量子化学基础精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇量子化学基础范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,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)

[关键词]结构化学；教学改革；互动教学

结构化学课程是我国高等学校化学专业的必修课程，内容涉及量子化学，分子对称性，配位化学和晶体学基础等部分。该课程内容抽象，知识系统庞杂，数理推导较多，学习曲线陡峭，不少学生因此存在着畏难情绪。然而正如诗词所言，无限风光在险峰，学好这门课程不仅有助于理解其它化学课程的内容，也是为进一步在本专业深造打下坚实的基础。[1]在当前深化本科教育教学改革的背景下，如何将结构化学课程上好，真正做到让老师强起来，学生忙起来，效果实起来，笔者在此对授课以来的问题和解决方法进行总结。

1重视数理，夯实基础

结构化学课程的一大难点在于数学推导较多，譬如量子化学部分完全使用数学语言描述核心知识，而对于化学专业的同学，数学一直是软肋，于是极容易产生厌学和畏难情绪。[2-4]针对这个问题，很多老师采取的解决方法是淡化数学推导，重点介绍推导后的结论和意义，但我们在授课过程中，发现这样的授课方式效果欠佳，因为基础不牢，课程的学习只能是空中楼阁、风中沙塔，很多同学在课程结束后还是无法对物理图像有一个正确的认识和把握。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，笔者认为与其淡化数学，不如严格要求，把数学学到位。伟大的思想家恩格斯说过：“任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用。”正是因为数学和物理的引入，才让化学摆脱了炼金术的桎梏而成为一门科学。因此我们在授课时自始至终强调数学的重要性，在涉及数学内容较多的章节，提前讲授将要用到的数学工具并布置作业，每章节结束后将重要的公式和结论进行串讲并配合习题进行强化训练，要求所以学生每学完一个章节就做思维导图及时总结复习，将重要公式进行总结归纳制作公式索引表格。尽管提升了学习的难度，但学生对于推导的结果和物理意义理解的更加准确和深入，记忆也更加牢固，锻炼了学生的逻辑思维和严谨认真的科学态度。

2理清主线，合理增负

结构化学课程内容主要涉及量子化学基础，分子对称性，配位化学以及晶体学基础。尽管这四个部分知识彼此之间较为独立，但所表达的核心思想是一致的，即结构决定性质，性质也反映着结构。目前授课内容主要存在问题是：量子化学部分各章节之间主线不够明确；配位化学部分和专业无机化学课程内容有重叠；晶体学基础部分，结构相关的内容介绍较多而相关的性质介绍较少。针对这些问题，我们对课程的授课内容进行了合理的补充和删减。首先，对于量子化学部分，我们在授课一开始给出课程的故事主线，即量子力学的诞生背景，量子力学基本假设，简单模型的量子力学处理方法，氢原子薛定谔方程的求解过程及解的物理意义，以及针对于多电子原子和多原子分子的近似方法。这条主线清晰明确，在每一章节开始时，我们对之前的内容进行简要回顾，帮助学生理清了各章节的逻辑关系，在学期末复习课时对每一个知识点进行展开复习，进行巩固。配位化学部分，对于和无机化学有重叠的部分，我们通过翻转课堂的方式简要复习，同时突出结构化学的重点，即分子轨道理论在配位化学的应用，着重介绍了配体群轨道这个新概念，以及不同配位几何构型下配体群轨道和中心原子如何依据对称性进行线性组合的方式，同时介绍了金属配合物作为均相催化剂催化反应的常见机理。在此基础上，我们还将科研中的一些问题引入课堂讨论，如金属氮宾体和金属氧化物的电子结构，让学生通过知识解决实际科研问题，真正做到科研反哺教学。晶体学部分除了介绍基本知识以外，补充介绍了能带理论，态密度等概念，并介绍了导体，半导体，绝缘体在电子结构上的差异，这些基础知识有利于化学专业的同学在材料化学方向进行科研工作打下基础。尽管课程在深度和广度上都有所增加，但不少同学都表示感受到了挑战性学习所带来获得感和高阶乐趣。

