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摘要:大學無機化學的教學內容較為抽象，難以被學生所接受，尤其是物質結構等方面的內容。當前學生的學習方式與傳統模式相比發生了翻天覆地的變化，傳統教學模式也難以激發學生對無機化學的學習興趣。因此，尋找一種更為科學合理的無機化學教學方法對于大學無機化學教學工作來說至關重要。本文通過查閱大量相關文獻資料，分析了量子化學軟件在物質結構、化學反應等方面的重要作用，總結了Gaussian軟件可以有效解決無機化學教學工作中分子結構難理解的問題，將抽象的化學知識宏觀地表現出來，以提升大學無機化學的教學質量，提高學生的學習效率。
關鍵詞:量子化學軟件;Gaussian;無機化學;教學
1量子化學軟件與大學無機化學教學
化學學科的教學模式以實驗實踐為主，該門學科至今已經有幾千年的歷史。大學化學主要分為無機化學、有機化學、生物化學、精細化學、分析化學、理論化學、實驗化學、應用化學以及材料化學、高分子化學等幾個分支。其中，無機化學主要研究無機物質，無機物相對于有機化合物來說是獨立存在的，通常情況下，其結構中不含有碳氫鍵。常見的無機化合物主要有金屬氧化物、碳氧化物、硫氧化物、水、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽以及鹽酸、氫氧化鈉等物質。在大學無機化學的基礎理論教學工作中可能會涉及許多抽象的概念、知識和公理。例如分子、原子以及各個分子的空間結構，這些都是通過人肉眼不能直接觀察到的，且分子結構、晶體結構等微觀知識很難用具體的模型展示出來。所以說，在大學無機化學教學工作中亟需引入更為先進和科學的教育手段。20世紀初期，一門以“量子科學”為基礎的量子化學分支逐漸發展起來，并被廣泛應用到化學領域。量子化學主要是根據量子力學的原理來對物質分子、原子、晶體結構、分子空間結構、分子間作用力、化學鍵、化學反應機理以及電子能譜、波譜和光譜進行研究。因此，量子化學的應用范圍也逐漸普及到大學無機化學教學工作中。常見量子化學軟件主要有Gaussian、MS、Q-Chem等。本文以Gaussian軟件為例，結合實際教學經驗，將抽象、深奧且枯燥的大學無機化學知識、定理轉化成一種更為立體的、直觀的、形象生動的方式展現出來，更容易被學生所接受。
2Gaussian軟件
無機化學是由元素化學和基礎理論化學兩大部分組成，主要側重于無機化合物的性質、結構以及化學反應三者之間的關系。然而基于無機化學涵蓋了許多類型的物質結構和較為復雜多變的化學鍵，且無機化學反應類型眾多，因此，無機化學教學任務十分繁重，難度很高。當前有許多包括Authorware、Flash、ChemOffice以及PowerPoint等軟件由于多樣化的教學手段，有助于無機化學教學任務，但此類軟件不能有效解決無機化學教學任務中的許多難題。基于此，量子化學計算程序軟件Gaussian被研發出來，不僅能夠為教學手段提供更為豐富的資源，還有助于解決許多教學疑點和難點，增強教學效果，提升教學質量。Gaussian最原始的版本是G70，誕生于1970年，當前應用最多的版本是G03，G09是最全新的版本。Gaussian軟件可以計算無機化學中許多類型的密度泛函、半經驗以及從頭算，通常和Gaussview顯示軟件互相搭配使用。Gaus-sian軟件在無機化學教學工作中的主要任務是完成計算和優化過渡態結構、過渡態能量、分子結構、分子能量，計算無機物質的熱化學性質、拉曼光譜、NMR、IR、振動分析以及振動頻率等，計算反應途徑、反應能量、化學鍵能量以及計算離子化勢、電子親和能、多極矩、原子電荷以及分子軌道。無機化學的基礎理論主要有包括配位理論、結構理論、元素周期律在內的基礎結構理論，包括酸堿性、沉淀溶解以及氧化還原性質在內的無機物性能，電化學、化學平衡、動力學以及化學熱力學等無機化學反應等，這些都是化學元素及其化合物組成的基礎。Gaussian軟件是當前最為常見，也是應用范圍最為普遍的量子化學軟件，該軟件能在Windows，Linux，Unix等多種操作系統中正常運行。Gaussian軟件的主要作用是實現分子結構、分子能量、化學反應能量、原子核電勢、分子振動頻率、拉曼光譜、紅外光譜、分子運動軌跡、核磁振動以及化學反應機理、物質熱力學性質等的計算和推測。Gaussian軟件可以實現對物質基態、激發態的量子化計算，也可以直接預測一個運動周期內物質的結構、分子運動軌跡以及分子能量。所以說，Gaussian軟件可以應用在許多大學無機化學研究課題中，包括取代基對物質結構的影響、無機化學反應的機理預測、物質激發能量的計算以及物質的勢能曲面等。
