量子化學基礎精選(九篇)

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第1篇：量子化學基礎范文

摘要：本文針對大學化學的學科特點，從四個方面探討了量子化學計算軟件在大學化學教學的應用實例。運用形象直觀的量子化學軟件，結合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發學生學習興趣。結果表明，該方法對激發學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。

關鍵詞：量子化學；密度泛函理論；計算化學；Gaussian 09

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0176-04

傳統的化學是一門實驗科學，它的發展已經經歷了幾千年的時間。發展至今，化學科學已經成為了包含有機化學、無機化學、物理化學、生物化學、分析化學、實驗化學、理論化學、應用化學、精細化學、材料化學等眾多子學科的中心學科。在大學化學基礎理論的教學中，涉及很多抽象的化學知識和概念，比如原子、分子及晶體結構等，無法通過肉眼進行直接觀測，而且微觀結構難以用宏觀模型進行科學的描述。傳統的教學模式很難滿足學生學習化學的需求，這就需要引入新型的先進教學方法和手段。上個世紀20年代開始形成了一門新的化學子學科――量子化學。量子化學是用量子力學原理研究原子、分子和晶體的電子層結構、化學鍵理論、分子間作用力、化學反應理論、各種光譜、波譜和電子能譜的理論，以及無機和有機化合物、生物大分子和各種功能材料的結構和性能關系的科學[1]。理論與計算化學能滲透到化學領域的很多方面，與其他學科交叉，并形成了很多分支學科，例如：物理化學方面，我們可以通過量子化學方法計算分子的熱力學性質、動力學性質、光譜性質、固體的化學成鍵性質等，從而形成了量子電化學、量子反應動力學等子學科；在有機化學方面，可以通過量子化學計算預測異構體的相對穩定性、反應中間體性質、反應機理與譜學性質（NMR，ESR…）等，因而衍生了量子有機化學；在分析化學方面，可以借助于計算化學進行實驗光譜的解析等；無機化學方面，可以進行過渡金屬化合物的成鍵性質的解析等，并形成了量子無機化學；在生物化學領域中，也可以通過理論計算研究生物分子活性中心結構、結構環境效應、酶與底物相互作用等，并逐漸產生了量子生物化學。隨著計算量子化學方法與計算機科學的發展，本世紀有望在復雜體系的精確量子化學計算研究方面取得較大進展，從而更好地從微觀角度去理解和預測宏觀化學現象。本文通過四個教學實例，運用形象直觀的量子化學軟件，結合多媒體教學手段，將枯燥、深奧、抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、直觀、立體的形式呈現出來，幫助學生建立形象思維，使學生進入一種喜聞樂見、生動活潑的學習氛圍，從而開拓學生思路，激發學生學習興趣。結果表明，該方法對激發學生學習化學的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程的教學方法。

一、常用量子化學軟件Gaussian/GaussView簡介

Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，它可以在Windows，Linux，Unix操作系統中運行，是在半經驗計算和從頭計算中使用最為廣泛的計算化學軟件之一。該軟件可以計算分子的能量和結構、鍵和反應能量、分子軌道、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、核磁性質、極化率和超極化率、熱力學性質、反應路徑等。該軟件的量子化學計算可以對體系的基態或激發態執行，可以預測周期體系的能量，結構和分子道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領域的課題，例如取代基的影響、化學反應機理、勢能曲面和激發能等等，因此我們可以從微觀角度去理解和預測很多宏觀的化學性質及現象。Gaussian計算軟件經常與相應的可視化軟件GaussView連用。目前Gaussian軟件的最新版本是Gaussian 09[2]。

二、量子化學理論及軟件在大學化學教學中的應用實例

1.分子穩定性預測。1，3-丁二烯分子中的碳-碳單鍵能夠自由旋轉，因而理論上可以形成順式和反式異構體。那么兩種異構體的熱力學穩定性如何？我們可以通過理論計算給出合理的預測。運用密度泛函理論（density functional theory，DFT），在B3LYP/6-31G*水平，我們分別優化了順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結構，并做了頻率分析。頻率計算無虛頻，說明所得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯均為最小點。圖1給出了B3LYP/6-31G*優化得到的順式-1，3丁二烯和反式-1，3丁二烯的幾何結構和相對應的分子的能量。理論計算結果表明，相對于順式1，3丁二烯的能量，反式1，3-丁二烯的能量大約低3.55 kcal/mol，所以反式1，3丁二烯的熱力學穩定性更強，這就解釋了為什么實驗上沒有發現順式-1，3丁二烯構象的存在。

2.分子的紅外吸收光譜和振動模式。將一束不同波長的紅外射線照射到物質的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進行結構分析和鑒定。紅外光譜法的工作原理是由于振動能級不同，化學鍵具有不同的頻率。因此，通過理論上的頻率計算，就可以相應地得到分子的紅外吸收光譜，并可以與實驗得到的紅外光譜進行比較。以最常見的H2O為例，基于水分子穩定點，通過DFT理論，在B3LYP/6-31G*水平計算了H2O分子的頻率，并得到了相應的紅外光譜圖。如圖2所示，在計算的水分子的紅外光譜圖中，一共有三個吸收峰，理論值與實驗值（括號內的數值）是一致的。并且按照波數從小到大，分別對應H2O分子中O-H鍵的三種振動模式，分別是剪式振動，對稱性伸縮振動，非對稱的伸縮振動模式。通過理論計算和圖形界面的動畫演示，有利于加強學生對紅外光譜的理解。

