量子化學(xué)基礎(chǔ)
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量子化學(xué)基礎(chǔ)范文第1篇
論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)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(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。
量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)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(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)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(dǎo)作用。本文僅對量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。
一、 在材料科學(xué)中的應(yīng)用
（一）在建筑材料方面的應(yīng)用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)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(chǎn)物相之一，它對水泥石的強度起著關(guān)鍵作用。程新等[1 ，2]在假設(shè)材料的力學(xué)強度決定于化學(xué)鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，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(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)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(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。
（二） 在金屬及合金材料方面的應(yīng)用
過渡金屬(Fe 、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)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(zhì)方面存在的差異[6]。
量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。
二、在能源研究中的應(yīng)用
（一）在煤裂解的反應(yīng)機理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用
煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計算方法以及計算技術(shù)的進步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。
量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子， 如低級芳香烴作為碳/ 碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經(jīng)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(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。 轉(zhuǎn)貼于
（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用
鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領(lǐng)域發(fā)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(guān)重要。Ago 等[8] 用半經(jīng)驗分子軌道法以C32 H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)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(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)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(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，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(jié)構(gòu)的進一步認識和計算機水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。
三、 在生物大分子體系研究中的應(yīng)用
生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)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(xué)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(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)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(diào)控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘， 進而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)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(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。
參考文獻：
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[5]程新，陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報，1994，8(2):1
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[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262
量子化學(xué)基礎(chǔ)范文第2篇
一、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析
目前結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)面臨兩大難題。首先，結(jié)構(gòu)化學(xué)中的很多概念過于抽象，教師難以形象地去講授，學(xué)生難以理解和接受。其次，隨著現(xiàn)代化學(xué)學(xué)科本身的快速發(fā)展以及與其他學(xué)科的交叉融合，使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容快速膨脹，而結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)課時不但沒有增加反而有所減少，這就勢必產(chǎn)生“任務(wù)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(nèi)容，采用多媒體教學(xué)等。這些改革都不同程度地改進了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，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(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)組經(jīng)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(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中采用目前先進的可視化量子化學(xué)分子設(shè)計軟件來輔助教學(xué)。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(xué)軟件，通過計算得出教材中的結(jié)論，將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形，也可以通過化學(xué)軟件的使用使學(xué)生了解到所學(xué)的基本概念在實際中的應(yīng)用，在課堂上用多媒體的形式加以演示。在實際教學(xué)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(guān)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(jié)構(gòu)化學(xué)知識在實踐中的應(yīng)用、NMR數(shù)值的測定、偶極距、分子光譜等問題都可以利用量子化學(xué)軟件計算得出與實驗相符合的數(shù)值，使學(xué)生進一步了解學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的作用。
