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量子化學應用范文1
結構化學是一門從微觀角度研究原子、分子和晶體的結構及其結構與性能之間關系的科學。這門課程以嚴謹的數學邏輯推導為基礎，建立比較抽象的理論概念，需要學生具備扎實的高等數學基礎，特別是量子力學中許多新概念、新方法和新原理，使得學生普遍感到艱澀難懂，缺乏學習的積極性。要提高學生的學習興趣，培養學生的量子化學思維，使其能夠運用結構化學理論知識解釋化學事實、闡明分子結構及揭示化學的內在規律，僅用傳統的教學方式很難達到目的。在此介紹比較新穎的量子化學軟件Gaussian和GaussView，將其應用于結構化學教學過程中，可使枯燥乏味的理論學習變得生動形象，大大提高教學質量，取得良好的教學效果。
一、軟件介紹
Gaussian是目前計算化學領域內最流行、應用范圍最廣的商業化量子化學計算程序包。它最早是由美國卡內基梅隆大學的約翰?波普在上世紀60年代末、70年代初主導開發的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，現在常用的是Gaussian 03，最新版本為Gaussian 09。該程序可在不同型號的大型計算機、超級計算機及工作站上運行，是當今理論計算化學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，用于執行各種半經驗和從頭算分子軌道計算。Gaussian 03 可用來預測氣相和液相條件下，分子和化學反應的許多性質，包括：分子的能量和結構、過渡態的能量和結構、分子體系的振動頻率、NMR、IR和拉曼光譜及熱化學性質、分子軌道、原子電荷、多極矩、電子親和能、離子化勢，等等［1］。
GaussView是與Gaussian配套的輔助圖形軟件，可用于繪圖、文本和結構編輯；顯示結構（從計算輸出文件中讀取優化的結構）、振動模式和化合物的分子軌道；查詢鍵長、鍵角、二面角和耦合因子等。
二、計算并顯示分子軌道
分子軌道理論是結構化學教學的重點內容之一。由于“分子軌道”中的軌道不同于經典物理中的軌道，指的是分子中的單電子波函數φi，即分子中每個電子都是在由各個原子核和其余電子組成的平均勢場中運動，那么第i個電子的運動狀態用波函數φi描述，該波函數又稱為分子軌道［2］。關于分子軌道的概念理解需要學生具有較好的抽象思維能力，在結構化學教學中是重點和難點。在講述這部分內容時，可用Gaussian軟件計算相關雙原子分子的分子軌道，并用GaussView演示分子軌道的分布特點、電子填充情況等，幫助學生很好地理解分子軌道的概念。
下面以N2為例進行介紹。首先，用GaussView軟件搭建分子模型、編輯輸入文件，然后用Gaussian 03程序優化分子，就可得到各分子軌道能級。Gaussian 03優化結果文件中會具體給出N2的各分子軌道能級大小及其對稱性。用GaussView軟件可顯示優化分子的分子軌道形狀，見圖1。
在“分子軌道的對稱性和反應機理”一節中，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，均可用Gaussian 03和GaussView軟件計算并顯示分子軌道形狀，輔助教學。通過借助這些量子化學軟件來描述分子軌道，使得過于抽象、艱澀難懂的理論、概念變得生動形象，直觀易懂，易被學生接受，方便教學。
三、顯示分子的振動模式
分子光譜是測定和鑒別分子結構的重要實驗手段，也是分子軌道理論發展的實驗基礎。分子光譜和分子的內部運動密切相關。如紅外光譜來源于分子中原子的振動，不同化學鍵或基團具有不同的振動模式，對應有不同的特征振動頻率。在講述這一部分內容時，如用GaussView給學生以動畫形式展示每一種振動，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軟件進行優化和頻率計算，最后用GaussView打開結果文件。打開GaussView中Results下拉菜單下的Vibrations，得到圖2所示的窗口，可以看到3個振動模式。點擊圖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；點擊#2行，可看到圖2（2）所示的2個氫原子的對稱伸縮振動；點擊#3行，可看到圖2（3）所示的2個氫原子的不對稱伸縮振動。每一種振動的振動頻率均可從圖2顯示的Display Vibratons文本框中讀出。點擊Display Vibratons文本框中的start按鈕，可顯示所選振動模式的振動動畫，點擊stop，可停止該振動。點擊spectrum按鈕，可以生成水分子的紅外光譜圖。在課堂上，這樣的動畫演示可使枯燥乏味的知識變得生動活潑，大大增強結構化學的趣味性。
四、結語
Gaussian 03和GaussView等量子化學軟件在結構化學教學中的應用遠不止以上幾種，還可以建立和顯示三維分子結構模型、獲得分子化學反應的性質，等等?？傊Ｓ昧孔踊瘜W軟件可提供許多具體的量子化學計算結果，幫助闡述結構化學中抽象的概念、理論，讓學生用分子模擬的方法，通過具體的實踐領悟微觀世界的運動規律、建立抽象的量子化學思維，提高學習結構化學的積極性。
參考文獻：
［1］Gaussian 03中文用戶參考手冊.
