引论：我们为您整理了13篇量子化学基础范文，供您借鉴以丰富您的创作。它们是您写作时的宝贵资源，期望它们能够激发您的创作灵感，让您的文章更具深度。
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三、开展第二课堂，培养学生计算技能
为了让学生把学到的量子化学理论运用到研究中，掌握一些专业软件的计算技巧，教师可利用课余时间开展第二课堂，为学生提供一个学习和实践的平台，给他们创造更多的锻炼机会。例如，搞有机合成的研究生，根据专业需要可以让这些学生学会过渡态的寻找和优化，通过理论计算探索反应机理，能预测最佳反应通道，为他们的研究方向提供理论支持；研究方向是无机配位化学，可以让这些学生学习一些金属配合物的计算方法，学习配合物电子吸收光谱、荧光光谱及磁性的计算，这些计算结果对合成具有特殊性能的配合物都是很有帮助的。在第二课堂中，也可以让基础较好的学生参与到自己的科研活动中，承担一部分力所能及的科研课题，使学生科研能力得到锻炼，激发他们的科研热情，拓宽他们的视野，同时自己通过学生的实践活动，找到自己课堂教学中的不足。第二课堂的开展，不仅把学生所学的理论知识转化成学生认识和解决实际问题的能力，更重要的是教师身上这些品质能够言传身教地影响学生，从而使学生具备创造的兴趣和素质。
四、结语
量子化学的教学改革取得了一定的效果，首先学生克服了量子化学难学的畏难心理，激发了学生学习量子化学的激情，可以在有限的教学时间内达到较好的教学效果；其次，通过开展第二课堂，将量子化学理论与科研实例有机地结合起来，培养了学生分析问题、解决问题及科研创新的能力。
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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Guassian 98 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UB3L YP/ 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]。 转贴于
（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C32 H14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]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717
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一、软件介绍
Gaussian是目前计算化学领域内最流行、应用范围最广的商业化量子化学计算程序包。它最早是由美国卡内基梅隆大学的约翰・波普在上世纪60年代末、70年代初主导开发的。Gaussian最早的版本是Gaussian 70，现在常用的是Gaussian 03，最新版本为Gaussian 09。该程序可在不同型号的大型计算机、超级计算机及工作站上运行，是当今理论计算化学科研工作的基本工具之一。
Gaussian程序是由许多程序相连接的体系，用于执行各种半经验和从头算分子轨道计算。Gaussian 03 可用来预测气相和液相条件下，分子和化学反应的许多性质，包括：分子的能量和结构、过渡态的能量和结构、分子体系的振动频率、NMR、IR和拉曼光谱及热化学性质、分子轨道、原子电荷、多极矩、电子亲和能、离子化势，等等［1］。
GaussView是与Gaussian配套的辅助图形软件，可用于绘图、文本和结构编辑；显示结构（从计算输出文件中读取优化的结构）、振动模式和化合物的分子轨道；查询键长、键角、二面角和耦合因子等。
二、计算并显示分子轨道
分子轨道理论是结构化学教学的重点内容之一。由于“分子轨道”中的轨道不同于经典物理中的轨道，指的是分子中的单电子波函数φi，即分子中每个电子都是在由各个原子核和其余电子组成的平均势场中运动，那么第i个电子的运动状态用波函数φi描述，该波函数又称为分子轨道［2］。关于分子轨道的概念理解需要学生具有较好的抽象思维能力，在结构化学教学中是重点和难点。在讲述这部分内容时，可用Gaussian软件计算相关双原子分子的分子轨道，并用GaussView演示分子轨道的分布特点、电子填充情况等，帮助学生很好地理解分子轨道的概念。
下面以N2为例进行介绍。首先，用GaussView软件搭建分子模型、编辑输入文件，然后用Gaussian 03程序优化分子，就可得到各分子轨道能级。Gaussian 03优化结果文件中会具体给出N2的各分子轨道能级大小及其对称性。用GaussView软件可显示优化分子的分子轨道形状，见图1。
在“分子轨道的对称性和反应机理”一节中，涉及前线分子轨道理论、LUMO、HOMO等概念，以及离域π键和共轭效应，均可用Gaussian 03和GaussView软件计算并显示分子轨道形状，辅助教学。通过借助这些量子化学软件来描述分子轨道，使得过于抽象、艰涩难懂的理论、概念变得生动形象，直观易懂，易被学生接受，方便教学。
三、显示分子的振动模式
分子光谱是测定和鉴别分子结构的重要实验手段，也是分子轨道理论发展的实验基础。分子光谱和分子的内部运动密切相关。如红外光谱来源于分子中原子的振动，不同化学键或基团具有不同的振动模式，对应有不同的特征振动频率。在讲述这一部分内容时，如用GaussView给学生以动画形式展示每一种振动，可大大提高课堂趣味性。
