量子化學基礎精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇量子化學基礎范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

篇(1)

論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

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秘,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。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新.[學位論文].武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇(2)

[關鍵詞]結構化學；教學改革；互動教學

結構化學課程是我國高等學?；瘜W專業的必修課程，內容涉及量子化學，分子對稱性，配位化學和晶體學基礎等部分。該課程內容抽象，知識系統龐雜，數理推導較多，學習曲線陡峭，不少學生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風光在險峰，學好這門課程不僅有助于理解其它化學課程的內容，也是為進一步在本專業深造打下堅實的基礎。[1]在當前深化本科教育教學改革的背景下，如何將結構化學課程上好，真正做到讓老師強起來，學生忙起來，效果實起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進行總結。

1重視數理，夯實基礎

結構化學課程的一大難點在于數學推導較多，譬如量子化學部分完全使用數學語言描述核心知識，而對于化學專業的同學，數學一直是軟肋，于是極容易產生厭學和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數學推導，重點介紹推導后的結論和意義，但我們在授課過程中，發現這樣的授課方式效果欠佳，因為基礎不牢，課程的學習只能是空中樓閣、風中沙塔，很多同學在課程結束后還是無法對物理圖像有一個正確的認識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認為與其淡化數學，不如嚴格要求，把數學學到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學的真正完善在于數學工具的廣泛應用。”正是因為數學和物理的引入，才讓化學擺脫了煉金術的桎梏而成為一門科學。因此我們在授課時自始至終強調數學的重要性，在涉及數學內容較多的章節，提前講授將要用到的數學工具并布置作業，每章節結束后將重要的公式和結論進行串講并配合習題進行強化訓練，要求所以學生每學完一個章節就做思維導圖及時總結復習，將重要公式進行總結歸納制作公式索引表格。盡管提升了學習的難度，但學生對于推導的結果和物理意義理解的更加準確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學生的邏輯思維和嚴謹認真的科學態度。

2理清主線，合理增負

結構化學課程內容主要涉及量子化學基礎，分子對稱性，配位化學以及晶體學基礎。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨立，但所表達的核心思想是一致的，即結構決定性質，性質也反映著結構。目前授課內容主要存在問題是：量子化學部分各章節之間主線不夠明確；配位化學部分和專業無機化學課程內容有重疊；晶體學基礎部分，結構相關的內容介紹較多而相關的性質介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內容進行了合理的補充和刪減。首先，對于量子化學部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學的誕生背景，量子力學基本假設，簡單模型的量子力學處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節開始時，我們對之前的內容進行簡要回顧，幫助學生理清了各章節的邏輯關系，在學期末復習課時對每一個知識點進行展開復習，進行鞏固。配位化學部分，對于和無機化學有重疊的部分，我們通過翻轉課堂的方式簡要復習，同時突出結構化學的重點，即分子軌道理論在配位化學的應用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構型下配體群軌道和中心原子如何依據對稱性進行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應的常見機理。在此基礎上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結構，讓學生通過知識解決實際科研問題，真正做到科研反哺教學。晶體學部分除了介紹基本知識以外，補充介紹了能帶理論，態密度等概念，并介紹了導體，半導體，絕緣體在電子結構上的差異，這些基礎知識有利于化學專業的同學在材料化學方向進行科研工作打下基礎。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學都表示感受到了挑戰性學習所帶來獲得感和高階樂趣。

3反客為主，多元考核

傳統理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學生被動填鴨式學習，效果較差，也不利于學生培養綜合能力。針對這些問題，我們開始嘗試翻轉課堂教學方法來提高學生參與性，重點培養學生的學習能力，表達能力，獨立思考，發現問題，解決問題的能力，這些都是未來創新型人才所具有的重要特質。翻轉課堂的內容主要涉及三個方面，一個是結構化學課程中難度較低的幾個章節，如雙原子分子電子結構，分子對稱性，配位化學基礎知識等章節，各章節的總結復習以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學生統一準備，課堂上抽簽進行講解，在授課過程中，要求其他小組必須提問，教師在課程結束時對各小組所準備的課件進行補充點評，我們也將翻轉課堂教學納入了考核評價，提高了課程總結筆記，課堂提問，翻轉課堂課件等分數項的比例。翻轉課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強了學生的學習能力和思辨精神。

