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量子化學方法范文1
關鍵詞：燃燒學；量子化學；Gaussian軟件；多媒體
中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）19-0041-02
“燃燒學”是熱能與動力工程專業一門十分重要的專業基礎課程，其內容涉及化學動力學、傳熱學、熱力學、流體力學以及熱化學等多門學科知識，是一門典型的交叉學科。由于“傳熱學”、“熱力學”以及“流體力學”是熱能與動力工程專業的基礎課程，通過前期的系統學習，學生對該部分內容較為熟悉。但由于專業的限制，本專業學生在大學期間很少有機會學習化學專業知識，因而對化學動力學和熱化學等內容相對陌生，不少學生在課后反映該部分內容抽象難懂。燃燒過程實質上是耦合了流動、傳熱以及熱力相變的復雜化學反應過程。因此，掌握好化學動力學和熱化學等知識對本課程的學習具有重要意義。筆者根據在科研與教學實踐中的經驗，將量子化學Gaussian軟件應用到燃燒學課程的教學中，取得了良好的效果。
一、量子化學Gaussian軟件介紹
量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。量子化學Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學綜合軟件包，是化學領域最著名的軟件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系統中運行，目前最新版本為Gaussian 03。該軟件由量子化學家約翰波普的實驗室開發，可以應用從頭計算方法、半經驗計算方法模擬和計算分子和過渡態能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、極化率和超極化率、熱力學性質以及反應路徑等內容，是目前應用最廣泛的半經驗計算和從頭計算量子化學計算軟件。量子化學Gaussian軟件在教學中可以輕松搭建直觀的分子和原子模型，并且從分子動力學層面展現一個化學反應的內在變化和重組過程。因此，學生可以直觀地了解物質的結構和化學反應內在規律，從而強化對相關知識和規律的認識與掌握。
二、量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用實例
量子化學Gaussian軟件的功能非常強大，但本文僅選擇個別功能，并且通過列舉“燃燒學”中最常見的兩個簡單基元反應實例來介紹其在“燃燒學”教學中的應用。
1.實例一
CO和·OH的反應是燃燒過程以及燃燒大氣污染控制化學中的一個重要基元反應。根據分子碰撞理論，兩種物質是通過相互碰撞發生化學反應，但這種說法對于非化學專業的同學來說非常抽象，不易理解。比如兩者是如何發生碰撞的，碰撞后又是如何發生反應的，這些問題都很模糊，通過簡單的文字描述很難講清楚。而通過簡單直觀的圖形講解則可能取得意想不到的效果。圖1顯示的是采用Gaussian軟件中的密度泛函理論（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基組水平下全參數優化和模擬反應過程中的各反應物、中間體（IM）、過渡態（TS）以及反應產物的幾何構型示意圖。
圖2顯示的是CO和·OH之間的反應能級示意圖。從圖中結果可以看出，CO和·OH之間的反應實質上是·OH對CO發動進攻，即·OH的O原子去進攻CO中的C原子，得到反應中間體IM1。從中間體IM1出發有兩種裂解方式：一種是經過渡態TS1斷裂其H-O鍵；另一種方式是IM1首先經過一個異構化過渡態TS2異構為另一順式中間體IM2，然后IM2又經過渡態TS3斷裂其H-O鍵生成產物CO2和H?；谝陨夏芗壏治?，反應存在兩條可能的通道。但通過計算的活化能可知，第一條反應路徑需要的活化能為197.41 kJ/mol，而第二條需要的活化能僅為33.22 kJ/ mol?；瘜W反應進行必須先要克服一定的能量障礙，即活化能才可以發生。從計算結果可以看出，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，第二個通道需要克服的能量障礙更小，即更容易發生，是該反應的主要通道（主要反應路徑）。
2.實例2
量子化學方法范文2
（曲靖師范學院化學化工學院，云南 曲靖 655011）
【摘要】采用量子化B3LYP（6-311G**基組水平）對乙腈及其衍生物的反應物，過渡態和產物的幾何構型進行了優化，通過振動分析對反應物和產物進行了確認，證實了乙腈異構化的機理。
關鍵詞 乙腈及其衍生物；異構化；量子化學
過渡態理論指出．任何化學反應不只是反應物通過簡單的碰撞就能變成產物，而是要經過一個中間過渡態(活化絡合物)，然后才能變成產物。由于過渡態的壽命極短，實驗方法難以捕捉，因此運用量子化學方法進行研究，無疑是一種適宜的方法。Hammond曾把過渡態與反應物和產物關聯起來。
提出了對過渡態結構作近似估計的Hammond原理，但在許多反應中不能用它來作近似的估計。
我們用MNDO方法算得了乙腈異構化的反應途徑曲線和過渡態。為了克服MINDO方法所遇到的一些問題，我們采甩了D~war等人提出的MNDO方法，它是在NDDO近似基礎上發展起來的 。采用能量梯渡法優化了反應物和產物的平衡幾何構型用線性內坐標法找到了最小能量途徑，再以它的能量投大值時的構型作為過渡態的初始值用Powell方法優化得到過渡態的精細構型參數，并通過力常數計算和振動分析予以確證。