下面以HO为例，首先用GaussView搭建水分子的分子模型并编辑输入文件，然后用Gaussian 03软件进行优化和频率计算，最后用GaussView打开结果文件。打开GaussView中Results下拉菜单下的Vibrations，得到图2所示的窗口，可以看到3个振动模式。点击图2显示的Display Vibratons文本框中的#1行，可以看到图2（1）所示的弯曲振动；点击#2行，可看到图2（2）所示的2个氢原子的对称伸缩振动；点击#3行，可看到图2（3）所示的2个氢原子的不对称伸缩振动。每一种振动的振动频率均可从图2显示的Display Vibratons文本框中读出。点击Display Vibratons文本框中的start按钮，可显示所选振动模式的振动动画，点击stop，可停止该振动。点击spectrum按钮，可以生成水分子的红外光谱图。在课堂上，这样的动画演示可使枯燥乏味的知识变得生动活泼，大大增强结构化学的趣味性。
四、结语
Gaussian 03和GaussView等量子化学软件在结构化学教学中的应用远不止以上几种，还可以建立和显示三维分子结构模型、获得分子化学反应的性质，等等。总之，常用量子化学软件可提供许多具体的量子化学计算结果，帮助阐述结构化学中抽象的概念、理论，让学生用分子模拟的方法，通过具体的实践领悟微观世界的运动规律、建立抽象的量子化学思维，提高学习结构化学的积极性。
参考文献：
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为了解决这两大难题，人们已做了一些有益的尝试和探索，如，整合教材内容，采用多媒体教学等。这些改革都不同程度地改进了结构化学的教学，也取得了一些积极的效果。但是，这些改革措施和方法并没有彻底解决这两大难题。我们结构化学教学组经过长期的尝试和探索，得到了一种行之有效的方法，这就是在结构化学的教学中采用目前先进的可视化量子化学分子设计软件来辅助教学。下面予以介绍，以期为同行们提供一些借鉴。
二、可视化量化计算软件的使用
使用可视化的量子化学软件，通过计算得出教材中的结论，将抽象的概念变为直观的图形，也可以通过化学软件的使用使学生了解到所学的基本概念在实际中的应用，在课堂上用多媒体的形式加以演示。在实际教学过程中具体做法如下：
第四章对于分子的对称操作和点群的有关知识，利用可视化软件画出具体的图形，在课堂上利用多媒体对具体的图形进行各种对称变化和操作，形象直观容易接受。
丁二烯分子π轨道图形
另外，对于结构化学知识在实践中的应用、NMR数值的测定、偶极距、分子光谱等问题都可以利用量子化学软件计算得出与实验相符合的数值，使学生进一步了解学习结构化学课程的作用。
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文章编号：1005?6629（2014）3?0011?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
2013年的诺贝尔化学奖被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美国科学家，以表彰他们在发展复杂化学体系多尺度模型方面所做出的杰出贡献。我们知道，长久以来，化学学科的奠基和发展始终离不开化学家在实验室中的辛勤劳动，但与此同时，随着实践知识的不断丰富和完善，以及运算能力的突飞猛进，理论和计算化学有可能也应当在新世纪在化学学科的传统领域发挥更大的作用。当前，解开每个人生命背后的谜团也是人们的兴趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科学家将经典力学模拟方法结合最新发展的量子物理计算方法，为建立和发展多尺度复杂模型的理论模拟研究做出了基础性的贡献。那么，到底什么是理论模拟方法？它有什么重要的科学意义？对我们又有什么启迪？
1 理论与计算化学的建立和发展历程
20世纪初量子力学的发现为科学家们打开了深层次研究分子和原子的大门。量子力学中著名的薛定谔方程以其优美简洁的形式描述了原子和分子的重要组成部分――电子的行为[1]。1927年，Walter Heitler以及Fritz London两位科学家利用薛定谔方程解开了氢气分子电子结构[2]，理论化学从此悄然兴起。随后，价键理论[3]、Hartree-Fock理论[4]、分子轨道理论[5]等的建立极大地丰富了理论化学的内容。从此，化学学科可以说与物理学一样，开始了真正的两条腿走路，而不再只是依靠实验知识的获取跛足而行。
早在20世纪50年代，科学家利用半经验的方法对原子轨道进行了计算。50至60年代期间，各种各样基于现代量子理论的计算已经被用来计算一些简单分子的电子结构和相互作用。20世纪70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化学计算软件的开发也扩充了计算化学的内涵。
与此同时，新的化学合成与表征技术的开发使得越来越多新颖的分子被制造出来，人们不仅需要认识这些新分子，而且也需要借助一定手段来指导新分子的合成。在这样的前提下，就需要借助计算机对分子进行模拟。
1990年，密度泛函理论（Density Functional Theory）的提出将理论和计算化学带到了一个新纪元。和以往的方法相比，密度泛函理论解决了以往的分子模型中电子交换和相关作用的近似，由其得出的分子几何结构和电子结构的预测与实验数据吻合得非常好。直至目前，密度泛函理论依然是分子和化学反应模拟中最重要也是最为常用的方法，两位科学家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因为分别发展了密度泛函理论以及将这种量子力学计算方法融入到计算化学中去而获得了1998年的诺贝尔化学奖，这是诺贝尔化学奖第一次被授予理论和计算化学领域的科学家。获奖者之一的Pople也是著名量子化学计算软件Gaussian[8]的开发者之一，该软件在2009年又进行了一次更新，是当今功能最完善、计算最有效、生命力最长的量子化学计算软件。
