量子化学应用精选(九篇)

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第1篇：量子化学应用范文

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,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

第2篇：量子化学应用范文

（曲靖师范学院化学化工学院，云南 曲靖 655011）

【摘要】采用量子化B3LYP（6-311G**基组水平）对乙腈及其衍生物的反应物，过渡态和产物的几何构型进行了优化，通过振动分析对反应物和产物进行了确认，证实了乙腈异构化的机理。

关键词 乙腈及其衍生物；异构化；量子化学

过渡态理论指出．任何化学反应不只是反应物通过简单的碰撞就能变成产物，而是要经过一个中间过渡态(活化络合物)，然后才能变成产物。由于过渡态的寿命极短，实验方法难以捕捉，因此运用量子化学方法进行研究，无疑是一种适宜的方法。Hammond曾把过渡态与反应物和产物关联起来。

提出了对过渡态结构作近似估计的Hammond原理，但在许多反应中不能用它来作近似的估计。

我们用MNDO方法算得了乙腈异构化的反应途径曲线和过渡态。为了克服MINDO方法所遇到的一些问题，我们采甩了D~war等人提出的MNDO方法，它是在NDDO近似基础上发展起来的 。采用能量梯渡法优化了反应物和产物的平衡几何构型用线性内坐标法找到了最小能量途径，再以它的能量投大值时的构型作为过渡态的初始值用Powell方法优化得到过渡态的精细构型参数，并通过力常数计算和振动分析予以确证。

乙腈又名甲基腈，无色透明液体，极易挥发，有优良的溶剂性能，能溶解多种有机、无机和气体物质，与水和醇能无限互溶。乙腈能发生典型的腈类反应，并被用于制备许多典型的含氮化合物，是一个重要的有机中间体[1]。当乙腈作为中间体参与化学反应时，研究乙腈及乙腈衍生物的异构化对化学反应的途径及产物的制备具有重要意义[2]。

1计算方法

本文在使用Gaussian 03量子化学程序包[3]，采用B3LYP/6-311G**量子化学方法，对乙腈互变异构机理的反应物、过渡态和产物的几何构型进行了优化，并在优化的几何构型基础进行了振动频率分析，得到分子的几何构型、能量、电荷分布等，全部计算在PIV-1G微机上完成。

1.1异构化反应机理

当R为H原子时，即把乙腈作为反应体系的模型反应物，当R先后被1号取代基甲基(Me)，2号叔丁基(t-Bu)，3号苯基(Ph)取代时为乙腈三种不同取代基的异构化反应物。计算结果表明，当互变异构进行时，反应物的原子H4从原子C3上迁移到原子C2上，并且N1和C3成键。C3-H4键的键长逐渐拉长，而C2-H4的键长和C3-N1键均逐渐被缩短，最终C2与H4成键，C3与N1成键，最终形成一个比较稳定的碳氮碳三元环，通过各驻点的振动分析计算表明，过渡态都具有唯一的虚频。在模型反应的基础上，换取代基进行计算其过渡态的形式与模型反应相似。

1.2反应物、过渡态及产物的能量

乙腈的过渡态ts的相对能为417.8kJ/mol，当H原子被Me和t-Bu取代时，支链烷烃取代基随着供电子基团的增加，它们的过渡态的相对能略有减小，分别为402.6kJ/mol和389.21kJ/mol；而当用Ph取代H原子时，其过渡态的相对能下降的比较明显，过渡态的相对能为330.8kJ/mol。由此说明了支链烷烃取代基随着碳原子的增加，增大了空间阻碍效应，使其过渡态的相对能略有降低，但是为什么被苯环取代的乙腈的过渡态的相对能要更偏低一点，这是由于苯环的六个碳原子处于同一个平面上，有一定的共轭效应，但苯基取代的相对能量与支链烷烃取代的相对能相差不大。反应物r进行反应时，C3-H4键断裂，H4原子迁移，经过一个相对能量较高的过渡态ts，再经过H4原子的迁移形成最后的异构产物p。

1.3分子的前线轨道

根据分子轨道理论，前线轨道及其附近的分子轨道对反应活性影响最大，因此研究前线轨道可以确定反应部位以及为探讨作用机制等提供重要信息，HOMO具有优先提供电子的重要作用，LUMO具有接受电子的重要作用。分子的最高占据轨道 (HOMO) 能级和最低空轨道(LUMO)能级之差ΔE反映出分子的稳定性和反应的活性。

2结论

本文采用B3LYP方法对乙腈模型进行了异构化的计算研究，从直线性转变为三元环，获得了乙腈及其取代基异构化反应机理的一些重要信息，说明乙腈及其取代基异构化的一些特征。在模型反应的基础上，进行了不同烷烃取代基形成乙腈衍生物的计算，从各种参数分析，不同的取代基有相同的反应机理，有一个过渡态(ts)，过渡态的相对能量变化不是很大，产物的相对能变化也不大。

参考文献

［1］张会琴,梁国明．HNC-HCN反应机理的密度泛函理论研究[J]．自然科学学报,2005，22(3):100~104．

［2］林雪飞,孙成科．氮杂炔正离子与环烯反应的机理及取代基效应[J]．化学研究与应用,2007,19(8):872~876.

第3篇：量子化学应用范文

    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。

第4篇：量子化学应用范文

关键词：Gaussian程序；教学实践；应用教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）27-0162-02

Gaussian程序起源于上世纪七八十年代，当时计算机硬件条件很差，只能计算比较简单的分子，且计算级别较低，所以几乎不能应用于解决化学问题。随着计算机硬件技术的发展和计算方法的不断优化改良，到上世纪八九十年代，人们已经逐渐可以借助量子化学计算程序去对实验中的化学体系进行模拟和研究。值得一提的是，1998年诺贝尔化学奖授予科恩和波普尔，以表彰他们在理论化学领域做出的重大贡献。他们的工作使实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质，引起整个化学领域经历一场革命的变化，使化学不再是一门纯粹的实验科学。其中，波普尔正是Gaussian程序的原创者之一，此次得奖也是为Gaussian程序在世界范围内被接受和认可奠定了基础。Gaussian的版本从上世纪开始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。进入21世纪，随着Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持续更新和改进，Gaussian程序的功能也越来越强大，应用范围也越来越广。目前，Gaussian的主要功能包括：过渡态能量和结构、反应路径、热力学性质、分子轨道、键和反应能量、原子电荷和电势、核磁性质、红外和拉曼光谱、振动频率、极化率和超极化率等，计算不仅可以对具体体系的基态进行计算，还可以对其激发态的结构和性质进行研究。另外，它还可以用来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。该程序近年来的高速发展和广泛应用使其成为化学学科的科研教学人员必须掌握的工具之一。目前国内很多知名高校和科研院所都已经开展了Gaussian程序应用这门课程，并且作为相关专业本科生和研究生的必修课程。鉴于此，我院于2014年也开展了Gaussian程序应用作为研究生选修课程，这对于提高我院研究生专业素养和科研水平具有重要的意义。

