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量子化學的發展范文1
【關鍵詞】中學 化學教學 量子空間論
【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0154-01
（小敘）：課篇第一章節細讀、研讀、探透性知識點。
1.尋找研究方法 2.課題的研究內容
3.課題研究的一些成果 4.鞏固建筑語錄
【序言】
化學是在分子、原子層次上研究物質性質、組成、結構與變化規律的科學?；瘜W不斷地發展著，目前，人們發現和合成的物質已有幾千萬種，其中很多是自然界中原本不存在的；這極大地改善了人類的生存和發展條件，豐富了人們的生活。
例如：
1.納米銅（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室溫下可拉長50多倍而不出現裂紋。
2.用隔水透氣的高分子薄膜做的鳥籠。
3.單晶硅為信息技術和新能源開發提供了基礎材料。
4.用玻璃鋼制成的船體。
總之，作為實用的、富于創造性的中心學科，化學在能源、材料、醫藥、信息、環境和生命科學等研究領域以及工農業生產中發揮著其他學科所不能替代的重要潛質作用。近年來，“綠色化學”的提出，使更多的化學生產工藝和產品向著環境友好的方向發展，化學必將使世界變得更加絢麗光彩。
【尋找研究方法】
第一單元 走進化學世界；
1.物質的變化和性質
2.化學是一門以實驗為基礎的科學
3.走進化學實驗室
第二、三單元 我們周圍的空氣與自然界的水；空氣、氧氣（氧氣的制?。?、水的組成、分子和原子、水的凈化?！皭圩o水資源”。
第四、五單元 物質構成的奧妙、簡單統計應用；原子的構成、元素、離子、化學式與化合價 ：
如何正確書寫化學方程式”？利用化學方程式的簡單計算？
第六、七單元 C與C的氧化物燃料及其利用；
分析：金剛石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 與CO的區別、聯系？）
應用：燃燒和滅火？燃料和熱量？
環保問題：“燃料對環境的影響”
自留田地：“石油和煤的綜合利用？”
第八、九單元 金屬與溶液的問題；
熟記、認識：金屬、金屬材料、金屬的化學性質；
金屬資源的利用和保護、溶液的形成；
溶解度、溶質的質量分數。
第十、十一、十二單元 酸與堿 、鹽與化肥 、“化學與生活”。
生活中常見的：1.酸與堿
2.酸與堿之間會發生什么反應
3.鹽
4.化學肥料
人體：1.人類重要的營養物質
2.化學元素與人體健康
3.有機合成材料
學生自認化學常用儀器。學習“附錄”相關記錄 。
【課題的研究內容】
無機化學中量子（分子、原子）力學論
量子化學（Quantum chemistry）是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基礎原理和方法研究化學問題的一門基礎科學。研究范圍包括穩定和不穩定分子的結構、性能及其結構與性能之間的關系；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。
量子化學是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基本原理和方法，研究化學問題的一門基礎科學。
1927年海特勒和倫敦用量子力學基礎原理討論氫分子結構問題，說明了兩個氫原子能夠結合成一個穩定的氫分子的原因，并且利用相當近似的計算方法，算出其結合能。由此，使人們認識到可以用量子力學原理討論分子結構問題，從而逐漸形成了量子化學這一分支學科。
【課題研究的一些成果】