乙腈又名甲基腈，無色透明液體，極易揮發，有優良的溶劑性能，能溶解多種有機、無機和氣體物質，與水和醇能無限互溶。乙腈能發生典型的腈類反應，并被用于制備許多典型的含氮化合物，是一個重要的有機中間體[1]。當乙腈作為中間體參與化學反應時，研究乙腈及乙腈衍生物的異構化對化學反應的途徑及產物的制備具有重要意義[2]。
1計算方法
本文在使用Gaussian 03量子化學程序包[3]，采用B3LYP/6-311G**量子化學方法，對乙腈互變異構機理的反應物、過渡態和產物的幾何構型進行了優化，并在優化的幾何構型基礎進行了振動頻率分析，得到分子的幾何構型、能量、電荷分布等，全部計算在PIV-1G微機上完成。
1.1異構化反應機理
當R為H原子時，即把乙腈作為反應體系的模型反應物，當R先后被1號取代基甲基(Me)，2號叔丁基(t-Bu)，3號苯基(Ph)取代時為乙腈三種不同取代基的異構化反應物。計算結果表明，當互變異構進行時，反應物的原子H4從原子C3上遷移到原子C2上，并且N1和C3成鍵。C3-H4鍵的鍵長逐漸拉長，而C2-H4的鍵長和C3-N1鍵均逐漸被縮短，最終C2與H4成鍵，C3與N1成鍵，最終形成一個比較穩定的碳氮碳三元環，通過各駐點的振動分析計算表明，過渡態都具有唯一的虛頻。在模型反應的基礎上，換取代基進行計算其過渡態的形式與模型反應相似。
1.2反應物、過渡態及產物的能量
乙腈的過渡態ts的相對能為417.8kJ/mol，當H原子被Me和t-Bu取代時，支鏈烷烴取代基隨著供電子基團的增加，它們的過渡態的相對能略有減小，分別為402.6kJ/mol和389.21kJ/mol；而當用Ph取代H原子時，其過渡態的相對能下降的比較明顯，過渡態的相對能為330.8kJ/mol。由此說明了支鏈烷烴取代基隨著碳原子的增加，增大了空間阻礙效應，使其過渡態的相對能略有降低，但是為什么被苯環取代的乙腈的過渡態的相對能要更偏低一點，這是由于苯環的六個碳原子處于同一個平面上，有一定的共軛效應，但苯基取代的相對能量與支鏈烷烴取代的相對能相差不大。反應物r進行反應時，C3-H4鍵斷裂，H4原子遷移，經過一個相對能量較高的過渡態ts，再經過H4原子的遷移形成最后的異構產物p。
1.3分子的前線軌道
根據分子軌道理論，前線軌道及其附近的分子軌道對反應活性影響最大，因此研究前線軌道可以確定反應部位以及為探討作用機制等提供重要信息，HOMO具有優先提供電子的重要作用，LUMO具有接受電子的重要作用。分子的最高占據軌道 (HOMO) 能級和最低空軌道(LUMO)能級之差ΔE反映出分子的穩定性和反應的活性。
2結論
本文采用B3LYP方法對乙腈模型進行了異構化的計算研究，從直線性轉變為三元環，獲得了乙腈及其取代基異構化反應機理的一些重要信息，說明乙腈及其取代基異構化的一些特征。在模型反應的基礎上，進行了不同烷烴取代基形成乙腈衍生物的計算，從各種參數分析，不同的取代基有相同的反應機理，有一個過渡態(ts)，過渡態的相對能量變化不是很大，產物的相對能變化也不大。
參考文獻
［1］張會琴,梁國明．HNC-HCN反應機理的密度泛函理論研究[J]．自然科學學報,2005，22(3):100~104．
［2］林雪飛,孫成科．氮雜炔正離子與環烯反應的機理及取代基效應[J]．化學研究與應用,2007,19(8):872~876.
量子化學方法范文3
關鍵詞：離子液體；合成；紅外光譜；核磁共振；量子化學計算
中圖分類號：O645 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2014）02-0001-04
離子液體[1-2]（ionic liquid）兼有極性與非極性有機溶劑的溶解特性，對有機、金屬有機、無機化合物有很好的溶解性，溶解在離子液體中的催化劑，同時具有均相與非均相催化劑的優點，催化反應有高的反應速率與高的選擇性，與傳統的易揮發有機溶劑（the volatile organic compounds，VOCs）相比具有無味，不燃，易于產物分離，易回收，可循環使用的優點，可見離子液體在作為與環境友好的“潔凈”溶劑方面有很大的潛力[3-5]。本研究包括（1）離子液體[BMIm]Cl的合成；（2）離子液體[BMIm]Cl的表征及量子化學計算。
1 實驗部分
1.1 試劑
N-甲基咪唑（工業級，浙江臨?；S），氯代正丁烷（n-BuCl，AR），氫氧化鈉（NaOH），濃硫酸（H2SO4），碳酸氫鈉（NaHCO3），乙酸乙酯（EA），高純氮氣（N2）。
1.2 儀器
傅立葉變換紅外光譜儀測試系統（Nicolet 8700，美國熱電儀器公司），超導傅立葉數字化核磁共振譜儀（AVANCE III 400 MHz，瑞士布魯克公司），數顯恒溫攪拌油浴鍋（HH-S4，金壇市白塔金昌實驗儀器廠），真空干燥箱（101A-3，上海實研電爐有限公司）。
1.3 方法與步驟
1.3.1 原料的預處理 N-甲基咪唑的預處理：常溫下取100 mL N-甲基咪唑，加入2～3 g NaOH攪拌進行干燥脫水，在N2保護下?。?80±10）℃餾分即為所得純品。
氯代正丁烷的預處理：用適量濃H2SO4多次洗滌n-BuCl至酸層無色，用1 mol/L的NaHCO3水溶液中和后，在N2保護下?。?0±10）℃餾分即為所得純品。