目前，专门刊登量子化学理论、模型化学和计算化学的学术期刊也纷纷涌现，如，美国化学会（American Chemistry Society）下已有Journal of Chemical Information and Modeling， Journal of Chemical Theory and Computation， Journal of Physical Chemistry A三本期刊出版，而著名学术出版集团Elsevier也有Journal of Molecular Graphics and Modeling， Journal of Molecular Modeling， International Journal of Quantum Chemistry和Computational and Theoretical Chemistry等专刊，国内也有例如《物理化学学报》和《计算机及应用化学》等期刊。
2 复杂化学体系多尺度模型的建模以及应用
1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化学反应的通用理论研究方法[10]。这个方法将生物酶-底物间的复合物和溶剂作用一起考虑在整个体系之内，并且用量子力学和经典力学两种方法探讨了所有可能影响催化路径的因素。其中，量子力学包含了酶-底物键的断裂，底物与酶结合时电荷的重新分布；而经典力学部分则考虑了酶和底物之间的立体作用能和静电作用能。综合考虑以上两点，两位作者以一种水解酶裂解糖苷键为实例，首次进行了水解酶-糖苷这个复杂化学体系多尺度模型的理论计算（图1）。如今复杂化学体系的QM/MM方法已经被广泛应用到酶-底物催化反应，有机反应以及DNA/RNA的相关研究中去。
那么，如何建立一个合理的多尺度复杂模型？科学家们和软件工程师们通力合作开发出了各种功能强大的分子建模和可视化软件。对于小分子的构建，最为常用的为PerkinElmer公司下属的剑桥软件公司开发的ChemBioOffice？系列软件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？两个模块（图2）。当在软件窗口的右侧ChemDraw？面板画出感兴趣的分子后，左边的窗口就会立即显示出分子的3D模型。本软件还包括了其他很多内容，例如对分子进行简单的几何结构优化操作或者分子动力学计算，根据计算结果画出分子的部分电荷、分子轨道等信息。
GaussView？是Gaussian公司开发的用于分子建模的软件包，目前已经更新到GaussView5.0b版本。此软件包的功能类似于ChemBioOffice？，该软件并不如ChemBioOffice？那样还具有计算功能，而只是作为量子化学计算软件Gaussian？的图形输入接口，图3是利用GaussView？创建了联苯分子，当利用Gaussian？软件对分子进行计算完毕之后，也能够展示分子轨道的图形。
以上两种软件不仅可以在各自的软件内部进行计算，而且ChemBioOffice？软件还提供了Gaussian？计算软件的接口。我们可以在ChemBioOffice？中构建完小分子，并设置运行参数之后在Gaussian？中进行对应的计算。
在一个复杂化学体系中，往往还要涉及到生物大分子的构建。现在科学家们已经构建起了大分子结构库，最著名就是由美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室建立的蛋白质数据库（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。库内包含了蛋白质、多肽、DNA、RNA等95644个晶体结构数据。我们可以通过下载数据来得到生物大分子的晶体结构。
Accelrys公司开发的Discovery Studio Client？软件能够读取从Protein Data Bank下载的pdb文件，如图4展示的是Discovery Studio Client？的界面，展示了人体血清白蛋白和一种DNA的结构。
此外，Discovery Studio Client？还具有将小分子和大分子组装结合在一起的功能，如图5分别是将一种长链的污染物分子结合到了脂肪酸结合酶和人体血清白蛋白中，这就完成了一个复杂化学体系的模型构建。
VMD？软件也是一种常用的可视化软件，相对于Discovery Studio Client？，其功能更侧重于动态展现动力学情况下分子的运动和形变情况。图6则是VMD？软件的界面以及其展示的人体血清白蛋白分子和DNA分子。
在分子建模完成之后，就可以对一个建立完成的化学体系进行理论的计算，预测这个复杂化学体系的物理化学性质。对于一个多尺度模型的计算，计算方法的选择也是多尺度的。首先，对需要模拟的化学反应的区域要进行界定。在界定了这个区域之后，必须对这个区域内的分子进行高精度的量子化学计算，模拟或预测该区域内可能存在的化学键以及键的断裂。在界定的反应区域之外，由于不牵涉到化学反应，所以不需要高精度的量子化学计算方法，而只需要相对简单的半经验的计算方法或者更简单的分子力学方法进行计算。总而言之，这就是复杂化学体系多尺度模型的计算，即QM/MM计算。涉及量子化学部分的QM计算，需要用到包含量子化学计算的软件，例如最著名的Gaussian？，GAMESS？等。在这些软件中，也可以采用ONIOM方法[12]进行计算。
3 复杂化学体系多尺度模型建立的科学意义及其展望