3.苯的前線分子軌道。分子軌道理論是結構化學教學的重點和難點內容之一。分子軌道理論是指當原子組合成分子時，原來專屬于某個原子的電子將在整個分子范圍內運動，其軌道也不再是原來的原子軌道，而成為整個分子所共有的分子軌道。關于分子軌道的概念非常抽象，單純從理論和數學的角度學生難以理解[3，4]。如果能夠結合量子化學軟件將分子軌道圖形化，有助于學生深入理解該理論。以苯分子的分子軌道計算為例，簡單說明量子化學在結構化學教學中的應用。苯分子中有6個碳原子，6個π電子。這6個π電子雜化成6個π型分子軌道，其中三個成鍵軌道三個反鍵軌道。圖3是通過Gaussian 09軟件，在B3LYP/6-31G*水平計算得到苯分子的所有π型軌道，并通過GaussView可視化軟件，將這6個π軌道顯示出來。從圖3中可以看出，這6個π型分子軌道的節面數分別是0，1，2或3。這6個π型軌道共有四個能級，節面為1和2的分子軌道，分別有兩個簡并能級。

4.溶劑化顯色效應的模擬及其機理解釋。溶劑分子能引起溶質吸收帶的位置，強度，甚至譜線形狀的變化[5]。這種現象稱為溶劑化顯色現象。在從微觀結構研究溶劑對噻吩類化合物結構及性能影響方面，理論計算起著越來越重要的作用。圖4（a）展示了含時密度泛函（TD-DFT）方法計算得到的齊聚噻吩的吸收光譜圖，譜線按Lorentzian線形展開，從氣相到強極性的水溶液，聚噻吩的吸收光譜發生了紅移現象，與實驗現象一致。根據Frank-Condon原理，垂直激發通常伴隨著電荷的重新分布，因此激發過程可能會導致溶質偶極矩和能量發生變化。基于此，我們采用完全活性空間自洽場方法（complete active space self-consistent field）CASSCF（12，10）/6-31G*方法分別計算了二噻吩氣相與溶液中基態和第一單重激發態的能量。如圖4（b）所示，隨著溶劑極性的增加，基態和激發態能量均隨著溶劑極性增加而降低，但是激發態的能量降低的比基態的能量降低的要多一些，從而從本質上解釋了噻吩吸收光譜發生紅移的原因[6]。

運用量子化學計算軟件Gaussian 09和可視化軟件GaussView，結合多媒體技術，將大學化學教學中抽象難懂的化學知識以一種形象、直觀、易于理解的形式呈現出來，有利于學生更加深入形象地理解化學知識，還能提高學習效率，對激發學生學習化學的興趣具有顯著的促M作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了大學化學課程教學的方法。

參考文獻：

[1]Lewars，E. Computational Chemistry-Introduction to the Theory 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]李延偉，姚金環，楊建文，申玉芬，鄒正光.量子化學計算軟件在物質結構教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2012，（5）.

[4]劉楊先.量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用[J].課程教材改革，2012，（19）：41-42.

第2篇：量子化學基礎范文

大氣污染是人類無法逃避、日趨嚴重的環境問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環境。從分子水平上理解大氣二次污染物形成機理是預防、控制和治理大氣污染的重要基礎。在這方面，基于電子結構計算和動力學模擬的理論研究有其獨特的優勢。由于機理過程涉及光誘導的超快反應，如何開展多尺度計算模擬，目前還面臨諸多挑戰。在擬開展的工作中，我們將發展和應用高精度的量子化學計算方法、非絕熱的速率和動力學理論；建立適合大氣復雜環境的量子力學和分子力學組合的計算模型；研究系列揮發性有機物形成光化學煙霧的分子機理，發現并解決光化學煙霧形成過程中的一些重要的關鍵基礎科學問題，為預防、控制和治理大氣光化學污染提供理論依據和有意義的指導。

空氣污染已經成為全世界居民生活中一個無法逃避的問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環境。改革開放30多年來，中國經濟的持續高速增長和日益加快的城市化進程，也讓空氣污染問題變得越來越嚴重。

空氣污染是大氣中污染物濃度達到一定有害程度，破壞生態系統和人類正常生活條件，對人和物造成危害的現象。空氣污染物的種類繁多，按照產生方式的不同主要分為一次和二次污染物。一次污染物指直接從污染源排放的污染物質，比如煤炭燃燒和工業生產產生的粉塵、灰塵、二氧化硫等，以及機動車排放的氮氧化物、碳氫化合物等。二次污染物指排放到對流層中的一次污染物在大氣中發生化學反應或者光化學反應形成的新的、毒性更強的污染物，光化學煙霧就是其中的一種。