篇(3)

科學語錄：“化學結構理論主要就是化學的理論?！?/p>

萊納斯?卡爾?鮑林是著名的量子化學家，他在化學的多個領域都有過重大貢獻。他是唯一一個單獨兩次獲諾貝爾獎的人，不過后一次獲得的是諾貝爾和平獎。

1901年2月18日，鮑林出生在美國俄勒岡州波特蘭市。幼年的鮑林聰明好學，11歲認識了心理學教授捷夫列斯。捷夫列斯有一所私人實驗室，他曾給幼小的鮑林做過許多有意思的化學演示實驗，這使鮑林從小萌生了對化學的熱愛，這種熱愛使他走上了研究化學的道路。

1922年，鮑林以優異的成績從俄勒岡州農學院化學工程系畢業，同時，考取了加州理工學院的研究生，導師是著名化學家諾伊斯。諾伊斯告訴鮑林，不要只停留在書本知識上，應當注重獨立思考，同時要研究與化學有關的物理知識。鮑林在諾伊斯的指導下，用調射線衍射法測定了輝鋁礦的晶體結構。這使他在化學界初露鋒芒，同時也增強了他進行科學研究的信心。

1925年，鮑林以出色的成績獲得化學哲學博士，并于1926年2月去了歐洲游學。在歐洲游學時，鮑林去了很多實驗室工作與學習，接觸到了許多世界第一流的專家，并且了解了很多科學前沿問題，這對他后來取得學術成就是十分重要的。

1927年，鮑林結束了兩年的歐洲游學回到了美國，擔任助理教授講授量子力學及其在化學中的應用。1930年，鮑林再一次去歐洲，到布拉格實驗室學習有關射線的技術，后來又到慕尼黑學習電子衍射方面的技術，回國后，被加州理工學院聘為教授。

鮑林在探索化學鍵理論時，遇到了甲烷的正四面體結構的解釋問題。為了解釋甲烷的正四面體結構，說明碳原子四個鍵的等價性，鮑林提出了雜化軌道的理論。該理論的根據是電子運動不僅具有粒子性，同時還有波動性，而波又是可以疊加的。所以鮑林認為，碳原子和周圍四個氫原子成鍵時，所使用的軌道是二者經混雜、疊加而成的“雜化軌道”，這種雜化軌道在能量和方向上的分配是對稱均衡的。雜化軌道理論，很好地解釋了甲烷的正四面體結構。

鮑林在研究量子化學和其他化學理論時，創造性地提出了許多新的概念。例如，共價半徑、金屬半徑、電負性標度等，這些概念的應用，對現代化學、凝聚態物理的發展都有巨大意義。1932年，鮑林預言，惰性氣體可以與其他元素化合生成化合物。惰性氣體原子最外層都被8個電子所填滿，形成穩定的電子層，按傳統理論不能再與其他原子化合。但鮑林的量子化學觀點認為，較重的惰性氣體原子，可能會與那些特別易接受電子的元素形成化合物，這一預言，在1962年被證實。

篇(4)

    羥汞化-脫汞是由烯烴合成醇的有效途徑之一[1]。羥汞化反應主要分為兩個階段:①烯烴在含水的四氫呋喃溶液中與乙酸汞發生羥汞化;②羥汞化產物不經分離,直接加入NaBH4進行還原脫汞。該反應具有條件溫和(一般在室溫進行)、速度快(一般第一階段只需要幾分鐘,第二階段需要1小時)、中間產物不需分離、區域選擇性好(Markovnikov取向)、無重排產物等優點。因此,盡管汞是公認最毒的金屬元素,但由于羥汞化反應的諸多優點,該反應仍被廣泛用于有機合成[2-3]。