量子化學應用范文2
一、結構化學課程的教學現狀分析
目前結構化學教學面臨兩大難題。首先，結構化學中的很多概念過于抽象，教師難以形象地去講授，學生難以理解和接受。其次，隨著現代化學學科本身的快速發展以及與其他學科的交叉融合，使得結構化學的教學內容快速膨脹，而結構化學的教學課時不但沒有增加反而有所減少，這就勢必產生“任務重，時間少”的難題。
為了解決這兩大難題，人們已做了一些有益的嘗試和探索，如，整合教材內容，采用多媒體教學等。這些改革都不同程度地改進了結構化學的教學，也取得了一些積極的效果。但是，這些改革措施和方法并沒有徹底解決這兩大難題。我們結構化學教學組經過長期的嘗試和探索，得到了一種行之有效的方法，這就是在結構化學的教學中采用目前先進的可視化量子化學分子設計軟件來輔助教學。下面予以介紹，以期為同行們提供一些借鑒。
二、可視化量化計算軟件的使用
使用可視化的量子化學軟件，通過計算得出教材中的結論，將抽象的概念變為直觀的圖形，也可以通過化學軟件的使用使學生了解到所學的基本概念在實際中的應用，在課堂上用多媒體的形式加以演示。在實際教學過程中具體做法如下：
第四章對于分子的對稱操作和點群的有關知識，利用可視化軟件畫出具體的圖形，在課堂上利用多媒體對具體的圖形進行各種對稱變化和操作，形象直觀容易接受。
丁二烯分子π軌道圖形
另外，對于結構化學知識在實踐中的應用、NMR數值的測定、偶極距、分子光譜等問題都可以利用量子化學軟件計算得出與實驗相符合的數值，使學生進一步了解學習結構化學課程的作用。
總之，可視化量化計算軟件可以使結構化學的教學從單純的理論講授變成理論與實踐相結合的課程，將結構化學抽象的概念變成直觀的圖形；通過讓學生動手進行計算，分析計算結果，加深了學生對課程內容的理解，使學生便于接受和理解，同時提高了他們的學習興趣，培養他們的科研能力。
量子化學應用范文3
關鍵詞: 第一原理; 相互作用勢; 多元合金; 合金設計
Abstract
This is a preliminary investigation of alloy design for multi-element alloys at electronic and atomic
scale. The research shows that this idea of alloy design was feasible that first calculating the properties
of matrix with different compositions by interatomic potential， secondly selecting the attempt total composition of the alloy， then calculating the carbide volume fraction by empirical formulae， until obtaining the appropriate total composition of the alloy corresponding to the desired phase structure， finally testing the design by experiment.