生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結構，設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧妙，進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。
【鞏固建筑語錄】
化學中常見“離子反應”包括：“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”和“離子反應及其發生的條件”兩部分。
無機化學中最關鍵的是要有實觀性：基礎高層次的“化學方程式”們。
其次，稀土元素中的各種化學量變、質變及各種物理、化學性反應。
再次，金屬的利用、及高等積存用途。
還有，就是氣體的大力層存在行式。如同：水、陸、空，人類的生活方式。
參考文獻：
[1]初中九年級化學上、下冊課本，人民出版社出版，2011年版。
量子化學的發展范文2
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?？梢哉f,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?；瘜W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。化學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專科和本科教育,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。
量子化學的發展范文3
整體和局部性科學是一個復雜的知識體系，好比一塊蛋糕。為了便于研究，要把它切成大、中、小塊。首先切成自然科學、技術科學和社會科學三大塊。在自然科學中，又有許多切法。一種傳統的切法是分為物理學、化學、生物學、天文學、地理學等一級學科。近年來又有切成物質科學、生命科學、地球科學、信息科學、材料科學、能源科學、生態環境科學、納米科學、認知科學、系統科學等的分類方法。化學是從科學整體中分割開來的一個局部，它和整體必然有千絲萬縷的聯系。這是它的第一個屬性。
學科之間的關聯和交叉如果把科學整體看成一條大河，那么按照各門科學研究的對象由簡單到復雜，可以分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游科學，化學是中游科學，生命科學、社會科學等是下游科學。上游科學研究的對象比較簡單，但研究的深度很大。下游科學的研究對象比較復雜，除了用本門科學的方法以外，如果借用上游科學的理論和方法，往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科學之花，可以接下游科學之木”。具有上游科學的深厚基礎的科學家，如果把上游科學的花，移植到下游科學，往往能取得突破性的成就。例如1994年諾貝爾經濟獎授予納什，他在1950年得數學博士學位，1951－1958年任美國麻省理工學院數學講師、副教授，后轉而研究經濟學，把數學中概率論之花，移到經濟學中來，提出預測經濟發展趨勢的博弈論，因而獲得諾貝爾經濟獎。
發展性化學的內涵隨時代前進而改變。在19世紀，恩格斯認為化學是原子的科學（參見《自然辯證法》），因為化學是研究化學變化，即改變原子的組合和排布，而原子本身不變的科學。到了20世紀，人們認為化學是研究分子的科學，因為在這100年中，在《美國化學文摘》上登錄的天然和人工合成的分子和化合物的數目已從1900年的55萬種，增加到1999年12月31日的2340萬種。沒有別的科學能像化學那樣制造出如此眾多的新分子、新物質?，F在世紀之交，我們大家深深感受到化學的研究對象和研究內容大大擴充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世紀的化學是研究泛分子的科學。