1.3.2 離子液體[BMIm]Cl的合成 如圖1所示，在裝有回流冷凝管、滴液漏斗和氮氣導管（兼含溫度計）的500 mL三口燒瓶中，按摩爾比1.1∶ 1加入N-甲基咪唑70 mL（約合0.878 mol），并將100 mL n-BuCl（約合0.957 mol）裝入滴液漏斗，設置油浴加熱溫度70 ℃，在N2保護下將n-BuCl在2 h內滴加完畢，之后繼續加熱攪拌回流反應48 h，得到的粘稠液體在0 ℃以下冷凍1～2 d后結晶。抽濾晶體后，用EA反復洗滌，如圖2所示。在50 ℃、0.08 MPa下真空干燥脫除殘留的EA后，得到白色固體產品氯代1-丁基-3-甲基咪唑（1-butyl-3-methyl imidazolium chloride，記為[BMIm]Cl，下同），產率93%（真空干燥后的固體應立即稱量或使用，否則極易吸水）。
1.3.3 [BMIm]Cl的表征 利用紅外光譜儀和核磁共振譜儀（CDCl3作溶劑）對合成的離子液體[BMIm]Cl的化學結構進行表征。
1.3.4 [BMIm]Cl的量子化學計算 使用Materials Studio 5.5計算工作站對[BMIm]Cl進行了分子建模，并使用Dmol3模塊對其結構進行了量子化學計算和優化。
2 結果與討論
2.1 [BMIm]Cl的合成反應式
N-甲基咪唑和氯代正丁烷反應合成離子液體[BMIm]Cl的反應方程式如圖3所示。
2.2 [BMIm]Cl的紅外結構表征
圖4中，3 416 cm-1是咪唑環甲基側鏈C-H鍵伸縮振動吸收峰，2 961 cm-1是丁基取代基上-CH3的C-H伸縮振動峰，2 874 cm-1是丁基取代基上-CH2-的伸縮吸收峰，1 636 cm-1是咪唑環上C=C伸縮振動峰，1 570 cm-1是咪唑環中C=N伸縮振動吸收峰，1 465 cm-1是丁基側鏈-CH2-上的C-H面內彎曲振動峰。1 169 cm-1是咪唑環中的C-H彎曲振動峰，754 cm-1是咪唑環的彎曲振動峰，3 416 cm-1是少量雜質水帶來的-OH峰。FTIR（film）/cm-1ν=2961， 2 874（ν C-H）；1 636（ν C=C）；
1 570（ν C=N）； 1 465（β C-H）；1 169（δ C-H）； 754 （δ 咪唑環）。
2.3 [BMIm]Cl的核磁結構表征 在實測譜圖5b上，化學位移δ為0.9是丁烷基側鏈上-CH3的氫原子，δ為1.4是丁烷基上連接-CH3上的-CH2-氫原子，δ為1.9是丁烷基上中間的-CH2-氫原子，δ為4.1是與咪唑環上N相連的甲基側鏈-CH3上的氫原子，δ為4.3是丁烷基與咪唑環上N相連的-CH2-氫原子，δ為7.4和7.5分別是咪唑環上CH=CH對應的氫原子，δ為10.7是咪唑環上N=CH-N上的氫原子。
盡管由于電負性差異造成實測譜圖與理論譜圖在化學位移上略有差別，但從峰強度和H分布基團角度來看，所合成的物質可判定為[BMIM]Cl，且其雜質較少，含水量低于1%。
其數據為1H NMR （400 MHz， CHLOROFORM-D，27 ℃ ）ppm 0.93 （td，J=7.34，1.63 Hz，3 H） 1.35 （ddd，J=15.18， 7.40， 1.51 Hz， 2 H） 1.87 （m， 2 H） 4.10 （d， J=1.25 Hz， 3 H） 4.30 （t， J=7.40 Hz， 2 H） 7.38 （dd， J=3.39， 1.63 Hz， 1 H） 7.50 （m， 1 H） 10.66 （d， J=8.78 Hz， 1 H）。
2.4 [BMIM]Cl結構的理論計算
[BMIM]Cl分子是通過離子氫鍵將陽離子[BMIM]+與陰離子Cl-結合而形成，其間會有電子轉移，但[BMIM]+因電子云密度較小而顯正電性，Cl-則顯負電性。根據理論推測，[BMIM]Cl分子的HOMO應該大部分存在于Cl-上，而LUMO則會集中出現在[BMIM]+上。量化計算結果證明了這種推測，如圖6所示。
圖6a中，[BMIM]Cl分子的HOMO全部存在于Cl-上，因為陰離子在形成過程中，由于電子在Cl-軌道中轉移，使其軌道更易填滿。由于HOMO的存在，Cl原子軌道能級為所有填充軌道中最高的。而圖6b所示的LUMO大部分出現在[BMIM]+部分，且主要集中于咪唑環上，這是由于丁基與N原子結合后，在N-C-N三個原子之間形成一個由兩個電子與一個空軌道組成的大π鍵，與H2有很強的H-π共軛效應，可以形成較強的分子內氫鍵，令整個離子因缺少一個電子而顯正電性，且正電荷存在于咪唑環內。LUMO的存在說明若有多余電子，咪唑環上的空余分子軌道將被優先填充。
對比圖5實測數據可明顯發現，咪唑環上CH=CH對應化學位移左偏，咪唑環上N=CH-N和甲基側鏈右偏，該現象也可用上述HOMO和LUMO進行解釋。
3 結論
本文通過合成了離子液體[BMIM]Cl，對其IR、1HNMR譜圖進行了綜合分析，表明所合成的離子液體[BMIM]Cl雜質較少，含水量低于1%，并通過理論計算，均使得離子液體的結構與理論吻合，為該類型離子液體的合成、應用研究提供了幫助。
參考文獻：
[1] SWATLOSKI R P， HOLBREY J D， ROGERS R D.Ionic liquids are not always green： hydrolysis of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate[J]. Green Chemistry， 2003， 5（4）： 361-363.