Keywords: first principles， Interatomic potentials， Multi-element alloy， alloy design
1．引言
目前從電子、原子層次上進行材料設計是材料科學領域的學者們廣泛關注的熱點問題， 主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理贗勢方法，原子間相互作用勢方法，分子力學 方法，分子動力學方法及蒙特卡羅方法等。其中前兩種方法是在電子層次上進行材料設計的 方法，其方法的物理基礎可靠，但由于計算工作量很大，因而所計算的體系受到一定的限制。 后幾種方法是在原子及分子層次上的設計方法，這幾種方法不考慮電子結構的影響，雖然會 損失一些精度，但大體上反映出由相互作用勢所決定的晶體結構，以及由晶體結構所決定的 材料性質，且計算速度明顯提高[1]。本文在多元合金的電子、原子層次的理論計算上聯合使 用了第一性原理方法和原子間相互作用勢方法，根據 3 種系列合金的關鍵問題進行理論計算 并結合其他理論計算和經驗計算進行了合金設計探討。
2．Fe-Cr-Mn-C 系亞穩奧氏體基鑄造合金
Fe-Cr-Mn-C 系亞穩奧氏體基鑄造合金有優異的耐磨性和高的抗沖刷腐蝕能力。其合金 設計的關鍵理論問題是 B 對該多元合金奧氏體體系的影響，以及對含 B 多元合金奧氏體電 子、原子層次的計算研究。通過對奧氏體合金大體系的能量計算，既可以解釋 B 元素在奧 氏體中占位、分布、固溶度、與 C 的替代作用、與其他合金元素的配合對奧氏體的影響， 又可進而解釋 B 對摩擦誘發馬氏體相變的作用[2]。Fe-Cr-Mn-C-B 系鑄造合金一般為基體（奧 氏體或馬氏體）和碳硼化物組成的雙相系統，其中 C 元素和 B 元素在奧氏體基體中的作用 對合金材料的性能有重要影響。C 在奧氏體中的固溶度和占位已很清楚，而 B 的固溶度和 占位還不很清楚，采用量子化學從頭計算方法，通過對含 C、B 的奧氏體小團簇電子結構計 算，來研究 B 在奧氏體中的固溶度和占位情況。
團簇的選取以從奧氏體的實測晶格結構出發，從中選取奧氏體中的八面體和四面體小團 簇。并在團簇中心分別加入一個 B 或 C 原子，計算團簇的結合能，見表 1。由表 1 可見奧 氏體中 Fe4 四面體團簇的原子平均結合能略大于 Fe6 八面體的，因為八面體中存在距離較遠 的三對原子，使結合能降低。B 和 C 均使四面體體積增大很多（棱長增加 34.2%），使結合 能降低，表明它們在四面體間隙存在的可能性很小，尤其是 B 更小。B 使八面體的體積增 大（棱長增加 16.2%），結合能略有升高；在體積不變時，C 使八面體的結合能略有降低， 表明 C 在奧氏體八面體間隙中的溶解度要遠大于 B。
表 1 量子化學從頭算合金小團簇的電子結構計算結果
采用量子化學從頭計算精確處理含 B 小團簇，以半經驗原子間相互作用對勢處理大團
簇，研究含微量 B 元素的合金奧氏體大體系。對含微量元素小團簇進行局部精確計算，對 大團簇采用低精度的計算方法，既能反映微量元素的作用，也使電子、原子層次的計算處理 多元合金大體系成為現實。
應用量子化學從頭計算方法對含 B、C 奧氏體大體系進行局部精確計算，計算結果：B 在八面體間隙中的原子平均結合能為 1.6978eV，最近鍵距為 0.29967nm；C 在八面體間隙中 的原子平均結合能為 1.3520eV，最近鍵距為 0.25780nm；每個八面體間隙 B 原子使奧氏體
Fe 團簇總結合能降低 116.91443eV，每個 C 原子使小團簇總結合能降低 0.459142eV，B 原
子對奧氏體能量的影響是 C 原子的 254.6 倍。利用量子化學從頭計算方法計算了
Fe-Cr-Mn-C-B 系雙原子團簇的勢能，提出按勢能曲線最低點與從頭計算所得的勢能最低值 相重合的擬合原則，得出半經驗原子間相互作用對勢的參數，并計算了奧氏體團簇的平均結 合能、平衡原子間距，結果與實驗符合。將量子化學從頭計算方法精確計算小團簇和半經驗 原子間相互作用對勢處理大團簇相結合，計算分析 B、C 元素在奧氏體中的間隙固溶度，得 出了 B 原子處于奧氏體的八面體間隙中時的固溶度為 0.097wt%，此時對奧氏體大體系能量 的影響貢獻最大，B 在晶界和缺陷中存在對體系能量影響很小。表 2 是隨含?量增加合金奧 氏體的原子平均結合能的變化。
表 2奧氏體中其他元素近似不變時 B 含量變化引起的團簇原子平均能的變化
根據半經驗原子間相互作用對勢計算結果，B 在晶界上與 Fe 較易結合，B 在固溶體中