结合理论以及计算化学发展本身的历程来看，复杂化学体系多尺度模型具有十分重要的科学意义。首先，此模型的建立使我们从简单分子的化学反应进入到了生物大分子体系的理论计算研究。利用理论计算这个强有力的工具，生命科学的奥秘将很快被解开，人们对生命科学背后的化学机制的认识将会上升到分子层面，对带动化学，乃至生命科学学科具有举足轻重的作用。其次，多尺度模型的建立也能够促进理论和计算化学本身的发展，丰富理论和计算化学本身的内涵，并且随着研究体系的进一步复杂化，将在现有的多尺度基础上提出新的超尺度模型的可能。
此外，作为一门交叉学科，理论和计算化学的发展也势必会带动其他相关学科的进一步发展。90年代开始，纳米学科蓬勃发展，各种新材料如雨后春笋般出现，得益于理论化学中平面波和赝势（即将离子实的内部势能用假想的势能取代真实的势能，但在求解波动方程时，不改变能量本征值和离子实之间区域的波函数）的发展，对具有周期性结构的晶体材料性质的模拟和预测也成为可能。目前，已经有Material Studio？、VASP？等多种模拟软件。在药物合成方面，计算机辅助药物合成的概念已经深入人心（Computer-aided Drug Design）。顾名思义，计算机辅助药物设计利用计算化学这个强有力的工具来发现或者研究具有生物活性的药物分子的行为，其最基本的目标就是通过计算化学来预测一个分子与靶生物分子是否会结合，并且其结合能力有多强，能够实现这一功能的软件则包括了GOLD？、SYBYL？等等。
可以说，理论和计算化学已经成为辅助化学家们探索世界的重要工具，也成为了指引科学家探索未知世界的新罗盘。
参考文献：
[1] Schrodinger E. An Undulatory Theory of the Mechanics of Atoms and Molecules. Phys. Rev.， 1926， 28， 1049～1070.
[2] Heitler， W. & London， F. Wechselwirkung Neutraler Atome und hom？opolare Bindung nach der Quantenmechanik. Zeitschrift fur Physic 1927， （44）： 455～472.
[3] Pauling， L. Electronic Structure of the Benzene Molecule. Nature， 1987： 325， 396.
[4] Levine， I. N. Quantum Chemistry （4th edition）， Englewood Cliffes， New Jersey： Prentice Hall.
[5] Mulliken， R. S. Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence. II. General Considerations. Phys. Rev. 1932， （41）： 49～71.
[6] Hohenberg P.； Kohn， W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 1964， （136）： B864～B871.
[7] Pople， J. A. Molecular Association in Liquids： II. A Theory of the Structure of Water. Proc. Royal Soc. A， 1951： 205， 163.
[8] Gaussian 09， Revision D.01， M. J. Frisch， G. W. Trucks， H. B. Schlegel， G. E. Scuseria， M. A. Robb， J. R. Cheeseman， G. Scalmani， V. Barone， B. Mennucci， G. A. Petersson， H. Nakatsuji， M. Caricato， X. Li， H. P. Hratchian， A. F. Izmaylov， J. Bloino， G. Zheng， J. L. Sonnenberg， M. Hada， M. Ehara， K. Toyota， R. Fukuda， J. Hasegawa， M. Ishida， T. Nakajima， Y. Honda， O. Kitao， H. Nakai， T. Vreven， J. A. Montgomery， Jr.， J. E. Peralta， F. Ogliaro， M. Bearpark， J. J. Heyd， E. Brothers， K. N. Kudin， V. N. Staroverov， R. Kobayashi， J. Normand， K. Raghavachari， A. Rendell， J. C. Burant， S. S. Iyengar， J. Tomasi， M. Cossi， N. Rega， J. M. Millam， M. Klene， J. E. Knox， J. B. Cross， V. Bakken， C. Adamo， J. Jaramillo， R. Gomperts， R. E. Stratmann， O. Yazyev， A. J. Austin， R. Cammi， C. Pomelli， J. W. Ochterski， R. L. Martin， K. Morokuma， V. G. Zakrzewski， G. A. Voth， P. Salvador， J. J. Dannenberg， S. Dapprich， A. D. Daniels， ？. Farkas， J. B. Foresman， J. V. Ortiz， J. Cioslowski， and D. J. Fox， Gaussian， Inc.， Wallingford CT， 2009.
