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    2021-07-16 02:08:05

    量子化学计算方试验

    量子化学计算方法试验

    1. 应用量子化学计算方法进行计算的意义

    化学是一门基础学科,具有坚实的理论基础,化学已经发展为实验和理论并重的科学。理论化学和实验化学的主要区别在于,实验化学要求把各种具体的化学物质放在一起做试验,看会产生什么新的物质,而理论化学则是通过物理学的规律来预测、计算它可能产生的结果,这种计算和预测主要借助计算机的模拟。也就是说,理论化学可以更深刻地揭示实验结果的本质并阐述规律,还可以对物质的结构和性能预测从而促进科学的发展。特别是近几年来,随着分子电子结构、动力学理论研究的不断深入以及计算机的飞速发展,理论与计算化学已经发展成为化学、生物化学及相关领域中不可缺少的重要方向。目前,已有多种成熟的计算化学程序和商业软件可以方便地用于定量研究分子的各种物理化学性质,是对化学实验的重要的补充,不仅如此,理论计算与模拟还是药物、功能材料研发环境科学的领域的重要实用工具。

    理论化学运用非实验的推算来解释或预测化合物的各种现象。理论化学主要包括量子化学,(quantum chemistry)是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系;分子与分子之间的相互作用;分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。量子化学可分基础研究和应用研究两大类,基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律,建立量子化学的多体方法和计算方法等,多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论,以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。理论与计算化学的巨大进展,正使化学学科经历着革命性的变化。今天的理论与计算化学几乎渗透到现代一切科技领域,与材料、生物、能源、信息和环保尤为密切,理论化学的应用范围将越来越广。理论与计算化学逐步发展成为一门实用、高效、富有创造性的基础科学,在化学、生物学等领域的影响越来越显著,且与日剧增。

    2. 应用量子化学计算方法进行计算的目的

    (1)了解量子化学计算的用途。

    (2)了解量子化学计算的原理、方法和步骤。

    (3)通过一两个计算实例进行量子化学计算的上机操作试验。

    (4)学会简单的分析和应用计算结果。

    3. 量子化学计算试验的原理

    量子化学是应用量子力学的规律和方法来研究化学问题的一门学科。将量子理论应用于原子体系还是分子体系是区分量子物理与量子化学的标准之一。

    主要分为:①分子轨道法(简称MO法,见分子轨道理论);②价键法(简称VB法,见价键理论);③密度泛函理论。以下只介绍分子轨道法。

    ①分子轨道法:分子体系中的电子用单电子波函数满足Pauli不相容原理的直积(如Slater行列式)来描述,其中每个单电子波函数通常由原子轨道线性组合得到(类似于原子体系中的原子轨道),被称作分子轨道,分子轨道理论是目前应用最为广泛的量子化学理论方法。

    HF方法:它是原子轨道对分子的推广,即在物理模型中,假定分子中的每个电子在所有原子核和电子所产生的平均势场中运动,即每个电子可由一个单电子函数(电子的坐标的函数)来表示它的运动状态,并称这个单电子函数为分子轨道,而整个分子的运动状态则由分子所有的电子的分子轨道组成(乘积的线性组合),这就是分子轨道法名称的由来。分子轨道法的核心是哈特里-福克-罗特汉方程,简称HFR方程,它是以三个在分子轨道法发展过程中做出卓著贡献的人的姓命名的方程。1928年D.R.哈特里提出了n个将电子体系中的每一个电子都看成是在由其余的 n-1个电子所提供的平均势场中运动的假设。这样对于体系中的每一个电子都得到了一个单电子方程(表示这个电子运动状态的量子力学方程),称为哈特里方程。使用自洽场迭代方式求解这个方程(见自洽场分子轨道法),就可得到体系的电子结构和性质。哈特里方程未考虑由于电子自旋而需要遵守的泡利原理。1930年,B.A.福克和J.C.斯莱特分别提出了考虑泡利原理的自洽场迭代方程,称为哈特里-福克方程。它将单电子轨函数(即分子轨道)取为自旋轨函数(即电子的空间函数与自旋函数的乘积)。泡利原理要求,体系的总电子波函数要满足反对称化要求,即对于体系的任何两个粒子的坐标的交换都使总电子波函数改变正负号,而斯莱特行列式波函数正是满足反对称化要求的波函数。将哈特里-福克方程用于计算多原子分子,会遇到计算上的困难。C.C.J.罗特汉提出将分子轨道向组成分子的原子轨道(简称AO)展开,这样的分子轨道称为原子轨道的线性组合(简称LCAO)。使用LCAO-MO,原来积分微分形式的哈特里-福克方程就变为易于求解的代数方程,称为哈特里-福克-罗特汉方程,简称HFR方程。