一、Gaussian程序应用的参考教材选取

有很多关于Gaussian程序应用方面的书籍，包括中文的和英文的。针对这门课来说，我选择的参考教材主要是Foresman和Frisch编著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官网下载的与其配套的例子。该书分为三个部分，分别是基本概念和技术（包括第一章计算模型、第二章单点能计算、第三章几何优化、第四章 频率分析）、计算化学方法（包括第五章基族的影响、第六章理论方法的选择、第七章高精度计算）和应用部分（包括第八章研究反应和反应性、第九章激发态、第十章溶液中的反应）。我选择此书的出发点是：它的内容从基础到应用、从浅至深地介绍了Gaussian程序的主要功能和应用。书中的例子涉及分子能量和结构研究、过渡态的能量和结构研究、化学键以及反应的能量、振动频率、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱、核磁、极化率和超极化率、热力学性质、IRC反应途径等计算，另外还举例模拟了在气相和溶液中的体系、模拟基态和激发态分子的结构及性质。这些具体例子能够帮助从事化学及其相关领域的科研工作人员、教师和研究生等从不同的视角把握分子模型设计和计算模拟的策略、原则和方法，从而能够让研究人员全面了解Gaussian程序计算的模拟方法和应用实例。

二、Gaussian教学内容的选取

Gaussian程序主要是以分子力学和量子力学等为理论依据，借助计算机模拟进行化学问题研究的一门交叉学科。该课程教学涉及内容多、范围广，这就要求学生具有良好的数学、计算化学、结构化学、物理化学、有机化学、无机化学和计算机科学等众多专业知识的积累。学习这门课有助于拓宽学生的知识面，培养学生综合多种学科知识，解决实际复杂的化学问题的能力。然而这门课理论概念抽象，学生理解起来非常困难，教学难度也较大。选修这门课的学生主要来自物理化学专业和有机化学专业。对于物理化学专业的学生来说，他们的结构化学、计算化学和物理化学知识基础较好，这门课的学习不是非常困难。然而对于有机化学专业的学生来说，这门课学起来就比较困难了，因为他们的计算化学、结构化学和计算机科学知识比较薄弱。如何将抽象的化学知识简单化，形象化，帮助学生理解复杂的有机反应机理，提高学习积极性，这对老师的教学方法和方式有很高的要求。

针对不同化学专业学生的特点和他们将来要从事的职业，我更加注重实践教学而不是抽象概念的讲解和公式的推导。对于量子化学计算中涉及的一些算法学生只需了解，如果有学生对于基础知识非常感兴趣，我建议他们去听量子力学和结构化学课程。在课堂上，我重点讲解Gaussian程序的常用计算方法、思路和一些典型案例，以及如何运用这些方法解决科研中碰到的实际问题。比如讲解什么是半经验计算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理论、什么是分子力学算法等，讲解他们的区别以及在不同情况下如何选择不同的算法。此外，我还重点讲解基于量化计算的分子结构（包括稳定态和过渡态）的优化，分子光谱的计算和反应机理研究。这些内容对于化学专业的学生来说都是非常有意义的，可以帮助他们后续的科研工作。为了激发学生的学习兴趣，调动学生的自主性，让学生积极参与到课堂的专题实验交流活动，提高课堂教学的效果，我会教学生使用一些软件图形界面如Gaussview等，直接生动地展示和分析一些分子的三维结构，将抽象的化学分子通过色彩鲜艳的三维立体形象界面予以展示，并教会他们如何使用Gaussview建立分子模型和分析计算结果。在用Gaussview软件建立模型的过程中，我首先对主工具栏里边的元素工具和环工具等建模工具做了讲解，然后再对编辑工具即键长、键角和二面角工具做了使用演示，另外还讲了加H工具和原子消除工具的使用。事实上，上述的这几个工具如果能掌握好，学生们基本上就能根据所学化学知识来建立相应的分子的三维结构模型。随后，在课堂上我再演示如何用鼠标操作来旋转、移动、缩放和叠加结构，如何用鼠标操作来改变分子的显示形式和颜色，如何查看结果如能量数据，以及如何显示分子的原子电荷和分子轨道性质等。等学生基本掌握了Gaussview的模型建立和结果分析工具，我会给他们讲解如何将分子模型通过设置不同的关键词来提交相应任务给Gaussian程序去执行，如结构优化的关键词是OPT，频率计算的关键词是FREQ等。由于Gaussian的功能强大，授课时间有限，我们只介绍一些基本操作和简单例子给学生。例如让学生对邻位、间位和对位的二取代苯进行在不同计算级别（如HF/6-31G（d，p）水平下）进行结构优化模拟，然后对其能量比较分析哪个异构体在气相和液相下最稳定。对于反应机理，我会让学生通过寻找一些简单的常见化学反应如Diels-Alder反应、SN2亲核取代反应的过渡态的构型来加深对反应通道的理解，通过IRC计算直观的看出化学反应中分子结构的变化。此外，我还会讲一些实例介绍光谱的预测，比如首先我们会在基态下用DFT方法优化发光分子的结构，然后对其进行TDDFT计算来预测其紫外吸收光谱和荧光光谱等发光性质，从而为功能分子的设计提供便利。最后，根据本院实际科研需要，我们会适当进行一些应用教学来满足不同专业学生的需求。

三、开展Gaussian程序应用课程的前景展望

自然科学发展的历史和规律表明，多学科的优势交叉促进了最基本的微观过程和最复杂的宏观过程的统一认识。在这个信息大爆炸的时代，Gaussian这一量子化学计算程序应运而生并被广泛认可和应用。它既要求使用者有一定的量子力学等数理基础来理解计算流程，而且要求他们对于化学问题有深刻认识和独特见解，属于一门高度交叉的新兴方法和工具，涉及应用化学、理论化学和计算机科学等众多领域。目前，Gaussian程序已经成为理论化学计算中的常规方法之一，开展此门课程可以使科学研究人将其用于未来的反应机理研究、反应的立体和化学选择性的解释、化合物结构及其光谱等性质预测，并可指导设计小分子催化剂甚至新型催化反应，减少实验上的盲目性和偶然性，从而达到节省人力、物力和财力的最终目的。

理论计算化学在近几十年来取得了实质性进展，已从根本上改变了人们对于化学只是一门实验科学的认知，它已经成为化学学科的一个重要组成部分。我国的理论计算研究发展迅速，化学学科正处于从单纯实验到以实验和理论计算相辅相成转变的关键时期，从专业发展的角度而言，开展理论计算化学相关课程如Gaussian程序应用具有非常广阔的应用前景和发展空间。

