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量子化学软件在无机化学教学的应用
来源查字典化学网| 2019-07-22 发表| 教学经验分类:化学论文

教学经验

ժҪ:大学无机化学的教学内容较为抽象,难以被学生所接受,尤其是物质结构等方面的内容。当前学生的学习方式与传统模式相比发生了翻天覆地的变化,传统教学模式也难以激发学生对无机化学的学习兴趣。因此,寻找一种更为科学合理的无机化学教学方法对于大学无机化学教学工作来说至关重要。本文通过查阅大量相关文献资料,分析了量子化学软件在物质结构、化学反应等方面的重要作用,总结了Gaussian软件可以有效解决无机化学教学工作中分子结构难理解的问题,将抽象的化学知识宏观地表现出来,以提升大学无机化学的教学质量,提高学生的学习效率。

关键词:量子化学软件;Gaussian;无机化学;教学

1量子化学软件与大学无机化学教学

化学学科的教学模式以实验实践为主,该门学科至今已经有几千年的历史。大学化学主要分为无机化学、有机化学、生物化学、精细化学、分析化学、理论化学、实验化学、应用化学以及材料化学、高分子化学等几个分支。其中,无机化学主要研究无机物质,无机物相对于有机化合物来说是独立存在的,通常情况下,其结构中不含有碳氢键。常见的无机化合物主要有金属氧化物、碳氧化物、硫氧化物、水、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐以及盐酸、氢氧化钠等物质。在大学无机化学的基础理论教学工作中可能会涉及许多抽象的概念、知识和公理。例如分子、原子以及各个分子的空间结构,这些都是通过人肉眼不能直接观察到的,且分子结构、晶体结构等微观知识很难用具体的模型展示出来。所以说,在大学无机化学教学工作中亟需引入更为先进和科学的教育手段。20世纪初期,一门以量子科学为基础的量子化学分支逐渐发展起来,并被广泛应用到化学领域。量子化学主要是根据量子力学的原理来对物质分子、原子、晶体结构、分子空间结构、分子间作用力、化学键、化学反应机理以及电子能谱、波谱和光谱进行研究。因此,量子化学的应用范围也逐渐普及到大学无机化学教学工作中。常见量子化学软件主要有Gaussian、MS、Q-Chem等。本文以Gaussian软件为例,结合实际教学经验,将抽象、深奥且枯燥的大学无机化学知识、定理转化成一种更为立体的、直观的、形象生动的方式展现出来,更容易被学生所接受。

2Gaussian软件

无机化学是由元素化学和基础理论化学两大部分组成,主要侧重于无机化合物的性质、结构以及化学反应三者之间的关系。然而基于无机化学涵盖了许多类型的物质结构和较为复杂多变的化学键,且无机化学反应类型众多,因此,无机化学教学任务十分繁重,难度很高。当前有许多包括Authorware、Flash、ChemOffice以及PowerPoint等软件由于多样化的教学手段,有助于无机化学教学任务,但此类软件不能有效解决无机化学教学任务中的许多难题。基于此,量子化学计算程序软件Gaussian被研发出来,不仅能够为教学手段提供更为丰富的资源,还有助于解决许多教学疑点和难点,增强教学效果,提升教学质量。Gaussian最原始的版本是G70,诞生于1970年,当前应用最多的版本是G03,G09是最全新的版本。Gaussian软件可以计算无机化学中许多类型的密度泛函、半经验以及从头算,通常和Gaussview显示软件互相搭配使用。Gaus-sian软件在无机化学教学工作中的主要任务是完成计算和优化过渡态结构、过渡态能量、分子结构、分子能量,计算无机物质的热化学性质、拉曼光谱、NMR、IR、振动分析以及振动频率等,计算反应途径、反应能量、化学键能量以及计算离子化势、电子亲和能、多极矩、原子电荷以及分子轨道。无机化学的基础理论主要有包括配位理论、结构理论、元素周期律在内的基础结构理论,包括酸碱性、沉淀溶解以及氧化还原性质在内的无机物性能,电化学、化学平衡、动力学以及化学热力学等无机化学反应等,这些都是化学元素及其化合物组成的基础。Gaussian软件是当前最为常见,也是应用范围最为普遍的量子化学软件,该软件能在Windows,Linux,Unix等多种操作系统中正常运行。Gaussian软件的主要作用是实现分子结构、分子能量、化学反应能量、原子核电势、分子振动频率、拉曼光谱、红外光谱、分子运动轨迹、核磁振动以及化学反应机理、物质热力学性质等的计算和推测。Gaussian软件可以实现对物质基态、激发态的量子化计算,也可以直接预测一个运动周期内物质的结构、分子运动轨迹以及分子能量。所以说,Gaussian软件可以应用在许多大学无机化学研究课题中,包括取代基对物质结构的影响、无机化学反应的机理预测、物质激发能量的计算以及物质的势能曲面等。

