定的反應(yīng)區(qū)域之外，由于不牽涉到化學(xué)反應(yīng)，所以不需要高精度的量子化學(xué)計(jì)算方法，而只需要相對(duì)簡(jiǎn)單的半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法或者更簡(jiǎn)單的分子力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算?？偠灾?，這就是復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的計(jì)算，即QM/MM計(jì)算。涉及量子化學(xué)部分的QM計(jì)算，需要用到包含量子化學(xué)計(jì)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(jìn)行計(jì)算。

3 復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型建立的科學(xué)意義及其展望

結(jié)合理論以及計(jì)算化學(xué)發(fā)展本身的歷程來(lái)看，復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型具有十分重要的科學(xué)意義。首先，此模型的建立使我們從簡(jiǎn)單分子的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入到了生物大分子體系的理論計(jì)算研究。利用理論計(jì)算這個(gè)強(qiáng)有力的工具，生命科學(xué)的奧秘將很快被解開(kāi)，人們對(duì)生命科學(xué)背后的化學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)將會(huì)上升到分子層面，對(duì)帶動(dòng)化學(xué)，乃至生命科學(xué)學(xué)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(jìn)理論和計(jì)算化學(xué)本身的發(fā)展，豐富理論和計(jì)算化學(xué)本身的內(nèi)涵，并且隨著研究體系的進(jìn)一步復(fù)雜化，將在現(xiàn)有的多尺度基礎(chǔ)上提出新的超尺度模型的可能。

此外，作為一門(mén)交叉學(xué)科，理論和計(jì)算化學(xué)的發(fā)展也勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)其他相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。90年代開(kāi)始，納米學(xué)科蓬勃發(fā)展，各種新材料如雨后春筍般出現(xiàn)，得益于理論化學(xué)中平面波和贗勢(shì)（即將離子實(shí)的內(nèi)部勢(shì)能用假想的勢(shì)能取代真實(shí)的勢(shì)能，但在求解波動(dòng)方程時(shí)，不改變能量本征值和離子實(shí)之間區(qū)域的波函數(shù)）的發(fā)展，對(duì)具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體材料性質(zhì)的模擬和預(yù)測(cè)也成為可能。目前，已經(jīng)有Material Studio？、VASP？等多種模擬軟件。在藥物合成方面，計(jì)算機(jī)輔助藥物合成的概念已經(jīng)深入人心（Computer-aided Drug Design）。顧名思義，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)利用計(jì)算化學(xué)這個(gè)強(qiáng)有力的工具來(lái)發(fā)現(xiàn)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(biāo)就是通過(guò)計(jì)算化學(xué)來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)分子與靶生物分子是否會(huì)結(jié)合，并且其結(jié)合能力有多強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的軟件則包括了GOLD？、SYBYL？等等。

可以說(shuō)，理論和計(jì)算化學(xué)已經(jīng)成為輔助化學(xué)家們探索世界的重要工具，也成為了指引科學(xué)家探索未知世界的新羅盤(pán)。

參考文獻(xiàn)：

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篇（7）

萊納斯?卡爾?鮑林是著名的量子化學(xué)家，他在化學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都有過(guò)重大貢獻(xiàn)。他是唯一一個(gè)單獨(dú)兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)的人，不過(guò)后一次獲得的是諾貝爾和平獎(jiǎng)。

1901年2月18日，鮑林出生在美國(guó)俄勒岡州波特蘭市。幼年的鮑林聰明好學(xué)，11歲認(rèn)識(shí)了心理學(xué)教授捷夫列斯。捷夫列斯有一所私人實(shí)驗(yàn)室，他曾給幼小的鮑林做過(guò)許多有意思的化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，這使鮑林從小萌生了對(duì)化學(xué)的熱愛(ài)，這種熱愛(ài)使他走上了研究化學(xué)的道路。