    以丙烯加乙酸汞為例,目前比較公認的羥汞化反應機理[4-5]見圖1。其中第二步和第三步最為關鍵,但是目前國內外多數有機化學教材都沒有明確指出反應的速控步是哪一步[6-10],部分教材甚至把羥汞化過程歸類為親電加成反應[8-10]。我們對此產生疑問,整個反應的速控步究竟是汞離子親電加成的第二步,還是水親核進攻的第三步?下面根據軟硬酸堿理論、元素電負性等有機化學基礎知識以及量子化學計算結果對各步反應分析如下:(1)第一步,乙酸汞發生電離產生乙酰氧基汞正離子。我們認為該帶有正電荷的汞離子的生成是必要的。最新的研究證明氯化汞能夠催化芳基烯基醚的羥汞化反應。加入氯化鈉等含有氯離子的無機鹽能夠抑制上述反應,而加入硝酸銀可以促進上述反應。因為氯離子是軟堿,額外增加的氯離子能夠和汞離子絡合生成[HgCl4]2-,抑制了+HgCl的生成,進而抑制了羥汞化。而加入硝酸銀,使銀離子和氯離子結合,則可以促進+HgCl的生成,進而促進羥汞化反應。對于不同的汞鹽,根據軟硬酸堿理論可以判斷其電離的難易。越容易電離的汞鹽,活性越高。不同汞化合物應該具有如下的活性順序:Hg(OOCCF3)2>Hg(OOCCH3)2>HgCl2>HgBr2>HgI2。因為Hg2+是軟酸,CF3COO-是最硬的堿,I-是最軟的堿。所以Hg(OOCCF3)2最容易電離,HgI2則是“軟親軟”,不易電離,活性最低。實驗結果表明Hg(OOCCF3)2對4-己烯-1-醇分子內氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快,而且產物不同[12]。(2)第二步,乙酰氧基汞正離子與烯烴的碳碳雙鍵發生親電加成生成汞鎓離子。從軟硬酸堿理論分析,烯鍵的π電子為軟堿,汞離子為軟酸,“軟親軟”,該基元反應應該屬于快反應。從電負性考慮,汞的電負性為1.9,略小于碳的2.55[13],這使正電荷主要集中在汞上而不是碳上。這一點與溴鎓離子截然不同,后者正電荷主要集中在碳原子上。所以,相比溴鎓離子,汞鎓離子不易受到水的親核進攻。我們用量子化學手段計算得出乙烯、丙烯、異丁烯與乙酰氧基汞正離子加成生成的汞鎓離子中間體以及乙烯的溴鎓離子的結構與APT電荷(atomicpolartensor-basedcharges)[14]分布(圖2)(本文量化計算均采用Gaussian03軟件包,分子構型在RB3LYP水平下進行優化,其中C、O使用6-31G*基組,H使用6-31G**基組,Hg和Br使用贗勢基組(Lanl2DZ,其中對Br加上極化函數(極化參數為0.389);

    對所有優化的結構進行頻率計算,以確認所有結構均是穩定結構(駐點是極小值,沒有虛頻))。從以上計算結果可得出結論:①上述汞鎓離子中,乙酰氧基與汞原子是雙齒配位的,兩個O—Hg鍵長幾乎等長,都在2.30左右。②汞原子上總是帶有最多的正電荷。③在丙烯等不對稱烯烴的汞鎓離子中,由于甲基的供電誘導效應,C2上正電荷多于C1,在異丁烯的汞鎓離子中這一差異更加明顯。從乙烯到丙烯到異丁烯,Hg—C1鍵逐漸變短,從2.602變為2.478,再到2.419。而Hg—C2鍵逐漸變長,在異丁烯的汞鎓離子中,Hg—C2鍵最長,達到2.876。這都預示著第三步水親核進攻的位置在C2上,即Markovnikov取向。④在異丁烯的汞鎓離子中,C2上帶有最多的正電荷,可以預期其與水的親核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓離子更快,這一結論與實驗結果一致[15]:2-甲基-2-丁烯的羥汞化在10s內完成,而環己烯需要55s。⑤與電負性分析結果一致,與乙烯的乙酸汞鎓離子不同,在乙烯的溴鎓離子中,正電荷主要集中在碳原子上,溴原子上正電荷很少,這表明汞鎓離子與溴鎓離子有著本質的不同。眾所周知,羥汞化反應通常不會發生重排,這正是由于汞鎓離子中間體的正電荷主要集中在汞上而不是碳上的具體體現。因為涉及鎓離子的碳上正電荷較少,臨近α位的烴基或氫原子不易發生遷移。