光化學煙霧是指對流層中的碳氫化合物、氮氧化物、揮發性有機污染物等，在陽光的作用下發生光化學反應，生成臭氧、過氧乙酰硝酸酯、醛、酮、自由基、有機和無機酸等二次污染物產生的混合污染。光化學煙霧的最早認識來源于著名的“洛杉磯煙霧事件 ”。上世紀40年代，洛杉磯出現大量淡藍色煙霧，持續多天，誘發了一系列疾病，比如眼睛紅腫、流淚等，并造成大量人員死亡。此后，在北美、日本、澳大利亞和歐洲部分地區也先后出現類似光化學煙霧。我國于1972年在蘭州西固石油化工區首次發現光化學煙霧。近30年來，隨著我國城市交通需求和汽車保留量急劇增多，機動車尾氣污染迅速加重，在一些城市出現光化學污染的現象日趨增多，嚴重威脅了當地居民的健康和生活。另一個方面，光化學煙霧最后生成大量臭氧，會增加大氣的氧化性，導致大氣中的碳氫化合物、氮氧化物、揮發性有機污染物被氧化并逐漸凝結成顆粒物，從而加大了大氣中懸浮微粒顆粒物的濃度，這是造成大氣霧霾的源頭之一。因為光化學煙霧的危害比一次污染物更加嚴重，所以如何預防、控制和治理光化學煙霧已經成為一個全球性的嚴峻的環境問題，特別是對于發展中國家的中國來說。毫無疑問，在提出高效、可行的大氣治理措施前，我們必須首先從源頭掌握光化學煙霧的形成機制，尤其是二次氣態污染物的形成機制，對癥下藥。

我國的大氣污染問題已經十分嚴峻，有效地改善空氣質量需從源頭出發，了解空氣中存在哪些污染物以及它們之間是如何相互作用產生各種二次污染物及二次氣溶膠的。在提出科學可行的控制和治理光化學煙霧污染技術和措施前，必須從分子水平上理解光化學煙霧形成的分子機理。正如芬蘭赫爾辛基大學 Kulmala 教授在《自然》雜志中寫到的，“改善中國城市和家庭中的空氣質量需要對空氣污染物之間發生的化學反應有更深刻的理解，需要知道有哪些污染物存在以及它們之間如何相互作用產生二次污染。”

光化學煙霧形成的分子機理研究是一項難度大且十分復雜的課題。盡管隨著激光、分子束和時間分辨的超快光譜等現代實驗技術的飛速發展，實驗學家已能從基元反應的層面上討論自由基和光化學反應的微觀機制，但是，由于實驗的種種困難和限制，一些重要的微觀反應信息比如過渡態和中間體的電子和幾何結構很難通過實驗測量，同時實驗測量大氣條件下的光化學反應以及隨壓力變化的化學反應速率常數也面臨挑戰。因此，僅僅依靠外場檢測和煙霧腔實驗等，很難在分子水平上理解污染物的形成機制以及反應的動力學過程，必須依靠高精度的量子化學和化學反應動力學計算。在這方面，量子化學計算體現出了“價值”。它能夠計算過渡態的性質，評判反應通道的可行性，也可直觀形象地描述反應過程中涉及的短壽命中間體的詳細信息等。

第3篇：量子化學基礎范文

第九屆中國青年女科學家獎評審會評語：

馬晶發展量子化學與分子模擬相結合的方法，系統研究材料分子的結構與性能關系，在化學、物理及材料方面取得高水平的成果，瞄準前沿科學領域，理論結合實驗，設計新型“分子開關”等材料。

馬晶寄語青年人：

興趣是最好的老師，多去閱讀文獻和資料，多去發現和感受一些美妙的事情。如果將化學分子做成圖像，那么這個圖將會非常漂亮，見到的人很有可能會對它一見鐘情。仔細觀察這些分子，總會有一個能打動你。

材料科學的發展給我們的生活帶來了無數可能性，以前存在于科幻小說之中的各種奇特的電子產品，現在已經是日常生活中的一部分。而材料科學家更希望把計算機里面的元器件都變成有機分子，這樣，計算機不僅會非常輕巧，而且還能更方便地實現人機互動。

但在開發新材料時，如果只是總結前人經驗，借鑒自然界已有的物種，進行實驗摸索，就會有一定的盲目性。這個時候，如果有理論指導，就可以省去很多繁瑣的嘗試、失敗和總結經驗的過程。這就是理論研究的動因與意義。

所有材料都是分子的聚合體，它們涉及大量分子的聚集行為，包含了錯綜復雜的分子間相互作用，這一直是理論化學研究的難題。傳統的高精度量子化學計算方法能處理的分子尺度很小，只能夠描述中小分子的光、電、磁等性質及分子化學反應的過程；而分子模擬技術基于經典力學和統計原理，雖然可應用于較大的時間與空間尺度，但只能描述分子聚集體的形貌或表面結構，無法描述電子轉移和化學鍵的變化。

從2004年開始，馬晶和她的學生們就開始嘗試將這兩個不同層次的方法結合起來，使其優勢互補：通過分子模擬得到分子聚集體的結構，在此基礎上，通過量子化學計算，得到發生反應的關鍵基團的電子結構和性質。馬晶以這種方式構架起了一座橋梁，連通了復雜體系的微觀結構和實驗測定中這些體系所表現出來的性質，對化學研究有著重要的指導意義：這樣，材料科學家們就能夠清楚了解功能高分子材料的物理化學本質，從而結合實驗，不斷設計出新材料，為人類所用。