1922年，鮑林以優(yōu)異的成績(jī)從俄勒岡州農(nóng)學(xué)院化學(xué)工程系畢業(yè)，同時(shí)，考取了加州理工學(xué)院的研究生，導(dǎo)師是著名化學(xué)家諾伊斯。諾伊斯告訴鮑林，不要只停留在書(shū)本知識(shí)上，應(yīng)當(dāng)注重獨(dú)立思考，同時(shí)要研究與化學(xué)有關(guān)的物理知識(shí)。鮑林在諾伊斯的指導(dǎo)下，用調(diào)射線衍射法測(cè)定了輝鋁礦的晶體結(jié)構(gòu)。這使他在化學(xué)界初露鋒芒，同時(shí)也增強(qiáng)了他進(jìn)行科學(xué)研究的信心。

1925年，鮑林以出色的成績(jī)獲得化學(xué)哲學(xué)博士，并于1926年2月去了歐洲游學(xué)。在歐洲游學(xué)時(shí)，鮑林去了很多實(shí)驗(yàn)室工作與學(xué)習(xí)，接觸到了許多世界第一流的專家，并且了解了很多科學(xué)前沿問(wèn)題，這對(duì)他后來(lái)取得學(xué)術(shù)成就是十分重要的。

1927年，鮑林結(jié)束了兩年的歐洲游學(xué)回到了美國(guó)，擔(dān)任助理教授講授量子力學(xué)及其在化學(xué)中的應(yīng)用。1930年，鮑林再一次去歐洲，到布拉格實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)有關(guān)射線的技術(shù)，后來(lái)又到慕尼黑學(xué)習(xí)電子衍射方面的技術(shù)，回國(guó)后，被加州理工學(xué)院聘為教授。

鮑林在探索化學(xué)鍵理論時(shí)，遇到了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問(wèn)題。為了解釋甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)，說(shuō)明碳原子四個(gè)鍵的等價(jià)性，鮑林提出了雜化軌道的理論。該理論的根據(jù)是電子運(yùn)動(dòng)不僅具有粒子性，同時(shí)還有波動(dòng)性，而波又是可以疊加的。所以鮑林認(rèn)為，碳原子和周圍四個(gè)氫原子成鍵時(shí)，所使用的軌道是二者經(jīng)混雜、疊加而成的“雜化軌道”，這種雜化軌道在能量和方向上的分配是對(duì)稱均衡的。雜化軌道理論，很好地解釋了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。

篇（8）

    2構(gòu)象的演示

    構(gòu)象是有機(jī)化學(xué)中的一個(gè)基本概念,一般是在講述烷烴的時(shí)候引入。這里以正丁烷中C2-C3單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)為例來(lái)說(shuō)明如何通過(guò)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(shí)給出了各典型構(gòu)象的相對(duì)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(shí),丁烷的兩個(gè)甲基相聚最遠(yuǎn),整個(gè)分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時(shí)兩個(gè)甲基的相互排斥使能量升高大約4.2kJ/mol,兩者都處于勢(shì)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(guò)15.3kJ/mol的勢(shì)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(duì)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

篇（9）

一、“人才聯(lián)盟”申請(qǐng)成立進(jìn)度

積極與相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)深入溝通交流，在充分闡述“人才聯(lián)盟”成立的初衷、即將開(kāi)展的業(yè)務(wù)范圍、廣泛深遠(yuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義以及發(fā)展前景的基礎(chǔ)上，對(duì)可行性征詢材料進(jìn)行了系統(tǒng)的完善。

“人才聯(lián)盟”籌備委員會(huì)已經(jīng)在第一時(shí)間通知所有發(fā)起單位、會(huì)員單位以及捐資單位按照成立登記申請(qǐng)相關(guān)要求完成相關(guān)材料的整理，近期提交籌委會(huì)進(jìn)行審核、報(bào)送社會(huì)團(tuán)體管理處。