總之，可視化量化計算軟件可以使結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)從單純的理論講授變成理論與實踐相結(jié)合的課程，將結(jié)構(gòu)化學(xué)抽象的概念變成直觀的圖形；通過讓學(xué)生動手進行計算，分析計算結(jié)果，加深了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，使學(xué)生便于接受和理解，同時提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的科研能力。
量子化學(xué)基礎(chǔ)范文第3篇
本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機量子力學(xué)以及隨機零點場理論密切相關(guān)。這是一種漲落場，屬于經(jīng)典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認為量子化源于經(jīng)典物理與這種零點場漲落緊密聯(lián)系的深刻隨機過程，而量子力學(xué)的基本理論建筑在第一原理的基礎(chǔ)上，這個原理揭示從更深層次的隨機過程引發(fā)的涌現(xiàn)（Emergency，或譯突現(xiàn)）現(xiàn)象的量子化。
作者們在本書所呈現(xiàn)的理論觀點是經(jīng)過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學(xué)的發(fā)展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎(chǔ)；量子力學(xué)背后的物理學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。
作者認為任何物質(zhì)系統(tǒng)都是一個開放系統(tǒng)，它們永久地接觸隨機零點輻射場，并與其達到平衡狀態(tài)。從這個基礎(chǔ)出發(fā)，導(dǎo)出量子力學(xué)形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機制。本書打開了通向進一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務(wù)遠沒有結(jié)束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進一步研究。
本書闡明了量子理論一些核心特點的根源，諸如原子的穩(wěn)定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發(fā)展的理論重新確認了諸如實在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學(xué)原理
全書內(nèi)容共分10章：1.量子力學(xué)：某些問題；2.唯象隨機方法：通向量子力學(xué)的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學(xué)之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學(xué)的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點場波（和）物質(zhì)。
本書適合熟悉量子力學(xué)的最基本概念和結(jié)果的讀者閱讀。其內(nèi)容適用于從事理論物理、數(shù)學(xué)物理、實驗物理、量子化學(xué)和物理哲學(xué)的研究人員、研究生和教師參考。
丁亦兵，教授
（中國科學(xué)院大學(xué)）
Ding Yibing，Professor
（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al
Supersymmetry After the
Higgs Discovery
2014
http：///book/
10.1007/978-3-662-44172-5
量子化學(xué)基礎(chǔ)范文第4篇
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(yīng)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(fā)生羥汞化;②羥汞化產(chǎn)物不經(jīng)分離，直接加入NaBH4進行還原脫汞。該反應(yīng)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(chǎn)物不需分離、區(qū)域選擇性好(Markovnikov取向)、無重排產(chǎn)物等優(yōu)點。因此，盡管汞是公認最毒的金屬元素，但由于羥汞化反應(yīng)的諸多優(yōu)點，該反應(yīng)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(yīng)機理［4-5］見圖1。其中第二步和第三步最為關(guān)鍵，但是目前國內(nèi)外多數(shù)有機化學(xué)教材都沒有明確指出反應(yīng)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(yīng)［8-10］。我們對此產(chǎn)生疑問，整個反應(yīng)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(jù)軟硬酸堿理論、元素電負性等有機化學(xué)基礎(chǔ)知識以及量子化學(xué)計算結(jié)果對各步反應(yīng)分析如下:(1)第一步，乙酸汞發(fā)生電離產(chǎn)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(yīng)。加入氯化鈉等含有氯離子的無機鹽能夠抑制上述反應(yīng)，而加入硝酸銀可以促進上述反應(yīng)。因為氯離子是軟堿，額外增加的氯離子能夠和汞離子絡(luò)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(jié)合，則可以促進+HgCl的生成，進而促進羥汞化反應(yīng)。對于不同的汞鹽，根據(jù)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(yīng)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(jié)果表明Hg(OOCCF3)2對4-己烯-1-醇分子內(nèi)氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快，而且產(chǎn)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(fā)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(yīng)應(yīng)該屬于快反應(yīng)。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(xué)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(jié)構(gòu)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(gòu)型在RB3LYP水平下進行優(yōu)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(shù)(極化參數(shù)為0．389);