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化学研究的核心在于“化”字，即分子之间的相互转化，旧化学键断裂、新化学键生成。只有这样，才能创造出新材料，设计出新药物。可是，分子之间的转化经常发生得很快，在毫秒瞬间，电子便从一个原子核跃迁到另一个，传统的化学方式已很难捕捉这个过程，必须借助计算机这一工具。时至今日，计算机对化学家的作用已经和化学实验手段一样重要。因为计算机对化学反应的模拟能够非常逼真，化学家们已经能够通过计算机预测传统实验的结果了。
在20世纪70年代计算机还未被普及的时候，马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特及亚利耶·瓦谢尔就打造了坚实的计算机程序基础，为后人用于了解和预测化学反应进程作了强大铺垫。近年来，因为计算方法和计算机软硬件的飞速发展，在他们的基础上取得了很多的后续成果，并得到推广应用。
得益于他们的工作，我们将解开许多关于自然界的疑问。比如世界上最重要的化学反应——光合作用是怎么进行的？如果能模拟出来，那么我们就将能制造出更加高效的太阳能电池板；催化剂如何加快化学反应？如果深入了解其中的机理，我们可以尝试通过催化让水分子分解，从而开发出清洁的能源；药物如何在人体中发生作用？通过计算的方法，寻找出药物的靶点以及可能的药物干扰，我们就能设计出满足我们特定需求的理想药物。
诺贝尔“理综”奖？
如果化学反应在气相中发生，由于参与反应的分子受环境影响小，因此是理想的模型体
系（1986年，李远哲等三人因为用实验方法揭示气相化学反应微观细节而获得诺贝尔化学奖）；然而，化学反应更多是在液相，在生物体系中发生，体系自由度多，非常复杂，不容易弄清楚细节。而反映真实情况的多尺度模型可以用来研究复杂体系的分子行为，包括液相化学反应或者是生化反应。
为什么生物体系中的分子反应如此复杂呢？举例来说，“人体的一个细胞内就可有上百亿个蛋白质分子。一个大的蛋白质分子可包含上百万个原子。蛋白质内每两个原子间都有相互作用，这些原子处于不停的运动中，其情形就像北京城内同一时刻有两百万辆机动车行驶一样。计算和跟踪一个蛋白质的原子运动就像记录和监控北京的车辆一样。如此巨大的分析计算量必须借助计算机技术来存储和分析。”这番话出自中科院计算数学与科学工程计算研究所的卢本卓研究员，他的研究方向就与此次诺贝尔化学奖相关，而他原本是学物理出身。这是不是有点儿“乱套”了？当然没有，而且还恰恰反映了本届诺贝尔化学奖的交叉学科属性，即计算机、物理、数学、生物学和化学等多学科相互渗透和融合。难怪本届诺贝尔化学奖被戏称为诺贝尔“理综”奖。
这是化学的荣誉
虽然被戏称为“理综”奖，但这的的确确是属于化学的荣誉。理论化学发展到今天，其最大的组成部分就是计算化学。计算化学的基础理论大多来源于两部分：量子力学和牛顿经典力学，这两个学科在化学上的应用则分别诞生了量子化学和分子模拟两个学科。涉及电子的化学反应需要用量子化学来解决，一旦涉及到分子间的相互作用，其量子效应往往可以忽略不计，使用经典力学就足以描述，从而大大地简化了计算，这就是分子模拟。
篇8
作者认为任何物质系统都是一个开放系统，它们永久地接触随机零点辐射场，并与其达到平衡状态。从这个基础出发，导出量子力学形式体系的核心以及非相对论QED的相对论修正，同时揭示了基本的物理机制。本书打开了通向进一步探索并揭示物理的新大门。读者会看到，这一任务远没有结束，仍存在很多问题没有考察到，期待进一步研究。
本书阐明了量子理论一些核心特点的根源，诸如原子的稳定性，电子自旋，量子涨落、量子非定域性和纠缠。这里发展的理论重新确认了诸如实在性、因果性、局域性和客观性等基本的科学原理
全书内容共分10章：1.量子力学：某些问题；2.唯象随机方法：通向量子力学的简捷途径；3.普朗克分布，涨落零点场的一个必然推论；4.通向薛定谔方程的漫长旅途；5.通向海森伯量子力学之路；6.超越薛定谔方程；7.解开量子纠缠； 8.量子力学的因果性、非定域性和纠缠； 10.零点场波（和）物质。
本书适合熟悉量子力学的最基本概念和结果的读者阅读。其内容适用于从事理论物理、数学物理、实验物理、量子化学和物理哲学的研究人员、研究生和教师参考。
丁亦兵，教授
（中国科学院大学）
Ding Yibing，Professor
（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al
Supersymmetry After the
Higgs Discovery
2014