    我們分別計算了叔丁基乙烯的汞鎓離子和溴鎓離子甲基重排前后的能量變化,結果如圖3所示。從量子化學計算的結果也可以看出,在叔丁基乙烯汞鎓離子中,C2上的正電荷僅為0.4858e,而且甲基重排后所得到的叔碳正離子中間體的吉布斯自由能比重排前升高了77.78kJ/mol;而叔丁基乙烯的溴鎓離子中C2上正電荷高達0.8574e,非常有利于甲基遷移,而且發生類似重排后產物的吉布斯自由能比重排前降低了45.19kJ/mol。因此叔丁基乙烯的汞鎓離子的重排在熱力學上是極其不利的,不易重排。而叔丁基乙烯與溴的親電加成生成的溴鎓離子容易重排。事實上,許多烯烴,如:莰烯[16]、降冰片烯[17]和苯并二環[2.2.2]-2,5-辛二烯[18]與溴的親電加成都發生了重排。(3)第三步,水作為親核試劑進攻汞鎓離子。在該步中,水分子中的氧原子是硬堿,而帶有部分正電荷的碳原子是軟酸。由于碳上的正電荷較少,水的親核性又弱,此類弱親核試劑的親核進攻就變得更加困難。由此推斷,該步基元反應才應該是整個反應的慢步驟,即整個羥汞化反應的速控步。通過查閱文獻[19],這一結論得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羥汞化反應速度比1-己烯快10倍,比四甲基乙烯的羥汞化速度快833倍。上述實驗結果與相應汞鎓離子中C2上的正電荷多少有關(圖4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓離子中C2上的正電荷最大(0.6632e),羥汞化最快;而四甲基乙烯的類似物相應碳原子上的正電荷最少,羥汞化最慢。如果汞鎓離子生成的一步是速控步,含有4個供電甲基的四甲基乙烯與乙酸汞離子形成汞鎓離子進而得到羥汞化中間體應該是上述3個烯烴中最快的,然而實驗 事實正好相反。這反過來證明汞鎓離子生成的一步不是整個羥汞化反應的速控步。另外,對于含多個雙鍵的烯烴,羥汞化優先發生在最不對稱的雙鍵上,即1,1-二取代優于1,1,2-三取代,單取代優于1,2-二取代[20],反應速度與汞鎓離子中取代最多的碳原子上的正電荷密度成正比,也進一步說明水親核進攻的一步是整個反應的速控步。(4)第四步是中間產物Ⅱ快速失去質子的過程,不再贅述。(5)關于烯烴和炔烴羥汞化產物的脫汞問題。在烯烴的羥汞化產物中,由于碳與汞的電負性差別太小,使得碳汞鍵的電荷分布比較均勻,碳汞鍵的極性較小。量子化學計算得出乙烯羥汞化產物中與汞原子相連的碳原子上負電荷密度均為-0.1300e,同樣說明碳汞鍵的極性很小,所以乙烯羥汞化產物HOCH2CH2HgOAc不像其他金屬有機試劑(例如Grignard試劑)那樣容易水解,而必須使用還原劑NaBH4進行還原。

    相反,乙炔在汞催化下的水合產物是互變異構體(圖5):HOCHCHHg+和OHCCH2Hg+,前者與汞相連的碳原子是sp2雜化,比sp3雜化碳原子具有更大的電負性[21]和更強的吸引電子能力,會使碳汞鍵極性增大;后者甲?；菑娢娀?而且在稀硫酸中,氧原子會發生質子化,使碳汞鍵極性進一步增大。因此,乙炔羥汞化產物中的碳汞鍵更像一般金屬-碳鍵,在稀硫酸中容易水解。所以在炔烴羥汞化反應中,汞離子是催化量的。為了便于比較,我們在乙炔羥汞化中間體的汞原子上螯合了一個乙酸根,量子化學計算結果見圖6。從圖6能夠明顯地看出,乙炔羥汞化產物中的碳汞鍵正負電荷差別明顯大于乙烯羥汞化產物中的碳汞鍵電荷差,鍵的極性也明顯比后者強,即乙炔羥汞化產物中碳汞鍵容易直接水解變為碳氫鍵。本文從有機化學基本概念、基本理論出發,結合量子化學計算結果,對烯烴的羥汞化機理進行了分析,得出該反應的速控步是水分子親核進攻汞鎓離子的一步,整個反應屬親核加成。同時指出,烯烴羥汞化產物中的碳汞鍵極性小,不能直接水解為碳氫鍵,故需要硼氫化鈉還原;而炔烴羥汞化產物中的碳汞鍵極性較大,在反應過程中可以直接水解轉化為碳氫鍵。