[2] 鄧友全. 離子液體―性質， 制備與應用[M]. 北京： 中國石化出版社， 2006：8-100.
[3] SHELDON R. Catalytic reactions in ionic liquids[J]. Chemical Communications， 2001 （23）： 2 399-2 407.
量子化學方法范文4
物理化學是化學類專業的重要基礎課程，其基本原理被廣泛地應用于其它分支學科。因而學好本課程，可以加深對無機化學、有機化學、分析化學等先行課程的理解。物理化學也是一門理論性很強的交叉學科，涉及一定的數學和物理學知識，推演出的公示很多，使初學者感到抽象難懂，普遍反映是比較難學的一門課程[1]。隨著人們對物理化學現象本質的認識以及計算機技術的飛速發展，近些年來許多物理化學原理和方法得到了進一步的發展和完善。為了促使大學教師及時更新知識、豐富教學內容、提高教學水平，非常有必要在課程教學中融入相關學科領域的最新科研成果，最終達到科研促進教學的目的。鑒于此，作者將反應焓的量子化學計算研究融入到物理化學課程的熱化學教學中，這極大地提高了物理化學的教學水平和教學效果，同時有助于培養學生的科研興趣、增強學生的思維創新性。
1.物理化學教材中關于反應焓的計算
眾所周知，化工生產離不開化學反應，而化學反應常常伴隨著熱量的交換與傳遞。測定或計算一個化學反應的熱對于實際生產是非常重要的。由于實際生產經常是在等壓或者等容條件下進行的，因此很有必要對這兩種情況下的熱即Qp和Qv展開學習和研究。又因為Qp和Qv之間存在直接的定量關系，所以只需要獲得其中一種熱效應值就可以了，一般傾向于討論Qp。在非體積功為零的條件下，Qp與反應焓變H在數值上是相等的，故恒壓反應熱又可稱之為反應焓。目前，物理化學教材[1]中關于化學反應焓的計算，主要是利用標準摩爾生成焓和標準摩爾燃燒焓這兩種基礎熱數據計算標準摩爾反應焓。通過標準摩爾反應焓可以進一步計算化學反應過程的Qp、Qv以及體系的rH和rU等。因此，標準摩爾反應焓的計算是物理化學課程的一個重要知識點，所涉及的相關內容也是物理化學課程的教學難點。
對于298.15 K下的反應cC + dD yY + zZ，其標準摩爾反應焓等于：
也就是說，298.15 K下的標準摩爾反應焓等于相同溫度下參加反應的各個組分的標準摩爾生成焓與其化學計量系數乘積的代數和。結合νB的取值情況，其實質是：一個化學反應的標準摩爾反應焓等于各產物的標準摩爾生成焓之和減去各反應物的標準摩爾生成焓之和。
如果利用標準摩爾燃燒焓計算上述化學反應的標準摩爾反應焓，那么相應的計算公式為：
顯然，一個化學反應的標準摩爾反應焓等于參加反應的各個組分的標準摩爾燃燒焓與其化學計量系數乘積的代數和的負值。
2.反應焓的量子化學計算方法
根據文獻“Thermochemistry in Gaussian”白皮書[2]可知，對于一個化學反應來說，如果反應物和生成物中各種原子的個數均相等，那么在計算該化學反應過程的反應熱時，有關原子的信息就可以抵消，其反應熱的計算只需要分子的數據。具體的計算公式如下：
其中Em表示分子總能量，Hc表示熱焓校正，二者之和可以直接從Gaussian程序的輸出文件中讀取。此處量子計算化學研究的對象一般是單個氣態分子，因此上述公式中的Em準確地說是氣態單分子的總能量，Hc是氣態單分子的熱焓校正值。由此可見，這里所說的化學反應都是在氣相中進行的，即參與反應的各個組分均為氣態。這也正是該理論計算方法的局限性和不足之處。但是，對于某些液相或者固相反應來說，同樣可以利用該方法粗略地估算其標準摩爾反應焓。
3.乙醇脫水制取乙烯的化學反應焓
以乙醇脫水制取乙烯的氣相化學反應為例，介紹量子化學方法計算標準摩爾反應焓的步驟和具體過程。首先，利用GaussView軟件分別繪制乙醇、水和乙烯的分子結構，編輯各自的輸入文件。然后，采用Gaussian03程序優化它們的分子結構，并且進行振動分析以判斷它們為勢能面上的穩定點。圖1給出了乙醇、水和乙烯在B3LYP/6-311++G？鄢？鄢理論水平下的優化分子結構。
此外，通過查閱物理化學教材[1]的附錄獲得乙醇、水和乙烯的氣相標準摩爾生成焓分別為-235.10kJ/mol、-241.82kJ/mol和52.26kJ/mol，進而采用公式（1）計算乙醇脫水制取乙烯的標準摩爾反應焓等于45.54kJ/mol。其次，打開它們的Gaussian輸出文件，得到每個組分的分子總能量Em與其熱焓校正值Hc之和，再利用公式（3）計算該反應在298.15 K時的標準摩爾反應焓。在此基礎上，計算各種理論水平下的誤差，相關熱化學數據的理論值及其誤差列于表1。