定義的多維性一門科學的定義，按照從簡單到詳細的程度可以分為：（1）一維定義或X－定義，X是指研究對象。（2）二維定義或XY－定義。Y是指研究的內容。（3）三維定義或XYZ－定義。Z是指研究方法。（4）四維定義或WXYZ定義，W是指研究的目的。（5）多維定義或全息定義。一門科學的全息定義還要說明它的發展趨勢、與其他科學的交叉、世紀難題和突破口等等。這樣才能對這門科學有全面的了解。下面以化學為例加以說明。
化學的一維定義
21世紀的化學是研究泛分子的科學。泛分子的名詞是仿照泛太平洋會議等提出的。泛分子是泛指21世紀化學的研究對象。它可以分為以下十個層次：（1）原子層次，（2）分子片層次，（3）結構單元層次，（4）分子層次，（5）超分子層次，（6）高分子層次，（7）生物分子和活分子層次，（8）納米分子和納米聚集體層次，（9）原子和分子的宏觀聚集體層次，（10）復雜分子體系及其組裝體的層次。
化學的二維定義化學是研究X對象的Y內容的科學。具體地說，就是：化學是研究原子、分子片、結構單元、分子、高分子、原子分子團簇、原子分子的激發態、過渡態、吸附態、超分子、生物大分子、分子和原子的各種不同維數、不同尺度和不同復雜程度的聚集態和組裝態，直到分子材料、分子器件和分子機器的合成和反應，制備、剪裁和組裝，分離和分析，結構和構象，粒度和形貌，物理和化學性能，生理和生物活性及其輸運和調控的作用機制，以及上述各方面的規律，相互關系和應用的自然科學。
化學的三維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容的科學?；瘜W的研究方法和它的研究對象及研究內容一樣，也是隨時代的前進而發展的。在19世紀，化學主要是實驗的科學，它的研究方法主要是實驗方法。到了20世紀下半葉，隨著量子化學在化學中的應用，化學不再是純粹的實驗科學了，它的研究方法有實驗和理論?，F在21世紀又將增加第三種方法，即模型和計算機虛擬的方法?；瘜W的四維定義化學是用Z方法研究X對象的Y內容以達到W目的的科學?；瘜W的目的和其他科學技術一樣是認識世界和改造世界，但現在應該增加一個“保護世界”?；瘜W和化學工業在保護世界而不是破壞地球這一偉大任務中要發揮特別重要的作用。造成污染的傳統化學向綠色化學的轉變是必然的趨勢。21世紀的化工企業的信條是五個“為了”和五個“關心”：為了社會而關心環保；為了職工而關心安全、健康和福利；為了顧客而關心質量、聲譽和商標；為了發展而關心創新；為了股東而關心效益。
化學的多維定義———21世紀化學研究的五大趨勢
1、更加重視國家目標，更加重視不同學科之間的交叉和融合在世紀之交，中國和世界各國政府都更加重視國家目標，在加強基礎研究的同時，要求化學更多地來改造世界，更多地滲透到與下述十個科學郡的交叉和融合：1數理科學，2生命科學，3材料科學，4能源科學，5地球和生態環境科學，6信息科學，7納米科學技術，8工程技術科學，9系統科學，10哲學和社會科學。這是化學發展成為研究泛分子的大化學的根本原因。所以培養21世紀的化學家要有寬廣的知識面，多學科的基礎。
2、理論和實驗更加密切結合
1998年，諾貝爾化學獎授予W．Kohn和J．A．Plple。頒獎公告說：“量子化學已經發展成為廣大化學家所使用的工具，將化學帶入一個新時代，在這個新時代里實驗和理論能夠共同協力探討分子體系的性質?；瘜W不再是純粹的實驗科學了?！彼栽?1世紀，理論和計算方法的應用將大大加強，理論和實驗更加密切結合。
3、在研究方法和手段上，更加重視尺度效應
20世紀的化學已重視宏觀和微觀的結合，21世紀將更加重視介乎兩者之間的納米尺度，并注意到從小的原子、分子組裝成大的納米分子，以至微型分子機器。
