量子化学的应用精选(九篇)

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第1篇：量子化学的应用范文

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：量子化学的应用范文

在传统的证券投资学中，投资组合理论、资本资产定价模型、套利定价理论和期权定价理论是现代金融理论的四块基石。前两者主要依靠均值-方差组合优化的思想，后两者则主要依靠市场的无套利条件。传统的投资方法主要是基本面分析和技术分析两大类，而量化投资则是“利用计算机科技并采用一定的数学模型去实现投资理念、实现投资策略的过程”[3]。从概念看，量化投资既不是基本面分析，也不是技术分析，但它可以采用基本面分析，也可以采用技术分析，关键在于依靠模型来实现投资理念与投资策略。为了分析量化投资对证券投资学的启示，本文从量化投资“黑箱”的各个构成来探讨量化投资与证券投资学中思路和观点的差异。

（一）资产定价与收益的预测

根据组合优化理论，投资者将持有无风险组合与市场风险资产组合，获得无风险利率与市场风险溢价。资本资产定价模型则将此应用到单一证券或组合，认为证券的风险溢价等于无风险利率加上与风险贡献比率一致的风险溢价，超过的部分就是超额收益，即投资组合管理所追求的阿尔法值[4]。追求显著正的阿尔法是资产定价理论给实务投资的一大贡献。基于因素模型的套利定价理论则从共同风险因素的角度提供了追求阿尔法的新思路。其中，法玛和佛伦齐的三因素定价模型为这一类量化投资提供了统一的参考。可以说，在因素定价方面，量化投资继承了资产定价理论的基本思想。对于因素定价中因素的选择，证券投资学认为，对资产价格的影响，长期应主要关注基本面因素，而短期应主要关注市场的交易行为，即采用技术分析。在量化投资中，主要强调按照事先设定的规则进行投资，这在一定程度上与技术分析类似。但是，在技术分析中，不同的人会有不同的结论，而量化投资则强调投资的规则化和固定化，不会因人的差异而有较大的不同。另外，量化交易更强调从统计和数学模型方面寻找资产的错误定价或者进行收益的预测。

（二）无套利条件与交易成本

在证券投资学里，流动性是证券的生命力。组合投资理论、资本资产定价模型以及套利定价理论等都认为市场中存在大量可交易的证券，投资者可以自由买卖证券。这主要是为了保证各种交易都能实现，如套利交易。根据套利定价理论，一旦市场出现无风险的套利机会，理性投资者会立即进行套利交易，当市场均衡时就不存在套利机会。现实市场中往往存在套利限制。一是因为凯恩斯说的“市场的非理性维持的时间可能会长到你失去偿付能力”。二是因为市场总是存在交易费用等成本。但证券投资学中，对市场中套利限制与非流动性的关注较少，这是因为传统金融理论中简化了市场结构。市场微观结构理论研究在既定的交易规则下，金融资产交易的过程及其结果，旨在揭示金融资产交易价格形成的过程及其原因。在市场微观结构理论中，不同的市场微观结构对市场流动性的冲击是不同的。因而，从量化投资的角度看，为了降低交易带来的价格冲击，能实施量化投资策略的证券往往都应有较好的流动性，因为交易时非流动性直接影响投资策略的实施。从这个意义上讲，量化投资时的交易成本不仅包括交易费用，更主要的是要考虑市场交易冲击的流动性成本。

（三）风险控制与市场情绪

在证券市场中，高收益与高风险相匹配。量化投资在追求高收益的同时，不可避免地承担了一定的风险。在证券投资学中，系统性风险主要源于宏观经济因素，非系统性因素则主要源于行业、公司因素，并且不考虑市场交易行为的影响。在量化投资中，较多地使用因素定价模型，不仅会考虑市场经济因素，而且会考虑交易行为等因素，只是不同的模型有不同的侧重点，在多模型的量化投资系统中自然包括了这两方面的因素。除了各种基本面和市场交易的因素风险外，量化投资还有自身不可忽视的风险源。一方面，量化交易中，部分交易是采用保证交易的期货、期权等衍生品交易，这种杠杆交易具有放大作用，隐藏着巨大的风险。另一方面，市场冲击的流动性成本也是量化投资的风险控制因素，理所当然地在图1的风险控制模型中体现出来。另外，在一般的投资过程中，市场情绪或多或少会成为风险控制的一个对象。然而，在量化投资中，更多的交易都是通过计算机来实现的，如程序交易等，这样以来，投资者情绪等因素对投资决策的影响相对较小。所以，在量化投资的风险控制模型中较少地考虑市场情绪以及投资者自身的情绪，主要是通过承担适度的风险来获得超额回报，因为毕竟减少风险也减少了超额回报。

（四）执行高频交易与算法交易

在对未来收益、风险和成本的综合权衡下，实现投资策略成为量化投资的重要执行步骤。为了达到投资目标，量化投资不断追求更快的速度来执行投资策略，这就推动了采用高速计算机系统的程序化交易的诞生。在证券投资学里，技术分析认为股价趋势有长期、中期和短期趋势，其中，长期和中期趋势有参考作用，短期趋势的意义不大。然而，随着计算机信息科技的创新，量化投资策略之间的竞争越来越大，谁能运作更快的量化模型，谁就能最先找到并利用市场错误定价的瞬间，从而赚取高额利润。于是，就诞生了高频交易：利用计算机系统处理数据和进行量化分析，快速做出交易决策，并且隔夜持仓。高频交易的基本特点有：处理分笔交易数据、高资金周转率、日内开平仓和算法交易。[5]高频交易有4类流行的策略：自动提供流动性、市场微观结构交易、事件交易和偏差套利。成功实施高频交易同时需要两种算法：产生高频交易信号的算法和优化交易执行过程的算法。为了优化交易执行，目前“算法交易”比较流行。算法交易优化买卖指令的执行方式，决定在给定市场环境下如何处理交易指令：是主动的执行还是被动的执行，是一次易还是分割成小的交易单。算法交易一般不涉及投资组合的资产配置和证券选择问题。

二、对量化投资在证券投资教学中应用的思考

从上述分析可以知道，量化投资的“黑箱”构造与证券投资学之间存在一定的差异，因此，在证券投资的教学中应当考虑量化投资发展的要求。

（一）市场微观结构与流动性冲击

在理性预期和市场有效假说下，市场价格会在相关信息披露后立即调整，在信息披露前后市场有着截然不同的表现。在证券投资学里，一般认为价格的调整是及时准确的，然而，现实的世界里，价格调整需要一个过程。在不同的频率下，这种价格形成过程的作用是不同的。在长期的投资中，短期的价格调整是瞬间的，影响不大。然而，在高频交易中，这种价格调整过程影响很大。市场微观结构就是研究这种价格形成过程。市场微观结构理论中有两种基本的模型：存货模型和信息模型。存货模型关注商委托单簿不平衡对订单流的影响，解释没有消息公布时价格短暂波动的原因。信息模型关注信息公布后信息反映到价格中的这一过程，认为含有信息的订单流是导致价格波动的原因。无论是关注委托订单的存货模型还是关注市场参与者信息类型的信息模型，这些市场微观结构的研究加强了流动性与资产价格之间的联系，强调流动性在量化投资决策中的重要作用。一般的证券投资学中基本没有市场微观结构的内容，因而，为了加强证券投资学的实用性，应关注市场微观结构的内容与发展。