篇(5)

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?；瘜W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?，F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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系里設立了應用化工專業和化工分析與檢驗專業（高職?？疲瑢ｉT培養高素質、高技能的化工操作人才，其中，應用化工專業是培養化工總控工的，就業崗位包括化工工藝操作、化工工程操作，化工設備操作、維護，化工儀表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工產品的包裝與銷售等。

專業的課程設置

由完成工作所需要的能力，確定以下學習領域：1、物理化學的知識體系一般公認的物理化學的研究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。在這一情況下，時間不是一個變量。屬于這方面的內容有化學熱力學,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。屬于這方面的內容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。在這一情況下，時間是重要的變量。屬于這方面的內容有化學動力學、催化、光化學和電化學。物理化學的主要理論支柱是熱力學、統計力學和量子力學三大部分。熱力學和量子力學分別適用于宏觀和微觀系統，統計力學則為二者的橋梁。原則上用統計力學方法能通過個另分子、原子的微觀數據來推斷或計算物質的宏觀現象。物理化學由化學熱力學、化學動力學和結構化學三大部分組成。2、應用化工專業所需內容的選擇對照操作崗位的知識和能力需要，本著實用、夠用，適當拓展的原則，選取化學熱力學、化學動力學兩大部分，主要內容有物質PVT性質、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學在多組分體系和相平衡體系中的應用、化學平衡、化學動力學基礎、膠體、粗分散系和表面化學。根據課程內容及深度，決定選用高職高?；瘜W教材編寫組編寫的《物理化學》（第三版，化學工業出版社）為基本教材，以傅獻彩主編《物理化學》（第五版，高等教育出版社）為主要參考資料。3、物理化學課程定位學習物理化學需要大學物理、高等數學、基礎化學的基礎知識，同時，物理化學又為學習化工設備基礎、化工熱力學、化學反應工程、煤化工工藝學等課程打下基礎。因此，《物理化學》課程是應用化工專業的重要專業課，是其他主要專業課的基礎。

基于工作過程的教學方法

確定了內容，就需要對知識按照工藝崗位的實際情況，進行解構和重構，即以工作過程為載體，以工作任務為情境，構建認知系統。通過綜合分析周邊化工企業生產工藝，歸納典型崗位，決定選取新能鳳凰甲醇的生產工藝為載體，對物理化學內容進行重構。新能鳳凰甲醇的生產采用的是德士古技術工藝，主要工段有空氣分離制取液氧，制取水煤漿，水煤漿燃燒氣化，甲醇合成與精制，各工段對應的知識如下表：（表略）通過完成任務，提高了學生掌握知識的目的性；在學生自主決策與計劃中，激發其主觀能動性，掌握解決問題的方法與步驟；通過任務實施，培養其動手實踐能力；通過教師的檢查與評價，讓學生體驗成功的愉悅，激發其學習的興趣，提高學習效率和效果。

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進入21世紀，隨著科學技術的飛速發展，電子計算機的應用已經滲透到各學科的每一個領域之中，各學科的進一步發展對計算機的依賴程度越來越高，化學工程學科也不例外。目前，計算機已經深入應用到化工模擬、計算化學和化工制圖等化學工程學科的各個層面之中，對化學工程的發展起著巨大的促進推動作用?；瘜W工作者應該抓住機遇，在新時期努力學習計算機知識、熟練掌握運用計算機，將其應用到化工設計、化學本文由收集整理計算中去，使化工學科能夠更快地發展。

化學工程作為一門基礎學科，長期以來是以實驗為基礎發展起來的，是一門理論與實驗相結合的學科。隨著計算機技術和信息技術的發展日新月異，化學工程的研究中又增加了計算與計算機模擬的方法，它已經逐漸成為化學工程中最富有生命力的研究方法。隨著電子計算機在化學工程中的廣泛應用，傳統的化學工程學科已逐漸成為一門集實驗、計算、理論于一體的綜合性學科。