4、合成化學的新方法層出不窮合成化學始終是化學的根本任務，21世紀的合成化學將從化合物的經典合成方法擴展到包含組裝等在內的廣義合成，目的在于得到能實際應用的分子器件和組裝體。合成方法的十化：芯片化，組合化，模板化，定向化，設計化，基因工程化，自組裝化，手性化，原子經濟化，綠色化?；瘜W實驗室的微型化和超微型化：節能、節材料、節時間、減少污染。從單個化合物的合成、分離、分析及性能測試的手工操作方法，發展到成千上萬個化合物的同時合成，在未分離的條件下，進行性能測試，從而篩選出我們需要的化合物（例如藥物）的組合化學方法。
5、分析化學已發展成為分析科學分析化學已吸收了大量物理方法、生物學方法、電子學和信息科學的方法，發展成為分析科學，應用范圍也大大拓寬了。分析方法的十化：微型化芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能化信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化。單分子光譜、單分子檢測，搬運和調控的技術受到重視。分離和分析方法的連用，合成和分離方法的連用，合成、分離和分析方法的三連用。
量子化學的發展范文4
結構化學是用現代物理化學實驗方法和量子力學原理，在原子―分子水平上研究物質分子構型與組成的相互關系及其結構與性能之間關系的一門科學。由于這門課數理推導多、概念抽象，好多學生在學習本課程時都有畏難情緒，學習此課程的自信心不足。隨著計算機技術及互聯網的進步，將計算機軟件用于輔助結構化學的教學日益受到老師們的重視。美國劍橋軟件公司研制的Chem 3D Ultra11.0是當前結構化學教學中常用的編輯軟件。Chem 3D Ultra11.0軟件可編輯各類十分復雜的結構化學中的結構式、檢查分子結構的合理性以及立體化學的空間表達，還可以精確表達有機物分子中指定官能團部分的多種光譜，并且還能繪制DNA的分子螺旋結構，預測分子的某些常見分子軌道。Gaussian是化學領域進行半經驗計算和從頭計算中使用最廣泛的量子化學軟件。Gaussian可用于研究分子能量和結構、化學鍵和反應能量、過渡態能量和結構、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、分子軌道、極化率和超極化率、振動頻率、核磁性質、反應路徑、熱力學性質等，是研究取代反應、反應機理、勢能面和激發態能量的有力工具。Gaussian View是專門為Gaussian用戶開發的，幫助建立輸入文件和查看輸出結果而設計的圖形用戶界面程序。
一 Chem 3D Ultra在前線分子軌道理論教學中的應用
前線分子軌道理論是日本理論化學家福井謙一成名的理論，這一理論將分子中的單電子波函數根據能量細分為不同能級的分子軌道，該理論認為有電子排布的、能量最高的分子軌道（即最高占據軌道HOMO）和沒有被電子占據的、能量最低的分子軌道（即最低未占軌道LUMO）是決定一個體系發生化學反應的關鍵。在以往的結構化學教學過程中，分子軌道主要由教師手繪，非常費時也不嚴謹。Chem 3D Ultra11.0經過計算模擬后可顯示全部分子軌道圖像，在教學中非常明了直觀。例如，在Chem 3D中首先可以方便地繪出乙烯分子的結構圖，從結構圖中很容易看出乙烯分子的6個原子處在同一平面上，屬于D2h分子點群。通過[Calculations]計算完以后，我們就可以通過[Surfaces]顯示如圖1的前線分子軌道圖，其中HOMO是p成鍵軌道，LUMO是p反鍵軌道。用Chem 3D軟件顯示出的分子軌道，學生很容易理解。用同樣的方法我們也可以方便地得到其他分子的軌道圖。
二 Gaussian View在分子光譜教學中的應用
分子的紅外光譜起源于分子的振動基態 與振動激發態 之間的躍遷。只有在躍遷的過程中有偶極矩變化
的躍遷，即 不為零的振動才會出現紅外光譜，