    CI方法:组态相互作用(Configuration Interaction)方法。用HF自洽场方法计算获得的波函数和各级激发的波函数为基展开体系波

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    以计算机文化基础、高级语言C程序设计与软件为基础结合化学专业中常用的数学方法和部分化学应用软件,综述计算机在化学中的理论与实际应用,解决化学领域中的实际问题以及建立简单的化学模型,同时介绍Origin、ChemWindow和化学品电子手册等软件,并且能够利用互联网进行化学文献检索及其它相关化学信息的搜索与利用。

    第2卷 1

    第 2期

    Vo. No 2 121 .

    21 0 1年 2月

    J 0UR NAL OF CHANGC HUN U VE I Y NI RS T

    F b. 2 e 01l

    计算机在化学中的应用

    杨晓慧

    (春大学长计算机科学技术学院,长春 10 2 ) 30 2

    要:以计算机文化基础、高级语言 c程序设计与软件为基础结合化学专业中常用的数学方法和部分化学应用

    软件,综述计算机在化学中的理论与实际应用,决化学领域中的实际问题以及建立简单的化学模型,时介绍解同 Oii、 h m no r n C e Widw和化学品电子手册等软件,且能够利用互联网进行化学文献检索及其它相关化学信息的搜 g并

    索与利用。

    关键词:算机;学;器;件计化仪软

    中图分类号: 6 0文献标志码: A文章编号:09—30 (0 1 0 04 0 10 9 7 2 1 )2— 04— 4

    14 9 6年世界上第一台数字电子计算机埃尼阿克 ( N A诞生于美国宾夕法尼亚大学,后随着计算机 E I C)之的广泛应用,们已经对它已不再感到陌生。在科技飞速发展的今天,人电脑信息技术与各行各业进行了有效

    的结合。在这个平台上,计算机已经提供了一个全新的人类沟通新方式。人们通过计算机进行日常工作休

    闲娱乐,日常沟通、如资料输入输出、计算统计、电子商务、网络营销等等。面对强大的计算机功能,它也已经开始在化学这个领域逐渐完善成为一个健全的系统使得化学功能发挥的淋漓尽致。计算机现在已经是一种多功能的化学应用设备,不仅简单用于计算机辅助教学, o eP it它 P w ron软件环境,学 C I件制作实例,化 A课

    Vsa B s、 uh rae来解决化学中碰到的问题, i l ai A tow r u c而是已经开始解决化学各分支学科的问题,于自动控用

    制、工智能、人选择、判别、算、计拟合、表、图、拟、制绘模存贮、索、检统计、理、家系统等方面…。管专

    1计算机在化学仪器测试中的应用

    随着信息化技术的飞速发展,器分析技术与计算机结合得尤其紧密。例如现在化学常使用的傅立叶仪变换红外光谱仪、

    紫外光谱仪、 X一射线荧光光谱仪、高效液相色谱仪、一质谱联用仪、气扫描电子显微镜及

    x一射线能谱分析仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、子色谱仪、离 x一射线衍射仪等,计算机辅助完成了如

    下功能:

    () 1仪器智能化

    即仪器联机和自动化,它就像是仪器自动化并配备化学专家一样。简单的说是配备

    小型计算机数据库,能选择实验条件、存、调用谱图等;更高级的定义是用专家系统指导人们工作,查仪检

    器,对操作人员辅导、答疑等实现仪器实时控制自动化和智能化。它包括数据采集,即将仪器测得的模拟量

    通过模数转换电路转换为数字,以便计算机数据处理、自动记录、算、换校正、滑;平自动控制程序进样、升温、

    调节等操作以及抛弃原来操作人员用纸笔和依靠操作规程,切工作都由屏幕提示,机对话,一人操作过程和

    结果也由机器打印记录等 J。

    ( )图检索和结构解析 2谱

    将谱图信息计算机化,机分析的重要分析检测物质手段,据物质的不同有根

    结构引起谱图上的不同特征分析,由实验测出未知物的谱图,它和标准谱图对照,样数据输入时,计算把试用

    机进行检索,计算机推理判断,以迅速从庞大的谱图库中指出实测谱图与哪几张标准谱图相同或相似程度最大,出试样的结构的若干种可能方案。这种方法模拟了化学专家的智能,指参照谱数据求得分子量,可求就