從20世紀50年代開始，科研工作者就利用計算機解算化工過程的數學模型，使研究方法出現了一個革新。經過幾十年的發展，化工過程模擬已經成為普遍采用的常規手段，被廣泛應用于化工過程的研究、開發、設計、生產操作的控制與優化、操作培訓和技術改造之中。

一、流程模擬

化工過程流程模擬或流程模擬是根據化工過程的數據，諸如物料的壓力、溫度、流量、組成和有關的工藝操作條件、工藝規定、產品規格以及一定的設備參數，如蒸餾塔的板數、進料位置等，采用適當的模擬軟件，將一個有許多個單元過程組成的化工流程用數學模擬描述，用計算機模擬實際生產過程，并在計算機上通過改變各種有效條件得到所需要的結果，其中包括最受關心的原材料消耗、公用工程消耗和產品、副產品的產量和質量等重要數據。

流程模擬就是在計算機上“再現”實際生產過程，由于這一“再現”過程不涉及實際裝置的任何管線、設備以及能源的變動，因此給化工模擬人員最大的自由度，可以在計算機上任意進行不同方案和工藝條件的探討、分析。流程模擬式計算機技術是化工方面的最重要應用之一。應用流程模擬系統不僅可以節省時間，也可節省大量資金和操作費用，提高產品質量和產量，降低消耗。流程模擬系統還可以對經濟效益、過程優化、環境評價進行全面地分析和精確評估，并可以對化工過程的規劃、研究和開發及技術可靠性做出分析，并快速準確地對多種流程方案進行分析和對比。

二、單元模擬

化工工業處理的過程是以質量、動量和能量的連續流動為特征，傳統手段對這一過程的處理很大程度上是依靠經驗以及一些宏觀參數表達的經驗關系式?，F代流程模擬技術中，絕大部分單元過程仍被處理為“黑箱”模型，對流動、傳質、熱、反應比較敏感的單元過程的設計、放大，需要了解有關質量、動量、能量流更多微觀和深入的信息，單元模擬技術就是為了解決這一問題而產生的。

在單元模擬過程中，單元內部的介質基本是多組分或多相的，傳質、傳熱、反應過程相互耦合。單元模擬技術通過離散方法求解這一耦合體系，以獲得空間和時間的速度分布、溫度分布、壓力分布、濃度分布、相分數分布等。單元模擬技術可以提供傳統手段難以獲得的大量信息，如單元過程內部所有參數的空間分布和動態變化，通過這些信息可以深入理解單元過程內部的機理，在發生異常時亦有助于分析原因。因此，它是一種低成本的調優手段，當結構形式或結構參數變化后，單元過程內部隨工藝參數和操作參數而變化的過程，可以在計算機上很方便地進行試驗，直接用于優化和改造手段，而且單元模擬的計算不是經驗性的，比較可靠，目前單元模擬主要用于化工生產的工程放大、優化設計、診斷及擴能改造、生產調優及控制四個方面。

三、反應動力學模擬

化學反應動力學是一門研究各種因素對反應速率的影響規律和反應機理的科學，在根據實驗結果和對反應機理研究的基礎上建立了化學反應動力學方程，它們對反應器的設計、最優化條件的選擇都是必不可少的理論基礎。

目前所采用的物理化學教材對一系列對峙、平行、連

續等復雜反應的動力學方程僅給出分離變量法或消元法等單一的數學處理方法，這種方法對于非常簡單的復雜反應可以求出解析解，但大多數化學反應的反應機理非常復雜，由于從反應機理得到的微分方程組，非常不便求解，因此借助電子計算機用數值解法，可以方便地求解從反應機理得到的微分方程組。

計算機模擬在復雜化學反應動力學的計算中有著廣泛的應用，通過計算機模擬計算得到的結果可以預知反應過程中各反應物質濃度的變化，通過對連續反應最佳時間的計算可以控制反應時間以得到所需要的物質的最大濃度，通過計算平行反應和對峙放熱反應最佳溫度，可以控制反應溫度，優化反應條件，使生成產物的速率達到最大值，這些計算機模擬計算的數值可以為實際工業生產中工藝條件的控制以及反應器的設計提供重要的參考數據。