這稱為紅外活性。在振動過程中，偶極矩改變大者，其紅外吸收就強；偶極矩不改變者，就不出現紅外吸收，為非紅外活性。用Gaussian程序，在B3LYP/6-311++g（2d，2p）水平上優化得到H2O的最小能量結構，并且
* 榆林學院精品課程項目（編號：JP1302）、榆林學院發展專項資助項目（編號：HGY2015-3）
做FREQ頻率分析，然后用Gaussian View程序顯示，可得圖3，即H2O的紅外振動光譜圖。為了顯示H2O的3種紅外振動模式的動畫形式，首先用Gaussian View打開H2O的out文件，然后點擊[Results][Vibrations][Start]，即可顯示動畫形式。從動畫、圖2及圖3可以看出，對稱伸縮偶極矩變化不大，所以它的振動強度（Intensity）就非常小，其他兩個振動，振動強度比較大。非常直觀明了，學生通過看動畫很容易理解深奧的理論。
三 鍵級的計算
在結構化學教學中，我們常常通過對分子的結構進行分析來解釋或預測化學反應的性質，這也是結構化學的重要應用之一。比如在結構化學教學中求解得到的電荷密度、鍵級、自由價和分子圖等概念可以用來解釋分子的活性位置、說明化學反應的過程和機理，也可以用來解釋分子的動力學行為等。但如果我們要得到自由價、電荷密度和鍵級的值，首先要利用休克爾分子軌道理論法求解不飽和分子的薛定鄂方程，然后根據課本上的公式進行計算，整個過程非常復雜，也比較繁瑣，一般在課堂上由于時間較短很難做到。而Gaussian提供了簡易的計算程序，只要在優化好的分子上并加上關鍵詞iop（6/80=1）即可得到分子的Mayer鍵級。如圖4，就是在B3lyp/6
-311G*水平上優化好分子后得到的1，3-丁二烯的Mayer鍵級，從圖中可以看出，C1和C2及C3和C4之間的鍵級較大，而C2和C3之間的鍵級較小，從而可以解釋為什么1，3-丁二烯的加成反應發生在1，4位而不是2，3位；C1和C2的鍵長小于C2和C3的鍵長，等等。
量子化學的發展范文5
關鍵詞：中學生 化學 發展 發展趨勢
21世紀的社會主角是當代的中學生，21世紀的化學發展還要靠當代中學生的努力。要想在化學方面有所建樹，中學生就應該了解化學的發展歷程及未來的發展趨勢。
自人類出現后，化學便與人類結下了不解之緣。遠古時代的鉆木取火，用火燒煮食物，制陶，冶銅和鐵器等等，這些化學技術的應用極大地促進了當時社會生產力的發展，標志著人類社會的進步。今天，化學作為一門基礎學科，在科學技術和社會生活的各個方面起著越來越大的作用。那么，從古至今，伴隨著人類社會的進步，化學歷史的發展經歷了哪些時期呢？
一、化學學科發展歷程的回顧
1、遠古的工藝化學時期
在遠古的工藝化學時期，人類的制陶、冶金、釀酒、染色等工藝，主要是憑借幾千萬年的實踐經驗摸索出來的，當時化學雖然知識還沒有形成，但已經有了萌芽，這便是化學發展的萌芽時期。
2、煉丹術和煉金術時期
大約到了公元前1500年，人們開始對長生不死向往，戰國時期的方士認為只有金石之類的不朽之物方能成就人們的不死之身。于是，煉丹術便由此開始。由于絲綢之路的開通，中國的煉丹術逆向傳入歐洲的波斯和阿拉伯地區。這時的波斯已經伊斯蘭化，伊斯蘭教徒沒有得道成仙、長生不老的觀念，他們只有對金的崇拜，于是人們想把其他金屬皆變作黃金，因此煉丹術在該地區演化成煉金術。這便是最早的化學實驗，化學方法轉而在醫藥和冶金方面得到了正當的應用。在歐洲文藝復興時期，出版了一些有關化學的書籍，第一次有了“化學”這個名詞。英語的chemistry起源于alchemy（煉金術）。
3、燃素化學時期
從1650年到1775年，隨著冶金工業和實驗室經驗的積累，人們總結感性知識，認為可燃物能夠燃燒是因為它含有燃素，燃燒的過程是可燃物中燃素放出的過程，可燃物放出燃素后成為灰燼。