除此之外，馬晶還有一個夢想：理論設計出一些分子開關。在一定情況下，比如通電或光照后，有機分子能夠跟生物分子結合，消除電場等外部條件后，結合又不會發生，這樣就可以檢測電信號或者其他信號，讓生物學家多一種研究利器。馬晶認為，材料涉及生活與科研的各個領域，材料的發展能將科幻變成現實，而理論研究則是根基。

馬晶的父母是在高校從事教學與科研工作的老師，受他們的影響，馬晶在上幼兒園的時候就夢想成為一名引領學生探索科學奧秘的老師。小時候，馬晶的爸爸經常帶著她去實驗室參觀，顯微鏡下的微觀組織令她著迷。馬晶的父母也經常帶她去爬山，接觸大自然，在培養馬晶堅韌性格的同時，也讓她對周圍的世界充滿好奇。

馬晶一再強調興趣的重要性。因為興趣，她從碩士階段開始，選擇了自己喜歡的物理化學領域，并且在大學期間同時輔修了電子系的無線電技術和計算機等第二學位課程，努力構筑寬闊的知識架構。

馬晶認為，作為一名老師，職責就是要鼓勵學生去尋找自己感興趣的課題，并幫助他們解決在研究課題過程中遇到的困難，讓他們從中得到成長，幫助學生實現他們自己的夢想。

第4篇：量子化學基礎范文

一直以來，復旦大學化學系有著重視化學實驗教學改革的優良傳統。20世紀70年代末，由復旦大學等14所學校合作編寫的《物理化學實驗》教材在國內廣受好評，影響深遠。20世紀90年代，復旦大學化學系對大學本科的化學課程體系進行了改革，逐步形成以創新能力培養為核心、以技術要素為主線的新實驗教學體系及相應管理機制[1，2]。2000年前后，復旦化學系根據化學實驗的特點，本著“統籌管理、優化資源、避免重復和遺漏”的原則，將涉及儀器操作類的基礎實驗課程“儀器分析實驗”和“物理化學實驗”融合為“儀器分析和物理化學實驗”，那時實驗教學中心在世行貸款和學校配套資金支持下，購置了一批在當時屬于先進的儀器用于教學，使得化學實驗條件得到大幅度改善，教學質量和水平因此得到保障和提高。

隨著時代和學科的發展，我系的物理化學實驗教學逐漸暴露出一些不足。一方面大部分實驗儀器設備相對落后，如電化學分析工作站、氣相色譜儀、原子發射光譜儀等設備都已使用了10～15年。這些儀器性能不夠穩定，測量出的實驗數據誤差大，得不到理想的實驗結果，這樣直接削弱了學生學習新知識的積極性。另一方面是實驗內容更新速度慢，滯后于科學研究發展的步伐。物理化學學科的發展也使得一些原本屬于專門化或綜合實驗內容的高級技術和儀器成為基礎物理化學實驗的常規技術和設備，在當前科研中發揮重要作用的常規表征手段至今沒有相應的教學實驗開設，而且復旦大學物理化學教學團隊早在1999年就開設了以結構分析和表征為主線，集原理、儀器使用和解譜為一體的“譜學導論”理論課，導致理論教學與實驗教學有較大的脫節。同時本系科研實力的快速提高、學科建設、師資優化和研究生生源的增長需求對本科學生的科研素質提出了新要求，一些操作簡單、內容單薄的驗證性實驗顯然不能滿足這些要求。在這樣的形勢下，物理化學實驗教學內容如何設置，成為我們面臨的又一重要課題。經過多次調研和討論，我們對物理化學實驗教學內容設置有了一些初步實踐與設想，希望能與國內同行共同探討。

二、物理化學實驗教學內容的總體設計

本課程內容的設置將充分依托本系學科優勢，在“銜接前沿、兼顧基礎”的原則下，更新、升級、完善和補充大型儀器類實驗。同時在完成經典傳承的基礎上，加大綜合性、設計性、研究性實驗的比例，以求拓寬學生專業面、增強適應性。更希望通過本課程教學內容的實施和開展，讓學生了解和掌握一定的前沿技術、技能以及思考、解決問題的方法，促進學生探索能力、科研創新能力的發展，提高學生的綜合能力。