晶界上的存在幾率很大，而且 B 在硼碳化物中的含量比率也很高，由此，可估算出奧氏體 基鐵合金中 B 的加入量范圍約為 0.05~1.00wt%。計算了奧氏體大團簇中 Cr、Mn、C 元素含 量固定時，B 的加入對團簇原子平均結合能的影響。隨奧氏體中 B 量的增加，原子平均結 合能降低，當 B 含量增至 0.0427wt%時，原子平均結合能與純鐵奧氏體相比降低 10%，將此 時的 B 含量定義為 B 在該團簇中的極限含量，當其他元素含量改變時，B 在奧氏體中極限 含量將有所變化。隨著結合能的降低，奧氏體更易摩擦誘發馬氏體相變。圖 1 分別是無 B 和含 B 合金磨損表面的 XRD 衍射譜。所研究開發的 Fe-Cr-Mn-C-B 系亞穩奧氏體基耐磨鑄 造合金為新型耐磨材料（圖 2）。
（a）合金 1
（b）合金 4
圖 1 Fe-Cr-Mn-C-B 系合金摩擦表面 XRD 圖
圖 2 Fe-Cr-Mn-C-B 奧氏體基合金的組織(1000×)，
(a)合金 2，
(b)合金 3，
(c)合金 4
3．Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系馬氏體基鑄造合金
高鉻鑄鐵是高性能的耐磨材料。以高釩作為合金強化元素加入到高鉻鑄鐵中，有利于大 幅度提高高鉻鑄鐵耐磨性，并提高沖擊韌性。高鉻鑄鐵一般經高溫淬火得到馬氏體，但高釩 高鉻鑄鐵在高溫時因強烈的氧化而不適合熱處理。為此，研究高釩高鉻鑄鐵在鑄態下得到穩 定的馬氏體基體而省略淬火過程具有重要的實際意義。鑄態下直接得到馬氏體的關鍵是選擇 合適的化學成分。
將 Finnis-Sinclair 多體勢擴展到多元合金，建立適合于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系的多元合金的
原子間 相互 作用勢 函數 ；利用 第一 性原理 從頭 算所得 的平 衡距離 及結 合能， 擬合
Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中與 Si 和 C 有關的對勢函數；利用第一性原理贗勢平面波方法 計算 Fe-Cr、Fe-V、Fe-Ni、Cr-V、Cr-Ni、Ni-V 二元合金的晶格常數、結合能及體彈性模量， 并根據計算得到的這些數據，構造 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中與 Fe、Cr、V、Ni 有關的 二元合金的 F-S 多體勢函數；這樣便得到了應用于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子間相 互作用勢函數[3]。利用所得 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子間相互作用勢函數，研究該 多元合金奧氏體基體的穩定性；并且通過金相顯微鏡、X-Ray 衍射儀、掃描電鏡及電子探針
等分析測試設備對多元合金樣品進行測試，對測試結果進行分析，與計算結果進行比較。 采用了獨立于實驗數據的基于第一性原理計算的晶格常數、結合能及體彈性模量構建了 原子間相互作用勢函數，該方法對于目前還沒有足夠實驗數據的合金特別是多元合金的研究 是一個很有效的方法。將 F-S 多體勢擴展到多元合金，拓寬了理論的應用范圍。研究結果表 明：當基體中 含 C 量大于 0.6wt%，含 Ni 量在 1.02～1.50wt%范圍內時，合金奧氏體基體 較穩定。當合金中 Ni 含量從 0.8wt%至 1.6wt%逐漸增加時，合金的奧氏體基體越來越穩定；
但是，當合金中 Ni 含量達到 2.4wt%時，奧氏體基體能量卻上升，穩定性反而下降（表 4），
Ni 含量 2.4wt%鑄造合金的殘余奧氏體量明顯低于馬氏體量。計算結果與 X 射線衍射結果一 致（參見圖 3）。
表 4 合金奧氏體基體(Fe-7.5Cr-2.2V-Ni-1.8Si-0.9C)的晶體特性
圖 3 合金 N5-N8 的鑄態下 X 射線衍射圖
圖 4 合金(1.2Ni)的鑄態組織
圖 5 合金 (1.2 及 2.4 Ni)的回火硬度
實驗表明，含 Ni 高 V 高 Cr 鑄鐵澆注后即形成馬氏體加奧氏體組織（圖 4），通過高溫
回火殘余奧氏體分解，并獲得二次硬化（圖 5），避免了高溫淬火時的嚴重氧化現象，成為 具有實際應用價值的耐磨合金。
4．Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 系合金鋼
多元合金高碳鋼成分設計合適時，鋼中存在多類型碳化物（M3C、M23C6、M7C3、 M6C 和 MC），在常規的鍛軋加工和退火工藝條件下，碳化物具有超細化特征。為了開發適 應不同生產條件的多類型超細碳化物高碳合金鋼，其固溶強化的 Si 元素部分以 Ni 元素替代。