4、定量化學時期
氣體化學的定量方法的應用，從化學科學內部不斷地沖擊著陳舊的燃素學說。而在十八世紀后期的工業革命和資產階級民主革命，推動整個自然科學進入了一個空前的發展時期。這就又在化學科學外部提供了燃素學說，建立科學燃燒理論的條件。綜合這些因素，就使得化學家能夠把從氣體性質中推導出來的物理概念應用到傳統的化學中去，建立了新的氧化學說。1775年前后，拉瓦錫用定量化學實驗闡述了燃燒的氧化學說，開創了定量化學時期，實現了一場深刻的化學革命。這樣，化學也就從傳統的經驗技術性的學科，轉變為可以用數學進行定量計算的學科了。
二、化學學科發展的現狀
20世紀初化學已深入到原子、分子層次，化學成為在原子、分子層次上研究物質結構和性能的科學，建立了一套物質分子的研究方法(包括理論研究和計算，分子層次上的測量，微觀結構和宏觀性質的研究)。這些科研成果如約里奧-居里夫婦用人工方法創造出放射性元素、在費米領導下成功地建造了第一座原子反應堆、化學鍵和現代量子化學理論的建立、合成化學、高分子科學的建立和發展等等使化學發生了深刻地變化。
在進入21世紀的今天，人們在談論科學的發展時指出，“這將是一個生命科學和信息科學的世紀。”那么化學還有什么用呢？如諾貝爾獲得者H.W.Kroto在回答這個問題時所述，“正是因為是生命科學和信息科學的世紀，所以化學才更為重要?！币驗檫@是一門承上啟下、滲透于各種新興交叉學科的中心科學。化學的原理和這些研究方法廣泛使用于其他學科，使化學滲透到其他學科形成許多新的交叉前沿學科，從而使化學處于中心學科的地位。
材料化學、生命化學、環境化學、綠色化學等均屬于新的交叉前沿學科。
1、材料化學
材料科學的發展十分迅速，它是物理、化學、數學、生物、工程等一級學科交叉而產生的新學科領域。材料化學處于核心地位，它的應用目的性很強。它是人類衣、住、行、用的原料，也是社會生產的最根本的物質基礎。比如新型高分子薄膜材料及其多層膜形成技術的研發成功，才使得舉世稱譽的“水立方”游泳館的設計得以實現，為2008年北京奧運會增添了色彩。
功能材料是新材料領域的核心，是社會發展、國民經濟及國防建設的基礎和先導。它不僅對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用，還對我國相關傳統產業的改造、實現跨越式的發展起著重要的促進作用。
當前國際功能材料及其應用技術正面臨著新的突破，諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發展之中，發展功能材料技術正在成為一些發達國家強化其經濟及軍事優勢的重要手段。
目前已發現上千種超導材料，但是實際上只有鈮基超導體[1]真正投入使用。以NbTi[2]、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化。以鈮為基礎的導體做成線材、電纜和復雜結構的導體已經成為高磁場領域必不可少的工具。
鈮基超導體最突出的用途是醫療診斷上的磁性共振成像技術(MRI)。 在醫療器械領域，超導體已經開辟出約2.5 B$ 的市場。MRI的一個典型的功能例子是腦成像，因血液中氧的含量不同，因而其磁特性不同，從而可探測大腦的活動。
第二個重要用途是核磁共振(NMR)的光譜技術，NMR 光譜在化學，生物學，醫學和材料研究領域已成為有力的分析工具。在NMR光譜方面，被研究的某一同位素共振線的光譜被記錄下來和分析，可以得到試樣中分子結構的信息。商業用NMR光譜的范圍現在300 MHz(7T)和900 MHz (18.8T)之間。磁場達到400 MHz(9.4T)以上時，只能采用NbTi導體。對于500 MHz (11.8T) 和更高磁場的磁體, 其內部高磁場部分采用的是Nb3Sn導體制成, 因此是NbTi/Nb3Sn的復合體。