四、分子模擬

從分子水平來研究化工過程及產品的開發和設計，無疑是21 世紀化學工程的一個重要方向，計算機模擬研究已漸成為與實驗研究及理論研究相平衡的認識自然規律的第三種重要方法?；崃W數據對于化學工業過程的設計、操作以及優化具有重要的作用。熱力學數據一般通過三個途徑取得：即實驗測定、理論總結及計算機分子模擬。通過計算機分子模擬，可以較為嚴格地從流體的微觀相互作用出發，預測流體的宏觀熱力學性質。特別是在一些極端的條件（如高溫、高壓、劇毒）下，進行實驗是很困難的，計算機模擬則較易實現，并且比較經濟。采用計算機分子模擬方法，可以得到相當可靠的熱力學體系的徑向分布函數、宏觀熱力學性質以及輸運性質，這為我們建立與改進各種描述實際現象的理論或模型提供可靠的依據。

化學是一門基礎性學科，是以實驗為基礎發展起來的理論與實驗相結合的學科，隨著計算機技術在化學學科中的廣泛應用，逐漸形成了應用計算機研究化學反應和物質變化的獨立學科，它以計算機為技術手段，進行化學反應方面的數值計算，這就是計算化學。

計算化學是理論化學的重要分支，是利用電子計算機、通過數值計算解決化學問題的一門方法學。計算化學是一門新興的、多學科交叉的邊緣科學，它運用數學、統計學與計算機程序設計的方法，進行化學方面的理論計算、實驗設計、數據與信息處理、分類、分析和預測。隨著化學儀器對自動化要求越來越高，許多化學實驗過程用人工進行控制相當困難，需要可靠的控制技術系統，因此計算機計算模擬技術從根本上改變了化學實驗技術。

計算化學以數值計算為基礎，用高級語言及其編程技術，解決化學中的數值計算問題，它將數學的計算方法通過計算機程序具體地應用于化學過程中，通常用來研究化學中一些常用的、共同的、較為常見的計算方法，是化學計算的核心。實驗數據的內插、函數擬合、線性方程組求解、高階方程組求解、解微分方程組、求本征值與本征向量等，它們均與化學中量子化學、分析化學、化學平衡、化學動力學和試驗數據處理等密切相關?，F代計算化學技術的發展，已經能夠將各種化學性質與分子結構之間的關系定量地聯系起來，化學因此正從實驗科學邁向實驗、計算、理論相結合的綜合性學科，化學已經由多實驗少計算，演變為先實驗再計算，也必將逐步演變為先計算再實驗。

目前計算化學在無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、結構化學中都有廣泛地運用，具體來說，計算化學要完成的任務主要有量子結構計算、分子從頭計算、半經驗計算和分子力學計算等量子化學和結構化學范疇，以及物理化學參數計算，包括反應焓、偶極距、振動頻率、光譜熵、反應自由能、反應速率等理論計算，這些屬于化學熱力學、化學動力學及統計熱力學范疇。在計算化學中，數值計算是最根本的任務，其目的是將已知參數通過適當的數學計算得到一個預期的結果，這個結果可以和實驗結果相比較，也可以和前人的研究成果相比較，最終得出結論，用來指導化學實驗的實施。

化學工程設計具體的任務涉及物料衡算、能量衡算、廠區布置圖繪制、車間布置圖繪制、設備裝備圖繪制、管道布置圖繪制、帶控制點工藝流程圖繪制、設備選型及強度校核計算等許多工作，如此眾多繁雜的工作，如能引入計算機輔助，將大大減輕化工設計工作的強度。

過去那種利用普通紙筆繪制化工圖樣、利用計算尺和計算器進行的各種計算將被計算機軟件應用所取代。計算機輔助設計制圖和普通制圖相比不僅具有繪制精確、圖面整潔等優點，而且還具有隨意修改、重復利用、按需打印等普通手工繪制無法具備的特點，利用計算機輔助設計

進行化工工程圖繪制已經是21世紀的基本趨勢。