量子化學方法范文5
礦產資源開發利用中,礦物分離與富集的依據是有用礦物與脈石礦物之間的物理化學性質差異。這種物理化學性質指的是礦物比重、磁性、電性、表面化學性質等,與這些性質對應的礦物分離與富集方法分別是重力選礦、磁電選礦、浮選等。利用重力選礦和磁電選礦分離與富集礦物的方法受到礦物比重、磁性和電性難以改變的限制,應用范圍相對較窄,而礦物表面性質可以通過人為改變,對應的浮選在礦物加工工程得到廣泛的應用。可以說,所有的礦物都可以通過浮選方法進行分離與富集。正是由于浮選成為礦物分離與富集應用最為廣泛的方法,而浮選的理論基礎又是化學,所以化學是礦物加工工程學科的重要基礎成為公認的事實,浮選作為礦物加工的主要方法,本身就是化學在礦物加工工程學科中的一種應用,因此,化學教育在礦物加工工程學科的基礎理論教育中占有非常重要的地位。礦物和巖石是自然界中天然形成的,具有固定組成的固體化合物,由于成分不同、成礦條件不同,不同的礦物表面性質是不同的,即使相同組成的礦物,由于成礦地點和成礦條件不同也會具有不同的表面性質。對于浮選分離礦物而言,不同的礦物表面性質又有相似之處,礦物與巖石之間、礦物與礦物之間、巖石與巖石之間的表面性質異同,成為浮選分離與富集這些礦物的根本依據。浮選工程中,礦物與巖石的表面性質可以根據需要人為調節和改變,從而擴大需要分離的礦物之間的表面性質差異,實現礦物之間的有效分離。化學是學生需要學習的基礎課程,從初中開始,就涉及到化學的學習,直到博士研究生,化學仍然是礦物加工工程學科學生需要繼續學習的課程。甚至作為高層次的礦物加工工程學科的教授專家,仍在不間斷的學習化學?；瘜W與浮選是不可分的,可以說,無論多么深厚的化學知識,都不能說對于浮選已經足夠了?；瘜W有多深奧,浮選就有多深奧。礦物加工工程學科人才培養過程中,化學教育是根本之一,不同層次的人才對應不同程度的化學教育。只有重視化學教育,才能做好礦物加工學科的人才培養。
1浮選是化學在礦物加工工程中的應用
無機化學研究元素、單質和無機化合物的來源、制備、結構、性質、變化和應用的一門化學,是化學中最古老的化學分支學科。浮選的對象為礦物巖石,本身就是無機物,礦物的表面性質決定于礦物本身的結構和性質,礦物表面性質的研究離不開礦物內部組成、結構及性質的研究。礦物與巖石的研究將涉及無機化學的所有領域與內容,無機化學成為礦物加工工程學科學生的必修課程。有機化學又稱為碳化合物的化學,是研究有機化合物的結構、性質、制備的學科,是化學中極重要的一個分支。含碳化合物被稱為有機化合物是因為以往的化學家們認為含碳物質一定要由生物(有機體)才能制造;然而在1828年的時候,德國化學家弗里德里希•維勒,在實驗室中成功合成尿素(一種生物分子),自此以后有機化學便脫離傳統所定義的范圍,擴大為含碳物質的化學。礦物浮選是通過改變礦物表面的疏水性來實現的,而增加礦物表面疏水性的方法是采用含烴基的異極性分子在礦物表面吸附,含烴基的異極性分子就是典型的有機物質分子,研究捕收劑、起泡劑等浮選藥劑,將涉及廣泛的有機化學。有機化學也是礦物加工工程學科學生的必修課程。物理化學的內容大致可以概括為三個方面:化學體系的宏觀平衡性質,以熱力學的三個基本定律為理論基礎,研究宏觀化學體系在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡物理化學性質及其規律性。屬于這方面的物理化學分支學科有化學熱力學。溶液、膠體和表面化學?；瘜W體系的微觀結構和性質以量子理論為理論基礎,研究原子和分子的結構,物體的體相中原子和分子的空間結構、表面相的結構,以及結構與物性的規律性。屬于這方面的物理化學分支學科有結構化學和量子化學?；瘜W體系的動態性質研究由于化學或物理因素的擾動而引起體系中發生的化學變化過程的速率和變化機理。屬于這方面的物理化學分支學科有化學動力學、催化、光化學和電化學。物理化學是一門內容豐富,外延廣闊的化學,浮選涉及的礦物巖石、礦漿溶液、有機分子以及泡沫浮選氣體介質與礦物之間的相互作用等等,都涉及到物理化學。物理化學在礦物加工工程本科課程設置,占有最多的學時數,分兩學期學習,是礦物加工工程學科至關重要的一門化學課程。物理化學學習好壞直接關系到浮選學習。物理化學也是礦物加工工程學科研究生入學考試的必考課程。分析化學的內容主要是:物質中元素、基團的定性分析;每種成分的數量或物質純度的定量分析;物質中原子彼此聯結而成分子和在空間排列的結構和立體分析。研究對象從單質到復雜的混合物和大分子化合物,從無機物到有機物,從低分子量到高分子量。樣品可以是氣態、液態和固態。