（二）业绩评价与高杠杆

对于证券组合而言，不仅要分析其超额收益和成本，还要考虑其风险与业绩。在组合业绩评价中，一方面要考虑风险的衡量，另一方面则要分析业绩的来源。在证券投资学中，组合业绩来自于市场表现以及管理者的配置与选股能力。对于量化投资而言，市场时机和管理者的能力依然重要，然而，量化投资的业绩评价还应考虑另一个因素：高杠杆。量化交易中，部分交易是采用保证交易的期货、期权等衍生品交易，这种杠杆交易具有放大作用，在市场好的时候扩大收益，但在市场不好的时候会加速亏损，这些与传统的业绩评价就不太一样。在一般的证券投资学里，业绩评价主要考虑经风险调整的收益，很少考虑其杠杆的作用，这不仅忽略了杠杆的贡献，而且有可能夸大了投资者的技能水平。

（三）人为因素与模型风险

在量化投资中，非常注重计算机对数据和模型的分析，这突出了量化投资的规则性和固定性。然而，实际中，别看量化采用了各种数学、统计模型，但策略设计、策略检测和策略更新等过程都离不开人的决策。量化交易策略与判断型交易策略的主要差别在于策略如何生成以及如何实施。量化投资运用模型对策略进行了细致研究，并借助计算机实施策略，能够消除很多认为的随意性。但是，量化策略毕竟体现投资者的交易理念，这一部分依赖于投资者的经验，一部分依赖于投资者对市场的不断观察与更新。实际上，人始终处于交易之中，对于市场拐点以及趋势反转的判断主要还是依赖投资者的经验。光大的乌龙指事件充分表明了人为因素在量化投资中的两面性：决策实施依赖于人的设定，而人的设定不仅依赖于经验，而且人还会犯错。人之所以会犯错，一方面是因为人们对市场的认知是不完全的，另一方面则是人们使用了错误的模型。经典的证券投资理论中，股票价格的变动被认为是随机的，小概率事件出现的机会比较小，但是经验研究表明股票收益率具有肥尾现象，小概率事件发生的机会超出了人们原先的认识，即市场还会出现“黑天鹅”。更为关键的是，量化投资更依赖数学和统计模型，这就使得量化投资存在较大的模型风险，即使用了错误的模型。为了防范模型风险，应采用更为稳健的模型，即模型的参数和函数应该适应多种市场环境。近年来，研究表明，证券收益及其与风险因素的关系存在较大的非线性，同时，市场中存在一定的“噪声”，采用隐马尔科夫链等随机过程和机器学习等数据挖掘技术进行信息处理成为量化投资的重要技术支持。

（四）2013年诺贝尔经济学奖的启示

第3篇：量子化学的应用范文

一直以来，复旦大学化学系有着重视化学实验教学改革的优良传统。20世纪70年代末，由复旦大学等14所学校合作编写的《物理化学实验》教材在国内广受好评，影响深远。20世纪90年代，复旦大学化学系对大学本科的化学课程体系进行了改革，逐步形成以创新能力培养为核心、以技术要素为主线的新实验教学体系及相应管理机制[1，2]。2000年前后，复旦化学系根据化学实验的特点，本着“统筹管理、优化资源、避免重复和遗漏”的原则，将涉及仪器操作类的基础实验课程“仪器分析实验”和“物理化学实验”融合为“仪器分析和物理化学实验”，那时实验教学中心在世行贷款和学校配套资金支持下，购置了一批在当时属于先进的仪器用于教学，使得化学实验条件得到大幅度改善，教学质量和水平因此得到保障和提高。

随着时代和学科的发展，我系的物理化学实验教学逐渐暴露出一些不足。一方面大部分实验仪器设备相对落后，如电化学分析工作站、气相色谱仪、原子发射光谱仪等设备都已使用了10～15年。这些仪器性能不够稳定，测量出的实验数据误差大，得不到理想的实验结果，这样直接削弱了学生学习新知识的积极性。另一方面是实验内容更新速度慢，滞后于科学研究发展的步伐。物理化学学科的发展也使得一些原本属于专门化或综合实验内容的高级技术和仪器成为基础物理化学实验的常规技术和设备，在当前科研中发挥重要作用的常规表征手段至今没有相应的教学实验开设，而且复旦大学物理化学教学团队早在1999年就开设了以结构分析和表征为主线，集原理、仪器使用和解谱为一体的“谱学导论”理论课，导致理论教学与实验教学有较大的脱节。同时本系科研实力的快速提高、学科建设、师资优化和研究生生源的增长需求对本科学生的科研素质提出了新要求，一些操作简单、内容单薄的验证性实验显然不能满足这些要求。在这样的形势下，物理化学实验教学内容如何设置，成为我们面临的又一重要课题。经过多次调研和讨论，我们对物理化学实验教学内容设置有了一些初步实践与设想，希望能与国内同行共同探讨。

二、物理化学实验教学内容的总体设计

本课程内容的设置将充分依托本系学科优势，在“衔接前沿、兼顾基础”的原则下，更新、升级、完善和补充大型仪器类实验。同时在完成经典传承的基础上，加大综合性、设计性、研究性实验的比例，以求拓宽学生专业面、增强适应性。更希望通过本课程教学内容的实施和开展，让学生了解和掌握一定的前沿技术、技能以及思考、解决问题的方法，促进学生探索能力、科研创新能力的发展，提高学生的综合能力。

在上述思想的指导下，我们经过对国内部分高校的物理化学实验教学内容进行调研和对比，并结合本系的实际情况，进行如下改革。

1.更新仪器设备，推动传统实验内容的更新优化

对目前开设的多个实验的老旧设备进行更新，取得了明显的效果。

比如，差热分析实验是一个经典的研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化的热分析实验。本系原有的实验设备，是20世纪70年代老师们自己动手搭建的，从冰水浴、自制热偶、加热炉到记录笔、温控仪的连接，都需要学生动手完成，由于各配件年代久远，数据的重现性、分辨率都不理想，而且经常出现某一部件“罢工”的尴尬局面，导致实验无法顺利进行。近年来，热分析技术的不断创新与完善，使得热分析的应用领域不断拓展，研究对象不断增加，在无机、有机、化工、冶金、医药、食品、塑料、橡胶、能源、建筑、生物及空间技术等领域被广泛应用[3]。开展热分析类的教学实验，不仅具有课堂理论意义，也具有非常强的应用背景，国内许多高校开设热分析教学实验，但具体实施的方案各不相同。经过考察，我们购置了性能较好的热重天平，此仪器采用较先进自动化技术和精密的机械制造工艺，将机械结构、机电控制和气氛控制集于一体，一定程度上改善了传统热分析仪器笨重外形。性能优良的温度控制软件和界面，全面的热动力参数分析功能，将热重分析TG、微商热重法DTG与差热分析DTA结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重、微商热重与差热数据。这样一来，实验简便快捷，而且数据可靠直观。为克服实验内容相对单薄的问题，我们重新设计实验方案，学生除了验证已知样品受热过程中的吸放热情况，还可以观测不同升温速率下吸放热情况的变化，进而研究样品受热过程中相应的动力学参数，例如根据不同升温速率下五水硫酸铜失水峰的峰顶温度与升温速率进行数学处理，便可以计算热分解的活化能。在问题与思考环节中，启发学生通过文献查阅，对热分析方法进行更全面的了解，有了这样的技术和知识储备，将来需要分析其他样品受热过程中物相变化、吸放热等问题时，很容易找到解决方案。

此外，对气液色谱法测定非电解质溶液热力学函数的实验也更换了最新型号的气相色谱仪。所有的温度、压力、流量以及其他参数的设定和显示均可以在电脑软件界面上进行，大大方便了学生的实验操作，而且对了解目前的主流色谱有了感官认识。最为关键的是，数据重复性得到了极大的提高，以前需要重复进样近10次才能得到3次相对误差较小的数据，现在只需进样3次就可满足要求，对操作难度的要求大大降低，数据也与文献值吻合较好，得到了同学们的认可。

涉及电化学测量的实验，目前全部采用电化学工作站进行。由于是软件界面控制，重现性较好，出现故障也很容易判断。这些改进与以前的电压、电流表显示相比，优势明显，而且对本科生继续从事电化学相关研究起到了较好的铺垫作用。