3反客为主，多元考核

传统理论课授课方式，采用幻灯片讲述授课，学生被动填鸭式学习，效果较差，也不利于学生培养综合能力。针对这些问题，我们开始尝试翻转课堂教学方法来提高学生参与性，重点培养学生的学习能力，表达能力，独立思考，发现问题，解决问题的能力，这些都是未来创新型人才所具有的重要特质。翻转课堂的内容主要涉及三个方面，一个是结构化学课程中难度较低的几个章节，如双原子分子电子结构，分子对称性，配位化学基础知识等章节，各章节的总结复习以及研究性课题，教师提供慕课资源，书籍资料和分子建模软件，让所有学生统一准备，课堂上抽签进行讲解，在授课过程中，要求其他小组必须提问，教师在课程结束时对各小组所准备的课件进行补充点评，我们也将翻转课堂教学纳入了考核评价，提高了课程总结笔记，课堂提问，翻转课堂课件等分数项的比例。翻转课堂授课方式有效的活跃了课堂气氛，提高了课堂参与度，也增强了学生的学习能力和思辨精神。

篇(3)

科学语录：“化学结构理论主要就是化学的理论。”

莱纳斯・卡尔・鲍林是著名的量子化学家，他在化学的多个领域都有过重大贡献。他是唯一一个单独两次获诺贝尔奖的人，不过后一次获得的是诺贝尔和平奖。

1901年2月18日，鲍林出生在美国俄勒冈州波特兰市。幼年的鲍林聪明好学，11岁认识了心理学教授捷夫列斯。捷夫列斯有一所私人实验室，他曾给幼小的鲍林做过许多有意思的化学演示实验，这使鲍林从小萌生了对化学的热爱，这种热爱使他走上了研究化学的道路。

1922年，鲍林以优异的成绩从俄勒冈州农学院化学工程系毕业，同时，考取了加州理工学院的研究生，导师是著名化学家诺伊斯。诺伊斯告诉鲍林，不要只停留在书本知识上，应当注重独立思考，同时要研究与化学有关的物理知识。鲍林在诺伊斯的指导下，用调射线衍射法测定了辉铝矿的晶体结构。这使他在化学界初露锋芒，同时也增强了他进行科学研究的信心。

1925年，鲍林以出色的成绩获得化学哲学博士，并于1926年2月去了欧洲游学。在欧洲游学时，鲍林去了很多实验室工作与学习，接触到了许多世界第一流的专家，并且了解了很多科学前沿问题，这对他后来取得学术成就是十分重要的。

1927年，鲍林结束了两年的欧洲游学回到了美国，担任助理教授讲授量子力学及其在化学中的应用。1930年，鲍林再一次去欧洲，到布拉格实验室学习有关射线的技术，后来又到慕尼黑学习电子衍射方面的技术，回国后，被加州理工学院聘为教授。

鲍林在探索化学键理论时，遇到了甲烷的正四面体结构的解释问题。为了解释甲烷的正四面体结构，说明碳原子四个键的等价性，鲍林提出了杂化轨道的理论。该理论的根据是电子运动不仅具有粒子性，同时还有波动性，而波又是可以叠加的。所以鲍林认为，碳原子和周围四个氢原子成键时，所使用的轨道是二者经混杂、叠加而成的“杂化轨道”，这种杂化轨道在能量和方向上的分配是对称均衡的。杂化轨道理论，很好地解释了甲烷的正四面体结构。

鲍林在研究量子化学和其他化学理论时，创造性地提出了许多新的概念。例如，共价半径、金属半径、电负性标度等，这些概念的应用，对现代化学、凝聚态物理的发展都有巨大意义。1932年，鲍林预言，惰性气体可以与其他元素化合生成化合物。惰性气体原子最外层都被8个电子所填满，形成稳定的电子层，按传统理论不能再与其他原子化合。但鲍林的量子化学观点认为，较重的惰性气体原子，可能会与那些特别易接受电子的元素形成化合物，这一预言，在1962年被证实。

篇(4)

    羟汞化-脱汞是由烯烃合成醇的有效途径之一[1]。羟汞化反应主要分为两个阶段:①烯烃在含水的四氢呋喃溶液中与乙酸汞发生羟汞化;②羟汞化产物不经分离,直接加入NaBH4进行还原脱汞。该反应具有条件温和(一般在室温进行)、速度快(一般第一阶段只需要几分钟,第二阶段需要1小时)、中间产物不需分离、区域选择性好(Markovnikov取向)、无重排产物等优点。因此,尽管汞是公认最毒的金属元素,但由于羟汞化反应的诸多优点,该反应仍被广泛用于有机合成[2-3]。