参考文献：

第5篇：量子化学应用范文

矿产资源开发利用中,矿物分离与富集的依据是有用矿物与脉石矿物之间的物理化学性质差异。这种物理化学性质指的是矿物比重、磁性、电性、表面化学性质等,与这些性质对应的矿物分离与富集方法分别是重力选矿、磁电选矿、浮选等。利用重力选矿和磁电选矿分离与富集矿物的方法受到矿物比重、磁性和电性难以改变的限制,应用范围相对较窄,而矿物表面性质可以通过人为改变,对应的浮选在矿物加工工程得到广泛的应用。可以说,所有的矿物都可以通过浮选方法进行分离与富集。正是由于浮选成为矿物分离与富集应用最为广泛的方法,而浮选的理论基础又是化学,所以化学是矿物加工工程学科的重要基础成为公认的事实,浮选作为矿物加工的主要方法,本身就是化学在矿物加工工程学科中的一种应用,因此,化学教育在矿物加工工程学科的基础理论教育中占有非常重要的地位。矿物和岩石是自然界中天然形成的,具有固定组成的固体化合物,由于成分不同、成矿条件不同,不同的矿物表面性质是不同的,即使相同组成的矿物,由于成矿地点和成矿条件不同也会具有不同的表面性质。对于浮选分离矿物而言,不同的矿物表面性质又有相似之处,矿物与岩石之间、矿物与矿物之间、岩石与岩石之间的表面性质异同,成为浮选分离与富集这些矿物的根本依据。浮选工程中,矿物与岩石的表面性质可以根据需要人为调节和改变,从而扩大需要分离的矿物之间的表面性质差异,实现矿物之间的有效分离。化学是学生需要学习的基础课程,从初中开始,就涉及到化学的学习,直到博士研究生,化学仍然是矿物加工工程学科学生需要继续学习的课程。甚至作为高层次的矿物加工工程学科的教授专家,仍在不间断的学习化学。化学与浮选是不可分的,可以说,无论多么深厚的化学知识,都不能说对于浮选已经足够了。化学有多深奥,浮选就有多深奥。矿物加工工程学科人才培养过程中,化学教育是根本之一,不同层次的人才对应不同程度的化学教育。只有重视化学教育,才能做好矿物加工学科的人才培养。

1浮选是化学在矿物加工工程中的应用

无机化学研究元素、单质和无机化合物的来源、制备、结构、性质、变化和应用的一门化学,是化学中最古老的化学分支学科。浮选的对象为矿物岩石,本身就是无机物,矿物的表面性质决定于矿物本身的结构和性质,矿物表面性质的研究离不开矿物内部组成、结构及性质的研究。矿物与岩石的研究将涉及无机化学的所有领域与内容,无机化学成为矿物加工工程学科学生的必修课程。有机化学又称为碳化合物的化学,是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科,是化学中极重要的一个分支。含碳化合物被称为有机化合物是因为以往的化学家们认为含碳物质一定要由生物(有机体)才能制造;然而在1828年的时候,德国化学家弗里德里希•维勒,在实验室中成功合成尿素(一种生物分子),自此以后有机化学便脱离传统所定义的范围,扩大为含碳物质的化学。矿物浮选是通过改变矿物表面的疏水性来实现的,而增加矿物表面疏水性的方法是采用含烃基的异极性分子在矿物表面吸附,含烃基的异极性分子就是典型的有机物质分子,研究捕收剂、起泡剂等浮选药剂,将涉及广泛的有机化学。有机化学也是矿物加工工程学科学生的必修课程。物理化学的内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质,以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学是一门内容丰富,外延广阔的化学,浮选涉及的矿物岩石、矿浆溶液、有机分子以及泡沫浮选气体介质与矿物之间的相互作用等等,都涉及到物理化学。物理化学在矿物加工工程本科课程设置,占有最多的学时数,分两学期学习,是矿物加工工程学科至关重要的一门化学课程。物理化学学习好坏直接关系到浮选学习。物理化学也是矿物加工工程学科研究生入学考试的必考课程。分析化学的内容主要是:物质中元素、基团的定性分析;每种成分的数量或物质纯度的定量分析;物质中原子彼此联结而成分子和在空间排列的结构和立体分析。研究对象从单质到复杂的混合物和大分子化合物,从无机物到有机物,从低分子量到高分子量。样品可以是气态、液态和固态。称样重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的残渣测定,只取10微克样品,便属于超微量分析。所用仪器从试管直到附自动化设备并用电子计算机程序控制、记录和储存等的高级仪器。分析化学以化学基本理论和实验技术为基础,并吸收物理、生物、统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容,从而解决科学、技术所提出的各种分析问题。矿物加工工程学科涉及的矿物岩石、溶液、有机和无机药剂、矿物加工原料及产品都需要通过分析检测得以定性或定量的描述,理论研究过程中的仪器分析检测,对矿物加工过程中的行为机理也才能进行研究和了解,所以矿物加工也与分析化学密切相关。矿物加工工程学科课程设置中,在本科阶段或者在研究生阶段需要对分析化学进行系统学习。结构化学、高分子化学、络合物化学、电化学、量子化学等是比以上四大化学更加细化的化学分支方向,在进行矿物浮选研究中,针对具体的研究内容和目的,不同程度地将涉及到这些更加深入和细化的内容。为了使化学与矿物加工工程学科结合的更加紧密,在研究生阶段还开设了浮选表面化学、浮选药剂化学、浮选电化学、浮选溶液化学等。尽管在矿物加工工程学科不同阶段开设了大量的化学课程，涉及的化学内容几乎涵盖了化学领域的所有内容，但对浮选的深入研究和理解仍然不够。矿物浮选发展至今，还有大量的浮选理论问题没有解决，浮选工艺的水平还有待提升，进一步强化化学教育和矿物浮选化学研究对矿物浮选的发展具有重要的基础作用。