2.增开研究性实验，加强对学生技术技能的培养

调研发现，物理化学实验内容最欠缺的是科学研究领域中的前沿成果在教学中的体现，而学生能力培养上较欠缺的是现代表征仪器的操作技术。因此，与前沿研究相关的实验内容的设置，是我们此次实验教学内容更新的重点。

我们引入负载型催化剂的多相催化实验。随着催化技术的发展，由于多相催化剂具有易回收利用、产物易分离等特点，在石油化工等领域得到越来越广泛的应用。因此，让学生了解和掌握一定的多相催化技术和知识显得尤为重要，国内浙江大学和南京大学化学系的本科生物理化学实验中都涉及相关的实验内容。我们开设了负载贵金属催化剂液相催化苯甲醇氧化的实验，通过本实验，希望学生理解多相催化操作中的基本要求、评价活性优劣的基本方法、影响催化活性的外界因素、完成活性测试的定量分析手段等内容，再通过数据处理与分析，了解更多的与催化相关的动力学和热力学知识与技术。

3.引入物质结构性质表征方面的实验内容

现在科学研究中，物质结构及其性质的揭示，离不开大型仪器。自19世纪伦琴发现了X射线以来，X射线衍射被迅速地应用于物质结构表征，它可以用在研究体积很大的对象，譬如人体骨骼，还可以表征很小的物质结构，譬如蛋白质分子结构[4]。由于波长短，X射线有很强的穿透性，在分子及原子级的材料结构研究当中应用尤为广泛。现代X射线技术在研究未知结构和新材料中已经成为一个有力的工具，比如本系多个课题组制备的各种单晶新材料，其结构解析就离不开X射线单晶衍射仪。作为重要的物质结构表征手段，理论课堂上也做了深入的介绍，但由于硬件条件的限制，本系本科生一直没有机会动手操作X射线衍射仪。

多孔固体材料最早发现于19世纪90年代，因其独特的结构特性而在催化、吸附、分离和储能等领域受到广泛的关注，表面状态和孔结构直接影响其性能，所以多孔固体材料的比表面积和孔径分布是研究固体材料的必要数据。本系多个课题组在介孔、微孔材料的制备研究中，一直离不开比表面积测试仪对样品基本性质的测定，也正因如此，本系多套比表面积测试仪均难以匀出机时用于本科教学。

通过努力，现在我们购置了4台比表面积测试仪，并借用本系X射线粉末衍射仪科研机时，用于本科生的教学实验。先让学生通过不同方法制备铜锆复合氧化物材料，并对这些样品进行X射线粉末衍射和比表面积测定，最后通过数据处理，分析了解不同的制备因素对材料基本性质的影响，了解BET多分子层吸附理论的基本假设和BET法测量固体比表面的基本原理，掌握X射线粉末衍射方法的基本原理、技术和物理吸附仪的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常规表征实验技能技巧。

三、未来设想

近年来，随着世界环境问题的日益严重，光催化在环境污染物降解中已成为研究热点[5]。最近我们还将开设TiO2光催化废水降解实验，这个实验是有效治理环境污染技术的典型代表。纳米TiO2由于其化学性能稳定、抗菌性能好以及在有机物降解过程中无二次污染等优良性质，成为环境污染治理领域中的重要光催化剂，在光催化领域得到了广泛研究。TiO2的结构形貌对其光催化活性有很大的影响，通过本实验，希望学生了解环境污染与防治的相关知识，并能从结构形貌与光量子效率间的关系理解影响光催化活性的因素，同时理解光催化降解效率的衡量指标等知识和技能。

从培养学生技术技能的角度看，现代物质基本结构表征方面涉及的内容还远不够，将来还计划开设铜锆复合氧化物或者负载贵金属样品表面的CO吸附红外光谱测定、核磁共振测定液相反应速率常数等相关内容。希望通过系列动力学活性测试以及相应物质结构表征方面实验的开展，让学生对功能材料样品制备技术、物质基本性质表征以及样品性质与性能之间的本质关联有所了解。更希望学生通过这一系列的训练，对科学研究过程有所了解，为他们开展系列校内科技创新项目打下基础，有利于他们今后的继续深造或工作。

第4篇：量子化学的应用范文

[关键词]满山红； 化学成分； DFT； 键离解能（BDE）； 抗氧化活性

满山红Rhododendri Daurici Folium为杜鹃花科杜鹃花属植物兴安杜鹃Rhododendron dauricum L的干燥叶，俗称映山红、迎山红、靠山红、达子香山崩子，其味苦、辛，性寒，具有祛痰、止咳的功效[1]，常用于治疗哮喘病，急慢性支气管炎等病症；经研究发现满山红还具有抗氧化、镇痛、抗癌抗菌、对心肌损伤的保护等功效[2]。满山红主要分布于吉林、辽宁、黑龙江、内蒙古等地区。近年来，相关学者对满山红的化学成分进行了大量研究，并且分离鉴定出了10多种化合物，其化学成分主要有黄酮类、有机酸类、挥发油类和香豆素类[35]。其中黄酮化合物主要有：金丝桃苷、异金丝桃苷、槲皮素、杜鹃素、山柰酚、杨梅酮、8去甲杜鹃素；香豆素类主要有，莨菪亭（东莨菪素）和伞形酮（伞形花内酯）； 酚酸类主要有，香草酸，对羟基苯甲酸，没食子酸等；挥发油类主要有杜松脑。其中经研究发现杜鹃素具有止咳祛痰之功效[6]，可直接作用在呼吸道的粘膜上促进纤毛的运动，增强支气管机械清除异物的功能并使痰液黏度下降使痰变稀可易于咳出；金丝桃苷具有很强的抗氧化作用；槲皮素具有一定抗炎活性；杨梅素具有抗血栓、抗心肌缺血、改善微循环降血糖、抗氧化、保肝护肝等多方面的药理作用；山柰酚是很好的天然抗氧化剂，具有抗癌、抑制生育、抗癫痫、抗炎、利胆利尿、降低血脂等作用，并具有抗菌和止咳的功效，能抑制黄色葡萄球菌及绿脓杆菌，也可用来治疗支气管炎和糖尿病白内障[78]。

运用量子化学计算方法研究黄酮类化合物抗氧化活性的影响因素及大小顺序已经成为中药有效成分评价的重要手段，如赵继红等量子化学计算方法研究探讨了几种典型黄酮类化合物抗氧化活性的结构因素，指出分子中的酚羟基的数目及可以形成氢键的数目与分子的抗氧化活性正相关，是黄酮类化合物具有强抗氧化活性的重要因素[9]； 齐婧敏运用量子化学密度泛函理论方法对从黑沙蒿植物中分离得到的4种黄酮类化合物的抗氧化活性从分子几何结构、不同位置酚羟基解离能及分子轨道能级差大小等几方面进行了抗氧化活性的大小评估，为认识黑沙蒿植物中黄酮类化合物抗氧化活性大小提供了理论方法上的指导[12]。本文选取中药满山红中已分离得到的4个具有生物活性的黄酮类化合物杜鹃素、槲皮素、山柰酚、杨梅素作为研究对象，采用量子化学的密度泛函理论方法对4个活性有机化合物的电子结构、键离解能（BDE）以及轨道能量分布进行了研究，比较了各个参数的大小，初步评估出4个黄酮类化合物活性的大小，为该中药的资源开发与药理活性的研究提供理论上的指导。

1计算方法

本研究采用密度泛函理论DFT方法，在B3LYP/63.1.1++G（d，p）计算水平下对满山红中4种有效活性成分的分子结构进行结构优化、频率分析、键离解能（BDE）及分子最高占有轨道HOMO和分子最低空轨道LUMO的能级及其能极差分析，初步研究了4个活性药物分子的抗氧化活性大小。计算所用软件为SPTAN 08与GAUSSIAN 09。