對所有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進行頻率計算，以確認所有結(jié)構(gòu)均是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(駐點是極小值，沒有虛頻))。從以上計算結(jié)果可得出結(jié)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(dǎo)效應(yīng)，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?yōu)?．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(yù)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(yù)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(jié)論與實驗結(jié)果一致［15］:2-甲基-2-丁烯的羥汞化在10s內(nèi)完成，而環(huán)己烯需要55s。⑤與電負性分析結(jié)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(zhì)的不同。眾所周知，羥汞化反應(yīng)通常不會發(fā)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(xiàn)。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(fā)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(jié)果如圖3所示。從量子化學(xué)計算的結(jié)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(fā)生類似重排后產(chǎn)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(xué)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(huán)［2．2．2］-2，5-辛二烯［18］與溴的親電加成都發(fā)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(yīng)才應(yīng)該是整個反應(yīng)的慢步驟，即整個羥汞化反應(yīng)的速控步。通過查閱文獻［19］，這一結(jié)論得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羥汞化反應(yīng)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(jié)果與相應(yīng)汞鎓離子中C2上的正電荷多少有關(guān)(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(yīng)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(yīng)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(yīng)的速控步。另外，對于含多個雙鍵的烯烴，羥汞化優(yōu)先發(fā)生在最不對稱的雙鍵上，即1，1-二取代優(yōu)于1，1，2-三取代，單取代優(yōu)于1，2-二取代［20］，反應(yīng)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(yīng)的速控步。(4)第四步是中間產(chǎn)物Ⅱ快速失去質(zhì)子的過程，不再贅述。(5)關(guān)于烯烴和炔烴羥汞化產(chǎn)物的脫汞問題。在烯烴的羥汞化產(chǎn)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(xué)計算得出乙烯羥汞化產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物是互變異構(gòu)體(圖5):HOCHCHHg+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;后者甲酰基是強吸電基，而且在稀硫酸中，氧原子會發(fā)生質(zhì)子化，使碳汞鍵極性進一步增大。因此，乙炔羥汞化產(chǎn)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(yīng)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(xué)計算結(jié)果見圖6。從圖6能夠明顯地看出，乙炔羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵正負電荷差別明顯大于乙烯羥汞化產(chǎn)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(chǎn)物中碳汞鍵容易直接水解變?yōu)樘細滏I。本文從有機化學(xué)基本概念、基本理論出發(fā)，結(jié)合量子化學(xué)計算結(jié)果，對烯烴的羥汞化機理進行了分析，得出該反應(yīng)的速控步是水分子親核進攻汞鎓離子的一步，整個反應(yīng)屬親核加成。同時指出，烯烴羥汞化產(chǎn)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(chǎn)物中的碳汞鍵極性較大，在反應(yīng)過程中可以直接水解轉(zhuǎn)化為碳氫鍵。
量子化學(xué)基礎(chǔ)范文第5篇
一努力培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情
結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容較為抽象、不易理解，因此學(xué)生普遍對該課程的學(xué)習(xí)興趣不高。為了盡可能克服這種現(xiàn)象，課堂教學(xué)中我們嘗試通過各種途徑培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，以切實提高課堂教學(xué)效果。
1介紹量子理論誕生的歷史，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的重要性[5-6]
結(jié)構(gòu)化學(xué)有著漫長的發(fā)展史，其發(fā)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(xué)過程中適當(dāng)?shù)叵驅(qū)W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(xué)生深刻認識到相關(guān)知識的重要性，提高其學(xué)習(xí)興趣。同時，向?qū)W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(fā)并保持學(xué)生的興奮思維，讓學(xué)生從前人的成功中學(xué)會理論聯(lián)系實際，學(xué)會觀察、思考以及分析和歸納的能力，從而對結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。
2將理論與實際應(yīng)用有機結(jié)合，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的廣泛應(yīng)用[7]
教師在授課過程中可針對不同專業(yè)的學(xué)生，加強授課內(nèi)容與學(xué)生畢業(yè)后工作及后續(xù)學(xué)習(xí)的聯(lián)系。針對師范院校化學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中有許多問題，都可以用結(jié)構(gòu)化學(xué)的原理、概念來加以解釋。其中，元素周期律、原子結(jié)構(gòu)、原子、離子核外電子的運動狀態(tài)的描述，核外電子排布的規(guī)律等都可以運用結(jié)構(gòu)化學(xué)中原子結(jié)構(gòu)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(gòu)型判斷、分子的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系等則可運用結(jié)構(gòu)化學(xué)中分子結(jié)構(gòu)的知識進行深入的解釋。C60分子篩等晶體的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)的知識也都可以得到解釋和說明。這些都說明結(jié)構(gòu)化學(xué)與中學(xué)化學(xué)是緊密相關(guān)、相互滲透的。教師可在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中充分聯(lián)系中學(xué)化學(xué)教學(xué)的實際，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性和興趣，提高他們應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)知識解決中學(xué)化學(xué)教學(xué)實際問題的能力，激發(fā)學(xué)生對結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。
3將學(xué)科前沿的研究動態(tài)和熱點融入課程教學(xué)，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)的最新發(fā)展動態(tài)和取得的成果[8]