2各层次人才培养中的化学教育

以技术工人为培养目标的中专和职业教育,由于生源大多是初中和高中毕业生,化学知识非常有限,仅对一些化学基础知识有所了解,特别是初中文化水平的学生,只能了解一些初步的化学现象,因此,在进行矿物加工专业知识教学的过程中,必须补充一些学习浮选技术必要的化学知识。这种化学知识的补充,可以贯穿在专业知识的学习过程中,也可以单独开设简单的化学课程。只有在学生初步了解和掌握了浮选技术必备的基本化学知识以后,浮选技术专业课程的教学才能有效开展,学生也才能真正理解矿物浮选的技术知识。对于以生产技术管理和技术应为目标的专科和本科教育,系统的课程设置已经考虑了化学对矿物加工工程的重要性,无机化学、有机化学、物理化学都是必修课程,学时数占到专业基础课程学时数很大的比例,经过系统的化学知识的学习,学生在学习浮选专业课程时,已经能够较深入理解矿物浮选中的化学问题,也能较好掌握浮选理论和浮选工艺专业知识。在生产技术管理和技术应用过程中,也基本能根据矿石性质的变化,应用所学到的化学知识和浮选理论,分析解决生产过程中出现的一般性的技术问题。以科学研究为目标的研究生教育,为了使学生能够从生产中发现和解决生产技术问题,具备独立从事矿物加工工程领域科学研究的能力,在大学期间学习无机化学、有机化学、物理化学的基础上,还需要进一步学习分析化学。通过分析化学的学习,可以让研究生掌握常规的分析检测技术,了解和掌握科学研究过程中所要使用的现代检测手段,发现、分析和研究试验过程中获得的数据、结果,从而解决科学技术问题。对于博士研究生,是要让他们更深层次理解矿物浮选的机理,培养其创新精神和意识,为此,从电子、原子、分子层面上理解矿物浮选理论是必要的,所以,在已经较好掌握了无机化学、有机化学、物理化学、分析化学的基础上,量子化学的学习和了解对于博士研究生来说是需要的。从以上的分析可知,浮选跟化学是不可分的,浮选实际上就是应用化学的一部分。无论是技术操作工人,还是从而浮选理论研究的博士研究生,不同程度都必须将化学作为基础,没有相应的化学基础,从事浮选技术应用、技术开发及浮选理论研究都是难以想象的。化学是浮选的基础,浮选是矿物加工工程最重要的方法,因而矿物加工工程学科的化学教育是极端重要的。

3重视矿物加工工程学科的化学教育

矿产资源是不可再生的,随着矿产资源的不断开发利用,资源枯竭已经成为制约社会和经济发展的重要问题之一,资源高效利用成为矿产资源开发与利用必须坚持的原则。如何实现资源的高效利用,显然矿物加工先进技术的开发与利用是实现资源高效的重要支撑。矿物加工工程中,浮选是最为主要的方法,而化学优势浮选的基础,通过浮选回收和利用矿产资源,实际上就是利用化学或者表面化学方法回收和利用矿产资源。重视矿物加工工程学科的化学教育问题,才可能从根本上提高人才质量,才能从源头上解决矿产资源高效利用的根本问题。矿产资源开采出来以后,多种资源共伴生,性质复杂,给资源中各种矿物的分离与富集带来了很多困难,为了实现资源的综合利用,只要有价值的矿物,都要进行回收,此时,这种矿物的物理化学性质研究,通过化学的方式改变各种矿物的性质,扩大彼此间性质的差异就成为矿物加工工程学科的重要课题,而所使用的方法基本上都是化学的方法,所以,矿物加工工程学科中的化学,决定着矿产资源的综合利用,也只有重视矿物加工工程学科的化学教育问题,才可能从根本上提高人才质量,才能从源头上解决矿产资源综合利用的根本问题。矿产资源天然形成的,其中的组分有的是对人类社会有益的,但同样存在对人类社会有害的组分,在矿产资源回收利用过程中,高效、综合回收有益组分的同时,处理好有害成分也是矿物加工工程学科的任务。只有解决了有害组分的处理,使得矿物加工过程中和矿物加工以后剩下来无用组分无害于人类和社会,矿产资源才能实现清洁利用。矿产资源中有害组分的处理,首先也必须掌握这些组分的性质,然后通过化学的、物理的方法对其进行分离、无害化处理等,而这些过程也与化学密切相关,所以,矿产资源的清洁利用也离不开化学。矿物加工工程学科的化学教育也是矿产资源清洁利用所要求的。矿物加工过程大都需要将矿石磨细,使矿石中的有用矿物与脉石矿物解离,而有用矿物与脉石矿物的分离大多是在水中进行的,矿物加工工程废水排放成为影响环境的重要问题。当今的矿物加工工程领域,要求选矿废水零排放,确保废水对环境不造成影响。废水零排放意味着废水必须回用,而废水回用将带来对选矿技术指标产生影响的问题,为了尽可能不是回水影响选矿技术指标,必须对回水进行性质研究,有的还要进行适当的化学处理,无论是回水性质的研究和回水的化学处理,都需要涉及化学知识,所以,矿物加工过程中废水对环境的影响、废水回用的处理等都直接与化学相关。矿物加工的环境问题也要求矿物加工工程学科重视化学教育。矿物加工过程中,做好了资源高效、综合、清洁利用,做好了废水的循环利用和实现了废水的零排放,就能实现矿产资源开发利用的可持续发展,而矿产资源高效、综合、清洁利用与废水处理均与化学密切相关,由此看出化学在矿物加工工程领域的重要性,重视化学教育是矿物加工工程学科的必然要求。

第6篇：量子化学应用范文

关键词： 肽键 光谱 生物分子

对于分子结构，振动光谱可以提供精确的信息，尤其是对于手性分子，其可以通过各种光学技术进行检测，如振动圆二色谱、拉曼光学活性谱等，这些都对分子的绝对构型很敏感。截至目前，应用领域最多的是生物分子，比如氨基酸、蛋白质，核酸和糖类等[1]。为了探究更多生物分子的构型和构象，前人做了大量的理论预测和实验光谱研究。例如，Bour等人[2]采用量子化学模拟研究了不同长度生物分子的振动光谱，进而研究了各种分子振动张量对分子性质的影响。我们先前也通过实验表征和密度泛函计算研究了环氨基酸分子的立体构型，通过实验和理论比较发现，B3LYP方法提供了精确的光谱预测[3]，这有助于提高生物分子光谱性质的精确预测，并帮助实验光谱指派合理的分子构型。本文利用密度泛函DFT方法对含两个肽键甘氨酸三聚体的红外光谱和拉曼光谱做系统研究，这些工作为以后实验光谱比较分析提供理论参考，并进一步为可能的生命活动提供重要的基础数据。

1.理论计算

我们采用密度泛函DFT-B3LYP方法[4]，对含有两个肽键甘氨酸的光谱性质做了系统研究，计算中采用了6-31++G**全电子基组形式。为了考虑结构中的弱相互作用，所有计算都采纳了D3色散校正[5]。整个计算任务都采用GAUSSIAN 09程序包[6]，在I7单机上完成。

2.结果和讨论

2.1结构稳定性

我们通过量子化学模拟，对甘氨酸单体、二聚体和三聚体的电子亲和能和电离势做了理论计算。定义如下：电子亲和能计算公式EA=E0-E-1；电离势计算公式EA=E+1-E0。根据计算结果，我们发现甘氨酸三聚体的电子亲和能比单体和二聚体的分别小约0.42和0.19 eV，而其电离势也比它们的分别小约0.22和0.17 eV，这些表明甘氨酸随着聚合度的增加，其电子亲和能和电离势都降低，并进一步说明其稳定结构更易于接受/失掉一个电子而成为阴/阳离子。