稱樣重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的殘渣測定,只取10微克樣品,便屬于超微量分析。所用儀器從試管直到附自動化設備并用電子計算機程序控制、記錄和儲存等的高級儀器。分析化學以化學基本理論和實驗技術為基礎,并吸收物理、生物、統計、電子計算機、自動化等方面的知識以充實本身的內容,從而解決科學、技術所提出的各種分析問題。礦物加工工程學科涉及的礦物巖石、溶液、有機和無機藥劑、礦物加工原料及產品都需要通過分析檢測得以定性或定量的描述,理論研究過程中的儀器分析檢測,對礦物加工過程中的行為機理也才能進行研究和了解,所以礦物加工也與分析化學密切相關。礦物加工工程學科課程設置中,在本科階段或者在研究生階段需要對分析化學進行系統學習。結構化學、高分子化學、絡合物化學、電化學、量子化學等是比以上四大化學更加細化的化學分支方向,在進行礦物浮選研究中,針對具體的研究內容和目的,不同程度地將涉及到這些更加深入和細化的內容。為了使化學與礦物加工工程學科結合的更加緊密,在研究生階段還開設了浮選表面化學、浮選藥劑化學、浮選電化學、浮選溶液化學等。盡管在礦物加工工程學科不同階段開設了大量的化學課程，涉及的化學內容幾乎涵蓋了化學領域的所有內容，但對浮選的深入研究和理解仍然不夠。礦物浮選發展至今，還有大量的浮選理論問題沒有解決，浮選工藝的水平還有待提升，進一步強化化學教育和礦物浮選化學研究對礦物浮選的發展具有重要的基礎作用。
2各層次人才培養中的化學教育
以技術工人為培養目標的中專和職業教育,由于生源大多是初中和高中畢業生,化學知識非常有限,僅對一些化學基礎知識有所了解,特別是初中文化水平的學生,只能了解一些初步的化學現象,因此,在進行礦物加工專業知識教學的過程中,必須補充一些學習浮選技術必要的化學知識。這種化學知識的補充,可以貫穿在專業知識的學習過程中,也可以單獨開設簡單的化學課程。只有在學生初步了解和掌握了浮選技術必備的基本化學知識以后,浮選技術專業課程的教學才能有效開展,學生也才能真正理解礦物浮選的技術知識。對于以生產技術管理和技術應為目標的?？坪捅究平逃?系統的課程設置已經考慮了化學對礦物加工工程的重要性,無機化學、有機化學、物理化學都是必修課程,學時數占到專業基礎課程學時數很大的比例,經過系統的化學知識的學習,學生在學習浮選專業課程時,已經能夠較深入理解礦物浮選中的化學問題,也能較好掌握浮選理論和浮選工藝專業知識。在生產技術管理和技術應用過程中,也基本能根據礦石性質的變化,應用所學到的化學知識和浮選理論,分析解決生產過程中出現的一般性的技術問題。以科學研究為目標的研究生教育,為了使學生能夠從生產中發現和解決生產技術問題,具備獨立從事礦物加工工程領域科學研究的能力,在大學期間學習無機化學、有機化學、物理化學的基礎上,還需要進一步學習分析化學。通過分析化學的學習,可以讓研究生掌握常規的分析檢測技術,了解和掌握科學研究過程中所要使用的現代檢測手段,發現、分析和研究試驗過程中獲得的數據、結果,從而解決科學技術問題。對于博士研究生,是要讓他們更深層次理解礦物浮選的機理,培養其創新精神和意識,為此,從電子、原子、分子層面上理解礦物浮選理論是必要的,所以,在已經較好掌握了無機化學、有機化學、物理化學、分析化學的基礎上,量子化學的學習和了解對于博士研究生來說是需要的。從以上的分析可知,浮選跟化學是不可分的,浮選實際上就是應用化學的一部分。無論是技術操作工人,還是從而浮選理論研究的博士研究生,不同程度都必須將化學作為基礎,沒有相應的化學基礎,從事浮選技術應用、技術開發及浮選理論研究都是難以想象的?；瘜W是浮選的基礎,浮選是礦物加工工程最重要的方法,因而礦物加工工程學科的化學教育是極端重要的。
3重視礦物加工工程學科的化學教育
礦產資源是不可再生的,隨著礦產資源的不斷開發利用,資源枯竭已經成為制約社會和經濟發展的重要問題之一,資源高效利用成為礦產資源開發與利用必須堅持的原則。如何實現資源的高效利用,顯然礦物加工先進技術的開發與利用是實現資源高效的重要支撐。礦物加工工程中,浮選是最為主要的方法,而化學優勢浮選的基礎,通過浮選回收和利用礦產資源,實際上就是利用化學或者表面化學方法回收和利用礦產資源。重視礦物加工工程學科的化學教育問題,才可能從根本上提高人才質量,才能從源頭上解決礦產資源高效利用的根本問題。