    以丙烯加乙酸汞为例,目前比较公认的羟汞化反应机理[4-5]见图1。其中第二步和第三步最为关键,但是目前国内外多数有机化学教材都没有明确指出反应的速控步是哪一步[6-10],部分教材甚至把羟汞化过程归类为亲电加成反应[8-10]。我们对此产生疑问,整个反应的速控步究竟是汞离子亲电加成的第二步,还是水亲核进攻的第三步?下面根据软硬酸碱理论、元素电负性等有机化学基础知识以及量子化学计算结果对各步反应分析如下:(1)第一步,乙酸汞发生电离产生乙酰氧基汞正离子。我们认为该带有正电荷的汞离子的生成是必要的。最新的研究证明氯化汞能够催化芳基烯基醚的羟汞化反应。加入氯化钠等含有氯离子的无机盐能够抑制上述反应,而加入硝酸银可以促进上述反应。因为氯离子是软碱,额外增加的氯离子能够和汞离子络合生成[HgCl4]2-,抑制了+HgCl的生成,进而抑制了羟汞化。而加入硝酸银,使银离子和氯离子结合,则可以促进+HgCl的生成,进而促进羟汞化反应。对于不同的汞盐,根据软硬酸碱理论可以判断其电离的难易。越容易电离的汞盐,活性越高。不同汞化合物应该具有如下的活性顺序:Hg(OOCCF3)2>Hg(OOCCH3)2>HgCl2>HgBr2>HgI2。因为Hg2+是软酸,CF3COO-是最硬的碱,I-是最软的碱。所以Hg(OOCCF3)2最容易电离,HgI2则是“软亲软”,不易电离,活性最低。实验结果表明Hg(OOCCF3)2对4-己烯-1-醇分子内氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快,而且产物不同[12]。(2)第二步,乙酰氧基汞正离子与烯烃的碳碳双键发生亲电加成生成汞鎓离子。从软硬酸碱理论分析,烯键的π电子为软碱,汞离子为软酸,“软亲软”,该基元反应应该属于快反应。从电负性考虑,汞的电负性为1.9,略小于碳的2.55[13],这使正电荷主要集中在汞上而不是碳上。这一点与溴鎓离子截然不同,后者正电荷主要集中在碳原子上。所以,相比溴鎓离子,汞鎓离子不易受到水的亲核进攻。我们用量子化学手段计算得出乙烯、丙烯、异丁烯与乙酰氧基汞正离子加成生成的汞鎓离子中间体以及乙烯的溴鎓离子的结构与APT电荷(atomicpolartensor-basedcharges)[14]分布(图2)(本文量化计算均采用Gaussian03软件包,分子构型在RB3LYP水平下进行优化,其中C、O使用6-31G*基组,H使用6-31G**基组,Hg和Br使用赝势基组(Lanl2DZ,其中对Br加上极化函数(极化参数为0.389);

    对所有优化的结构进行频率计算,以确认所有结构均是稳定结构(驻点是极小值,没有虚频))。从以上计算结果可得出结论:①上述汞鎓离子中,乙酰氧基与汞原子是双齿配位的,两个O—Hg键长几乎等长,都在2.30左右。②汞原子上总是带有最多的正电荷。③在丙烯等不对称烯烃的汞鎓离子中,由于甲基的供电诱导效应,C2上正电荷多于C1,在异丁烯的汞鎓离子中这一差异更加明显。从乙烯到丙烯到异丁烯,Hg—C1键逐渐变短,从2.602变为2.478,再到2.419。而Hg—C2键逐渐变长,在异丁烯的汞鎓离子中,Hg—C2键最长,达到2.876。这都预示着第三步水亲核进攻的位置在C2上,即Markovnikov取向。④在异丁烯的汞鎓离子中,C2上带有最多的正电荷,可以预期其与水的亲核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓离子更快,这一结论与实验结果一致[15]:2-甲基-2-丁烯的羟汞化在10s内完成,而环己烯需要55s。⑤与电负性分析结果一致,与乙烯的乙酸汞鎓离子不同,在乙烯的溴鎓离子中,正电荷主要集中在碳原子上,溴原子上正电荷很少,这表明汞鎓离子与溴鎓离子有着本质的不同。众所周知,羟汞化反应通常不会发生重排,这正是由于汞鎓离子中间体的正电荷主要集中在汞上而不是碳上的具体体现。因为涉及鎓离子的碳上正电荷较少,临近α位的烃基或氢原子不易发生迁移。