2.2模拟的振动光谱

基于优化好的稳定结构，在B3LYP/6-31++G**理论级别上，我们研究了三聚体的红外振动和拉曼光谱，振动光谱图见下图。通过红外振动频率分析，我们发现位于1759 cm-1的最强红外振动峰归属于结构下面两个C=O官能团的伸缩振动，附近的1824 cm-1次强峰来自于上面一个C=O官能团的伸缩振动；中等峰1541 cm-1归咎于主链上N-H骨架内摇摆振动，而1184 cm-1归属于羧基中的C-O的伸缩振动。

拉曼振动光谱如图1b所示，仅仅在高波段有三个峰，如位于3046和3081 cm-1的振动峰归属于主链上CH2中对称伸缩振动，而3132 cm-1的弱峰来自于CH2中非对称伸缩振动；在小于3000 cm-1的波段，没有明显强峰存在。通过这些理论模拟，我们对甘氨酸三聚体的红外和拉曼振动峰做了归属，其结果有助于实验研究的进一步比较分析。

图 模拟甘氨酸三聚体的振动光谱： （a）红外， （b）拉曼

3.结语

本文采用密度泛函B3LYP方法对含两个肽键甘氨酸三聚体的红外和拉曼光谱做了理论预测。结果发现：甘氨酸随着聚合度的增加，其电子亲和能和电离势都降低，表明其化学稳定性都减弱。我们对三聚体的红外和拉曼光谱进行了理论模拟，并对所有红外振动峰做了归属，发现红外最强峰来自于C=O的伸缩振动。这些研究结果对以后甘氨酸的各种实验表征和分析提供有价值的理论参考。

参考文献：

[1]Li，X.；Hopmann，K.H.； Hudecova，J.et al. Determination of Absolute Configuration and Conformation of a Cyclic Dipeptide by NMR and Chiral Spectroscopic Methods[J]. J.Phys.Chem.A，2013，117 （8），1721-1736.

[2]Yamamoto S.； Li， X.； Ruud，K.et al. Transferability of Various Molecular Property Tensors in Vibrational Spectroscopy [J].J.Chem.Theory Comput.2012，8，977-985.

[3]Li， X.； Hopmann， K.H.； Hudecova， J.et al. Absolute Configuration of a Cyclic Dipeptide Reflected in Vibrational Optical Activity：Ab Initio and Experimental Investigation[J]. J.Phys.Chem.A，2012，116 （10），2554-2563.

[4]Becke A D.Density-functional thermochemistry.iii.The role of exact exchange[J]. J.Chem.Phys.1993，98（7）： 5648-6.

第7篇：量子化学应用范文

关键词：原子轨道；误概念；概念转变

文章编号：1008-0546（2016）04-0010-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.004

从道尔顿的原子学说到卢瑟福的核型原子模型，人们一步一步地认识原子的内部微观结构。当原有理论不能解释氢原子线状光谱等实验事实时，出现了量子力学。

玻尔引入了部分量子理念，但只能解释氢原子及一些单电子离子的光谱，原因在于其没有完全抛弃经典力学的内容。1926年薛定谔意识到，微观粒子的波粒二象性和不确定性之间的关系，提出了薛定谔方程。通过求解薛定谔方程得出原子的能量和波函数，波函数又被称为“原子轨道”，能量称为原子轨道能。这正是原子轨道的基础，表示核外电子的运动状态，与经典的轨道意义不同，是一种轨道函数。[1]由于高中阶段学生并未接触波函数和薛定谔方程，本文将“原子轨道”理解为电子在核外空间概率密度较大的区域。可由于玻尔行星模型非常形象简单，学生常常深刻记忆，阻碍学生理解原子轨道的本质――概率。本文就此研究学生产生有关“原子轨道”误概念的原因，针对误概念进行概念转变。

一、误概念产生原因分析

1. 受旧量子学说“玻尔理论”干扰

不同水平学生都更喜欢具体、简单的抽象模型。例如：原子和分子的全填充模型；玻尔原子模型；八隅体规则等。即使学生在一个很高的教育水平也可能使用简单的抽象模型，例如原子模型的量子化学或分子轨道。[2]文献整理发现，学生对玻尔模型尤为记忆深刻。

物理学家玻尔（Niels Bohr，1885-1962），建立氢原子核外电子运动模型，解释了氢原子光谱，后人称为“玻尔理论”，主要内容：（1）行星模型；（2）定态假设；（3）量子化条件；（4）跃迁规则。[3]后来的新量子论完全抛弃了玻尔行星模型的“外壳”，而玻尔理论的合理“内核”保留下来的。学生们却恰恰相反，牢固地记住了“外壳”，忽略了“内核”。

（1） “轨道”（orbital）的错误认识

学生混用“轨道”（orbital）和“玻尔轨道”（orbit）。“轨道”（orbital）是用来描述在一定能层和能级上又有一定取向的电子云，即电子在核外空间概率密度较大的区域。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）[4]通过测验题检测学生对基础量子化学的理解程度。其中有一道题为“根据你的猜想，画出氢原子实际的样子。”超过三分之二的学生坚持“行星模型”（即使已经学习量子力学概率模型）。图1为学生的图画表征。

学生对“玻尔行星模型”记忆深刻，有三个原因：第一，玻尔采用“类比”的方法，将核外电子运行方式比喻成行星围绕太阳运行，非常形象，不用死记硬背；第二，量子化学用电子云表征“轨道”（orbital），学生头脑中并没有类似的“图式”可以“同化”，造成认知记忆障碍；第三，两个理论都用“轨道”表述，使学生产生理解偏差。是否可以将现今的“轨道”（orbital）改称“云层”，以区别于“玻尔轨道”（orbit），一方面体现电子云的表征方式突出本质，另一方面体现了原子轨道（s，p，d.....）能级层次。

（2） “基态”和“激发态”的错误理解

学生受玻尔理论中的行星轨道影响，认为“基态”和“激发态”仍在固定的轨道上，忽略了核外电子在核外运行的本质为“概率”问题。

Georgios Papaphotis和Georgios Tsaparlis（2008）测试题“在基态氢原子的1s轨道的空间外有可能发现电子吗？说明原因。”。这道题目大约20%的人回答正确。大部分认为，在“1s区域”外发现电子，只有可能是被激发了。这些错误答案都是基于对轨道的“确定性”认识，认为电子是在一个固定空间中运动。