2结果与讨论

2.1分子几何结构优化参数[优化得到的满山红中4种分子的主要参数键长（）及其二面角（°）]

运用B3LYP/63.1.1++G（d，p）方法对4种黄酮类化合物分子进行优化，分子结构见图1，主要结构参数见表1，从表中参数可知4种黄酮分子相同环上酚羟基的键长基本相等，不同环上的酚羟基键长稍有不同。4种分子中山柰酚、杨梅素、槲皮素3个分子几乎共平面，杜鹃素B环与C环存在一定的二面角，这是因为杜鹃素2号位上的C元素是1个手性碳，导致分子结构中环与环之间存在空间立体差异；另外的3个黄酮化合物具有共轭平面结构。

1 杜鹃素；2 山柰酚；3 槲皮素；4 杨梅素（表1，2同）。

黄酮类化合物抗氧化活性的影响因素主要是羟基化的位置和程度[9]，从4种化合物的分支结构图可以知道，4种化合物的羟基数目顺序为：杨梅素>槲皮素>山柰酚>杜鹃素。从图1和表1可以看出，当4个黄酮化合物的B环4′位酚羟基未与邻位酚羟基形成分子内氢键时键长几乎都相等（杜鹃素与山柰酚）；当B环4′位酚羟基与邻位酚羟基形成分子内氢键时键长发生了拉长（槲皮素与杨梅素），说明黄酮类化合物抗氧化活性大小差异主要发生在B环上且分子内氢键对其抗氧化活性影响较大。另一影响因素为分子内形成的氢键的数目，内氢键数目越多，形成的半醌式自由基越发的稳定，抗氧化活性就越强。黄酮类抗氧化活性主要取决于B环上酚羟基的数目和位置，A环上酚羟基不是清除自由基的活性中心，和实验结果相一致[12]。对黄酮类化合物几何结构的计算表明其自由基主要以半醌式结构存在，这正是酚类化合物具较好抗氧化活性的结构特征，半醌式结构的稳定性直接和自由基的稳定性相联系，半醌式越稳定，则自由基越稳定，二者成正相关。其中有利于自由基上单电子分散的因素，就能使形成的自由基比较稳定，抗氧化活性高，所以邻、对位上的羟基能有效分散苯氧自由基上的单电子，从而稳定了自由基・对黄酮类化合物2，3位双键和4位羰基对分子的结构有较大的影响； B环含有邻位酚羟基，则活性较高，其主要原因是邻位的酚羟基能形成分子内氢键，有利于B环苯氧自由基的稳定[12]。

满山红中的4种黄酮类化合物可形成的氢键数目：杨梅素（4个）>槲皮素（3个）>山柰酚（2个）>杜鹃素（1个）。其中，杨梅素与槲皮素结构中的B环上都含有邻位羟基从而容易形成B环上分子内氢键，有利于分散苯氧自由基上的单电子，使自由基形成后更稳定，且杨梅素B环上有3个酚羟基彼此可以形成2个分子内氢键而槲皮素B环上只有2个酚羟基彼此只能形成1个分子内氢键，从杨梅素与槲皮素2，3位结构特点分析：杨梅素C环的2，3位双键的存在使得该分子形成自由基会更稳定，因此杨梅素抗氧化活性应该高于槲皮素；相反，山柰酚与杜鹃素的B环结构中都只有1个酚羟基形成不了分子内氢键，对自由基稳定性起不了多大作用，相比杨梅素与槲皮素而言抗氧化活性要低一些，其中山柰酚分子的C环3位比杜鹃素多了1个酚羟基且2，3位存在双键有利于半醌式结构的稳定，因此抗氧化性活性要更强一些。综上讨论，4种化合物的抗氧化活性顺序为杜鹃素

2.2.4种黄酮化合物不同位置酚羟基的BDE可以用抗氧化剂的OH键的解离焓（BDE）作为参数来表征不同位置酚羟基氢离域能力。在B3LYP/63.1.1++G（d，p）计算水平下，H原子的电子能量的精确值为-0502 2.5.7 0 hartree，化合物OH的键解离能（BDE）越低，抗氧化剂就越容易把它的羟基氢原子传递给活性氧自由基ROO・，清除自由基的活性越大。中药满山红中4种黄酮类化合物不同位置酚羟基抽氢解离能BDE的计算，见表2。从表中，可以看出：4个黄酮化合物酚羟基抽氢解离能BDE的最小值几乎都出现在B环上，说明这4个黄酮化合物的活性位点主要发生于B环。对于杜鹃素分子，B4的BDE最小为3.7805.1 3.68 9 kJ・mol-1，其次为A7达到3.81.4.2.6 1.80 4 kJ・mol-1，A5的BDE值最大为4.2072.4 4.83 6，说明杜鹃素分子结构中B4的酚羟基最为活泼而A5的酚羟基由于与C环的4位羰基易形成分子内的氢键而非常稳定不容易失去氢原子；对于山柰酚分子，C3的BDE最小为3.6802.8 1.3.9 1 kJ・mol-1，其次为B4达到3.68901 2.94 2 kJ・mol-1，接着为A7达到3.93.75.7 881 4 kJ・mol-1，A5的BDE值最大为4.2072.4 4.83 6 kJ・mol-1，说明该分子的B环与C环上的酚羟基BDE解离能接近氢原子都很活泼容易失去，而A环上的2个酚羟基BDE值较大使得分子较为稳定不容易发生抽氢反应；对于槲皮素，最小的BDE值仍出现在B环上面，分别为B3 3.4.73.5.3 3.66 3 kJ・mol-1，B4 3.71.205 02.1 4 kJ・mol-1，最大的BDE仍然出现在A环，与杜鹃素分子与山柰酚2个分子相比，槲皮素分子B3位的BDE值更小，说明它比前2个分子更容易失去B环上的酚羟基原子；杨梅素分子的B环上连接有3个酚羟基，容易形成2个分子内氢键，最小的BDE值出现在B4位为3.3.9885 03.1 kJ・mol-1，是4个黄酮化合物中BDE数值最小的，说明该分子的B环分子间氢键的作用，削弱了各酚羟基OH的键强度，使抽氢反应相对变得容易，BDE降低最大，抗氧化活性应该最强。从以上4个黄酮化合物的不同位置酚羟基的BDE数值分析可以看出，B环上面的酚羟基最为活泼，其次为C环，A环较为稳定最不活泼，对4个化合物分子结构中的酚羟基的BDE数值排序后，发现4种化合物的抗氧化活性顺序为：杜鹃素

2.3 前线分子轨道前线分子轨道是指最高占据轨道HOMO和最低空轨道LUMO。根据前线分子轨道理论，能量越高的最高占据轨道中的电子越不稳定，更容易失电子，能量越低的最低空轨道越易接收电子；并且，最高占据轨道与最低空轨道的能极差反映了分子形成反应活化态所必须的能量大小，即其差值越小，所需能量越小，反应的活性越高，分子越发活泼，抗氧化性越强[10]，见图2，表3。

根据表3中的数据，对4种黄酮化合物的前线轨道能级进行排序：杨梅素E（HOMO）>槲皮素E（HOMO）>山柰酚E（HOMO）>杜鹃素E（HOMO）； 槲皮素E（LUMO）>山柰酚E（LUMO） >杜鹃素E（LUMO） >杨梅素E（LUMO）； 杜鹃素SE（LUMO-HOMO）>山柰酚SE （LUMO-HOMO）>槲皮素SE （LUMO-HOMO） >杨梅素SE（LUMO-HOMO）。根据上述比较可知：杨梅素的最高占据轨道（HOMO）上的电子最不稳定，容易失去电子，易接受外来电子，因此，杨梅素的活性最强。槲皮素的（HOMO）居于第2位，同样具有较高的活性。再根据SE （LUMO-HOMO）的比较可知杨梅素的能极差最小，槲皮素次之。因此，综上所述，无论从分子的前线轨道能级还是最高占据轨道与最低空轨道的能极差杨梅素和槲皮素都具有较高的抗氧化活性。抗氧化活性大小为杜鹃素

