文档介绍：量子化学计算软件在大学化学教学中的应用
(江苏大学化学化工学院,江苏镇江 212013)
摘要:本文针对大学化学的学科特点,从四个方面探讨了量子化学计算软件在大学化学教学的应用实例。运用形象直观的量子化学软件,结合多媒体教学手段,将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来,帮助学生建立形象思维,使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围,从而开拓学生思路,激发学生学习兴趣。结果表明,该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用,取得了良好的教学效果,同时也丰富了大学化学课程的教学方法。
关键词:量子化学;密度泛函理论;计算化学;Gaussian 09
中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)50-0176-04
传统的化学是一门实验科学,它的发展已经经历了几千年的时间。发展至今,化学科学已经成为了包含有机化学、无机化学、物理化学、生物化学、分析化学、实验化学、理论化学、应用化学、精细化学、材料化学等众多子学科的中心学科。在大学化学基础理论的教学中,涉及很多抽象的化学知识和概念,比如原子、分子及晶体结构等,无法通过肉眼进行直接观测,而且微观结构难以用宏观模型进行科学的描述。传统的教学模式很难满足学生学习化学的需求,这就需要引入新型的先进教学方法和手段。上个世纪20年代开始形成了一门新的化学子学科
――量子化学。量子化学是用量子力学原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学反应理论、各种光谱、波谱和电子能谱的理论,以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学[1]。理论与计算化学能渗透到化学领域的很多方面,与其他学科交叉,并形成了很多分支学科,例如:物理化学方面,我们可以通过量子化学方法计算分子的热力学性质、动力学性质、光谱性质、固体的化学成键性质等,从而形成了量子电化学、量子反应动力学等子学科;在有机化学方面,可以通过量子化学计算预测异构体的相对稳定性、反应中间体性质、反应机理与谱学性质(NMR,ESR…)等,因而衍生了量子有机化学;在分析化学方面,可以借助于计算化学进行实验光谱的解析等;无机化学方面,可以进行过渡金属化合物的成键性质的解析等,并形成了量子无机化学;在生物化学领域中,也可以通过理论计算研究生物分子活性中心结构、结构环境效应、酶与底物相互作用等,并逐渐产生了量子生物化学。随着计算量子化学方法与计算机科学的发展,本世纪有望在复杂体系的精确量子化学计算研究方面取得较大进展,从而更好地从微观角度去理解和预测宏观化学现象。本文通过四个教学实例,运用形象直观的量子化学软件,结合多媒体教学手段,将枯燥、深奥、抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、直观、立体的形式呈现出来,帮助学生建立形象思维,使学生进入一种喜闻乐见、生动活泼的学习氛围,从而开拓学生思路,激发学生学习兴趣。结果表明,该方法对激发学生学习化学的兴趣具有显著的促进作用,取得了良好的教学效果,同时也丰富了大学化学课程的教学方法。
一、常用量子化学软件Gaussian/GaussView简介
Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包,它可以在Windows,Linux,Unix操作系统中运行,是在半经验计算和从头计算