教學(xué)中，我們會根據(jù)學(xué)科進展，適時更新一些前沿內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動態(tài)和熱點。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異，加快了科學(xué)知識的積累和科學(xué)概念的更新，所以基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容也需不斷的更新和發(fā)展。教學(xué)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(fā)展動態(tài)，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(nèi)容，如簡介球烯化合物、納米材料、高溫超導(dǎo)體、掃描隧道顯微鏡，展示晶體材料在現(xiàn)代科技中的重要應(yīng)用，向?qū)W生作“結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展與動向”、“新型材料及應(yīng)用前景”等專題介紹，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)的新進展。實踐證明，通過課堂知識與當(dāng)前科研的前沿和實際相結(jié)合的講授方式，使學(xué)生在學(xué)到基礎(chǔ)知識的同時，又能了解所學(xué)知識與科研實踐的聯(lián)系，使學(xué)生覺得學(xué)有所用，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和從事科研工作的熱情。
二充分利用計算機與網(wǎng)絡(luò)，督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)
為了讓學(xué)生能帶著問題有針對性地學(xué)習(xí)，我們要求學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。我們利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺把結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)課件、教學(xué)大綱、練習(xí)題及解答、結(jié)構(gòu)化學(xué)資源和實驗講義等各種信息上傳到結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)網(wǎng)頁上，讓學(xué)生充分了解課程安排、課程要求等課程信息，有意識地給學(xué)生留一些與上課內(nèi)容有關(guān)的問題或知識點，鼓勵學(xué)生應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)去主動獲取知識，形成自己的認識和體會，提前做到有效預(yù)習(xí)，這增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和空間。課后還要求進行知識的復(fù)習(xí)鞏固，遇到疑難問題，還可在網(wǎng)絡(luò)上進行在線答疑，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。這為課堂教學(xué)質(zhì)量的提高提供了有效的保證。
三改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，創(chuàng)設(shè)民主、開放的課堂環(huán)境和氛圍[7]
傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，課堂教學(xué)以教師為中心，知識傳播靠教師灌輸?shù)奶卣魇置黠@。長此以往，造成課堂氣氛沉悶、壓抑，學(xué)生思想不易集中。為確立學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，我們本著以學(xué)生為本的思想，創(chuàng)設(shè)民主、開放的課堂環(huán)境和氛圍，把學(xué)習(xí)的主動權(quán)還給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生適當(dāng)參與課堂教學(xué)，教學(xué)互動、教學(xué)相長。在整個教學(xué)過程中，我們以積極的心態(tài)和情緒，豐富形象的語言，因勢利導(dǎo)，不斷啟迪，使學(xué)生思維活躍、積極響應(yīng)，課堂教學(xué)始終充滿活力。學(xué)生也通過愉快的交流達到掌握知識的目的。
四采用框架結(jié)構(gòu)教學(xué)法，強化重難點，弱化復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的推演[8]
每門學(xué)科都有自己的知識框架，它是學(xué)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(jié)講得太多太細，在有限的時間內(nèi)很難完成規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，也不利于激發(fā)學(xué)生的求知欲。我們在課堂講授中，著重闡述分析知識結(jié)構(gòu)框架及知識點之間的聯(lián)系、關(guān)鍵內(nèi)容及重要結(jié)論等，中間的演算、一般性的論述和遺留問題可以由學(xué)生課后通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺自己解決，實在無法回避的數(shù)學(xué)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?qū)W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(yīng)用。在引導(dǎo)學(xué)生理清思路后再選擇重點或難點等關(guān)鍵內(nèi)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(yīng)用細節(jié)等內(nèi)容調(diào)整為給學(xué)生提問題，引導(dǎo)學(xué)生通過思考、查閱資料的方式來完成。這樣的教學(xué)過程不僅使學(xué)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(chǎn)生興趣，得到有效啟迪，自然也就獲得了探索知識的主動權(quán)，最終轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新能力和課堂效率。
五適當(dāng)運用多媒體技術(shù)和量子化學(xué)計算軟件輔助教學(xué)[8-10]
傳統(tǒng)的以“教師+黑板+粉筆”的教學(xué)模式有時學(xué)生感到枯燥無味，且難以理解原理與結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中我們利用Flash、3D MAX、ChemOfice、PPT等軟件制作了分子結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)圖片和三維立體變化模型，模擬原子、分子等的結(jié)構(gòu)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?qū)W生展示出分子結(jié)構(gòu)模型等，通過幻燈片放映還可以使學(xué)生在最短的時間獲得大量知識，提高教學(xué)效率。借助于計算機技術(shù)，學(xué)生將能“走進”原子、分子和晶體內(nèi)部，探索微觀世界的奧妙，從而顯著改進教學(xué)效果，這也是結(jié)構(gòu)化學(xué)多媒體教學(xué)的魅力。多媒體教學(xué)廣泛采用分子軟件制作立體感強、可實時操作的動態(tài)模型，解決實物模型種類有限、數(shù)量不足的困難，為學(xué)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(xué)，讓學(xué)生直觀形象地了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)問題處理方法，從而加深對教材內(nèi)容的理解，為學(xué)生進行探究式學(xué)習(xí)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(xué)程序計算繪制，不僅使抽象概念具體化，而且將結(jié)構(gòu)化學(xué)中豐富多彩的結(jié)構(gòu)美、形態(tài)美、理論美，用多媒體功能表現(xiàn)出來，使化學(xué)教學(xué)同時成為美感教育過程，活躍氣氛，提高學(xué)習(xí)興趣，糾正對化學(xué)的片面認識，使學(xué)生更加熱愛化學(xué)，從而提倡科學(xué)與人文、藝術(shù)的結(jié)合，以利素質(zhì)教育，最終改進課堂教學(xué)效果。
總之，我們在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂教學(xué)中努力培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，盡可能做到化繁入簡、化簡于無形，合理運用現(xiàn)代化教學(xué)手段和量子化學(xué)計算軟件的強大功能，使學(xué)生忘卻其難，感受其美，喜歡結(jié)構(gòu)化學(xué)，從而學(xué)好結(jié)構(gòu)化學(xué)。
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