在上述思想的指導下，我們經過對國內部分高校的物理化學實驗教學內容進行調研和對比，并結合本系的實際情況，進行如下改革。

1.更新儀器設備，推動傳統實驗內容的更新優化

對目前開設的多個實驗的老舊設備進行更新，取得了明顯的效果。

比如，差熱分析實驗是一個經典的研究物質在受熱或冷卻時產生的物理和化學的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質量變化的熱分析實驗。本系原有的實驗設備，是20世紀70年代老師們自己動手搭建的，從冰水浴、自制熱偶、加熱爐到記錄筆、溫控儀的連接，都需要學生動手完成，由于各配件年代久遠，數據的重現性、分辨率都不理想，而且經常出現某一部件“罷工”的尷尬局面，導致實驗無法順利進行。近年來，熱分析技術的不斷創新與完善，使得熱分析的應用領域不斷拓展，研究對象不斷增加，在無機、有機、化工、冶金、醫藥、食品、塑料、橡膠、能源、建筑、生物及空間技術等領域被廣泛應用[3]。開展熱分析類的教學實驗，不僅具有課堂理論意義，也具有非常強的應用背景，國內許多高校開設熱分析教學實驗，但具體實施的方案各不相同。經過考察，我們購置了性能較好的熱重天平，此儀器采用較先進自動化技術和精密的機械制造工藝，將機械結構、機電控制和氣氛控制集于一體，一定程度上改善了傳統熱分析儀器笨重外形。性能優良的溫度控制軟件和界面，全面的熱動力參數分析功能，將熱重分析TG、微商熱重法DTG與差熱分析DTA結合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重、微商熱重與差熱數據。這樣一來，實驗簡便快捷，而且數據可靠直觀。為克服實驗內容相對單薄的問題，我們重新設計實驗方案，學生除了驗證已知樣品受熱過程中的吸放熱情況，還可以觀測不同升溫速率下吸放熱情況的變化，進而研究樣品受熱過程中相應的動力學參數，例如根據不同升溫速率下五水硫酸銅失水峰的峰頂溫度與升溫速率進行數學處理，便可以計算熱分解的活化能。在問題與思考環節中，啟發學生通過文獻查閱，對熱分析方法進行更全面的了解，有了這樣的技術和知識儲備，將來需要分析其他樣品受熱過程中物相變化、吸放熱等問題時，很容易找到解決方案。

此外，對氣液色譜法測定非電解質溶液熱力學函數的實驗也更換了最新型號的氣相色譜儀。所有的溫度、壓力、流量以及其他參數的設定和顯示均可以在電腦軟件界面上進行，大大方便了學生的實驗操作，而且對了解目前的主流色譜有了感官認識。最為關鍵的是，數據重復性得到了極大的提高，以前需要重復進樣近10次才能得到3次相對誤差較小的數據，現在只需進樣3次就可滿足要求，對操作難度的要求大大降低，數據也與文獻值吻合較好，得到了同學們的認可。

涉及電化學測量的實驗，目前全部采用電化學工作站進行。由于是軟件界面控制，重現性較好，出現故障也很容易判斷。這些改進與以前的電壓、電流表顯示相比，優勢明顯，而且對本科生繼續從事電化學相關研究起到了較好的鋪墊作用。

2.增開研究性實驗，加強對學生技術技能的培養

調研發現，物理化學實驗內容最欠缺的是科學研究領域中的前沿成果在教學中的體現，而學生能力培養上較欠缺的是現代表征儀器的操作技術。因此，與前沿研究相關的實驗內容的設置，是我們此次實驗教學內容更新的重點。

我們引入負載型催化劑的多相催化實驗。隨著催化技術的發展，由于多相催化劑具有易回收利用、產物易分離等特點，在石油化工等領域得到越來越廣泛的應用。因此，讓學生了解和掌握一定的多相催化技術和知識顯得尤為重要，國內浙江大學和南京大學化學系的本科生物理化學實驗中都涉及相關的實驗內容。我們開設了負載貴金屬催化劑液相催化苯甲醇氧化的實驗，通過本實驗，希望學生理解多相催化操作中的基本要求、評價活性優劣的基本方法、影響催化活性的外界因素、完成活性測試的定量分析手段等內容，再通過數據處理與分析，了解更多的與催化相關的動力學和熱力學知識與技術。

3.引入物質結構性質表征方面的實驗內容

現在科學研究中，物質結構及其性質的揭示，離不開大型儀器。自19世紀倫琴發現了X射線以來，X射線衍射被迅速地應用于物質結構表征，它可以用在研究體積很大的對象，譬如人體骨骼，還可以表征很小的物質結構，譬如蛋白質分子結構[4]。由于波長短，X射線有很強的穿透性，在分子及原子級的材料結構研究當中應用尤為廣泛。現代X射線技術在研究未知結構和新材料中已經成為一個有力的工具，比如本系多個課題組制備的各種單晶新材料，其結構解析就離不開X射線單晶衍射儀。作為重要的物質結構表征手段，理論課堂上也做了深入的介紹，但由于硬件條件的限制，本系本科生一直沒有機會動手操作X射線衍射儀。

多孔固體材料最早發現于19世紀90年代，因其獨特的結構特性而在催化、吸附、分離和儲能等領域受到廣泛的關注，表面狀態和孔結構直接影響其性能，所以多孔固體材料的比表面積和孔徑分布是研究固體材料的必要數據。本系多個課題組在介孔、微孔材料的制備研究中，一直離不開比表面積測試儀對樣品基本性質的測定，也正因如此，本系多套比表面積測試儀均難以勻出機時用于本科教學。