3量子化學Gaussian軟件在大學無機化學教學中的實例應用
3.1分子軌道教學中Gaussian軟件的應用
在分子軌道教學中，以氮氣和氧氣為例，無機化學教師可以通過對學生演示兩種氣體分子運行軌道的計算方法，并用軟件動畫圖演示軌道內電子的運動狀態，以便學生更容易掌握分子軌道理論。與此同時，教師也可以利用Gaus-sian軟件來解釋氧氣和氮氣都具有順磁性。和氧氣分子一樣的是，氮氣分子中2s原子軌道與2p軌道非常接近，兩個軌道之間可以隨意組合進而改變整個分子的運動軌道，經Gaussian軟件計算結果來看氮氣和氧氣分子可以發生能量反轉，兩個電子均處于2π成鍵軌道上，而不是處于σ鍵上，故氮氣分子中存在一對孤對電子，顯順磁性。
3.2分析物質分子的振動模式和紅外光譜
紅外光譜的形成機理是將不同波長的紅外光束照射到分子上時，物質會自動吸收某些波長的紅外線，進而形成該分子的紅外光譜。由于不同物質具有不同的分子結構，每一個分子結構對紅外光的吸收能力也不盡相同，所以各個物質之間的紅外吸收光譜也有所差異，利用紅外光譜可以檢定物質的化學結構。紅外光譜技術的原理是化學鍵振動能級和振動頻率之間的差異，因此可以通過計算物質的振動能級和頻率來推測某一物質的紅外吸收光譜，與實驗結果進行比較。就拿水分子來說，利用Gaussian軟件，結合DFT理論可以計算出水分子的振動頻率，進而得到水分子的紅外光譜吸收圖譜。用PE紅外光譜儀測定水分子的紅外吸收光譜圖，分析譜圖中顯示的吸收峰，與軟件計算結果進行比較。軟件計算結果顯示，水分子紅外譜圖中有3個吸收峰，與實驗結果一致，且吸收峰所處的位置由小波數到大波數分別為水分子中的氫氧鍵的非對稱的伸縮振動、對稱性伸縮振動以及剪式振動三種模式。在Gaussian軟件計算過程中，教師可以對計算過程進行演示，演示畫面中會出現圖形界面動畫，幫助學生理解水分子的物質結構。
3.3推測反應機理，掌握反應產物的分布情況
在無機化學反應熱力學和動力學領域，教師可以利用Gaussian軟件計算無機化合物化學反應的途徑和反應過程中能量的變化，Gaussian軟件可以對化學反應的定量關系和反應機制進行定性分布，幫助學生更為直觀地了解無機化學反應的途徑，計算反應過程中的能量變化。這一計算過程通常是基于無機物的勢能面來尋找鞍點，進而得出無機化學反應過渡態的能量，通過比較反應物最初狀態和產物最終狀態來計算化學反應的反應熱量和活化能。同時，結合反應能壘和過渡態的振動頻率、構型等參數可以計算化學反應的速率。
3.4其它應用
Gaussian軟件可以實現無機物離子勢和電子親和能量的計算，對同一個周期或同一個主族的化學元素變化趨勢進行分析比較，幫助學生掌握元素周期律。Gaussian軟件自帶的自然鍵軌道分析程序，又被稱之為NaturalBondOr-bital、NBO，其計算和分析結果能準確估計無機物分子結構中各個原子的電荷數量以及各個原子電子分布軌道中的電荷總數量，模擬不同軌道電子的分布情況。自然鍵軌道分析程序最常用的領域是無機化學教學中配合物的教學，應用最多的是不同無機物質原子之間電子的轉移情況、二階微擾理論下的“2e穩定化能”，這一部分可以得出如何降低整個反應體系的能量以及部分電子從占據軌道躍遷到空軌道的運動痕跡。Gaussian軟件可以完美地解析無機物的中間配體和中心原子相結合后生成穩定化學結構的過程、原子軌道至分子軌道的組成過程以及過渡金屬元素和中間配體化學鍵的形成機制等。此外，在對無機物變形性和極化作用進行教學過程中，Gaussian軟件可以對靜態極化率、超極化率以及含頻的極化率、超極化率進行準確的計算，更直觀地講述化合物性質在離子極化作用下的變化趨勢，加深學生對離子極化概念的理解。因此，Gaussian軟件對提升無機化學教學質量至關重要。
4結語
綜合以上觀點來看，量子化學軟件Gaussian可以將大學無機化學教學工作中抽象、難以理解、枯燥的知識轉變成更容易被學生所接受的、形象的知識，不僅可以有效提升學生在大學無機化學上的學習效率，還有助于激發學生對于化學學科的學習興趣，提升教學質量，豐富教學工作內容。
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作者:李明明 單位:貴州民族大學人文科技學院大數據與信息工程學院