二、首批外籍院士工作站項(xiàng)目

篇（10）

1.物理化學(xué)教材中關(guān)于反應(yīng)焓的計(jì)算

眾所周知，化工生產(chǎn)離不開(kāi)化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)常常伴隨著熱量的交換與傳遞。測(cè)定或計(jì)算一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的熱對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)是非常重要的。由于實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)常是在等壓或者等容條件下進(jìn)行的，因此很有必要對(duì)這兩種情況下的熱即Qp和Qv展開(kāi)學(xué)習(xí)和研究。又因?yàn)镼p和Qv之間存在直接的定量關(guān)系，所以只需要獲得其中一種熱效應(yīng)值就可以了，一般傾向于討論Qp。在非體積功為零的條件下，Qp與反應(yīng)焓變H在數(shù)值上是相等的，故恒壓反應(yīng)熱又可稱之為反應(yīng)焓。目前，物理化學(xué)教材[1]中關(guān)于化學(xué)反應(yīng)焓的計(jì)算，主要是利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓和標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓這兩種基礎(chǔ)熱數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓可以進(jìn)一步計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的Qp、Qv以及體系的rH和rU等。因此，標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓的計(jì)算是物理化學(xué)課程的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，所涉及的相關(guān)內(nèi)容也是物理化學(xué)課程的教學(xué)難點(diǎn)。

對(duì)于298.15 K下的反應(yīng)cC + dD yY + zZ，其標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓等于：

也就是說(shuō)，298.15 K下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓等于相同溫度下參加反應(yīng)的各個(gè)組分的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓與其化學(xué)計(jì)量系數(shù)乘積的代數(shù)和。結(jié)合νB的取值情況，其實(shí)質(zhì)是：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓等于各產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓之和減去各反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓之和。

如果利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓計(jì)算上述化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓，那么相應(yīng)的計(jì)算公式為：

顯然，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓等于參加反應(yīng)的各個(gè)組分的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓與其化學(xué)計(jì)量系數(shù)乘積的代數(shù)和的負(fù)值。

2.反應(yīng)焓的量子化學(xué)計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)“Thermochemistry in Gaussian”白皮書(shū)[2]可知，對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，如果反應(yīng)物和生成物中各種原子的個(gè)數(shù)均相等，那么在計(jì)算該化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)熱時(shí)，有關(guān)原子的信息就可以抵消，其反應(yīng)熱的計(jì)算只需要分子的數(shù)據(jù)。具體的計(jì)算公式如下：

其中Em表示分子總能量，Hc表示熱焓校正，二者之和可以直接從Gaussian程序的輸出文件中讀取。此處量子計(jì)算化學(xué)研究的對(duì)象一般是單個(gè)氣態(tài)分子，因此上述公式中的Em準(zhǔn)確地說(shuō)是氣態(tài)單分子的總能量，Hc是氣態(tài)單分子的熱焓校正值。由此可見(jiàn)，這里所說(shuō)的化學(xué)反應(yīng)都是在氣相中進(jìn)行的，即參與反應(yīng)的各個(gè)組分均為氣態(tài)。這也正是該理論計(jì)算方法的局限性和不足之處。但是，對(duì)于某些液相或者固相反應(yīng)來(lái)說(shuō)，同樣可以利用該方法粗略地估算其標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓。

3.乙醇脫水制取乙烯的化學(xué)反應(yīng)焓

以乙醇脫水制取乙烯的氣相化學(xué)反應(yīng)為例，介紹量子化學(xué)方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓的步驟和具體過(guò)程。首先，利用GaussView軟件分別繪制乙醇、水和乙烯的分子結(jié)構(gòu)，編輯各自的輸入文件。然后，采用Gaussian03程序優(yōu)化它們的分子結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)行振動(dòng)分析以判斷它們?yōu)閯?shì)能面上的穩(wěn)定點(diǎn)。圖1給出了乙醇、水和乙烯在B3LYP/6-311++G？鄢？鄢理論水平下的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)。