    得未知物的组成和结构。这将为分析者提供解决问题的便捷 J。

    ( )成路线设计 3合

    文献中已有大量有机合成路线,这是进行新物质合成的基础,但是人们难以全部掌

    握这样多的合成方法。利用数据库方法把已有合成路线存入计算机中,用计算机来实现从不同途径如逆利

    向追溯、向预测、顺最佳 (成本最低,产率最高,方法最简,污染最少 )的合成路线的选择。

    收稿日期:000 -1 2 1-90

    作者简介:晓慧 (9 4 )女,林镇赉人,验师,士,杨 17一,吉实硕主要从事计算机方面的研究。

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  • 初三化学计算题专题复习教案初中化学总复习化学计算一.考点梳理1.有关化学式的计算;2.根据化学方程式的计算;3.有关溶液的计算;二.做题技巧1.认真读题,勾画出有效信息,其中包括:题所给的“标签”、“图表...

    初三化学计算题专题复习教案

    初中化学总复习

    化学计算

    一.考点梳理

    1.有关化学式的计算;

    2.根据化学方程式的计算;

    3.有关溶液的计算;

    二.做题技巧

    1.认真读题,勾画出有效信息,其中包括:题中所给的“标签”、“图表”等,必须将题中所有你认为有用信息勾画出来;

    .认真读题,我们要求什么,我们已知条件是什么,我们还需要什么,计算公式是什么?

    三.经典例题1. (2011 北京.18)已知一种碳原子可用于测定文物的年代,该原子的原子核内含有6个质子和8个中子,则核外电子数为

    ?A.2 B.6??? C.8 D.142. (2011 北京.28)水和溶液在生命活动和生产、生活中起着十分重要的作用。(1)“生命吸管”(如右图)是一种可以随身携带的小型水净化器,里面装有网丝、注入了活性炭和碘的树脂等。其中活性炭起到________和过滤的作用。(2)水常用来配制各种溶液,硝酸钾溶液中的溶质为________。?

    (3)农业生产常用溶质的质量分数为10% ~ 20%的NaCl溶液来选种。现将300 g 25%的NaCl溶液稀释为15%的NaCl溶液,需要加水的质量为________g。(4)根据下表回答问题。

    温度/℃020406080100溶解度

    ?

    /gNaCl35.736.036.637.338.439.8NH4Cl29.437.245.855.265.677.3?

    60 ℃时,向两个分别盛有50 g NaCl和NH4Cl的烧杯中,各加入100 g的水,充分溶解后,为饱和溶液的是________溶液。②采用一种操作方法,将上述烧杯中的剩余固体全部溶解,变为不饱和溶液。下列说法正确的是________(填字母序号)。

    ?

    A.溶质的质量不变    B.溶液中溶质的质量分数一定减小

    ?

    C.溶液质量可能不变?   D.可升高温度或增加溶剂3. (2010 上海.6)在温度不变的条件下,下列欲使溶质的质量分数变为原来2倍的方法,最可行的是

    A.将20 g硝酸钾饱和溶液蒸发掉10 g水

    B.将20 g销酸钾不饱和溶液蒸发掉10 g水

    C.在10 g?10?%的硝酸钾溶液中,加入5 g?40?%的硝酸钾溶液

    D.在10 g硝酸钾不饱和溶液中加入10 g硝酸钾固体4. (2010 上海.10) 6.4 g某物质R完全燃烧生成8.8 g?CO2,化学反应方程式是2R+3O22CO2+4H2O,则由此得出的下列结论,完全正确的一组是

    ①?R由碳、氢两种元素组成 ②?R中碳元素的质量分数是37.5%

    ③?6.4 g R燃烧还生成了7.2 g H2O ④?R的相对分子质量等于64

    A.??①② B.??③④ C.??①④ D.??②③5. (2012 绵阳.9)加热条件下.在一个密闭的容器内有如下反应,反应过程中两次测得各物质的质量如表所示:

    物质PQRW第一次测得的质量/g4043.64.8第二次测得的质量/g待测1312.610.8 A.上述化学反应方程式一定为PQ+R+W

    B.该反应R与W的质量变化之比为2:3

    C.两次测定之间生成W的质量为10.8g

    D.第二次测得P的质量为16g6. (2012 南充.12).3.0g某物质完全燃烧后生成4.4gCO2和1.8g水。则对该物质相关判断正确的是

    A.该物质只含碳、氢元素[来源:Zxxk.Com]B.该物质一定含有碳、氢元素,可能含有氧元素

    C.该物质由碳、氢、氧元素组成

    D.该物质分子中碳原子和氢原子的个数比为1:1

    7 .(2010 攀枝花.16)在反应X+2Y=R+2M中,当32gY与X恰好完全反应后,生成18gM,且生成的R和M的质量比为11:9,则在此反应中,参加反应的X与生成的R的质量比为

    A.4:11 B.16:9 C.8:11 D.32:9

    8. (2012 攀枝花.15)将丙醇(C3H8O)与氧气置于一个封闭的密闭容器中引燃,测得反应前后各物质的质量如下表:

    物质C3H8OO2H2OCO2X反应前质量/g9.019.2000反应后质量/g0010.813.2mA.表中m的值为3.8

    B.物质X一定含有氢元素

    C.物质X一定不含有碳元素

    D.若氧气的质量为21.6g,则无X物质生成

    9. (2011 攀枝花.15)在A + B = C + D的反应中,下列叙述不正确的是

    A.若C和D为盐和水,则该反应不一定是中和反应

    B.此反应可能是复分解反应

    C.若10 gA和15 gB恰好完全反应,则生成C、D的总质量为25 g

    D.若A是氧化铜

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  • 计算机在化学中的应用论文篇一试谈计算机模拟在化学学习的应用【摘要】兴趣是学生积极主动学习的源动力,如何激发学生学习无机及分析化学的兴趣,调动他们的学习热情,在无机及分析化学课程教学显得尤为重要。...

    现在,化学教师可以使用复杂的多媒体,其可提供可供学生观看和互动的现象和过程的模型。下面是小编给大家推荐的计算机在化学中的应用论文,希望大家喜欢!

    计算机在化学中的应用论文篇一

    试谈计算机模拟在化学学习中的应用

    【摘要】兴趣是学生积极主动学习的源动力,如何激发学生学习无机及分析化学的兴趣,调动他们的学习热情,在无机及分析化学课程教学中显得尤为重要。对于如何激发学生学习无机及分析化学的兴趣,笔者结合几年的教学经验,在本文中提出了几点具体措施。

    【关键词】计算机模拟;化学

    一、引言

    在当代社会,要想在生存的环境中对自己的健康和幸福做出明智的判断,化学教育被认为是至关重要的。但是化学教学情况不容乐观,许多学生对化学甚至科学都不感兴趣,只是尽可能少的选择一些必需的科学课程进行学习。在过去几年中,人们期待通过以计算机为基础的教学氛围能够培养并提高学生的学习兴趣多媒体材料的使用也被认为是顺理成章的事情了,多媒体可以提供积极主动学习的有利条件、情境教学和可视化的说明复杂的概念,致使在健全的教学实践中配备多媒体就成为水到渠成的事。

    二、计算机模拟在化学中的应用

    现在,化学教师可以使用复杂的多媒体,其可提供可供学生观看和互动的现象和过程的模型。对于一些静止状态的教科书难以表征但对理解事物运行至关重要的动态理论实体,利用这些模拟可得到形象的表征。通过提供学生处理复杂体系和通过自己的研究识别模式的机会,这些模拟可促进主动学习。当与模拟互动时,学生可参与到科学推理的过程,例如题目说明、假设生成、实验、观察和数据解释。因此,C不仅仅能够帮助学生理解化学现象,还可以培养学生探究和解决问题的能力。

    但是现在化学教师们现在总是致力于发展和传播分子水平化学过程的电脑动画制作和模拟,往往忽略了哪种模拟特性才能更好的帮助学生。特别是在模拟设计上,教师们只重视了表述的科学严谨性,忽略了设计特性是否适合学生学习。化学模拟的设计和形成应该建立在学习理论、认知力和多媒体的研究以及化学教育最佳做法的基础上。将学生结合进化学模拟的过程中,采取迭代设计过程,对于模拟的实用性不断测试和改进完善。这样制作出来的模拟结果,有些地方是与仅以化学专家的观点制作模拟时通常接受的方式相违背的。例如,在模拟中应尽量减少符号的使用,而以文化熟悉的图标代替;支持探索而避免使用已经制定出的例子;在整个模拟中使用一致的界面。