    我们分别计算了叔丁基乙烯的汞鎓离子和溴鎓离子甲基重排前后的能量变化,结果如图3所示。从量子化学计算的结果也可以看出,在叔丁基乙烯汞鎓离子中,C2上的正电荷仅为0.4858e,而且甲基重排后所得到的叔碳正离子中间体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离子中C2上正电荷高达0.8574e,非常有利于甲基迁移,而且发生类似重排后产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离子的重排在热力学上是极其不利的,不易重排。而叔丁基乙烯与溴的亲电加成生成的溴鎓离子容易重排。事实上,许多烯烃,如:莰烯[16]、降冰片烯[17]和苯并二环[2.2.2]-2,5-辛二烯[18]与溴的亲电加成都发生了重排。(3)第三步,水作为亲核试剂进攻汞鎓离子。在该步中,水分子中的氧原子是硬碱,而带有部分正电荷的碳原子是软酸。由于碳上的正电荷较少,水的亲核性又弱,此类弱亲核试剂的亲核进攻就变得更加困难。由此推断,该步基元反应才应该是整个反应的慢步骤,即整个羟汞化反应的速控步。通过查阅文献[19],这一结论得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羟汞化反应速度比1-己烯快10倍,比四甲基乙烯的羟汞化速度快833倍。上述实验结果与相应汞鎓离子中C2上的正电荷多少有关(图4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓离子中C2上的正电荷最大(0.6632e),羟汞化最快;而四甲基乙烯的类似物相应碳原子上的正电荷最少,羟汞化最慢。如果汞鎓离子生成的一步是速控步,含有4个供电甲基的四甲基乙烯与乙酸汞离子形成汞鎓离子进而得到羟汞化中间体应该是上述3个烯烃中最快的,然而实验 事实正好相反。这反过来证明汞鎓离子生成的一步不是整个羟汞化反应的速控步。另外,对于含多个双键的烯烃,羟汞化优先发生在最不对称的双键上,即1,1-二取代优于1,1,2-三取代,单取代优于1,2-二取代[20],反应速度与汞鎓离子中取代最多的碳原子上的正电荷密度成正比,也进一步说明水亲核进攻的一步是整个反应的速控步。(4)第四步是中间产物Ⅱ快速失去质子的过程,不再赘述。(5)关于烯烃和炔烃羟汞化产物的脱汞问题。在烯烃的羟汞化产物中,由于碳与汞的电负性差别太小,使得碳汞键的电荷分布比较均匀,碳汞键的极性较小。量子化学计算得出乙烯羟汞化产物中与汞原子相连的碳原子上负电荷密度均为-0.1300e,同样说明碳汞键的极性很小,所以乙烯羟汞化产物HOCH2CH2HgOAc不像其他金属有机试剂(例如Grignard试剂)那样容易水解,而必须使用还原剂NaBH4进行还原。

    相反,乙炔在汞催化下的水合产物是互变异构体(图5):HOCHCHHg+和OHCCH2Hg+,前者与汞相连的碳原子是sp2杂化,比sp3杂化碳原子具有更大的电负性[21]和更强的吸引电子能力,会使碳汞键极性增大;后者甲酰基是强吸电基,而且在稀硫酸中,氧原子会发生质子化,使碳汞键极性进一步增大。因此,乙炔羟汞化产物中的碳汞键更像一般金属-碳键,在稀硫酸中容易水解。所以在炔烃羟汞化反应中,汞离子是催化量的。为了便于比较,我们在乙炔羟汞化中间体的汞原子上螯合了一个乙酸根,量子化学计算结果见图6。从图6能够明显地看出,乙炔羟汞化产物中的碳汞键正负电荷差别明显大于乙烯羟汞化产物中的碳汞键电荷差,键的极性也明显比后者强,即乙炔羟汞化产物中碳汞键容易直接水解变为碳氢键。本文从有机化学基本概念、基本理论出发,结合量子化学计算结果,对烯烃的羟汞化机理进行了分析,得出该反应的速控步是水分子亲核进攻汞鎓离子的一步,整个反应属亲核加成。同时指出,烯烃羟汞化产物中的碳汞键极性小,不能直接水解为碳氢键,故需要硼氢化钠还原;而炔烃羟汞化产物中的碳汞键极性较大,在反应过程中可以直接水解转化为碳氢键。

篇(5)

一努力培养学生学习兴趣，激发学生学习热情

结构化学课程内容较为抽象、不易理解，因此学生普遍对该课程的学习兴趣不高。为了尽可能克服这种现象，课堂教学中我们尝试通过各种途径培养学生的学习兴趣，激发他们的学习热情，以切实提高课堂教学效果。

1介绍量子理论诞生的历史，让学生了解结构化学知识的重要性[5-6]