通過努力，現在我們購置了4臺比表面積測試儀，并借用本系X射線粉末衍射儀科研機時，用于本科生的教學實驗。先讓學生通過不同方法制備銅鋯復合氧化物材料，并對這些樣品進行X射線粉末衍射和比表面積測定，最后通過數據處理，分析了解不同的制備因素對材料基本性質的影響，了解BET多分子層吸附理論的基本假設和BET法測量固體比表面的基本原理，掌握X射線粉末衍射方法的基本原理、技術和物理吸附儀的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常規表征實驗技能技巧。

三、未來設想

近年來，隨著世界環境問題的日益嚴重，光催化在環境污染物降解中已成為研究熱點[5]。最近我們還將開設TiO2光催化廢水降解實驗，這個實驗是有效治理環境污染技術的典型代表。納米TiO2由于其化學性能穩定、抗菌性能好以及在有機物降解過程中無二次污染等優良性質，成為環境污染治理領域中的重要光催化劑，在光催化領域得到了廣泛研究。TiO2的結構形貌對其光催化活性有很大的影響，通過本實驗，希望學生了解環境污染與防治的相關知識，并能從結構形貌與光量子效率間的關系理解影響光催化活性的因素，同時理解光催化降解效率的衡量指標等知識和技能。

從培養學生技術技能的角度看，現代物質基本結構表征方面涉及的內容還遠不夠，將來還計劃開設銅鋯復合氧化物或者負載貴金屬樣品表面的CO吸附紅外光譜測定、核磁共振測定液相反應速率常數等相關內容。希望通過系列動力學活性測試以及相應物質結構表征方面實驗的開展，讓學生對功能材料樣品制備技術、物質基本性質表征以及樣品性質與性能之間的本質關聯有所了解。更希望學生通過這一系列的訓練，對科學研究過程有所了解，為他們開展系列校內科技創新項目打下基礎，有利于他們今后的繼續深造或工作。

第5篇：量子化學基礎范文

Ab Initio Molecular

Dynamics

Basic Theory and Advanced Methods

2009；584pp

Hardback

ISBN9780521898638

D. Marx等著

從頭計算分子動力學方法或稱為第一原理分子動力學，是對分子作經典與量子混合處理的一種方法，其基本思想最早是由Paul Enrenfest 提出來的，他把原子核視為經典粒子而把電子仍作為量子對象，實質是一種平均場理論。其后，發展成著名的BornOppenheimo "絕熱分子動力學"，廣泛地應用于量子化學和一些少體問題的研究工作。1985年R.Car 和M. Parrinello 把兩者的優點以優化的方法結合起來，極大地提高了這一方法的應用能力和使用范圍，因而受到普遍的重視。

從頭計算分子動力學通過統一處理分子動力學和電子結構理論把密度泛函理論和分子動力學方法有機地結合，使復雜分子體系和過程，包括化學反應以及電子的極化效應和化學鍵的本質等實際的計算機模擬領域發生了革命性改變。

本書第一次提供了這一快速增長領域涉及的方法及其廣泛的應用范圍，從基礎理論直到先進的方法給出了協調一致的闡述，堪稱是對研究生和研究人員的一部極具吸引力的教材。它包含了各種從頭分子動力學技術的系統推導，使讀者能理解常用的方法，評估它們的優點和缺點。本書還討論了廣泛使用的CarParrinello方法的特點，糾正了目前在研究文獻中發現的各種錯誤。

此外，本書還詳細地介紹了一些用于典型平面波的電子結構編碼和程序設計的、使該領域的初學者容易理解并普遍使用的程序包，并使開發人員能夠方便地改進它們的代碼及添加新的功能。

除了前言和第1章開場白“為什么需要從頭計算分子動力學”之外，本書的內容分為三大部分共10章，第一部分基本技巧，含第2-4章，2. 入門：統一MD和電子結構；3. 實現：使用平面波的基；4. 用平面波處理原子：精確的贗勢。第二部分高級技巧，含第5-8章，5.超出標準的從頭計算分子動力學；6. 超越保模贗勢；7. 計算性能；8. 并行計算。第三部分應用，含第9-11章，9. 從材料到生物分子；10. 來自于從頭模擬的一些性能； 11. 展望。

這是一部內容十分新穎豐富且實用性很強的高水平教材。作者們敘述的內容盡可能詳盡，特別注重一些使用的技巧和難點的分析討論。對于從事與分子動力學相關的教學與科研人員、高年級大學生和研究生是一本很好的參考書。

丁亦兵，

教授

(中國科學院研究生院)

第6篇：量子化學基礎范文

現如今，我國大部分理工科以及師范院校都設置了物理學專業，非物理專業的也都把大學物理課當作一門必修課來開設。但許多人都說物理難學，那么，如何才能學好大學物理課程？本文從以下幾個方面加以論述：

一、掌握足夠的數學工具

想學好物理學，扎實的數學功底是必須的。高等數學、復變函數、數理方程和線性代數，這四門數學課都是相當基礎的課程，對于學好物理的重要性不必多說。但僅僅滿足于教材的內容是不夠的，想學物理的人應當學一些更高深的課程。

高等數學由于教學時間所限，對很多“古典分析”中的問題沒有涉及。建議大家看看北京大學張筑生寫的《數學分析新講》，內容充實。配套的還有北京大學的《數學分析習題集》，里面的題數量、質量俱佳，可以花一年左右的時間好好研讀。