    三、如何将计算机模拟应用到化学教育中

    在模拟的设计和改进过程中,我们可参考Gabel (1999)和Johnstone (1982)的研究成果,他们曾对“不同级别表示形式”的思想以及其在化学家理解世界过程中所起的作用都进行了研究。Gabel认为化学现象最初是在可见的或宏观层面进行感知的,这也是人们体验化学的方式。但是这些现象却通常被化学老师用亚显微水平的原子和分子的特性和行为来进行解释。化学老师通常会使用符号、公式和方程式等展现这些宏观和亚显微水平,从而进一步使简单问题复杂化。化学教育的一个中心目标是协助学生掌握这些不同形式的表征。正如Kozma所认为的,理解和使用这一系列的表征不仅仅是化学老师应该做的一部分,从更深远的层次上讲,这就是化学。Kozma 和Russell认为学生进行不同层次上的认知可成就他们的表征能力。所以,我们在模拟时应注意,用叙述的形式表征观察到的,用代表性的粒子模型进行解释,用符号展现现象和解释之间的联系。

    (1)可见的现象:用叙述法介绍每天的经历。科学的基础是用理论和模型解释观察到的现象。给学生介绍需要解释的现象时叙述是一个很有利的工具。在模拟中,用叙述展现熟悉的现象,学生可通过与运动粒子动态解释模型的互动来探究它。结构上,我们的叙述是典型的流派:它们要有完整的开头、中间和结尾;融入制作人的意图;作者和读者协作确定最终结果。研究表明,人类是基于叙事结构的思考组织事件,并在不知不觉中把时间和因果关系强加于事件的逻辑语义关系结构。叙述被认为是最为学生熟悉的形式。

    (2)展示一个解释性模型。以教授分子动力学理论及相关主题的概念时为例。这个理论需要学生理解物质是由恒定运动的粒子组成的,多媒体就可以用视觉上的动态方法表达这种思想,这是静态的教科书无法做到的。通过交互式计算机模拟展示一个解释性模型可给学生提供一个积极的学习经验,是学生完全投入进去,这个模型有可能是不切实际或不可能的。在这个例子中,我们的模拟可形象的展示粒子的行为,但实际上是看不到的。描述颗粒模型

    (3)符号表示。文字和符号在模拟设计中都是重要的要素。每个解释性模型都要有一个变量关系示意图。创作和解释图形的能力在学习科学中是重要的技能。根据原始数据绘制图形可帮助科学工作者进行认知和解释,还可以直观系统的观察大量数据。在我们的模拟中,还应该将学生引入化学定量方面,这也是国家标准关注的方面。

    在一个模拟中应该融合了以上三个层次的表征:可见,解释,和符号。以相变的模拟为例:在可见层次,相变可通过一段女主人公和哥哥试图给水加热制作热巧克力的叙述引入。这段叙述可将相变融入学生熟悉的日常生活实践中。在解释层次,可提供相变(液态向气态)分子动态行为的粒子模型来形象的表征。其中可用不同颜色的点代表容器内的不同气体分子,炉子代表加热,插进容器内的温度计代表温度。在符号层次,基于颗粒模型每个用户操作的数据可生成一个图形。

    参考文献:

    [1] Gabel,D. Improving teaching and learning through chemistry education research: A lookto the future. Journal of Chemical Education,1999 (76).

    [2]Johnstone,A. H. Macro- and microchemistry. School Science Review,1982 (64).

    [3]Kozma,R. B. (2000). The use of multiple representations and the social construction of understanding in chemistry. In M. Jacobson & R. Kozma (Eds.),Innovations in science and mathematics education:Advanced designs for technologies of learning (pp. 11-46). Mahwah,NJ:Erlbaum.

    [4]Kozma,R.,& Russell,J. (2005). Students becoming chemists:Developing representational competence. In J. K. Gilbert (Ed.),Visualisation in science education (pp. 121-146). Dordrecht,The Netherlands:Springer

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    2020-12-15 21:47:21
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空空如也

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