结构化学有着漫长的发展史，其发展历程的每一阶段几乎都有一些传奇的故事和有获得诺贝尔奖的成就作为支撑。因此，课堂教学过程中适当地向学生介绍量子理论诞生及被人们所接受过程的传奇故事，会使学生深刻认识到相关知识的重要性，提高其学习兴趣。同时，向学生介绍这些知识得出的背景和过程，前人分析问题、解决问题的思路和方法，激发并保持学生的兴奋思维，让学生从前人的成功中学会理论联系实际，学会观察、思考以及分析和归纳的能力，从而对结构化学的学习产生浓厚的兴趣，变被动学习为主动学习。

2将理论与实际应用有机结合，让学生了解结构化学知识的广泛应用[7]

教师在授课过程中可针对不同专业的学生，加强授课内容与学生毕业后工作及后续学习的联系。针对师范院校化学专业的学生而言，现行中学化学教材中有许多问题，都可以用结构化学的原理、概念来加以解释。其中，元素周期律、原子结构、原子、离子核外电子的运动状态的描述，核外电子排布的规律等都可以运用结构化学中原子结构的原理进行深入的理解和解释。简单分子的成键情况、分子的空间几何构型判断、分子的性质与结构的关系等则可运用结构化学中分子结构的知识进行深入的解释。C60分子筛等晶体的结构，应用结构化学中晶体结构的知识也都可以得到解释和说明。这些都说明结构化学与中学化学是紧密相关、相互渗透的。教师可在结构化学教学中充分联系中学化学教学的实际，调动学生学习结构化学的积极性和兴趣，提高他们应用结构化学知识解决中学化学教学实际问题的能力，激发学生对结构化学的学习兴趣。

3将学科前沿的研究动态和热点融入课程教学，让学生了解结构化学的最新发展动态和取得的成果[8]

教学中，我们会根据学科进展，适时更新一些前沿内容，在教学内容上增加一些教材中没有的学科前沿研究动态和热点。现代科学技术的日新月异，加快了科学知识的积累和科学概念的更新，所以基础课教学内容也需不断的更新和发展。教学中不但要“少而精”，还要“少而新”，不但要“常教常精”，还要“常教常新”，这就要求教师及时了解发展动态，不断补充新知识。选择新分子、新材料、新理论充实和更新教材内容，如简介球烯化合物、纳米材料、高温超导体、扫描隧道显微镜，展示晶体材料在现代科技中的重要应用，向学生作“结构化学的发展与动向”、“新型材料及应用前景”等专题介绍，使学生了解结构化学的新进展。实践证明，通过课堂知识与当前科研的前沿和实际相结合的讲授方式，使学生在学到基础知识的同时，又能了解所学知识与科研实践的联系，使学生觉得学有所用，激发了他们的学习兴趣和从事科研工作的热情。

二充分利用计算机与网络，督促学生做好课前预习和课后复习

为了让学生能带着问题有针对性地学习，我们要求学生利用网络教学平台进行课前预习和课后复习。我们利用学校网络教学平台把结构化学教学课件、教学大纲、练习题及解答、结构化学资源和实验讲义等各种信息上传到结构化学教学网页上，让学生充分了解课程安排、课程要求等课程信息，有意识地给学生留一些与上课内容有关的问题或知识点，鼓励学生应用网络去主动获取知识，形成自己的认识和体会，提前做到有效预习，这增加了学生自主学习的时间和空间。课后还要求进行知识的复习巩固，遇到疑难问题，还可在网络上进行在线答疑，极大地提高了学生的学习自主性。这为课堂教学质量的提高提供了有效的保证。

三改革传统教学模式，引导学生积极参与课堂教学，创设民主、开放的课堂环境和氛围[7]

传统的教学模式中，课堂教学以教师为中心，知识传播靠教师灌输的特征十分明显。长此以往，造成课堂气氛沉闷、压抑，学生思想不易集中。为确立学生在教学中的主体地位，我们本着以学生为本的思想，创设民主、开放的课堂环境和氛围，把学习的主动权还给学生，引导学生适当参与课堂教学，教学互动、教学相长。在整个教学过程中，我们以积极的心态和情绪，丰富形象的语言，因势利导，不断启迪，使学生思维活跃、积极响应，课堂教学始终充满活力。学生也通过愉快的交流达到掌握知识的目的。

四采用框架结构教学法，强化重难点，弱化复杂数学公式的推演[8]