2. 对原子轨道本质“概率”问题不清楚

学生无法对原子轨道本质“概率”问题理解清楚的原因在于，无法理解“为什么微观粒子不能像宏观物体一样用确定的‘轨迹’来描述物体的运动规律？”。其中“海森堡不确定原理”起关键作用。只要明白“不确定原理”为什么“不确定”，就能明白为什么要用“概率”描述微观粒子运动规律。

（1）海森堡不确定理论

海森堡（W，Heisenberg，1901-1976）论证到，对于一个物体的动量（mv）的测量的偏差（mv）和相对该物体的运动坐标，也就是该物体的位置（x）的测量偏差（x）的乘积处于普朗克常数的数量级，即：

Δx・ΔP≥h（4∏）

这个关系式被称为海森堡不确定关系式。用此公式考察氢原子的基态电子，发现电子在相当于玻尔半径的约5倍（260/53）的内外空间里都可以找到（包括在原子核上），这样，玻尔半径以及线性轨道变成了无稽之谈。因此采用“概率”描述微粒粒子的运动规律。

学生不理解“海森堡理论的本质是由电子本身特性引起而非测量工具问题”和“为什么是物体动量和物置之间的偏差”。其实不确定性关系适用于所有物质的普遍原理，不确定性是物质的内在本质。对于宏观物体，看似物体的位置和速度是可以准确确定的，但这只是因为宏观物体的不确定性相对微小，不易察觉而已。事实上，不确定关系揭示的是一条重要的物理规律：粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置及相应的动量。[5]“不确定关系式”其实是根据量子力学基本方程推导出来，而非凭空想象。

而为什么是位置和动量之间的关系呢？描述一个物体的运动规律，需要知道物体的位置和速度，但是速度又与质量有密切相关性即动量，不确定关系就是反应微观粒子运动的基本规律，所以体现在位置和动量两个物理量上。

（2）电子云

电子云是电子在原子核外空间概率密度分布的形象描述，图像中每一个小黑点表示电子出现在核外空间中的一次概率（不表示一个电子），概率密度越大，小黑点越密。

Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis（2008）测试题“观察图中1s和一个2p轨道电子云图[图2（a）和（b）]。在（a）中远离原子核处有稀疏的点，而（b）中这样点则没有。你认为是其中一张错了还是两张图都错了？”

许多学生认为两张图的不同是由于轨道本质的不同（一个s-，另一个是p-）：

“s轨道的形状是圆形的，然而在p轨道有两个‘耳垂’”，“两个图片都是正确的，因为（a）指的是s轨道（圆形）而（b）是p轨道（两个‘耳垂’）――事实上在p轨道中，靠近原子核处电子密度更大，而远离原子核时密度就减小了”……

无论什么轨道，远离核的部分都有可能出现电子，只是出现的概率小、稀疏，并不取决于属于哪一个轨道。而且学生很容易受“电子云轮廓图”所误导，认为电子就是出现在这个范围之内，而忽略了轮廓图只表示了95%的电子出现的区域。

二、概念转变策略

1. 借助实验仪器

由于“原子轨道”的抽象性和不可视性，研究者研发了一些实验仪器将轨道可视化。

Charles Leonard Hurwitz[6]采用原子探测器（atomic explorer）学习原子的电子结构的本质。Shane P. Tully[7]等人用Jmol软件将类氢轨道网络点彩可视化 （web-based pointillist visualization of hydrogrnic orbitals）。类氢轨道的电子密度点彩图是根据蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）进行交互作用。蒙特卡洛方法又称“统计模拟法”，以概率和统计理论为基础的一种计算机方法。将网络应用程序和Jmol观察器相结合，可获得清晰准确的三维轨道形状和大小，最多可呈现到轨道主量子数5（如图3）。

2. 手工活动

Zephen Specht和Duke Raley[8]设计了一项活动帮助高中生理解不同电子轨道类型（特别是s，p，d和f轨道）。学习轨道和相关的电子密度，发现电子围绕原子核的概率问题。

用一个小弹球扔在白纸上（放在一系列复写纸上面），用来表示电子密度（如图4）。根据s，p或d轨道的不同类型，将白纸折成不同的形状，用这个方法可以使得白纸上的一些地方不与复写纸相结合，来表示节点。“原子核”就是白纸的中心位置。首先学生要学会如何将白纸折成不同的轨道类型，在白纸两面都印有虚线方便学生折叠。纸1：s轨道不用折叠；纸2：p轨道沿着三条虚线折叠，使得白纸中间形成一个“山脊”；纸3：d轨道沿着两个垂直的三条虚线折叠，适当的折起白纸，两个交叉的“山脊”，减去中间的部分，形成一个“X”的图案。用纸夹将纸2和3中间的“山脊”夹住。然后模拟电子云，向纸的中心位置原子核扔弹球。由于白纸下有复写纸，当球落在白纸上时留下印记。弹球扔25次就能在纸1上形成很好的点分布（s轨道），纸2用50次（p轨道）和纸3用75次（d轨道）。

整个过程，学生体会到“为什么轨道有特别的形状”，而且能够将轨道表示的字母（s，p，d和f）与它们的光谱发射谱线特征：锋利（sharp）、主要的（principal）、散开的（diffuse）、基础的（fundamental），建立联系。学生最后还要完成一个工作单，将二维图像转换为三维图像，加强了对电子轨道构型的理解。

3. 小组合作学习

Georgios Tsaparlis和Georgios Papaphptis（2009）[9]采用小组形式在教师的观察指导下完成特定学习任务。小组有3-4个成员，其中至少有一个学生持有正确观点。例如，当学生讨论“氢原子的原子轨道表征方式”的时候，有一组学生原本的观点如图5（学生A画的是d图，学生B画的是b图，然而学生C画的更接近a图（并说明外面的一圈是“s轨道”））。

他们的对话如下（教师为T）：

T：B，虚线指的是什么？

B：是1s，...这个空间里有许多轨道，1s，2s，2p，所有的这些组成了层。

T：这个就是你画的轨道吗？

B：是的，轨道和层。

T：C，你是如何理解的呢？

C：我试着解释轨道不是一个能精确描述的空间，...但是在中心位置确实是原子核，但是最大的圈表示一部分在这里面，这个更大的圈里s轨道被包括，就是发现电子的可能范围。

