量子化学计算软件在大学化学教学中的应用

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1、量子化学计算软件在大学化学教学中的应用(江苏大学化学化工学院，江苏镇江212013)摘耍：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。运用形象直观的量了化学软件，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；Gaussian09屮图分类

2、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、牛物化学、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牛学习化学的需求，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一一量子化学

3、。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；在有机化学方血，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

4、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、酚与底物相互作用等，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

5、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,収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

6、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。冃前Gaussian软件的最新版本是Gaussian09[2]。二、量子化学理论及软件在人学化学教学中的应用实例1•分子稳定性预测。1,3-丁二烯分子屮的碳-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

7、测。运用密度泛函理论(densityfunctionaltheory,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-1,3T-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