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积极与相关领导深入沟通交流，在充分阐述“人才联盟”成立的初衷、即将开展的业务范围、广泛深远的社会经济意义以及发展前景的基础上，对可行性征询材料进行了系统的完善。
“人才联盟”筹备委员会已经在第一时间通知所有发起单位、会员单位以及捐资单位按照成立登记申请相关要求完成相关材料的整理，近期提交筹委会进行审核、报送社会团体管理处。
二、首批外籍院士工作站项目
篇10
化学的科学方法的介绍任何一门学科都有其发生和发展的过程，学习知识时若不从历史中寻找借鉴，就易把知识当成是“终极真理”而死记硬背，不求甚解。因此，在传授知识的同时，应该介绍量子化学发展史，学习科学家勇于探索的精神，由师生共同创造一种崭新的价值理念。例如普朗克(M．Planck)的“离经叛道”的假设;德布罗意(deBroglie)波的提出是类比法的成功典范，戴维逊(C．Davisson)-革末(L．H．Germer)的因祸得福;狄拉克(Dirac)、薛定谔(E．Schrdinger)的异曲同工———薛定谔用数学形式开辟出量子力学的新体系;另外，还有一个德国物理学家海森堡提出一个矩阵力学体系，薛定谔用的是微积分形式，海森堡用的是代数形式;汤姆逊(Thomson)父子的珠联壁合———父亲发现了电子，儿子又证实了电子是波，父子二人在物理学方面进行接力研究，在科学史上传为美谈。还有徐光宪的巧妙规则，唐敖庆的独辟蹊径等［2］。科学的先驱是勇敢的探索者，他们常常在黑暗中摸索前进，他们的精神值得我们敬佩。学生听到和看到这些史实，无不浮想联翩，对优化思维结构，激发科学壮志都有潜移默化的作用。在传授理论知识的同时，指导学生学会抽象思维和用数学工具处理问题，并运用类比、模拟的科学方法［3］，寓科学方法于教学内容中。类比方法是提出和建立科学假说的重要方法。例如德布罗意假设是在光的波粒二象性思想启发下，提出电子等实物微粒也具有波动性，他当时推导固然复杂些，从科学方法论的角度讲，由光的波粒二象性到实物微粒的波粒二象性是一种类比推理。类比是利用两个或两类对象之间在某些方面的相似或相同，推出它们在其他方面也可能相似或相同的思维方法，是一种由特殊到特殊、由此及彼的过程。类比可以提供重要线索，启迪思想，是发展科学知识的一种有效的试探方法。还有薛定谔受物质波假说的启发，引出了电子运动的波函数方程，他走的也是依赖类比的“近路”。许多化学问题的解决有赖于类比方法的使用，而类比方法的使用有可能形成简捷的思维路径。使学生在学习科学知识的同时，得到方法论的启迪。在教学中应引导学生追踪量子化学发展的足迹，不失时机地揭示其中的科学方法，更清楚地了解各种知识理论的相对合理性及有待完善的地方。这样使学生在学习过程中不仅可以获得化学知识，而且能学习科学家严谨求实的治学态度、高度的敬业精神和大胆创新的进取精神。
通过改进课程教学方法培养学生创新能力
篇11
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):HOCHCHHg+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12
无机化学研究元素、单质和无机化合物的来源、制备、结构、性质、变化和应用的一门化学,是化学中最古老的化学分支学科。浮选的对象为矿物岩石,本身就是无机物,矿物的表面性质决定于矿物本身的结构和性质,矿物表面性质的研究离不开矿物内部组成、结构及性质的研究。矿物与岩石的研究将涉及无机化学的所有领域与内容,无机化学成为矿物加工工程学科学生的必修课程。有机化学又称为碳化合物的化学,是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科,是化学中极重要的一个分支。含碳化合物被称为有机化合物是因为以往的化学家们认为含碳物质一定要由生物(有机体)才能制造;然而在1828年的时候,德国化学家弗里德里希•维勒,在实验室中成功合成尿素(一种生物分子),自此以后有机化学便脱离传统所定义的范围,扩大为含碳物质的化学。矿物浮选是通过改变矿物表面的疏水性来实现的,而增加矿物表面疏水性的方法是采用含烃基的异极性分子在矿物表面吸附,含烃基的异极性分子就是典型的有机物质分子,研究捕收剂、起泡剂等浮选药剂,将涉及广泛的有机化学。有机化学也是矿物加工工程学科学生的必修课程。物理化学的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。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。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。