3 结论

本章采用量子化学密度泛函理论（DFT）的计算方法研究了满山红中4种黄酮类化合物分子结构。从分子的几何结构、不同位置酚羟基的BDE、前线轨道等的理论参数得出杜鹃素的酚羟基个数最少，其抗氧化活性最弱；杨梅素的活性最强。再根据分子能级轨道分析结果，可知满山红中4种黄酮化合物的抗氧化活性大小为杜鹃素

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[11]林梦海 量子化学计算方法与应用[M]北京：科学出版社， 2004

第5篇：量子化学的应用范文

关键词：燃烧学；量子化学；Gaussian软件；多媒体

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）19-0041-02

“燃烧学”是热能与动力工程专业一门十分重要的专业基础课程，其内容涉及化学动力学、传热学、热力学、流体力学以及热化学等多门学科知识，是一门典型的交叉学科。由于“传热学”、“热力学”以及“流体力学”是热能与动力工程专业的基础课程，通过前期的系统学习，学生对该部分内容较为熟悉。但由于专业的限制，本专业学生在大学期间很少有机会学习化学专业知识，因而对化学动力学和热化学等内容相对陌生，不少学生在课后反映该部分内容抽象难懂。燃烧过程实质上是耦合了流动、传热以及热力相变的复杂化学反应过程。因此，掌握好化学动力学和热化学等知识对本课程的学习具有重要意义。笔者根据在科研与教学实践中的经验，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程的教学中，取得了良好的效果。

一、量子化学Gaussian软件介绍

量子化学是应用量子力学的规律和方法来研究化学问题的一门学科。量子化学Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，是化学领域最著名的软件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。该软件由量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法模拟和计算分子和过渡态能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、极化率和超极化率、热力学性质以及反应路径等内容，是目前应用最广泛的半经验计算和从头计算量子化学计算软件。量子化学Gaussian软件在教学中可以轻松搭建直观的分子和原子模型，并且从分子动力学层面展现一个化学反应的内在变化和重组过程。因此，学生可以直观地了解物质的结构和化学反应内在规律，从而强化对相关知识和规律的认识与掌握。

二、量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用实例

量子化学Gaussian软件的功能非常强大，但本文仅选择个别功能，并且通过列举“燃烧学”中最常见的两个简单基元反应实例来介绍其在“燃烧学”教学中的应用。

1.实例一

CO和·OH的反应是燃烧过程以及燃烧大气污染控制化学中的一个重要基元反应。根据分子碰撞理论，两种物质是通过相互碰撞发生化学反应，但这种说法对于非化学专业的同学来说非常抽象，不易理解。比如两者是如何发生碰撞的，碰撞后又是如何发生反应的，这些问题都很模糊，通过简单的文字描述很难讲清楚。而通过简单直观的图形讲解则可能取得意想不到的效果。图1显示的是采用Gaussian软件中的密度泛函理论（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基组水平下全参数优化和模拟反应过程中的各反应物、中间体（IM）、过渡态（TS）以及反应产物的几何构型示意图。

图2显示的是CO和·OH之间的反应能级示意图。从图中结果可以看出，CO和·OH之间的反应实质上是·OH对CO发动进攻，即·OH的O原子去进攻CO中的C原子，得到反应中间体IM1。从中间体IM1出发有两种裂解方式：一种是经过渡态TS1断裂其H-O键；另一种方式是IM1首先经过一个异构化过渡态TS2异构为另一顺式中间体IM2，然后IM2又经过渡态TS3断裂其H-O键生成产物CO2和H。基于以上能级分析，反应存在两条可能的通道。但通过计算的活化能可知，第一条反应路径需要的活化能为197.41 kJ/mol，而第二条需要的活化能仅为33.22 kJ/ mol。化学反应进行必须先要克服一定的能量障碍，即活化能才可以发生。从计算结果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二个通道需要克服的能量障碍更小，即更容易发生，是该反应的主要通道（主要反应路径）。

2.实例2

第6篇：量子化学的应用范文

进入21世纪，随着科学技术的飞速发展，电子计算机的应用已经渗透到各学科的每一个领域之中，各学科的进一步发展对计算机的依赖程度越来越高，化学工程学科也不例外。目前，计算机已经深入应用到化工模拟、计算化学和化工制图等化学工程学科的各个层面之中，对化学工程的发展起着巨大的促进推动作用。化学工作者应该抓住机遇，在新时期努力学习计算机知识、熟练掌握运用计算机，将其应用到化工设计、化学本文由收集整理计算中去，使化工学科能够更快地发展。

化学工程作为一门基础学科，长期以来是以实验为基础发展起来的，是一门理论与实验相结合的学科。随着计算机技术和信息技术的发展日新月异，化学工程的研究中又增加了计算与计算机模拟的方法，它已经逐渐成为化学工程中最富有生命力的研究方法。随着电子计算机在化学工程中的广泛应用，传统的化学工程学科已逐渐成为一门集实验、计算、理论于一体的综合性学科。

从20世纪50年代开始，科研工作者就利用计算机解算化工过程的数学模型，使研究方法出现了一个革新。经过几十年的发展，化工过程模拟已经成为普遍采用的常规手段，被广泛应用于化工过程的研究、开发、设计、生产操作的控制与优化、操作培训和技术改造之中。

一、流程模拟

化工过程流程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个有许多个单元过程组成的化工流程用数学模拟描述，用计算机模拟实际生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，其中包括最受关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。

流程模拟就是在计算机上“再现”实际生产过程，由于这一“再现”过程不涉及实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因此给化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上任意进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。流程模拟式计算机技术是化工方面的最重要应用之一。应用流程模拟系统不仅可以节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程模拟系统还可以对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精确评估，并可以对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性做出分析，并快速准确地对多种流程方案进行分析和对比。

二、单元模拟

化工工业处理的过程是以质量、动量和能量的连续流动为特征，传统手段对这一过程的处理很大程度上是依靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑箱”模型，对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微观和深入的信息，单元模拟技术就是为了解决这一问题而产生的。

在单元模拟过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、传热、反应过程相互耦合。单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等。单元模拟技术可以提供传统手段难以获得的大量信息，如单元过程内部所有参数的空间分布和动态变化，通过这些信息可以深入理解单元过程内部的机理，在发生异常时亦有助于分析原因。因此，它是一种低成本的调优手段，当结构形式或结构参数变化后，单元过程内部随工艺参数和操作参数而变化的过程，可以在计算机上很方便地进行试验，直接用于优化和改造手段，而且单元模拟的计算不是经验性的，比较可靠，目前单元模拟主要用于化工生产的工程放大、优化设计、诊断及扩能改造、生产调优及控制四个方面。

三、反应动力学模拟

化学反应动力学是一门研究各种因素对反应速率的影响规律和反应机理的科学，在根据实验结果和对反应机理研究的基础上建立了化学反应动力学方程，它们对反应器的设计、最优化条件的选择都是必不可少的理论基础。

目前所采用的物理化学教材对一系列对峙、平行、连

续等复杂反应的动力学方程仅给出分离变量法或消元法等单一的数学处理方法，这种方法对于非常简单的复杂反应可以求出解析解，但大多数化学反应的反应机理非常复杂，由于从反应机理得到的微分方程组，非常不便求解，因此借助电子计算机用数值解法，可以方便地求解从反应机理得到的微分方程组。