因此，合理的成分設計是常規熱處理工藝下獲得超細碳化物高碳合金鋼的關鍵。 利用擴充的量子化學從頭計算程序計算 Fe、Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、C 組成的雙原 子團簇的電子結構數據，由于該程序只能計算包括 Mo 在內的元素周期表中前 54 號元素， 而不能計算與 W 相關的雙原子團簇電子結構數據，利用第一性原理贗勢平面波方法計算 W 與其它原子組成的二元合金的電子結構數據，擬合半經驗原子間相互作用對勢。利用半經驗 原子間相互作用對勢，選擇八面體為中心的奧氏體晶胞模型、馬氏體晶胞模型，計算奧氏體、 馬氏體中各類晶胞室溫、常壓下的結合能信息。相對 γ-Fe 基體、α-Fe 基體而言，含有碳原 子和合金元素原子的晶胞均具有較大的結合能，起到固溶強化作用。
采用直接將第一性原理贗勢平面波方法計算 W 的結果與從頭計算程序計算其它原子的 結果聯合使用，或考慮 CASTEP 軟件計算結果與從頭計算程序計算結果存在整體差異，聯 合使用存在 “未校準零點”誤差，將第一性原理贗勢平面波方法計算 W 的結果除以修正系 數后與從頭計算程序計算其它原子的結果聯合使用，或考慮不含 W 元素的情況下利用從頭 計算程序計算的結果，研究 Si、Ni、C 的變化對 Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 多元合金基體原 子間的結合能的影響，通過三種方法計算結果比較，采用修正系數處理的方法比較合理。得 出：合金奧氏體基體、馬氏體基體原子間的結合能隨著含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的增加呈 逐漸增加的趨勢，隨 Si 含量的增加原子間的結合能急劇上升，隨 Ni 含量的增加原子間的結 合能緩慢上升，即 Si 含量的變化比 Ni 含量的變化對馬氏體基體強度影響大。當 Si 或 Ni 以 外的元素含量都不變時， Si 或 Ni 的含量在 0.2%~0.6%時， Ni 含量對原子間的結合能影響 高于 Si。Si 或 Ni 的含量在 0.6%~0.8%時，轉換為 Si 含量對原子間的結合能影響高于 Ni（圖
6）。上述結果為合金設計時根據性能要求確定 Si、Ni 含量提供理論依據。
圖 6 DM8A 合金馬氏體基體原子間的結合能隨含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的變化
表 5 是 3 種鋼在淬火溫度下的基體成分。DM8， DM8A 和 DM8B 鋼的基體的 C 和合金元
素含量是用相平衡熱力學和在電子、原子層次上馬氏體的原子間結合能計算的。實驗結果表 明原子間結合能與力學性能有對應關系，其比值是 2.3 ? 10-4-2.5 ? 10-4(表.6).
表 5 三種鋼基體成分(wt%)
表 6 三種鋼馬氏體結合能和機械性能
實驗研究表明，三種中合金鋼退火后剩余碳化物均達到了超細化的程度（圖 7）。根據
三種鋼實驗結果，分析碳化物超細化的原因主要是由碳化物溶解、形核的轉變過程所引起的。 加熱至? ? ? 相變附近的溫度再退火或淬火的碳化物的細化程度依賴于碳化物類型及其比 例，因此，合理的成分設計是常規熱處理工藝下獲得超細碳化物高碳低、中合金鋼的關鍵。 與同類型鋼比較，其抗彎強度、屈服強度、撓度和沖擊韌性均明顯提高。
圖 7 三種鋼的淬火組織
根據碳化物隨溫度變化的規律，并結合熱力學相平衡計算，設計的多類型碳化物 DM7S
鋼，成分(wt%)為：C 0.85-0.95，Mn 0.3-0.5，Si 0.3-0.50，Cr 6.0-7.0， W 2.5-3.5，V 1.0-1.5，
Mo 0.85-1.5，Ni 0.25-0.42。在常規的熱處理工藝條件下，碳化物具有超細化特性（圖 8）。
1080℃以上淬火，500-560℃回火時出現二次硬化效應，最高硬度接近 64HRC。
圖 8 DM7S 鋼 1100℃淬火顯微組織（a）及其碳化物顆粒尺寸分布（b）
5. 結語
本文以第一原理計算（量子化學從頭計算方法和第一性原理贗勢方法）按勢能曲線最低
點的擬合原則，對小團簇進行局部精確計算和對大團簇采用低精度的計算方法進行能量疊 加，以及用偏聚結構晶胞的計算用于多元合金的理論計算上。雖然其理論依據和計算精度有
待于進一步探討，但卻實現了多元合金的電子、原子層次的理論計算。針對三種多元合金材
料的不同問題采用了不同的計算方法，計算結果與某些實驗結果相對應。近年來，我們采用 相平衡熱力學計算、電子、原子層次上的計算以及經驗公式相結合的合金設計計算，所開發 的合金已經作為高性能材料用于實際生產中[5-7]。
參考文獻
[1] 劉艷俠， 王遜， 馬永慶等，Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子間互作用勢的構建及應用［J］，物理學報，
2008.1，57(1)：358-363
[2] 王 遜 馬永慶 馬鳳才，含 B 鐵基奧氏體的電子結構和原子間相互作用對勢計算， 大連海事大學學報，
2003，29(3):18-21.