礦產資源開采出來以后,多種資源共伴生,性質復雜,給資源中各種礦物的分離與富集帶來了很多困難,為了實現資源的綜合利用,只要有價值的礦物,都要進行回收,此時,這種礦物的物理化學性質研究,通過化學的方式改變各種礦物的性質,擴大彼此間性質的差異就成為礦物加工工程學科的重要課題,而所使用的方法基本上都是化學的方法,所以,礦物加工工程學科中的化學,決定著礦產資源的綜合利用,也只有重視礦物加工工程學科的化學教育問題,才可能從根本上提高人才質量,才能從源頭上解決礦產資源綜合利用的根本問題。礦產資源天然形成的,其中的組分有的是對人類社會有益的,但同樣存在對人類社會有害的組分,在礦產資源回收利用過程中,高效、綜合回收有益組分的同時,處理好有害成分也是礦物加工工程學科的任務。只有解決了有害組分的處理,使得礦物加工過程中和礦物加工以后剩下來無用組分無害于人類和社會,礦產資源才能實現清潔利用。礦產資源中有害組分的處理,首先也必須掌握這些組分的性質,然后通過化學的、物理的方法對其進行分離、無害化處理等,而這些過程也與化學密切相關,所以,礦產資源的清潔利用也離不開化學。礦物加工工程學科的化學教育也是礦產資源清潔利用所要求的。礦物加工過程大都需要將礦石磨細,使礦石中的有用礦物與脈石礦物解離,而有用礦物與脈石礦物的分離大多是在水中進行的,礦物加工工程廢水排放成為影響環境的重要問題。當今的礦物加工工程領域,要求選礦廢水零排放,確保廢水對環境不造成影響。廢水零排放意味著廢水必須回用,而廢水回用將帶來對選礦技術指標產生影響的問題,為了盡可能不是回水影響選礦技術指標,必須對回水進行性質研究,有的還要進行適當的化學處理,無論是回水性質的研究和回水的化學處理,都需要涉及化學知識,所以,礦物加工過程中廢水對環境的影響、廢水回用的處理等都直接與化學相關。礦物加工的環境問題也要求礦物加工工程學科重視化學教育。礦物加工過程中,做好了資源高效、綜合、清潔利用,做好了廢水的循環利用和實現了廢水的零排放,就能實現礦產資源開發利用的可持續發展,而礦產資源高效、綜合、清潔利用與廢水處理均與化學密切相關,由此看出化學在礦物加工工程領域的重要性,重視化學教育是礦物加工工程學科的必然要求。
量子化學方法范文6
一努力培養學生學習興趣，激發學生學習熱情
結構化學課程內容較為抽象、不易理解，因此學生普遍對該課程的學習興趣不高。為了盡可能克服這種現象，課堂教學中我們嘗試通過各種途徑培養學生的學習興趣，激發他們的學習熱情，以切實提高課堂教學效果。
1介紹量子理論誕生的歷史，讓學生了解結構化學知識的重要性[5-6]
結構化學有著漫長的發展史，其發展歷程的每一階段幾乎都有一些傳奇的故事和有獲得諾貝爾獎的成就作為支撐。因此，課堂教學過程中適當地向學生介紹量子理論誕生及被人們所接受過程的傳奇故事，會使學生深刻認識到相關知識的重要性，提高其學習興趣。同時，向學生介紹這些知識得出的背景和過程，前人分析問題、解決問題的思路和方法，激發并保持學生的興奮思維，讓學生從前人的成功中學會理論聯系實際，學會觀察、思考以及分析和歸納的能力，從而對結構化學的學習產生濃厚的興趣，變被動學習為主動學習。
2將理論與實際應用有機結合，讓學生了解結構化學知識的廣泛應用[7]
教師在授課過程中可針對不同專業的學生，加強授課內容與學生畢業后工作及后續學習的聯系。針對師范院校化學專業的學生而言，現行中學化學教材中有許多問題，都可以用結構化學的原理、概念來加以解釋。其中，元素周期律、原子結構、原子、離子核外電子的運動狀態的描述，核外電子排布的規律等都可以運用結構化學中原子結構的原理進行深入的理解和解釋。簡單分子的成鍵情況、分子的空間幾何構型判斷、分子的性質與結構的關系等則可運用結構化學中分子結構的知識進行深入的解釋。C60分子篩等晶體的結構，應用結構化學中晶體結構的知識也都可以得到解釋和說明。這些都說明結構化學與中學化學是緊密相關、相互滲透的。教師可在結構化學教學中充分聯系中學化學教學的實際，調動學生學習結構化學的積極性和興趣，提高他們應用結構化學知識解決中學化學教學實際問題的能力，激發學生對結構化學的學習興趣。
3將學科前沿的研究動態和熱點融入課程教學，讓學生了解結構化學的最新發展動態和取得的成果[8]
教學中，我們會根據學科進展，適時更新一些前沿內容，在教學內容上增加一些教材中沒有的學科前沿研究動態和熱點。現代科學技術的日新月異，加快了科學知識的積累和科學概念的更新，所以基礎課教學內容也需不斷的更新和發展。教學中不但要“少而精”，還要“少而新”，不但要“常教常精”，還要“常教常新”，這就要求教師及時了解發展動態，不斷補充新知識。選擇新分子、新材料、新理論充實和更新教材內容，如簡介球烯化合物、納米材料、高溫超導體、掃描隧道顯微鏡，展示晶體材料在現代科技中的重要應用，向學生作“結構化學的發展與動向”、“新型材料及應用前景”等專題介紹，使學生了解結構化學的新進展。實踐證明，通過課堂知識與當前科研的前沿和實際相結合的講授方式，使學生在學到基礎知識的同時，又能了解所學知識與科研實踐的聯系，使學生覺得學有所用，激發了他們的學習興趣和從事科研工作的熱情。