復變函數課程應著重于它的應用，這當中有許多定理在數學分析中有對應，學習起來并不困難。此時，建議去學復變函數中“古典分析”之外的理論，作為進一步學習的基礎。

關于線性代數，在學習中可以參看王萼芳和丁石孫的《高等代數》。這是清華高等代數課程的教材，以古典的方法講授了“古典代數”的全部內容，習題也很豐富，仔細學下來很有好處。

數學物理方程，可看希爾伯特和柯朗的《數學物理方法》。這套書寫得很精粹，很全面。對于掌握了“古典分析”和“古典代數”的同學,可借此來復習已經學到的幾乎全部內容，更重要的是這本書中的許多內容已經涉及了現代數學的內容。

二、各個物理分支課程的學習

學物理應當從普通物理學入手，通過普通物理，可以感受到什么是物理，從而真正入門。力學可以選物理系的教材，那套綠色封皮的《力學與熱學》的上冊。熱學選擇《力學與熱學》的下冊，這套書淺顯易懂，內容全面，是初學物理的好書。同時，北京師范大學出版的漆安慎、杜嬋英編著的《力學》也可作為學習參考。

至于四大力學，雖然是物理的一個核心，但對于初學物理的人，可以說是高深莫測，很難在四年之內學完它們，就算勉強學完了也不會精通。對于物理學學士而言，能精通經典力學和電動力學之一已經很不容易了。經典力學可以選朗道的《經典力學》，從朗道對拉氏量的討論中可以發現，理論物理完全不是我們以前所認識的理論物理。電動力學選擇郭碩鴻的《電動力學》就可以了，電動力學學好了，再去學習電子工程類的電磁場理論就不會感到困難；經典力學學好了，學習機械類的振動理論會很輕松，這些內容對于一個本科生已經足夠了。

如果打算繼續學習物理，那么就得學習物理學中最困難的量子力學和統計力學了。量子力學實際上是一種量子理論，它所包含的內容極廣，從本科三年級學生學的一維無限深勢阱，到超弦可以說都是量子理論。量子力學大致分兩個層次——非相對論的量子力學以及量子場論和量子規范場論。對于前者，狄拉克在1937年寫過著名的《量子力學的原理》。這本書會告訴你，量子力學不僅僅是薛定鍔方程，而是一組原理。從原理出發，而不是從具體問題出發。但是狄拉克的書練習太少，學習者不妨參考曾謹言的《量子力學Ⅰ》《量子力學Ⅱ》和《量子力學習題集》，多做些習題，打打基礎。但是，我們所學的量子力學，從數學角度講是“形式的”和“未經證明的”，并不可以與經典力學和電動力學相提并論，但是有一本

《Quantum Physics》對此進行了詳細的討論。書里面的內容是量子力學的數學基礎。搞理論物理的人應當學一學。

第7篇：量子化學基礎范文

五大特點是

（1）化學家對物質的認識和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀以來，化學家已用實驗打開原子大門，深入地了解原子內部的情況，并且用量子理論探討原子內的電子排布、能量變化等。就是對復雜的化學反應來說，也可以測量反應機理，了解反應過渡態的情況以及分子、原子間能量的交換。

（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀60年代后，電子計算機大規模地引進化學領域，用它來計算分子結構已取得巨大的成功。如今任何化學論文如無詳盡的定量數據就難以發表，發表了也難取得公認。而且如今化學實驗的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計算機來控制。

（3）對物質的研究從靜態向動態伸展。近代化學對物質的研究基本上停留在靜態的水平或從靜態出發，推出一些動態情況。例如，從熱力學定律出發，通過狀態函數的變化，從始態及終態情況推斷反應變化中一些可能情況。現代化學已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動態情況，特別是激光技術、同位素技術、微微秒技術、分子束技術在現代化學里的大規模應用。化學家目前已能了解皮秒內微粒運動的情況，反應中化學鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關動態薛定諤方程的研究，一旦成功它將會為動態研究開辟光輝前景。

（4）由描述向推理或設計深化。近代化學幾乎全憑經驗，主要通過實驗來了解和闡述物質。雖然也有一些理論如溶液理論、結構理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學基本上是描述性的。原來化學中四大學科（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）彼此存在很大獨立性。然而現代化學已打破傳統的界限，化學不僅自身各學科相互滲透，而且跟物理、生物、數學、醫學等學科相互交融和滲透。特別是近年量子化學的發展，已滲透到各學科，使化學擺脫歷史傳統，可以預先預測和推理，然后用實驗來驗證或合成。例如，當今許多高難度的合成工作都事先根據理論設計，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個典范，它標志著化學已從描述向設計飛躍。

（5）向研究分子群深入。近代化學對化學的研究通常只停留在一個或幾個分子間的作用。即所謂0級、1級、2級、3級反應，對多分子的反應是無能為力的。但是近代化學遠遠不能滿足實際需要了，特別是研究生物體內的化學反應，就要研究多個分子甚至一大群分子間的反應了。例如，一個活細胞內往往需要幾十種酶作催化劑，同時催化許多化學反應。因此研究分子群關系，已成為現代化學的一個特點。