T：A，你是怎么认为的呢？

A：我已经把氢原子的原子中心放上一个质子，这些点随着远离原子核变得更加稀少，实际上我已经画出了可能性，就是可能发现电子的位置。

T：我们已经看到了所有的图画，哪些能体现问题中所提到的真实性？

B：A能够体现，因为有原子核存在，也能体现在1s中发现电子的可能性，甚至从原子核到无穷远的地方也不会是0。

T：C你是如何认为的？

C：同意。

T：那我们对照看自己所画的图？

C：降低了可能性，在一定距离后就变成0了。

从对话中发现，教师能够针对学生理解的“关键处”进行指导。观察多组讨论发现，大部分学生可以接受电子云是电子在瞬间出现的不同可能点的位置，但不能接受用这样的一张图表征氢原子内部“看到”的样子。所以学生不能够用静态图表示，结果又回到了行星模型。此时教师用一个类比的方法帮助学生理解，用一个自行车快速旋转，辐条所呈现的样子帮助学生理解电子云图可以表示氢原子的动态时的样子。这样的讨论可以激发学生最真实的想法，从本质上进行概念转变。

三、小结

总结以上三种概念转变策略，小组合作学习能够从本质上解决对“玻尔理论”的根深蒂固理解，在对话中引发认知冲突并建立正确概念，但这种方法所需时间较多。实验仪器能够将微观结构表现得淋漓尽致，给予视觉冲击的同时理解原子的微观结构。但考虑各学校的条件不同，这种方法的局限性也暴露无遗。手工活动能够让学生亲身体验轨道的形成过程，且所需材料方便易得，体会不同轨道的形状的同时，理解“不确定性理论”。每种方法各有优缺点，只要教师恰当使用，概念转变就不是问题。

参考文献

[1] 宋天佑. 简明无机化学[M]. 北京：高等教育出版社，2007

[2] Christina Stefani，Georgios Tsaparlis. Students’s Levels of Explanations，Models，and Misconceptions in Basic Quantum Chemistry：A Phenomenographic Study[J]. Journal of research in science teaching，2009

[3] 北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室编.无机化学上册（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：27

[4] Georgios Papaphotis and Georgios Tsaparlis，Conceptual versus algorithmic learning in high school chemistry：the case of basic quantum chemical concepts Part 2. Students’ common errors，misconceptions and difficulties in understanding[J].Chem. Educ. Res. Pract.，2008，9：332C340

[5] 杨福家著. 原子物理学[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[6] Charles Leonard Hurwitz. Evaluating conceptual change in high school honors chemistry studentsston[J]. United States：Boston University School of Education，2006

[7] Shane P. Tully，et al. Interactive Web-Based Pointillist Visualization of Hydrogenic Orbitals Using Jmol[J]. J. Chem. Educ. 2013，90：129-131

第8篇：量子化学应用范文

仪器:NICOLETiS10型红外光谱仪、BHX-9101-1SA型鼓风干燥箱、DW-3-60型电动搅拌器、PL203/01型电子天平、KEMS-2S型磁力加热搅拌器;浪潮英信NF5220计算服务器，GAUSSIAN09、GaussView(3．09)软件。试剂:PET聚酯碎片(3～5mm×5～8mm，由回收农夫山泉饮料瓶制得);乙二醇、碳酸氢钠、对苯二甲酸、氧化锌、浓盐酸、浓硫酸、85%水合肼等试剂均为分析纯;蒸馏水。

2TPA的测定与表征

我们通过一系列的实验，比较了用不同方法和不同条件降解PET得到TPA(或其衍生物)的收率。收率计算公式如下。采用美国Nicolet公司生产的NICOLETiS10型傅里叶变换红外光谱仪对产物(对苯二甲酸)进行结构表征。对苯二甲酸为白色固体，研磨成粉末后，采用KBr压片法进行检测。同时，还利用了量子化学计算方法，以GAUSSIAN09计算程序［10］采用密度泛函理论对对苯二甲酸的红外光谱进行了理论模拟计算。

3PET降解方法

3．1乙二醇醇碱联合解聚法在装有冷凝管、搅拌器、温度计的三颈圆底烧瓶中投入5g聚酯废料、25mL乙二醇、0．5g氧化锌、5gNaHCO3进行反应，油浴加热逐步升温至190℃，反应30min后，降温至160℃停止搅拌，减压回收乙二醇;蒸馏毕，向三颈瓶中加入50mL沸水，搅拌使残留物溶解，趁热过滤;将滤液转移到400mL烧杯中，水稀释至200mL，加热煮沸，趁热用1:1盐酸酸化至pH5～6;冷至室温后，冰水冷却，抽滤，滤饼用蒸馏水洗涤至滤出液pH=6，在60℃下干燥滤饼，得白色粉末，称重，并计算对苯二甲酸收率。

3．2肼解法在装有冷凝管、磁力搅拌子的圆底烧瓶中投入1g聚酯废料、10mL85%水合肼，搅拌，油浴加热至100℃，反应6h后，减压回收水合肼;残余物加入10mL水，静置，滤得PET的降解产物对苯二甲酰肼，在60℃下干燥，称重，并计算对苯二甲酰肼的收率。此法参考氨解法，使用亲核性更强的水合肼溶液替代胺类，能提高降解效率。

3．3酸性降解在装有冷凝管、磁力搅拌子的圆底烧瓶中投入1g聚酯废料、5mL浓硫酸，搅拌，85℃下反应5min;反应毕，冷却至室温，残留物倒入冰水中，用30%的NaOH水溶液调pH至12，滤去不溶物，滤液用浓盐酸调pH至6，有白色不溶物析出，放置过夜，过滤得产物对苯二甲酸，在60℃下干燥，称重，并计算对苯二甲酸收率。

4结果与讨论

4．1不同化学降解方法的比较通过酸性水解法、肼解法和醇碱联合法，考察了降解PET聚酯瓶的情况，结果列入表1。比较几种方法在经济效益和工业化等方面的优劣，无论是肼解法，还是酸性水解法都存在很大的局限性，如腐蚀设备、污染环境等。醇碱联合解聚法能在温和的条件下，快速实现PET聚酯瓶的分解，故我们选择醇碱联合解聚法为重点研究方向，探索其最佳反应条件。

4．2醇碱解聚法的工艺优化基于以上3种降解方法的对比，结合醇碱联合解聚法的研究进展，采用正交实验来探索最佳工艺条件，重点考察了3种影响反应的因素，A:碳酸氢钠用量:m(NaHCO3)/m(PET);B:反应时间(min);C:反应温度(℃)。由文献已知影响因素的大约范围，设计出因素水平表(表2)。参照上述乙二醇醇碱联合解聚法的方法进行试验，结果见表3。根据上述方法分析，RC＞RB＞RA，即各因素对TPA收率的影响程度顺序为:反应温度＞反应时间＞物料比;较佳因素水平为A3B2C2，即PET降解的较佳工艺为:m(NaHCO3)/m(PET)=1．1，反应时间30min，反应温度190℃。从表3可以看出，反应时间和反应温度是影响乙二醇醇碱联合解聚法的关键因素，温度过高或反应时间过长会导致反应副产物增多，收率下降。上述最佳反应条件与文献报道的乙二醇解聚法的最优反应条件(190～196℃，0．1MPa，催化剂(氧化锌或醋酸锌)用量为PET质量的0．5%，m(EG)/m(PET)=2，反应3h)［6-7］接近，但反应时间比乙二醇解聚法短得多，且反应产物也不同。