计算机模拟在复杂化学反应动力学的计算中有着广泛的应用，通过计算机模拟计算得到的结果可以预知反应过程中各反应物质浓度的变化，通过对连续反应最佳时间的计算可以控制反应时间以得到所需要的物质的最大浓度，通过计算平行反应和对峙放热反应最佳温度，可以控制反应温度，优化反应条件，使生成产物的速率达到最大值，这些计算机模拟计算的数值可以为实际工业生产中工艺条件的控制以及反应器的设计提供重要的参考数据。

四、分子模拟

从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计，无疑是21 世纪化学工程的一个重要方向，计算机模拟研究已渐成为与实验研究及理论研究相平衡的认识自然规律的第三种重要方法。化工热力学数据对于化学工业过程的设计、操作以及优化具有重要的作用。热力学数据一般通过三个途径取得：即实验测定、理论总结及计算机分子模拟。通过计算机分子模拟，可以较为严格地从流体的微观相互作用出发，预测流体的宏观热力学性质。特别是在一些极端的条件（如高温、高压、剧毒）下，进行实验是很困难的，计算机模拟则较易实现，并且比较经济。采用计算机分子模拟方法，可以得到相当可靠的热力学体系的径向分布函数、宏观热力学性质以及输运性质，这为我们建立与改进各种描述实际现象的理论或模型提供可靠的依据。

化学是一门基础性学科，是以实验为基础发展起来的理论与实验相结合的学科，随着计算机技术在化学学科中的广泛应用，逐渐形成了应用计算机研究化学反应和物质变化的独立学科，它以计算机为技术手段，进行化学反应方面的数值计算，这就是计算化学。

计算化学是理论化学的重要分支，是利用电子计算机、通过数值计算解决化学问题的一门方法学。计算化学是一门新兴的、多学科交叉的边缘科学，它运用数学、统计学与计算机程序设计的方法，进行化学方面的理论计算、实验设计、数据与信息处理、分类、分析和预测。随着化学仪器对自动化要求越来越高，许多化学实验过程用人工进行控制相当困难，需要可靠的控制技术系统，因此计算机计算模拟技术从根本上改变了化学实验技术。

计算化学以数值计算为基础，用高级语言及其编程技术，解决化学中的数值计算问题，它将数学的计算方法通过计算机程序具体地应用于化学过程中，通常用来研究化学中一些常用的、共同的、较为常见的计算方法，是化学计算的核心。实验数据的内插、函数拟合、线性方程组求解、高阶方程组求解、解微分方程组、求本征值与本征向量等，它们均与化学中量子化学、分析化学、化学平衡、化学动力学和试验数据处理等密切相关。现代计算化学技术的发展，已经能够将各种化学性质与分子结构之间的关系定量地联系起来，化学因此正从实验科学迈向实验、计算、理论相结合的综合性学科，化学已经由多实验少计算，演变为先实验再计算，也必将逐步演变为先计算再实验。

目前计算化学在无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学中都有广泛地运用，具体来说，计算化学要完成的任务主要有量子结构计算、分子从头计算、半经验计算和分子力学计算等量子化学和结构化学范畴，以及物理化学参数计算，包括反应焓、偶极距、振动频率、光谱熵、反应自由能、反应速率等理论计算，这些属于化学热力学、化学动力学及统计热力学范畴。在计算化学中，数值计算是最根本的任务，其目的是将已知参数通过适当的数学计算得到一个预期的结果，这个结果可以和实验结果相比较，也可以和前人的研究成果相比较，最终得出结论，用来指导化学实验的实施。

化学工程设计具体的任务涉及物料衡算、能量衡算、厂区布置图绘制、车间布置图绘制、设备装备图绘制、管道布置图绘制、带控制点工艺流程图绘制、设备选型及强度校核计算等许多工作，如此众多繁杂的工作，如能引入计算机辅助，将大大减轻化工设计工作的强度。

过去那种利用普通纸笔绘制化工图样、利用计算尺和计算器进行的各种计算将被计算机软件应用所取代。计算机辅助设计制图和普通制图相比不仅具有绘制精确、图面整洁等优点，而且还具有随意修改、重复利用、按需打印等普通手工绘制无法具备的特点，利用计算机辅助设计

进行化工工程图绘制已经是21世纪的基本趋势。

第7篇：量子化学的应用范文

关键词：计算化学软件；有机化学；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.119

近几年来，计算化学软件逐渐得到了人们的重视。在大学有机化学的教学中，它能够通过传统的平面符号将深奥的化学信息传递给学生，并加强他们对化学结构的理解。另外，传统的教学方式已经不能够满足学生对知识的需求，只有结合现代化的辅助工具，才可以达到提升学习效率的目的。

1 计算化学软件在大学有机化学教学中的应用

（1）计算化学软件在立体模型方面的分析方式。从本质上来讲，分子立体结构的教学在有机化学中是必不可少的。但传统的方式中，教师仅仅用单一的构图法对知识点进行规划，来将其中的规律呈现在他们面前。这种方法不仅复杂，增加了教师的任务量，也无法使学生彻底的理解知识，并产生了负担。同时，一些想象空间缺失的学生更无法将立体结构展开，体现“具体问题具体分析”的合理性。可见在有机化学中计算软件的应用是必不可少的。首先，大学化学中的重点就是有机化合物的分子结构分析。它能够从化学反应的基本原理出发，构建物质之间的基本联系，并体现其中的演变过程。因此，教师可以通过分子结构的剖析，利用计算软件将排列方式呈现出来，并在多媒体中进行模拟教学，体现教学方法的灵活性。

例如：在甲烷分子的构想过程中，教师则可以利用office中的3D处理功能，构建一个立体结构的演示过程，并将分子模型进行优化。同时，为了能够将动态过程体现出来，教师也可以通过“Flash”动画模型的建立做出C-C的360度旋转过程，改变分子形态中的二苗角，来完成计算软件中的曲线剖析动作。最后，教师要利用Gaussian03软件实现分子关联性讲解。将每一分子作为一个数据节点，利用扫描功能对每一部分进行分析，并将对应的势能曲线表达出来。这种教学方法的好处在于能够使学生从全方位看出分子的构象规律，并实现曲线的交叉变换，令他们掌握乙烷的稳定排列形态。

（2）计算化学软件对分子光学模拟的分析。有机化学的学习目的是令学生能够用更加全面、灵活的眼光来分析宏观与微观世界。因此，为了体现内容的多样化，教师可以将光谱理念引入到其中。首先，传统的有机化学学习方式主要是以引入仪器的方法来完成，但这些化学辅助工具却无法将有机物分子展开。针对这种情况，教师要利用计算软件进行知识解析。首先，在操作过程中教师以Gaussian03软件为主，以功能的设定为具体方向，对分子光谱进行预测及模拟。例如：在有机分子红外光谱的学习中，教师利用互动模式将学生带入到课堂学习中，将他们两两分为一组，并在建立好的模型上进行演示。而学生要根据模型中的振动频率将关键词Freq输入进去，在文件的处理界面中选择“演示”字样，系统则会选定一个基本频率，以分子振动节点为中心，制定相应的光谱。学生只要点击系统中的“开始”选项，多媒体就会将化合物分子中的伸缩振动过程、光谱曲线、结构对应方向逐一体现出来，实现了教学的动态化。

再如：在双分子亲和的教学中，教师要首先建立好相应的计算模型。系统会依照分子之间的运动频率确立核定方式，并将分析中所呈现出的关键词运用到其中。最后，计算软件能够进行分子常态的设定，学生可以从中看出离子的分散过程以及试剂的投入顺序。同时，教师要结合其中的重点内容将相关的理论知识融入进去，使学生根据总结出反应中呈现的状态，并以小组讨论的方式整理好双分子亲和中的关键点。最后，教师以小组为单位进行逐一评定，选取其中比较优秀的一组进行奖励。