現代化學的發展方向，一是化學向分子設計方向前進。分子設計就是說化學家像建筑師造房子那樣設計好再建造。由于電子計算機、各種能譜技術、微微秒技術、激光技術、同位素技術等在化學上的應用，使分子設計逐漸趨向現實。上面說過的著名有機合成大師伍德沃德合成難度極大的維生素B12，就是按他創立的前沿軌道理論出發，計算后設計出最佳合成路線和原料配比，一舉成功并傳為佳話。目前全世界每年合成幾千種抗癌藥，大都是先設計好合成路線，而后進入生產的。

第8篇：量子化學基礎范文

核酸的秘密是怎么揭開的？是誰首先發現了DNA雙螺旋結構？這一發現，被視為達爾文學說誕生以來生物學上的第二個偉大里程碑。可是取得這一成果的，不是生物學家，而是物理學家。1944年，量子力學的創始人之一、物理學家薛定鍔，首先提出了生物遺傳密碼的理論。不久，青年物理學家克里克與兩位生物化學家合作，把物理學原理運用于生物學，發現了DNA雙螺旋結構的秘密。“它山之石，可以攻玉。”這又是一個有說服力的例證。

控制論創始人維納說：“在科學發展上可以得到最大收獲的領域，是各種已經建立起來的部門之間的被人忽視的無人區。”維納說的“部門之間”，就是我們現在經常聽說的“科學的邊緣”。

有科學的邊緣，就有邊緣科學。那么，這個邊緣科學是怎樣產生的呢？一是“移植”，即把一種學科的研究方法移植到另一種學科中去。比如，把物理學中的電子技術、微波技術、光譜技術等用于天文學的研究，便出現了新學科——射電天文學及光譜天文學。把激光技術用于生物學、化學和醫學的研究中，便產生了激光生物學、激光化學及激光醫學等。二是“雜交”，將原來不相同的兩種學科融合成一種新學科。比如物理化學，生物化學，量子化學等。這種雜交產生的新學科，特別在基礎科學研究方面有重大意義。

在具體的表現形式上，邊緣學科又分為幾種。例如“多邊緣復合式”，它突破了鄰近兩門學科結合的局限性，變成了多學科的邊緣科學。物理生物化學就是邊緣學科生物化學和生物物理學相互結合的產物。還有“大邊緣學科”，它橫跨學科上的幅度更大，是自然科學、技術科學和社會科學的互相滲透所成。如技術經濟學，社會醫學，環境科學，宇航心理學等等。

現在，著名的哲學家卡爾·鮑波爾與著名的神經生理學家、諾貝爾獎金獲得者艾克爾斯合作，寫出了《自我及其大腦》一書，這件事在全世界引為美談。它標志著在科學的邊緣將會有更多的新成果誕生。不是嗎？電子計算機被用來研究莎士比亞的名著，美國也有人用電子計算機對我國古典名著《紅樓夢》的前八十回和后四十回進行分析。自然科學的一些新概念也被引進了社會科學：不僅熱力學中“熵”的概念進入了經濟學，控制論中的“信息”、“反饋”等，也已經變成自然科學和社會科學共同的名詞術語。這表明科學不斷走向綜合化，已是大勢所趨。

第9篇：量子化學基礎范文

研究背景

分子間相互作用的研究在新藥的合成與設計、晶體工程和材料的性質的研究中也舉足輕重，其中小分子與DNA堿基的相互作用是具有代表性及研究意義的一類分子間相互作用。DFT方法是近年來比較流行的一種處理相互作用多粒子體系的量子化學似計算方法。通過對電子動能和勢能的平均化處理，借助變分法或數值方法，可以得到Schrōdinger方程的近似解，大大簡化了電子結構的計算，且不受自旋污染的影響，在經過對密度泛函理論的各種修正和擴充后，可以得到相當準確的體系各種性質。一般地， DFT的計算量約與基函數個數的3次方成正比，大體與ab initio HF SCF方法的計算量相當。可以說，它既克服了傳統的ab inito HF SCF方法難以考慮電子相關作用的缺點，又避開了CISD、CCSD（T）等方法處理較大體系耗費時間的不足。因此，DFT為研究較大的體系提供了一條可能的途徑。

甲酰胺-胞嘧啶（FC）復合物的相互作用能（ΔE）

在甲酰胺與胞嘧啶通過分子間氫鍵相互作用形成復合物時，相互作用能（ΔE）的大小直接影響所形成的復合物的穩定性。我們在單體及復合物構型優化的基礎上，對所得的四種復合物的相互作用能進行了計算。

從表中我們可以看出：在同一基組的情況下，ΔECP和ΔECP之間存在一定差異。造成這種結果的原因是：體系結構經過優化計算后，直接計算體系的能量是存在一定的誤差的，這些數據與對應的校正后的能量值是有一定的差異的。BSSE的變化范圍為1.53-2.15 kJ.mol-1，BSSE占作用能的比例為3.4-3.8%，說明了計算分子間相互作用能時進行校正是很有必要的。