[3] Yanxia Liu ， Xun Wang， Yongqing Ma， Runze Song， YumeiDai， Study on Alloy Design at the Electronic and Atomic Scale for the Austenite of High Vanadium Wear-Resisting Iron-Based Alloy，Second International Conference On Asvanced Structural Steels，2004， Apr. 710-715.
[4] 戴玉梅，馬永慶，張 洋，王 遜，劉艷俠，電子、原子理論計算在高碳合金鋼合金設計中的應用， 金屬熱處理，2006，31（增刊）：109-111.
[5] MA Yong-qing， GAO Hong-tao， QI Yu-hong， ZHANG Zhan-ping， DAI Yu-mei， Alloy design and applications
of medium-alloy high carbon steels with multiple types of ultra-fine carbides，Second International Conference
On Asvanced Structural Steels，2004， Apr. 408-412.
[6] 馬永慶 王遜 劉艷俠 張洋， Fe-Cr-Mn-C-B 系亞穩奧氏體基鑄造合金的相成分及體積分數的經驗計算，中
國材料科技與設備 2005.2（3）:69-71.
[7] 馬永慶，張 洋，高洪濤，朱蓓蓓，Cr-W-Mo-V 中合金鋼的淬火硬度和回火硬度的計算，物理測試，2007，
25(3)15-18
[8]
量子化學應用范文4
化學軟件輔助教學計算機應用在基礎理論化學的教學中，由于原子分子的微觀結構無法通過肉眼直接觀察，化學反應的過程也難以用宏觀模型進行形象的描述，對學生來說比較抽象，利用適當的軟件設計一些有助于學生理解和掌握化學知識的課件，會使枯燥無味的化學結構和化學反應變得生動形象，能讓學生更深入直觀地了解物質的微觀結構，理解化學的本質。
一、計算機在化學教學中的適用范圍
計算機輔助教學在化學教學中，尤其適用于理論性和抽象性較強的內容，例如原子核的組成、電子云、核外電子的運動、分子的結構、構型和構象、化學鍵的形成、離子反應和離子方程式等，適用于模擬實驗難以操作、危險性大或反應現象不明顯的內容。
二、化學教學中常用的計算化學軟件
計算化學軟件作為化學化工領域中最常用的工具，無論在科研或者教學中都擔負著重要的作用?；瘜W教學中通常應用到下列軟件：
1.ChemDraw
ChemDraw軟件美國CambridgeSoft公司推出的一款優秀的商業化化學軟件ChemOffice中的模塊之一。ChemDraw中存貯了大量的分子結構圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學教學中主要用于繪制有機分子結構式及反應方程式等，ChemDraw中的實驗裝置繪制模版則是繪制反應流程及實驗儀器裝置圖的重要工具。
2.Gaussian
Gaussian程序是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件之一，GaussView是Gaussian的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過渡態的空間結構。和一般化學作圖軟件相比，它更加專業和精確，可以直接讓學生觀察了解各種物質的鍵長、鍵角、電子云分布等微觀結構以及分子內部的各種振動。
3.Materials Studio
Materials Studio軟件包是Accelrys公司開發的，是常用的分子設計和模擬軟件，可進行量子力學、分子力學、分子動力學計算。Materials Studio軟件包功能非常強大，主要由這樣幾個模塊組成：構造分子；優化分子結構；研究分子反應；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動力學。
Materials Studio可以快速準確地獲得分子的構型與結構參數，通過對分子的結構進行分析，運用所得的結果來解釋或預測化學反應的性質。除此之外，也可以計算出分子的靜態性質，通過這些數據我們可以預測化學反應的位置、說明化學反應的途徑和機制、解釋分子的動力學行為等，在教學中可以達到事半功倍的效果。
（1）Materials Studio在晶體結構教學中的應用