二充分利用計算機與網絡，督促學生做好課前預習和課后復習
為了讓學生能帶著問題有針對性地學習，我們要求學生利用網絡教學平臺進行課前預習和課后復習。我們利用學校網絡教學平臺把結構化學教學課件、教學大綱、練習題及解答、結構化學資源和實驗講義等各種信息上傳到結構化學教學網頁上，讓學生充分了解課程安排、課程要求等課程信息，有意識地給學生留一些與上課內容有關的問題或知識點，鼓勵學生應用網絡去主動獲取知識，形成自己的認識和體會，提前做到有效預習，這增加了學生自主學習的時間和空間。課后還要求進行知識的復習鞏固，遇到疑難問題，還可在網絡上進行在線答疑，極大地提高了學生的學習自主性。這為課堂教學質量的提高提供了有效的保證。
三改革傳統教學模式，引導學生積極參與課堂教學，創設民主、開放的課堂環境和氛圍[7]
傳統的教學模式中，課堂教學以教師為中心，知識傳播靠教師灌輸的特征十分明顯。長此以往，造成課堂氣氛沉悶、壓抑，學生思想不易集中。為確立學生在教學中的主體地位，我們本著以學生為本的思想，創設民主、開放的課堂環境和氛圍，把學習的主動權還給學生，引導學生適當參與課堂教學，教學互動、教學相長。在整個教學過程中，我們以積極的心態和情緒，豐富形象的語言，因勢利導，不斷啟迪，使學生思維活躍、積極響應，課堂教學始終充滿活力。學生也通過愉快的交流達到掌握知識的目的。
四采用框架結構教學法，強化重難點，弱化復雜數學公式的推演[8]
每門學科都有自己的知識框架，它是學科的精髓。教師在課堂上的講授不能只見樹木，不見森林。如果拘泥于細節講得太多太細，在有限的時間內很難完成規定的教學任務，也不利于激發學生的求知欲。我們在課堂講授中，著重闡述分析知識結構框架及知識點之間的聯系、關鍵內容及重要結論等，中間的演算、一般性的論述和遺留問題可以由學生課后通過網絡教學平臺自己解決，實在無法回避的數學公式，力爭用簡化的模型來描述，使其易于理解、掌握。我們進入課堂就向學生直接交底，這次課打算解決什么問題，問題是怎樣提出的；打算采用哪些方法、沿什么思路解決這些問題，問題解決后又如何具體應用。在引導學生理清思路后再選擇重點或難點等關鍵內容進行重點講授，達到舉一反三的目的。將那些屬于拓展提高、疑難問題辨析討論、進一步應用細節等內容調整為給學生提問題，引導學生通過思考、查閱資料的方式來完成。這樣的教學過程不僅使學生接受知識，而且對教師分析問題和解決問題的思路和方法產生興趣，得到有效啟迪，自然也就獲得了探索知識的主動權，最終轉化為創新能力和課堂效率。
五適當運用多媒體技術和量子化學計算軟件輔助教學[8-10]
傳統的以“教師+黑板+粉筆”的教學模式有時學生感到枯燥無味，且難以理解原理與結構之間的內在聯系，因此，在結構化學教學中我們利用Flash、3D MAX、ChemOfice、PPT等軟件制作了分子結構圖、動態圖片和三維立體變化模型，模擬原子、分子等的結構和變化機理，使抽象的三維空間變得直觀化，以生動、形象、清晰的畫面向學生展示出分子結構模型等，通過幻燈片放映還可以使學生在最短的時間獲得大量知識，提高教學效率。借助于計算機技術，學生將能“走進”原子、分子和晶體內部，探索微觀世界的奧妙，從而顯著改進教學效果，這也是結構化學多媒體教學的魅力。多媒體教學廣泛采用分子軟件制作立體感強、可實時操作的動態模型，解決實物模型種類有限、數量不足的困難，為學生提供動手機會；尤其是把Gaussian03程序[11]精確的計算能力與Gaussview的顯示能力運用于課堂教學，讓學生直觀形象地了解物質的微觀結構和化學問題處理方法，從而加深對教材內容的理解，為學生進行探究式學習提供一種有用的工具。原子軌道、分子軌道、電子云等圖形采用量子化學程序計算繪制，不僅使抽象概念具體化，而且將結構化學中豐富多彩的結構美、形態美、理論美，用多媒體功能表現出來，使化學教學同時成為美感教育過程，活躍氣氛，提高學習興趣，糾正對化學的片面認識，使學生更加熱愛化學，從而提倡科學與人文、藝術的結合，以利素質教育，最終改進課堂教學效果。
總之，我們在結構化學的課堂教學中努力培養學生學習興趣，激發學生學習熱情，盡可能做到化繁入簡、化簡于無形，合理運用現代化教學手段和量子化學計算軟件的強大功能，使學生忘卻其難，感受其美，喜歡結構化學，從而學好結構化學。
參考文獻
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