3量子化学Gaussian软件在大学无机化学教学中的实例应用

3.1分子轨道教学中Gaussian软件的应用

在分子轨道教学中,以氮气和氧气为例,无机化学教师可以通过对学生演示两种气体分子运行轨道的计算方法,并用软件动画图演示轨道内电子的运动状态,以便学生更容易掌握分子轨道理论。与此同时,教师也可以利用Gaus-sian软件来解释氧气和氮气都具有顺磁性。和氧气分子一样的是,氮气分子中2s原子轨道与2p轨道非常接近,两个轨道之间可以随意组合进而改变整个分子的运动轨道,经Gaussian软件计算结果来看氮气和氧气分子可以发生能量反转,两个电子均处于2成键轨道上,而不是处于键上,故氮气分子中存在一对孤对电子,显顺磁性。

3.2分析物质分子的振动模式和红外光谱

红外光谱的形成机理是将不同波长的红外光束照射到分子上时,物质会自动吸收某些波长的红外线,进而形成该分子的红外光谱。由于不同物质具有不同的分子结构,每一个分子结构对红外光的吸收能力也不尽相同,所以各个物质之间的红外吸收光谱也有所差异,利用红外光谱可以检定物质的化学结构。红外光谱技术的原理是化学键振动能级和振动频率之间的差异,因此可以通过计算物质的振动能级和频率来推测某一物质的红外吸收光谱,与实验结果进行比较。就拿水分子来说,利用Gaussian软件,结合DFT理论可以计算出水分子的振动频率,进而得到水分子的红外光谱吸收图谱。用PE红外光谱仪测定水分子的红外吸收光谱图,分析谱图中显示的吸收峰,与软件计算结果进行比较。软件计算结果显示,水分子红外谱图中有3个吸收峰,与实验结果一致,且吸收峰所处的位置由小波数到大波数分别为水分子中的氢氧键的非对称的伸缩振动、对称性伸缩振动以及剪式振动三种模式。在Gaussian软件计算过程中,教师可以对计算过程进行演示,演示画面中会出现图形界面动画,帮助学生理解水分子的物质结构。

3.3推测反应机理,掌握反应产物的分布情况

在无机化学反应热力学和动力学领域,教师可以利用Gaussian软件计算无机化合物化学反应的途径和反应过程中能量的变化,Gaussian软件可以对化学反应的定量关系和反应机制进行定性分布,帮助学生更为直观地了解无机化学反应的途径,计算反应过程中的能量变化。这一计算过程通常是基于无机物的势能面来寻找鞍点,进而得出无机化学反应过渡态的能量,通过比较反应物最初状态和产物最终状态来计算化学反应的反应热量和活化能。同时,结合反应能垒和过渡态的振动频率、构型等参数可以计算化学反应的速率。

3.4其它应用

Gaussian软件可以实现无机物离子势和电子亲和能量的计算,对同一个周期或同一个主族的化学元素变化趋势进行分析比较,帮助学生掌握元素周期律。Gaussian软件自带的自然键轨道分析程序,又被称之为NaturalBondOr-bital、NBO,其计算和分析结果能准确估计无机物分子结构中各个原子的电荷数量以及各个原子电子分布轨道中的电荷总数量,模拟不同轨道电子的分布情况。自然键轨道分析程序最常用的领域是无机化学教学中配合物的教学,应用最多的是不同无机物质原子之间电子的转移情况、二阶微扰理论下的2e稳定化能,这一部分可以得出如何降低整个反应体系的能量以及部分电子从占据轨道跃迁到空轨道的运动痕迹。Gaussian软件可以完美地解析无机物的中间配体和中心原子相结合后生成稳定化学结构的过程、原子轨道至分子轨道的组成过程以及过渡金属元素和中间配体化学键的形成机制等。此外,在对无机物变形性和极化作用进行教学过程中,Gaussian软件可以对静态极化率、超极化率以及含频的极化率、超极化率进行准确的计算,更直观地讲述化合物性质在离子极化作用下的变化趋势,加深学生对离子极化概念的理解。因此,Gaussian软件对提升无机化学教学质量至关重要。

4结语

综合以上观点来看,量子化学软件Gaussian可以将大学无机化学教学工作中抽象、难以理解、枯燥的知识转变成更容易被学生所接受的、形象的知识,不仅可以有效提升学生在大学无机化学上的学习效率,还有助于激发学生对于化学学科的学习兴趣,提升教学质量,丰富教学工作内容。


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