在化學中，晶體的結構和對稱性是學生不易掌握的內容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書式教學對學生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結構和對稱性等特點。圖4是面心立方NaCl在不同視角下的晶體結構圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結構，同時可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。
此外，點擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時，Materials Studio還允許自由的創建晶體結構，只要已知空間群類型、晶體結構參數和元素類型，我們就可以任意的創建晶體。如果按下Find Symmetry選項，便可看到已找到的NaCl晶體的對稱性為FM-3M，在教學中展示這種效果，能使學生容易理解晶體的對稱性的類型。
（2）Materials Studio在電荷密度教學中的應用
在講授極性分子和非極性分子過程中，常常提到原子電荷分布情況及對物質化學性質的影響。Materials Studio中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示total electron density，會將場給顯現出來。這個場是電子在空間中的分布，Isosurface則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來區其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學生清楚地了解極性。
（3）原子軌道顯示在教學中的應用
Materials Studio可以輕松地對各種原子軌道能量進行計算并獲得其空間圖像。利用Element可以調出一個元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計算套件計算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計算基態能量之后，就可以分析原子軌道了。
三、結束語
使用最新的化學計算軟件，采用新穎的教學形式和教學手段，直接在屏幕上顯示三維構型，同時可以任意旋轉操作，使同學們的興趣大增，而且通過計算機輔助教學的動畫模擬，使得微觀抽象的知識點更具體形象化，便于學生理解和掌握，收到很好的教學效果。
參考文獻：
[1]王守緒.計算機技術在化學中的應用研究進展[J].化學研究與應用，2000，12（4）：119.
[2]任萃毅.介紹一個新型的化學軟件包-CS Chemoffice 2000[J].化學教學，2001，（3）：34.
[3]葉國東.量子化學軟件Gaussian應用于無機化學教學[J].廣東化工，2010，37（4）：220.
量子化學應用范文5
【關鍵詞】高中化學 定量實驗教學 數字化實驗 應用
中圖分類號：G4 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.04.007
在高中化學教學中，實驗教學作為極為重要的教學部分，也是學生充分理解化學知識和現象的重要途徑。數字化實驗平臺作為一種數字化實驗信息系統，其的構成部分主要包括傳感器、計算機、配套軟件及數據采集器等。在高中化學定量實驗教學中引入和應用數字化實驗，可以使化學定量實驗數據能夠得到即時處理、編輯和儲存，也是對化學定量實驗教學理念與模式進行創新的重要推動力，有利于提升高中化學定量實驗教學的水平。
一、在高中化學定量實驗教學中引入數字化實驗
在信息化時代下，數據資源的重要性不言而喻，而這也使得數據資源的處理和存儲方式逐漸受到了重視。在高中化學實驗教學中，為了提升對化學實驗數據的處理效率，數字化實驗的引入不容忽視。通過引入數字化實驗，可以實現對高中化學實驗教學理念和模式的創新，也為化學實驗教學質量和效率的提升奠定了基礎。在高中化學教學中，大部分化學實驗對實驗環境都有極為嚴格的要求，如SO2的性質等，為了保證這類化學實驗能夠在安全、可靠的前提下進行教學，一般都會在通風櫥中進行實驗。對于可燃氣體和有毒氣體的實驗也要在安全的環境中進行，否則很容易引發可燃氣體爆炸和有毒氣體泄漏等問題，會對實驗人員的人身安全造成威脅。從發展進程角度分析，化學實驗可以被分為三個時代，即傳統實驗時代、微型化實驗時代和數字化實驗時代。