属于这方面的物理化学分支学科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。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学是一门内容丰富,外延广阔的化学,浮选涉及的矿物岩石、矿浆溶液、有机分子以及泡沫浮选气体介质与矿物之间的相互作用等等,都涉及到物理化学。物理化学在矿物加工工程本科课程设置,占有最多的学时数,分两学期学习,是矿物加工工程学科至关重要的一门化学课程。物理化学学习好坏直接关系到浮选学习。物理化学也是矿物加工工程学科研究生入学考试的必考课程。分析化学的内容主要是:物质中元素、基团的定性分析;每种成分的数量或物质纯度的定量分析;物质中原子彼此联结而成分子和在空间排列的结构和立体分析。研究对象从单质到复杂的混合物和大分子化合物,从无机物到有机物,从低分子量到高分子量。样品可以是气态、液态和固态。称样重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的残渣测定,只取10微克样品,便属于超微量分析。所用仪器从试管直到附自动化设备并用电子计算机程序控制、记录和储存等的高级仪器。分析化学以化学基本理论和实验技术为基础,并吸收物理、生物、统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容,从而解决科学、技术所提出的各种分析问题。矿物加工工程学科涉及的矿物岩石、溶液、有机和无机药剂、矿物加工原料及产品都需要通过分析检测得以定性或定量的描述,理论研究过程中的仪器分析检测,对矿物加工过程中的行为机理也才能进行研究和了解,所以矿物加工也与分析化学密切相关。矿物加工工程学科课程设置中,在本科阶段或者在研究生阶段需要对分析化学进行系统学习。结构化学、高分子化学、络合物化学、电化学、量子化学等是比以上四大化学更加细化的化学分支方向,在进行矿物浮选研究中,针对具体的研究内容和目的,不同程度地将涉及到这些更加深入和细化的内容。为了使化学与矿物加工工程学科结合的更加紧密,在研究生阶段还开设了浮选表面化学、浮选药剂化学、浮选电化学、浮选溶液化学等。尽管在矿物加工工程学科不同阶段开设了大量的化学课程，涉及的化学内容几乎涵盖了化学领域的所有内容，但对浮选的深入研究和理解仍然不够。矿物浮选发展至今，还有大量的浮选理论问题没有解决，浮选工艺的水平还有待提升，进一步强化化学教育和矿物浮选化学研究对矿物浮选的发展具有重要的基础作用。
2各层次人才培养中的化学教育
以技术工人为培养目标的中专和职业教育,由于生源大多是初中和高中毕业生,化学知识非常有限,仅对一些化学基础知识有所了解,特别是初中文化水平的学生,只能了解一些初步的化学现象,因此,在进行矿物加工专业知识教学的过程中,必须补充一些学习浮选技术必要的化学知识。这种化学知识的补充,可以贯穿在专业知识的学习过程中,也可以单独开设简单的化学课程。只有在学生初步了解和掌握了浮选技术必备的基本化学知识以后,浮选技术专业课程的教学才能有效开展,学生也才能真正理解矿物浮选的技术知识。对于以生产技术管理和技术应为目标的专科和本科教育,系统的课程设置已经考虑了化学对矿物加工工程的重要性,无机化学、有机化学、物理化学都是必修课程,学时数占到专业基础课程学时数很大的比例,经过系统的化学知识的学习,学生在学习浮选专业课程时,已经能够较深入理解矿物浮选中的化学问题,也能较好掌握浮选理论和浮选工艺专业知识。在生产技术管理和技术应用过程中,也基本能根据矿石性质的变化,应用所学到的化学知识和浮选理论,分析解决生产过程中出现的一般性的技术问题。以科学研究为目标的研究生教育,为了使学生能够从生产中发现和解决生产技术问题,具备独立从事矿物加工工程领域科学研究的能力,在大学期间学习无机化学、有机化学、物理化学的基础上,还需要进一步学习分析化学。通过分析化学的学习,可以让研究生掌握常规的分析检测技术,了解和掌握科学研究过程中所要使用的现代检测手段,发现、分析和研究试验过程中获得的数据、结果,从而解决科学技术问题。对于博士研究生,是要让他们更深层次理解矿物浮选的机理,培养其创新精神和意识,为此,从电子、原子、分子层面上理解矿物浮选理论是必要的,所以,在已经较好掌握了无机化学、有机化学、物理化学、分析化学的基础上,量子化学的学习和了解对于博士研究生来说是需要的。从以上的分析可知,浮选跟化学是不可分的,浮选实际上就是应用化学的一部分。无论是技术操作工人,还是从而浮选理论研究的博士研究生,不同程度都必须将化学作为基础,没有相应的化学基础,从事浮选技术应用、技术开发及浮选理论研究都是难以想象的。化学是浮选的基础,浮选是矿物加工工程最重要的方法,因而矿物加工工程学科的化学教育是极端重要的。