4．3产物IR表征与结果分析我们对由PET瓶回收的TPA进行了IR表征(图1C)，并将该图谱与购买的分析纯TPA样品的IR图(图1D)进行对比，发现两者的图谱基本吻合，验证了所回收的白色固体确实为TPA。为了进一步指认IR特征振动峰，我们进行了相应的密度泛函理论的计算。所选计算水平为M062X/6-31G(d，p)，优化的TPA单体与二聚体的几何结构如图1A，图1B所示。3059cm－1附近为苯环上C—H伸缩振动峰;3000～2500cm－1可能为TPA分子间形成氢键后O—H的伸缩振动峰;1571cm－1和1508cm－1处为取代苯基的一组相关振动峰;1661cm－1处为羧基(CO)的伸缩振动峰;883cm－1处为苯环的对位取代吸收峰。此外，通过对比对苯二甲酸的单体(图1A)和二聚体(图1B)的计算结果，发现当考虑TPA分子之间形成分子间氢键时，二聚体计算模拟的红外光谱图与实验的红外光谱图能较好吻合，说明在固态时对苯二甲酸分子之间存在较强的分子间氢键。

5结论与展望

第9篇：量子化学应用范文

【关键词】实验室；质量管理；网络化；自动化

血液检测在输血服务中起关键性作用，血液检测实验室的科学化、标准化以及室验室检测的高效性、严密性，逐渐被人们所重视，是保证血液质量、达到安全输血的前提。我站将实验室的标准化质量管理与微机网络化、仪器自动化相结合，建立了一个现代化全自动的实验室。其中的质量管理体系作用是使整个检测更加标准化、规范化。同时也将有效地监督日常工作，并形成了日常工作的可追溯性，而微机的网络化、仪器的自动化、标本的条码化使检测能力和检测结果的准确性有大幅度提高，三者相辅相承，从各方面提高了血液的安全性。

1 实验室标准化质量管理体系的建立

2001年本血站通过了ISO9000质量体系认证，随后的几年工作也逐步地在改进，将整个采供血体系完全按照标准的质量体系来进行。同时又建立了实验室的质量体系，明确了实验室的质量方针和质量目标，对血液检测工作做出具体指导和相应规范。

主要包括以下内容：岗位职责、工作制度、操作规范、记录文件4个方面。其中岗位职责和工作制度详细说明了实验室要进行的工作和日常分工，根据卫生部及安全输血标准的综合要求，一份血液标本一检、二检分别由不同检验人员操作，试剂为两种不同厂家并为国家卫生部检定合格试剂，而操作规则为日常工作的指导书，要求操作人员在日常工作中保证实验操作的一致性、规范性、避免人为的误操作，而出现质量差错，记录文件则十分重要，它记录日常工作的每一个细节，从血液标本的接收到检验报告的发出，每一个环节都有操作者签字，保证了检测结果的可追溯性，无形中控制着每一个环节，保证了检测的准确性。

2 实验室检测的微机网络化、仪器自动化的管理

2000年，我站先后引进了用于血液检测的AT Plus全自动加样机，KUBOTA8400离心机(日本产)，KJ-201BD振荡器(姜堰市)，2005年又购进Star全自动加样系统(瑞士产)，FAME24/20全自动酶免分析仪(瑞士产)，通过以上仪器对血液ALT、HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒、血型正反定型进行检测。对血液标本从接收到检测报告的发出全部微机化管理，标本的条码化保证标本由始至终的唯一性，避免了检验过程中人为的标本张冠李戴错误的发生。实验室微机化管理，从操作人员的权限、样本的接收、样本检测、结果的输入到合格样本的发出、不合格样本的处理(不合格样本是否需要复试，复试几次方可发出，操作者及所采用试剂)在网络上作了严格的监控，待检室只有接到实验室样本的合格信息，方可打出合格血签，并发放使用。

为达到标准检测的高效准确，这个局域网需要的硬件条件为每台仪器配有一台电脑，操作系统分别为Star加样机、FAME24/20全自动酶免分析仪、多功能酶标仪(zenYth340rt，瑞士)，另外还有一台主控电脑用来完成所有结果的汇总，每台电脑都安装相应的软件，以达到各自工作的目的，每台电脑设有特定的用户名和密码，正确登录方可进入网络，这就从一定程度上保证了网络的安全性和日常工作的可靠性。

3 标准化质量管理体系、微机网络化、仪器自动化高效的结合

在网络中设置质量管理体系所要求的各种属性，在实验仪器终端为每一位操作者设置用户名和密码，以确保访问的可追溯性。同时在该操作软件中设置该操作所形成的文件标识，该操作软件会自动保存操作者的每个操作过程，以便查看操作实验的整个过程。每台操作终端的软件将有根据质量管理文件中操作规程所设置的程序以确保操作的一致性。在试验结束之后，操作软件会将最终结果传输至主控电脑，同时也将打印出来。该报告将包括：时间、操作者、试剂批号、标本号、实验结果，以方便资源共享。

通过如图1的管理和设置，就可以以微机网络化、仪器自动化管理为手段，以质量管理为目的，实现了质量体系与微机网络化、仪器自动化管理的结合，更进一步提高了血液质量，增强了工作人员的责任心。尤其在血液集中化检测的今天，势必要求实验室具有高效而准确的检测水平。因此，实验室的管理尤为重要，如果这种高效的管理形成规模，将会为输血事业带来更大的进步和提高。

A：标本接收准确无误后，填写接收记录，登录实验室网络录入主控电脑。

B：将带条码的标本离心处理后，放入Star全自动加样机进行加样，并获得加样信息(即标本条码信息)。这些信息将自动传输给多功能酶标仪(zenYth340rt)。

C：将加样处理后的微板放入ML/FAME全自动酶标仪中并根据预先设计好的程序进行HBsAg、抗-HCV、抗-HIV、梅毒的检测。

D：检测结果由ML/FAME全自动酶标仪自动传输给多功能酶标仪(zenYth340rt)。

E：待检标本在Star全自动加样机加样处理后放入多功能酶标仪，进行ALT检测(速率法)。

F：待检标本在Star加样机中加样处理后放入平板离心机中500r/min离心3min，再在孵育振荡器上振荡5min后放入多功能酶标仪(zenYth340rt)进行扫描检测，判定血型。

G：将所有检测结果进行汇总打印，并将检测结果发送到主控电脑。

H：主控电脑汇总所有待检标本的检测结果，并根据程序中的判定规则判断结果，汇总检验信息打出检验报告。