另一個應用領域是核熔融技術。電能不僅可以由重核分裂產生， 而且可以用氫同位素核融解來生產。熔融反應只能發生在非常高的溫度下，此時必須采用加入粒子的等離子體。該等離子體必須包容在高磁場內，該高磁場必須用超導磁體產生，應用Nb3Sn材料的熔融裝置具有很高的磁場。核熔融為今后電力生產提供了另一種選擇。
2、生命化學
生命化學是運用化學原理及方法研究生命現象及其運動規律的學科。它是從分子水平來研究生物體的：研究其成分及它們如何按嚴密特定的方式組合而成；研究其各部分為什么具有其特殊的生理功能；研究生物體是如何進行物質與能量新陳代謝的；研究生物體如何繁殖，遺傳的原因等等。生命化學對于改良和創造新生物品種，充分利用資源，豐衣足食，提高生活質量和健康水平以及改善環境均具有極其重要意義。
3、環境化學
環境化學是環境科學的一個分支，就其基礎來看更多的屬于化學范疇，它使用化學的基本原理和方法來研究環境問題。環境化學是研究環境中物質相互作用的學科。環境化學的研究任務主要指分析檢測環境介質中存在的有害物質，追蹤它們的來源以及在環境介質中化學物質的行為，了解有害物質對生物和人體產生不良影響的規律，由此會推動環境分析化學、大氣環境化學、水環境化學、土壤環境化學等三級學科的發展。
4、綠色化學
綠色化學是指化學反應過程以“原子經濟性”為基本原則，即在獲取新物質的化學反應中充分利用參與反應的原料的每個原子，實現零排放。這樣不僅充分利用了資源，而且不會產生污染，并采用無毒、無害的溶劑、助劑和催化劑，生產出有利于環境保護、社區安全和人身健康的環境友好產品?；瘜W家不僅要考慮化學品生產的可行性及其用途，還要設計出不產生或減少污染的化學過程。綠色化學將會改變化學工業的面貌。
三、化學學科發展的趨勢
1、化學仍是提高人類生存質量和生存安全的有效保障
不斷提高生存質量和生存安全是人類進步的標志?；瘜W研究至少可以從三方面對保證生存質量的提高做出貢獻：
① 通過研究各種物質和能量的生物效應的化學基礎，特別是搞清楚兩面性的本質，找出最佳利用條件；
② 研究開發對環境無害的化學品和生活用品，研究對環境無害的生產方式。提供安全有防病作用的食物和食物添加劑(特別是抗氧化劑)，改進食品儲存加工方法，以減少不安全因素，有效防止“三聚氰胺”、“瘦肉精”、“有色饅頭”、“奶茶塑膠”、“有毒黃瓜”等類似事件發生。
③ 研究大環境與小環境中不利因素的產生、轉化與人體的相互作用，提出優化環境建立潔凈生活空間的途徑。
健康是重要的生存質量的標志，預防疾病將是21世紀醫學發展的中心任務。化學可以從分子水平了解病理過程，提出預警生物標志物的檢測方法，建議預防途徑。
2、化學在能源和資源的合理開發和高效安全利用中起關鍵作用
21世紀初期，我國重點能源仍然為煤碳、石油、天然氣等能源。這就要求研究高效潔凈的轉化技術和控制低品位燃料的化學反應，使之既能保護環境又能降低成本。此外還要開發新能源，新能源必須滿足高效、經濟、潔凈、安全的要求。太陽能、新型的高效潔凈電源與燃料電池都將成為21世紀的重要能源。
3、化學將繼續推動材料科學發展
2l世紀電子信息技術將向更快、更小、功能更強的方向發展。目前正在致力于量子計算機、生物計算機、分子電路、生物蕊片等高新技術，進入分子信息技術階段要求化學家設計、合成所需的物質和材料。
化學家還應該研究各種與電子信息有關的材料的性質和功能以及與各個層次結構的關系，特別是物質與能量的相互作用的化學特征，創造具有特殊功能的新物質和新材料。
最后希望學生們努力學習化學，將來為化學的發展作出貢獻，加快社會發展，提高人們的生活質量，讓化學改變整個世界!
參考文獻：
[1] Helmut Krauth. FABRICATION AND APPLICATION OF NbTi AND Nb3Sn SUPERCONDUCTORS.