2 计算化学软件在计算化学软件在大学有机化学教学中的应用

（1）深化学生对知识的理解。有机物特性分子在化学教学中是必不可少的。但这部分内容也是学习中的难点，如何将化学知识与其物理特征联系在一起，并直观的呈现在学生的面前是教育的关键。例如：以HOMO化学概念的学习为主，教师只有将分子组合或分裂的排序过程中展现出来，学生才能够真正依照其运行轨迹进行知识学习。而以计算软件为主的教学方式则可以满足这一要求。教师可以在建立基本模型的前提下选择一条分子排列轨道，将演示内容直观、清晰的呈现在学生的面前，深化学生对知识的理解。

（2）促进教学方式的转变。由于有机化学的难度逐渐加深，单一的绘图方式已经无法满足学生的需求。因此，教学方式的转变是必然的，也是现代化教育的结果。计算软件能够将分子的构成式逐一展现出来，并将平面图像变为立体形状。因此，如果教师想要适应时代的发展，就要提升自身的教育水平，学习计算化学软件，并令其在课堂中能够得到良好的应用。同时，这种方式也减轻了教师的课业任务，节省了绘图与版面制作的时间。从学生的角度来讲，这种教育模式可以为他们带来新鲜感，激发起学习的兴趣，促进自身能力的提升。

3 结语

综上所述，本文主要从两方面入手。第一，以计算软件的应用作为切入点，对其在有机化学教学中的应用进行阐述。第二，探究了计算软件在化学课程中的意义。从而得出：教师要改变原有的教育理念，将现代化的多媒体技术应用到其中，以达到教育创新的目的。同时，计算化学软件能够将抽象的知识结构以直观的方式呈现在学生的面前，有利于学习效率的提升，也可以实现知识的深化，为人才的培养奠定基础。

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第8篇：量子化学的应用范文

关键词：氢分子（H2）；能量―核间距曲线；结构化学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章号：1674-9324（2017）10-0217-04

一、前言

结构化学是化学和应用化学（理科）专业的一门专业核心课程，主要讲解原子的电子结构、分子的电子结构和几何构型以及晶体（包括离子晶体、分子晶体、原子晶体以及金属晶体）的微观几何构型和物理性质。结构化学的理论基础是量子化学。大多数的结构化学教材（比如北京大学周公度、段连运教授编著的《结构化学基础（第3、4版）》[1]、厦门大学化学系物构组编写的《结构化学》[2]等）对于氢分子离子的能量核间距曲线都有涉及或详细讲解，学生可以很直观地明白为什么氢分子离子的能量是与核间距相关的。另一方面，可能由于处理比较复杂的原因，大多数教材对于氢分子能量与核间距的关系都涉及很少或者没有进行详细讲解。学生只是知道二者之间是有关系的，但是并不十分清楚二者之间是怎样的关系，怎样根据已有的数据绘制出氢分子的能量核间距曲线。本文旨在详细阐述这一问题。

二、氢分子能量核间距曲线的详细绘制步骤

本文以有关教材中给出的氢分子能量表达式为出发点，首先参考有关文献给出氢分子能量E与核间距R之间的函数关系式，然后以此函数关系式为基础计算出E与R之间的数值关系，最后绘制出E-R关系曲线。

（一）氢分子能量E与核间距R之间的函数关系式

参见《结构化学基础》教材[1]第90页，当用价键法和线性变分法处理氢分子时，描述氢分子中电子运动状态的两个波函数及其对应的能量为：

ψ■=■（ψ■+ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）+ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

ψ■=■（ψ■-ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）-ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

这里ψ■、ψ■均为氢原子基态波函数，均已经归一化，均是实数；E■为基态氢原子的能量，S为交换积分，Q称为库伦积分，A称为交换积分：

S=∫ψ■■1ψ■1dτ■=∫ψ■■2ψ■2dτ■

Q=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■1ψ■2dτ■dτ■

A=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■2ψ■1dτ■dτ■

参考Slater教授编著的《Quantum Theory of Molecules and Solids： Electronic structure of molecules》书[3]中第50―51页，经过一定的推导，可以得到：

Q=■+■J+■J+■J'=J+■J'+■

A=■+■SK+■SK+■K'=KS+■+■

其中：

J=-■+2+■×e■

J'=■-■+■+■+■×e■

K=-2+2R×e■

S=1+R+■×e■

S'=1-R+■×e■

-Ei（-x）=■■dt

K'=■×

-e■×-■+■R+3R■+■？摇+■×S2×0.57722+lnR？摇+S'2×Ei-4R？摇-2×S×S'×Ei-2R？摇？摇

（二）能量―核间距（E-R）之间的数值关系

在上面K'的表达式里面含有指数积分函数Ei（-4R）和Ei（-2R）。它虽然也是核间距R的函数，但并没有解析形式，只有数值形式，因此无法得到E-R的解析表达式，只能得到分散的数值解形式。本文在计算的时候，核间距R的取值区间范围为0.1―4.0a.u.，取值间隔（步长）为0.1a.u.，因此共计40个点。本文主要采用Origin7.5对有关的数值进行计算和处理。

1.S值的计算机实现。

col（S）=（1+col（R）+col（R）^2/3）*exp（-col（R））

这里，“col（S）”表示S的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

2.J值的计算机实现。

col（J）=-2/Col（R）+（2+2/Col（R））*exp（-2*Col（R））

这里，“col（J）”表示J的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

3.K值的计算机实现。

col（K）=-（2+2*col（R））*exp（-col（R））

这里，“col（K）”表示K的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

4.S'值的计算机实现。

col（S'）=（1-col（R）+col（R）^2/3）*exp（col（R））

这里，“col（S'）”表示S'的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

5.J'值的计算机实现。

col（J'）=2/col（R）-（2/col（R）+11/4+3*col（R）/2+col（R）^2/3）*exp（-2*col（R））

这里，“col（J'）”表示J'的数值，“col（R）”表示核间距R的数值。

6.K'值的计算机实现。

col（K'）=2/5*（-exp（-2*col（R））*（-25/8+23/4*col（R）+3*col（R）^2+col（R）^3/3）+6/col（R）*（col（S）^2*（0.57722+ln（col（R）））+col（S'）^2*col（Ei4R）-2*col（S）*col（S'）*col（Ei2R）））

这里，“col（K'）”表示K'的数值，“col（R）”表示核间距R的数值，“col（S）”表示S的数值，“col（S'）”表示S'的数值。另外，还有“col（Ei4R）”和“col（Ei2R）”的数值未知，它们分别表示指数积分函数“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的数值。

7.“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的数值。

根据上面指数积分函数的定义，可以得到：

Ei（-4R）=-■■dt Ei（-2R）=-■■dt

上述两个指数积分可以从Miller和Hurst撰写的“Simplified Calculation of the Exponential Integral”（指数积分的简便计算）论文[4]的表格中查找。比如，当R=

0.1a.u.时，-2R=-0.2a.u.，-4R=-0.4a.u.。⒓该论文189页的表格，最左边x=0.2时，最右边“-Ei（-x）=

0.122265×101=1.22265”，因此“Ei（-0.2）=-1.22265”；最左边x=0.4时，最右边“-Ei（-x）=0.70238×100=

0.70238”，因此“Ei（-0.4）=-0.70238”。类似的，我们可以查到当R取其他数值时“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的数值。需要说明的是，这种查表方法仅仅是求“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”数值的一种可行方法，还有许多其他方法（比如可以使用MatLab软件中的指数积分函数，x取任意正实数都可以得到相应的“Ei（-x）”）。