每门学科都有自己的知识框架，它是学科的精髓。教师在课堂上的讲授不能只见树木，不见森林。如果拘泥于细节讲得太多太细，在有限的时间内很难完成规定的教学任务，也不利于激发学生的求知欲。我们在课堂讲授中，着重阐述分析知识结构框架及知识点之间的联系、关键内容及重要结论等，中间的演算、一般性的论述和遗留问题可以由学生课后通过网络教学平台自己解决，实在无法回避的数学公式，力争用简化的模型来描述，使其易于理解、掌握。我们进入课堂就向学生直接交底，这次课打算解决什么问题，问题是怎样提出的；打算采用哪些方法、沿什么思路解决这些问题，问题解决后又如何具体应用。在引导学生理清思路后再选择重点或难点等关键内容进行重点讲授，达到举一反三的目的。将那些属于拓展提高、疑难问题辨析讨论、进一步应用细节等内容调整为给学生提问题，引导学生通过思考、查阅资料的方式来完成。这样的教学过程不仅使学生接受知识，而且对教师分析问题和解决问题的思路和方法产生兴趣，得到有效启迪，自然也就获得了探索知识的主动权，最终转化为创新能力和课堂效率。

五适当运用多媒体技术和量子化学计算软件辅助教学[8-10]

传统的以“教师+黑板+粉笔”的教学模式有时学生感到枯燥无味，且难以理解原理与结构之间的内在联系，因此，在结构化学教学中我们利用Flash、3D MAX、ChemOfice、PPT等软件制作了分子结构图、动态图片和三维立体变化模型，模拟原子、分子等的结构和变化机理，使抽象的三维空间变得直观化，以生动、形象、清晰的画面向学生展示出分子结构模型等，通过幻灯片放映还可以使学生在最短的时间获得大量知识，提高教学效率。借助于计算机技术，学生将能“走进”原子、分子和晶体内部，探索微观世界的奥妙，从而显著改进教学效果，这也是结构化学多媒体教学的魅力。多媒体教学广泛采用分子软件制作立体感强、可实时操作的动态模型，解决实物模型种类有限、数量不足的困难，为学生提供动手机会；尤其是把Gaussian03程序[11]精确的计算能力与Gaussview的显示能力运用于课堂教学，让学生直观形象地了解物质的微观结构和化学问题处理方法，从而加深对教材内容的理解，为学生进行探究式学习提供一种有用的工具。原子轨道、分子轨道、电子云等图形采用量子化学程序计算绘制，不仅使抽象概念具体化，而且将结构化学中丰富多彩的结构美、形态美、理论美，用多媒体功能表现出来，使化学教学同时成为美感教育过程，活跃气氛，提高学习兴趣，纠正对化学的片面认识，使学生更加热爱化学，从而提倡科学与人文、艺术的结合，以利素质教育，最终改进课堂教学效果。

总之，我们在结构化学的课堂教学中努力培养学生学习兴趣，激发学生学习热情，尽可能做到化繁入简、化简于无形，合理运用现代化教学手段和量子化学计算软件的强大功能，使学生忘却其难，感受其美，喜欢结构化学，从而学好结构化学。

参考文献

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篇(6)

系里设立了应用化工专业和化工分析与检验专业（高职专科），专门培养高素质、高技能的化工操作人才，其中，应用化工专业是培养化工总控工的，就业岗位包括化工工艺操作、化工工程操作，化工设备操作、维护，化工仪表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工产品的包装与销售等。

专业的课程设置

由完成工作所需要的能力，确定以下学习领域：1、物理化学的知识体系一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下，时间不是一个变量。属于这方面的内容有化学热力学,溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。属于这方面的内容有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下，时间是重要的变量。属于这方面的内容有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学的主要理论支柱是热力学、统计力学和量子力学三大部分。热力学和量子力学分别适用于宏观和微观系统，统计力学则为二者的桥梁。原则上用统计力学方法能通过个另分子、原子的微观数据来推断或计算物质的宏观现象。物理化学由化学热力学、化学动力学和结构化学三大部分组成。2、应用化工专业所需内容的选择对照操作岗位的知识和能力需要，本着实用、够用，适当拓展的原则，选取化学热力学、化学动力学两大部分，主要内容有物质PVT性质、热力学第一定律、热力学第二定律、热力学在多组分体系和相平衡体系中的应用、化学平衡、化学动力学基础、胶体、粗分散系和表面化学。根据课程内容及深度，决定选用高职高专化学教材编写组编写的《物理化学》（第三版，化学工业出版社）为基本教材，以傅献彩主编《物理化学》（第五版，高等教育出版社）为主要参考资料。3、物理化学课程定位学习物理化学需要大学物理、高等数学、基础化学的基础知识，同时，物理化学又为学习化工设备基础、化工热力学、化学反应工程、煤化工工艺学等课程打下基础。因此，《物理化学》课程是应用化工专业的重要专业课，是其他主要专业课的基础。