其中，傳統實驗時代是化學實驗發展的第一個時代，實驗過程主要通過常規玻璃實驗器皿來完成。微型化實驗時代是化學實驗發展的第二個時代，在這一時代挖掘出了近乎所有的化學實驗現象。數字化實驗是化學實驗發展的第三個時代，在這個時代化學實驗的反應過程和化學現象會逐漸被轉換成數字信號，能夠實現對化學實驗的實時監測，可以幫助學生更好地觀察和理解化學現象的本質。由此可見，在高中化學實驗教學中，數字化實驗的引入，是對化學實驗教學理念與模式的創新，有利于提高化學教師的實驗資源整合能力，而這也為化學實驗教學質量和效率的提升奠定了基礎。
二、在高中化學定量實驗教學中引入數字化實驗的切入點
在高中化學實驗教學中，為了更好地提升化學實驗教學的水平，對于數字化實驗的引入，可以從下述三個方面進行考慮：定性到定量的轉變、表象到本質的轉變、質疑到探究的轉變。
傳統化學實驗是對化學反應現象的體現，在傳統化學實驗過程中很難對其實施定量化處理。但將數字化實驗引入高中化學實驗教學，基于對數字傳感技術的應用，能夠實現對化學實驗數據的完整采集，并利用計算機和配套軟件對化學實驗數據進行處理、存儲，最后以表格或圖像等形式對化學實驗數據進行展現。例如，對于濃硫酸的吸水性實驗，從對比試驗角度考慮，對濕度傳感器進行合理使用，可以實現在實驗過程中對密閉容器內空氣相對濕度的變化情況進行實時監測，而這個過程也是對化學實驗的定量化控制，體現了數字化實驗在定性到定量的轉變中所發揮的重要作用。
從表象到本質的轉變角度分析，在高中化學實驗教學中，數字化實驗的引入不僅能夠實現對化學實驗教學過程的優化，也能夠依靠數字化實驗對化學實驗過程和現象的更為直接的展示，而幫助學生更好地理解和掌握化學實驗的現象及原理，有利于提升學生學習化學的效率。例如，弱電解質的稀釋實驗，愛弱電解質稀釋過程中，電解質的導電性會發生變化，但在傳統化學實驗過程中，很難對導電性變化情況進行直觀展示。然而，在數字化實驗過程中，通過對數字化技術和電導率傳感器的應用，可以實現對弱電解質稀釋過程中導電性變化情況的實時監控，并且通過實驗數據，學生也能更加直觀的看到導電性變化情況。在高中化學實驗教學中，數字化實驗的引入能夠實現對化學實驗本質的直觀展示，可以激發學生的學習熱情，也能夠幫助學生更好地理解化學實驗現象與相應化學概念之間的聯系。
在高中化學實驗教學中，數字化實驗的引入，可以使學生由質疑轉變到探究，有利于幫助學生理解化學實驗反應和現象。在傳統化學實驗過程中，實驗結果與實驗預期之間出現不匹配是極為常見的現象，但這會導致學生對化學教師和化學實驗產生質疑。在這種情況下，對化學實驗技術進行創新和優化就顯得十分重要。通過在化學實驗教學中引入數字化實驗，可以實現對化學實驗數據的全面搜集，也能夠實現對化學實驗過程的實時監控，是更加直觀的展現化學實驗現象和本質的一種方式。通過應用數字化實驗，可以實現對學生分析和解決問題的能力進行培養，有利于提升化學實驗教學的質量和效率。
三、高中化學定量實驗教學中數字化實驗的應用
化學實驗最重要的部分就是反應過程，只有通過觀察化學實驗的反應過程，學生才能更好的理解化學實驗現象的發生原理，進而理解相應的化學理論知識。在高中化學實驗教學中，數字化實驗的應用能夠更加直觀的展示化學實驗的反應過程，可以幫助學生更好地理解化學實驗的反應過程、現象和本質，有利于學生理解和掌握相應的化學知識。
例如，“金屬的電化學腐蝕”實驗，生活中經常見到的暖寶寶就是對“金屬的電化學腐蝕”實驗的最直接體現。在開展“金屬的電化學腐蝕”實驗教學的時候，化學教師可由暖寶寶的l熱原理引出這個化學實驗，并針對這個實驗和暖寶寶的發熱原理提出一些問題，如“暖寶寶模擬裝置是否能構成原電池？”然后在實驗教學過程中，引導學生進行討論，可以使學生通過討論得出原電池的電極反應式，即負極的電極反應式是Fe―2e-=Fe2+，但對于正極反應式會得出兩個結果，分別是O2+2H2O+4e-=4OH-和2H++2e-=H2。在以數字化實驗方式開展“金屬的電化學腐蝕”實驗的時候，通過觀察數字化實驗所搜集的實驗數據，可以更加直觀的看出金屬電化學腐蝕的正極反應，并得出正極反應式O2+2H2O+4e-=4OH-，這個反應式體現出隨著壓強的減小，金屬電化學腐蝕的正極會發生吸氧反應。而2H++2e-=H2這個反應式體現的是正極發生的析氫反應。通過數字化實驗的應用，可以更加直觀的了解金屬在不同環境下發生的腐蝕反應，可以幫助學生更好地理解這個化學實驗的反應和現象。
量子化學應用范文6
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)