量子化學的發展范文6
關鍵詞： 數學 其他學科 應用
數學是一門應用非常廣泛的學科。偉大的數學家華羅庚曾說：“宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之變，生活之謎，日月之繁，無處不用數學?！边@應該算得上是對數學與其他學科關系的完美闡述。馬克思指出：“一種科學只有在成功地運用數學時，才算達到了真正完善的地步?！笨梢?，任何一門自然學科的發展都離不開數學。數學的基礎作用，無不在其他學科的深入研究中顯示出來，因此，有人說數學是自然科學之母。當今社會，物理、化學、計算機等學科與人們的日常生活息息相關，它們影響著人類文明的進步和社會的發展，因此本文主要考察數學在物理、化學、計算機學科中的應用和影響。
1.數學在物理學科中的應用
物理要創新，不僅僅靠物理實驗，還要有數學作為其理論基礎。數學，尤其是微積分學，是研究近代物理的不可或缺的重要工具，數學也因此有了實際意義[1]?？v觀整個物理學，任何一個分支都不能離開數學，不能離開微積分，任何一門理論都是依靠數學建立起來的，尤其是經典力學，更離不開微積分。
微積分產生于十七世紀末，是物理學奠基人牛頓在研究經典力學的過程中創立的。他的巨著《自然哲學中的數學原理》就是應用微積分這個數學工具，構建了地球和天體主要運動現象的完整力學體系?！蹲匀徽軐W中的數學原理》的誕生，使整個物理學與數學的星空為之一亮，為物理學及數學的進一步發展開辟了更廣闊的空間，它既是物理學巨著又是數學巨著，是應用微積分解決物理問題的經典之作。可以毫不夸張地說，離開了數學，離開了微積分，物理研究將寸步難行。
2.數學在化學學科中的應用
從學科的發展和人們的認識來看，化學家們比起物理學家們，對數學在學科發展中的重要作用的認識要來得遲一些。直到近代化學，數學才顯現出其特別的基礎作用來，從定量分析到量子化學，從數量分析到計量化學，數學在化學中的作用日益增強，所涉及的數學知識也越來越深奧。
數學方法在化學各分支中的應用非常多[2，3]，如向量分析、常微分方程、微分與變分法、偏微分方程、有限差分計算、數值方法、矩陣、群論、過程最優化方法、概率與統計，等等。大部分的化學計算問題都編成了計算機程序。化學家和化學工作者只要學會一些簡單的操作就可進行大量繁重而復雜的計算，計算機將化學家們從繁重的數學計算中解放出來了。但是，化學工作者和尤其是肩負時代重任的化學家們，應該而且必須掌握基本的數學計算方法在化學中的應用，只有深刻掌握數學知識和方法，并把它們靈活地運用到化學學科中，才能使化學學科為人類作出更大的貢獻。
3.數學在計算機學科中的應用
隨著計算機技術的快速發展，數學知識在計算機技術發展中，尤其是在計算機應用程序設計中處于及其重要的地位[4]。同時，用數學的思維解決各種程序設計方面的難題也是十分重要的。在程序設計中所解決的相當一部分問題都會涉及各種各樣的科學計算，這需要程序員將實際問題轉換為程序，要經過對問題抽象的過程，建立起完善的數學模型，才能設計出好的軟件。如今形形的軟件，都與數學有必然聯系，它們相輔相成。
計算機程序設計解決問題都是實際應用問題，涉及各種各樣的科學計算，而實際問題轉換為程序，要經過一個對問題抽象的過程，建立起完善的數學模型，才能設計一個問題解決的程序。這需要程序員具有良好的數學基礎。軟件編程的思想最重要是算法，而算法是建立在數學思維上的，其實說白了，程序只是一件衣服，算法才是它的靈魂，算法就來自于數學，沒有深厚的數學思維功底，是弄不懂算法的。所以，科學計算到信息處理，從理論計算機科學到計算機應用技術，從計算機軟件到計算機硬件，從人工智能到分布式系統，無不與數學密切相關。在現代計算機科學中，如果不了解離散數學的基本內容，則在計算機科學中就寸步難行了。
以上介紹了數學在物理、化學和計算機中的應用，實際上數學在經濟學、金融學等學科中也有重要的應用，數學的重要應用深深地嵌入了各個學科中。因此，全社會應大力開展數學的基礎知識學習，調動人們對數學學習的積極性，讓數學知識和計算方法融匯到其他各個學科中，才能使得數學在其他學科中發揮更大的作用。
參考文獻：
[1]高相蘭.淺談數學方法在物理學中的應用[J].中國科教創新導刊，2011，20.
[2]鄧從豪，張道民，曹陽，等.現代化學的前沿和問題[M].山東：山東大學出版社，1987.