基于工作过程的教学方法

确定了内容，就需要对知识按照工艺岗位的实际情况，进行解构和重构，即以工作过程为载体，以工作任务为情境，构建认知系统。通过综合分析周边化工企业生产工艺，归纳典型岗位，决定选取新能凤凰甲醇的生产工艺为载体，对物理化学内容进行重构。新能凤凰甲醇的生产采用的是德士古技术工艺，主要工段有空气分离制取液氧，制取水煤浆，水煤浆燃烧气化，甲醇合成与精制，各工段对应的知识如下表：（表略）通过完成任务，提高了学生掌握知识的目的性；在学生自主决策与计划中，激发其主观能动性，掌握解决问题的方法与步骤；通过任务实施，培养其动手实践能力；通过教师的检查与评价，让学生体验成功的愉悦，激发其学习的兴趣，提高学习效率和效果。

篇(7)

进入21世纪，随着科学技术的飞速发展，电子计算机的应用已经渗透到各学科的每一个领域之中，各学科的进一步发展对计算机的依赖程度越来越高，化学工程学科也不例外。目前，计算机已经深入应用到化工模拟、计算化学和化工制图等化学工程学科的各个层面之中，对化学工程的发展起着巨大的促进推动作用。化学工作者应该抓住机遇，在新时期努力学习计算机知识、熟练掌握运用计算机，将其应用到化工设计、化学本文由收集整理计算中去，使化工学科能够更快地发展。

化学工程作为一门基础学科，长期以来是以实验为基础发展起来的，是一门理论与实验相结合的学科。随着计算机技术和信息技术的发展日新月异，化学工程的研究中又增加了计算与计算机模拟的方法，它已经逐渐成为化学工程中最富有生命力的研究方法。随着电子计算机在化学工程中的广泛应用，传统的化学工程学科已逐渐成为一门集实验、计算、理论于一体的综合性学科。

从20世纪50年代开始，科研工作者就利用计算机解算化工过程的数学模型，使研究方法出现了一个革新。经过几十年的发展，化工过程模拟已经成为普遍采用的常规手段，被广泛应用于化工过程的研究、开发、设计、生产操作的控制与优化、操作培训和技术改造之中。

一、流程模拟

化工过程流程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个有许多个单元过程组成的化工流程用数学模拟描述，用计算机模拟实际生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，其中包括最受关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。

流程模拟就是在计算机上“再现”实际生产过程，由于这一“再现”过程不涉及实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因此给化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上任意进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。流程模拟式计算机技术是化工方面的最重要应用之一。应用流程模拟系统不仅可以节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程模拟系统还可以对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精确评估，并可以对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性做出分析，并快速准确地对多种流程方案进行分析和对比。

二、单元模拟

化工工业处理的过程是以质量、动量和能量的连续流动为特征，传统手段对这一过程的处理很大程度上是依靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑箱”模型，对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微观和深入的信息，单元模拟技术就是为了解决这一问题而产生的。

在单元模拟过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、传热、反应过程相互耦合。单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等。单元模拟技术可以提供传统手段难以获得的大量信息，如单元过程内部所有参数的空间分布和动态变化，通过这些信息可以深入理解单元过程内部的机理，在发生异常时亦有助于分析原因。因此，它是一种低成本的调优手段，当结构形式或结构参数变化后，单元过程内部随工艺参数和操作参数而变化的过程，可以在计算机上很方便地进行试验，直接用于优化和改造手段，而且单元模拟的计算不是经验性的，比较可靠，目前单元模拟主要用于化工生产的工程放大、优化设计、诊断及扩能改造、生产调优及控制四个方面。

三、反应动力学模拟

化学反应动力学是一门研究各种因素对反应速率的影响规律和反应机理的科学，在根据实验结果和对反应机理研究的基础上建立了化学反应动力学方程，它们对反应器的设计、最优化条件的选择都是必不可少的理论基础。

目前所采用的物理化学教材对一系列对峙、平行、连

续等复杂反应的动力学方程仅给出分离变量法或消元法等单一的数学处理方法，这种方法对于非常简单的复杂反应可以求出解析解，但大多数化学反应的反应机理非常复杂，由于从反应机理得到的微分方程组，非常不便求解，因此借助电子计算机用数值解法，可以方便地求解从反应机理得到的微分方程组。