3重视矿物加工工程学科的化学教育
篇13
计算机辅助教学在化学教学中，尤其适用于理论性和抽象性较强的内容，例如原子核的组成、电子云、核外电子的运动、分子的结构、构型和构象、化学键的形成、离子反应和离子方程式等，适用于模拟实验难以操作、危险性大或反应现象不明显的内容。
二、化学教学中常用的计算化学软件
计算化学软件作为化学化工领域中最常用的工具，无论在科研或者教学中都担负着重要的作用。化学教学中通常应用到下列软件：
1.ChemDraw
ChemDraw软件美国CambridgeSoft公司推出的一款优秀的商业化化学软件ChemOffice中的模块之一。ChemDraw中存贮了大量的分子结构图形、原子轨道、分子轨道和电子云图的图形，在化学教学中主要用于绘制有机分子结构式及反应方程式等，ChemDraw中的实验装置绘制模版则是绘制反应流程及实验仪器装置图的重要工具。
2.Gaussian
Gaussian程序是目前国际上最为流行的量子化学计算软件之一，GaussView是Gaussian的图形用户界面，其主要功能是可以很方便而精确地作出各种原子、分子及过渡态的空间结构。和一般化学作图软件相比，它更加专业和精确，可以直接让学生观察了解各种物质的键长、键角、电子云分布等微观结构以及分子内部的各种振动。
3.Materials Studio
Materials Studio软件包是Accelrys公司开发的，是常用的分子设计和模拟软件，可进行量子力学、分子力学、分子动力学计算。Materials Studio软件包功能非常强大，主要由这样几个模块组成：构造分子；优化分子结构；研究分子反应；观察轨道和电子图谱；研究分子动力学。
Materials Studio可以快速准确地获得分子的构型与结构参数，通过对分子的结构进行分析，运用所得的结果来解释或预测化学反应的性质。除此之外，也可以计算出分子的静态性质，通过这些数据我们可以预测化学反应的位置、说明化学反应的途径和机制、解释分子的动力学行为等，在教学中可以达到事半功倍的效果。
（1）Materials Studio在晶体结构教学中的应用
在化学中，晶体的结构和对称性是学生不易掌握的内容，主要原因是该部分涉及三维空间变换，单纯板书式教学对学生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各种晶体的三维模型，直观化地展示其结构和对称性等特点。图4是面心立方NaCl在不同视角下的晶体结构图，我们可以直接得到NaCl的晶体结构，同时可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。
此外，点击菜单build中的symmetry还可以得NaCl晶格的原胞。同时，Materials Studio还允许自由的创建晶体结构，只要已知空间群类型、晶体结构参数和元素类型，我们就可以任意的创建晶体。如果按下Find Symmetry选项，便可看到已找到的NaCl晶体的对称性为FM-3M，在教学中展示这种效果，能使学生容易理解晶体的对称性的类型。
（2）Materials Studio在电荷密度教学中的应用
在讲授极性分子和非极性分子过程中，常常提到原子电荷分布情况及对物质化学性质的影响。Materials Studio中原子电荷显示功能，使电荷分布一目了然。以Si来作为示范，在Volumetic Selection中，选择显示total electron density，会将场给显现出来。这个场是电子在空间中的分布，Isosurface则是显示出等位面。这里将电位以颜色来区其高低，在等电位密度中做出电位高低的图，可以让学生清楚地了解极性。
（3）原子轨道显示在教学中的应用
Materials Studio可以轻松地对各种原子轨道能量进行计算并获得其空间图像。利用Element可以调出一个元素表，可以直接选择元素，例如乙烷，在工具列中，选取CASTEP的计算套件计算原子轨道，在Task中选择Energy，它在计算基态能量之后，就可以分析原子轨道了。
三、结束语
使用最新的化学计算软件，采用新颖的教学形式和教学手段，直接在屏幕上显示三维构型，同时可以任意旋转操作，使同学们的兴趣大增，而且通过计算机辅助教学的动画模拟，使得微观抽象的知识点更具体形象化，便于学生理解和掌握，收到很好的教学效果。
参考文献：
[1]王守绪.计算机技术在化学中的应用研究进展[J].化学研究与应用，2000，12（4）：119.
[2]任萃毅.介绍一个新型的化学软件包-CS Chemoffice 2000[J].化学教学，2001，（3）：34.