8.数值列表。

知道了R、J、J'的数值，就可以求得Q的数值；知道了R、S、K、K'的数值，就可以求得A的数值；而知道了S、Q、A的数值，就可以求得E的数值。表1中给出了不同R值时，S、J、K、S'、J'、Ei（-4R）、Ei（-2R）、K'、Q、A以及E+、E-对应的数值。这些物理量的单位均为原子单位。

（三）能量―核间距（E-R）曲线的计算机绘制

根据表1中的E+-R和E--R数据，可以绘制E-R曲线，如下图所示。图中能量和核间距的单位均为原子单位。对于能量，1a.u.=27.2eV=627.51kcal/mol=2625kJ/mol；对于核间距（长度），1a.u.=0.529■=0.0529nm。

三、结论

本文以有关教材中给出的氢分子能量表达式为出发点，首先参考有关文献给出氢分子能量E与核间距R之间的函数关系式，然后以此函数关系式为基础计算出E与R之间的数值关系，最后绘制出E与R之间的关系曲线。这种详细处理对于学生深刻理解量子力学处理化学问题的思路和方法，对于学生深刻理解分子构型（核间距）对分子能量的影响，对于激发学生学习结构化学的兴趣，都有着非常积极的意义。

参考文献：

[1]周公度，段连运.结构化学基础[M].北京大学出版社，2003.

[2]林梦海，林银钟.结构化学[M].北京：科学出版社，2004.

第9篇：量子化学的应用范文

关键词 Schiff碱；金属配位聚合物；现代结构分析方法

中图分类号TQ13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）113-0180-02

1 Schiff碱的简介

Schiff碱为包含甲亚胺基或者亚胺的有机化合物的统称。根据Schiff碱不同的配体可将其分成缩胺类、腙类、缩酮类、缩胺基脲类、缩喹啉类、氨基酸类及氨基酸酯类、其他缩酯氮杂环类等几类。合成Schiff碱的过程牵涉到重排、加成、消去等缩合反应过程，在该反应中有重要地位的是反应物的电子效应和立体结构。

Schiff碱与其配合物凭着其比较容易合成、反应时可以灵活选择肼类或者胺类及其含有羰基的不同酮或醛等内在要素，在很长一段时间内都收到重视。有关Schiff碱及其配合物应用的报道较多，主要有基于生物活性在药物方面的应用与药物分子的设计和基于化学反应在催化剂、稳定剂等方面的应用等。

R=2-Me及R=2-OH基的Schiff碱的活性非常强，可以使肿瘤的生长变缓，这一点在很多活体实验研究中已经得到证实。另外，实验证实醛取代基治疗肿瘤的效果要比胺取代基好，病区Schiff碱中水杨酸类抗肿瘤的效果最好。Schiff碱中芳香类和芳香类的配合物能催化氧化、分解、聚合等化合反应。此外，稀土与β-丙氨酸Schiff碱配合物也存在一些催化的能力，抗坏血酸及半胱氨酸氧化可被某些Schiff碱配合物催化。

2 Schiff碱的金属配位聚合物

金属配位聚合物的形成依靠过渡金属和有机配体的自组装，复合高分子与配位化合物的优点它兼而有之，它内含很多重金属离子、结构复杂多样、理化性质比较特殊，故其应用前景非常好，尤其在超导材料及催化、磁性材料及非线性光学材料等方面的应用有很大潜力。近年来，配位聚合物晶体工程学受到了广泛的关注，特别是配位超分子晶体越来越得到重视，在多相催化、分子筛、磁学性质以及非线性光学性质等领域具有潜在的应用价值，其Schiff碱型聚合物则因为表现出的光电子性质、非线性光学性质、液晶性质而被材料科学界所瞩目。合成Schiff 碱配合物的方法一般有溶剂热法、水热法、溶胶-凝胶法及溶液自组装法等。

3 Schiff碱的重要配位离子―Cu(Ⅱ)

有关Schiff 碱与其配合物应用的文献很多，主要起源的因素有其含有基因的功能性、将要发生的反应、中心离子的功能、成键和电子效应等。Cu（Ⅱ）在人体的微量元素含量中居第三位，在铁和锌之后，铜离子的结构复杂多样，并且有很好的配位功能，所以在合成配合物时经常选用它。最近几年，手性分子、以氢键连接形成的螺旋长链分子、磁交换等为铜配合物的主要研究方向。配体与铜形成的许多配合物结构复杂多样，有很好的磁性，一些铜配合物中的桥基结构的研究，对于人们掌握Cu-Cu原子间的磁交换作用的机理起着重要作用，并且对研究磁学和结构的关系发挥着重要作用。

人们常用的各种油漆、涂料等的添加剂中就有Schiff碱铜离子配合物，当人们使用含有Schiff碱铜离子配合物的油漆、涂料后，在外部环境的理化作用下，会析出螯合物里面的金属离子，从而在物体表面覆盖一层金属离子组成的保护膜，增加了物业的耐腐蚀能力，使物体的使用寿命增加，相应的也就加减少了设备损耗所增加的成本。

4 Shiff碱化合物现代结构分析方法

在对Shiff碱化合物的合成、反应和应用的研究中，各种现代结构分析方法对其发展起着重要的作用。主要有：

1）红外光谱法

该方法是一种光谱分析的方法，它建立的依据是物体对红外线辐射的特征吸收。合成配体首先的判断根据是Schiff 碱的C=N基团对红外线辐射的特征吸收。配体存在于聚合物与配合物里，因为配位的关系，它的红外线吸收峰会表现的不用。用红外光谱测试测试可以反应的发生做初步的判断。物品中的特征官能团就可以用红外光谱图吸收峰的位置、数量和吸收的力度来判定，再分析产物的组分。

2）质谱分析法

质谱是用离子质荷比来排序，所形成的图表。质谱法是用质谱来定性定量分析以及研究分子结构的方法。Schiff 碱配体的结构比较简单，能得出正确的分子量与分子式，把配合物、聚合物与配体的图谱作一下对照，就能判断出聚合物或配合物是否产生了，把图谱作一下解析同样也能得出其有关结构。

3）X-射线光电子能谱（XPS）

对内层电子的结合能和氧化态的变化的研究，X-射线光电子能谱（XPS）能鉴定元素价态、类别，元素的相对含量也可由XPS测出，X-射线光电子能谱能了解中心离子和配位原子的相互作用，还能对量子化学的理论作一下证实。X-射线光电子能谱已经变成进行配合物中配位位点、电荷分配与配合物的结构研究的强力工具。许多的研究已经证实，X-射线光电子能谱在表面研究、鉴定结构及化学分析等方面有着广阔的研究前景，尤其是计算机技术的发展为其研究提供了巨大的推动力。用X-射线光电子能谱对配合物进行研究，可以对中心离子内层电子状态和与其相结合配体的电子状态和配位情况做到清楚直接的了解，得到相关的电荷转移方面的信息，这在配合物的电子结构的研究、配位键的形成和配位键的性质方面有很强的指导作用，对配合物的研究发挥着巨大的作用。

4）核磁共振光谱

此方面的研究能得到分子的几何构型、原子间的成键状态和相互作用等的非常重要的结构情报。所以，它在物理学、化学和生命科学等方面的研究中应用广泛。完全解析核磁共振光谱时所工的两个重要的参数是核自旋偶合常数和核磁屏蔽常数，这两个参数在理论研究上有着非常重要的意思，能在于金属配合物的分子结构解析方面发挥作用。

5 结论

一个多世纪以来，Schiff 碱化合物在生物化学、医药、分析化学、材料、催化等各方面都表现出一定研究和应用价值。合成Schiff 碱化合物的方法在不断创新，尤其是应用的范围在不断扩大，已经进入药物和生物活性、催化及材料等许多领域，可以预见，其继续发展的前景是非常广阔的。

参考文献