计算机模拟在复杂化学反应动力学的计算中有着广泛的应用，通过计算机模拟计算得到的结果可以预知反应过程中各反应物质浓度的变化，通过对连续反应最佳时间的计算可以控制反应时间以得到所需要的物质的最大浓度，通过计算平行反应和对峙放热反应最佳温度，可以控制反应温度，优化反应条件，使生成产物的速率达到最大值，这些计算机模拟计算的数值可以为实际工业生产中工艺条件的控制以及反应器的设计提供重要的参考数据。

四、分子模拟

从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计，无疑是21 世纪化学工程的一个重要方向，计算机模拟研究已渐成为与实验研究及理论研究相平衡的认识自然规律的第三种重要方法。化工热力学数据对于化学工业过程的设计、操作以及优化具有重要的作用。热力学数据一般通过三个途径取得：即实验测定、理论总结及计算机分子模拟。通过计算机分子模拟，可以较为严格地从流体的微观相互作用出发，预测流体的宏观热力学性质。特别是在一些极端的条件（如高温、高压、剧毒）下，进行实验是很困难的，计算机模拟则较易实现，并且比较经济。采用计算机分子模拟方法，可以得到相当可靠的热力学体系的径向分布函数、宏观热力学性质以及输运性质，这为我们建立与改进各种描述实际现象的理论或模型提供可靠的依据。

化学是一门基础性学科，是以实验为基础发展起来的理论与实验相结合的学科，随着计算机技术在化学学科中的广泛应用，逐渐形成了应用计算机研究化学反应和物质变化的独立学科，它以计算机为技术手段，进行化学反应方面的数值计算，这就是计算化学。

计算化学是理论化学的重要分支，是利用电子计算机、通过数值计算解决化学问题的一门方法学。计算化学是一门新兴的、多学科交叉的边缘科学，它运用数学、统计学与计算机程序设计的方法，进行化学方面的理论计算、实验设计、数据与信息处理、分类、分析和预测。随着化学仪器对自动化要求越来越高，许多化学实验过程用人工进行控制相当困难，需要可靠的控制技术系统，因此计算机计算模拟技术从根本上改变了化学实验技术。

计算化学以数值计算为基础，用高级语言及其编程技术，解决化学中的数值计算问题，它将数学的计算方法通过计算机程序具体地应用于化学过程中，通常用来研究化学中一些常用的、共同的、较为常见的计算方法，是化学计算的核心。实验数据的内插、函数拟合、线性方程组求解、高阶方程组求解、解微分方程组、求本征值与本征向量等，它们均与化学中量子化学、分析化学、化学平衡、化学动力学和试验数据处理等密切相关。现代计算化学技术的发展，已经能够将各种化学性质与分子结构之间的关系定量地联系起来，化学因此正从实验科学迈向实验、计算、理论相结合的综合性学科，化学已经由多实验少计算，演变为先实验再计算，也必将逐步演变为先计算再实验。

目前计算化学在无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学中都有广泛地运用，具体来说，计算化学要完成的任务主要有量子结构计算、分子从头计算、半经验计算和分子力学计算等量子化学和结构化学范畴，以及物理化学参数计算，包括反应焓、偶极距、振动频率、光谱熵、反应自由能、反应速率等理论计算，这些属于化学热力学、化学动力学及统计热力学范畴。在计算化学中，数值计算是最根本的任务，其目的是将已知参数通过适当的数学计算得到一个预期的结果，这个结果可以和实验结果相比较，也可以和前人的研究成果相比较，最终得出结论，用来指导化学实验的实施。

化学工程设计具体的任务涉及物料衡算、能量衡算、厂区布置图绘制、车间布置图绘制、设备装备图绘制、管道布置图绘制、带控制点工艺流程图绘制、设备选型及强度校核计算等许多工作，如此众多繁杂的工作，如能引入计算机辅助，将大大减轻化工设计工作的强度。

过去那种利用普通纸笔绘制化工图样、利用计算尺和计算器进行的各种计算将被计算机软件应用所取代。计算机辅助设计制图和普通制图相比不仅具有绘制精确、图面整洁等优点，而且还具有随意修改、重复利用、按需打印等普通手工绘制无法具备的特点，利用计算机辅助设计

进行化工工程图绘制已经是21世纪的基本趋势。