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摘要:大學(xué)無機(jī)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容較為抽象，難以被學(xué)生所接受，尤其是物質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容。當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)方式與傳統(tǒng)模式相比發(fā)生了翻天覆地的變化，傳統(tǒng)教學(xué)模式也難以激發(fā)學(xué)生對(duì)無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。因此，尋找一種更為科學(xué)合理的無機(jī)化學(xué)教學(xué)方法對(duì)于大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)工作來說至關(guān)重要。本文通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析了量子化學(xué)軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)等方面的重要作用，總結(jié)了Gaussian軟件可以有效解決無機(jī)化學(xué)教學(xué)工作中分子結(jié)構(gòu)難理解的問題，將抽象的化學(xué)知識(shí)宏觀地表現(xiàn)出來，以提升大學(xué)無機(jī)化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞:量子化學(xué)軟件;Gaussian;無機(jī)化學(xué);教學(xué)

1量子化學(xué)軟件與大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)

化學(xué)學(xué)科的教學(xué)模式以實(shí)驗(yàn)實(shí)踐為主，該門學(xué)科至今已經(jīng)有幾千年的歷史。大學(xué)化學(xué)主要分為無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、精細(xì)化學(xué)、分析化學(xué)、理論化學(xué)、實(shí)驗(yàn)化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)以及材料化學(xué)、高分子化學(xué)等幾個(gè)分支。其中，無機(jī)化學(xué)主要研究無機(jī)物質(zhì)，無機(jī)物相對(duì)于有機(jī)化合物來說是獨(dú)立存在的，通常情況下，其結(jié)構(gòu)中不含有碳?xì)滏I。常見的無機(jī)化合物主要有金屬氧化物、碳氧化物、硫氧化物、水、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽以及鹽酸、氫氧化鈉等物質(zhì)。在大學(xué)無機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)理論教學(xué)工作中可能會(huì)涉及許多抽象的概念、知識(shí)和公理。例如分子、原子以及各個(gè)分子的空間結(jié)構(gòu)，這些都是通過人肉眼不能直接觀察到的，且分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等微觀知識(shí)很難用具體的模型展示出來。所以說，在大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)工作中亟需引入更為先進(jìn)和科學(xué)的教育手段。20世紀(jì)初期，一門以“量子科學(xué)”為基礎(chǔ)的量子化學(xué)分支逐漸發(fā)展起來，并被廣泛應(yīng)用到化學(xué)領(lǐng)域。量子化學(xué)主要是根據(jù)量子力學(xué)的原理來對(duì)物質(zhì)分子、原子、晶體結(jié)構(gòu)、分子空間結(jié)構(gòu)、分子間作用力、化學(xué)鍵、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及電子能譜、波譜和光譜進(jìn)行研究。因此，量子化學(xué)的應(yīng)用范圍也逐漸普及到大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)工作中。常見量子化學(xué)軟件主要有Gaussian、MS、Q-Chem等。本文以Gaussian軟件為例，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將抽象、深?yuàn)W且枯燥的大學(xué)無機(jī)化學(xué)知識(shí)、定理轉(zhuǎn)化成一種更為立體的、直觀的、形象生動(dòng)的方式展現(xiàn)出來，更容易被學(xué)生所接受。

2Gaussian軟件

無機(jī)化學(xué)是由元素化學(xué)和基礎(chǔ)理論化學(xué)兩大部分組成，主要側(cè)重于無機(jī)化合物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及化學(xué)反應(yīng)三者之間的關(guān)系。然而基于無機(jī)化學(xué)涵蓋了許多類型的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和較為復(fù)雜多變的化學(xué)鍵，且無機(jī)化學(xué)反應(yīng)類型眾多，因此，無機(jī)化學(xué)教學(xué)任務(wù)十分繁重，難度很高。當(dāng)前有許多包括Authorware、Flash、ChemOffice以及PowerPoint等軟件由于多樣化的教學(xué)手段，有助于無機(jī)化學(xué)教學(xué)任務(wù)，但此類軟件不能有效解決無機(jī)化學(xué)教學(xué)任務(wù)中的許多難題。基于此，量子化學(xué)計(jì)算程序軟件Gaussian被研發(fā)出來，不僅能夠?yàn)榻虒W(xué)手段提供更為豐富的資源，還有助于解決許多教學(xué)疑點(diǎn)和難點(diǎn)，增強(qiáng)教學(xué)效果，提升教學(xué)質(zhì)量。Gaussian最原始的版本是G70，誕生于1970年，當(dāng)前應(yīng)用最多的版本是G03，G09是最全新的版本。Gaussian軟件可以計(jì)算無機(jī)化學(xué)中許多類型的密度泛函、半經(jīng)驗(yàn)以及從頭算，通常和Gaussview顯示軟件互相搭配使用。Gaus-sian軟件在無機(jī)化學(xué)教學(xué)工作中的主要任務(wù)是完成計(jì)算和優(yōu)化過渡態(tài)結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)能量、分子結(jié)構(gòu)、分子能量，計(jì)算無機(jī)物質(zhì)的熱化學(xué)性質(zhì)、拉曼光譜、NMR、IR、振動(dòng)分析以及振動(dòng)頻率等，計(jì)算反應(yīng)途徑、反應(yīng)能量、化學(xué)鍵能量以及計(jì)算離子化勢(shì)、電子親和能、多極矩、原子電荷以及分子軌道。無機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)理論主要有包括配位理論、結(jié)構(gòu)理論、元素周期律在內(nèi)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)理論，包括酸堿性、沉淀溶解以及氧化還原性質(zhì)在內(nèi)的無機(jī)物性能，電化學(xué)、化學(xué)平衡、動(dòng)力學(xué)以及化學(xué)熱力學(xué)等無機(jī)化學(xué)反應(yīng)等，這些都是化學(xué)元素及其化合物組成的基礎(chǔ)。Gaussian軟件是當(dāng)前最為常見，也是應(yīng)用范圍最為普遍的量子化學(xué)軟件，該軟件能在Windows，Linux，Unix等多種操作系統(tǒng)中正常運(yùn)行。Gaussian軟件的主要作用是實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)、分子能量、化學(xué)反應(yīng)能量、原子核電勢(shì)、分子振動(dòng)頻率、拉曼光譜、紅外光譜、分子運(yùn)動(dòng)軌跡、核磁振動(dòng)以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)等的計(jì)算和推測(cè)。Gaussian軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)基態(tài)、激發(fā)態(tài)的量子化計(jì)算，也可以直接預(yù)測(cè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)軌跡以及分子能量。所以說，Gaussian軟件可以應(yīng)用在許多大學(xué)無機(jī)化學(xué)研究課題中，包括取代基對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響、無機(jī)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理預(yù)測(cè)、物質(zhì)激發(fā)能量的計(jì)算以及物質(zhì)的勢(shì)能曲面等。

3量子化學(xué)Gaussian軟件在大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)中的實(shí)例應(yīng)用

3.1分子軌道教學(xué)中Gaussian軟件的應(yīng)用

在分子軌道教學(xué)中，以氮?dú)夂脱鯕鉃槔瑹o機(jī)化學(xué)教師可以通過對(duì)學(xué)生演示兩種氣體分子運(yùn)行軌道的計(jì)算方法，并用軟件動(dòng)畫圖演示軌道內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便學(xué)生更容易掌握分子軌道理論。與此同時(shí)，教師也可以利用Gaus-sian軟件來解釋氧氣和氮?dú)舛季哂许槾判浴：脱鯕夥肿右粯拥氖牵獨(dú)夥肿又?s原子軌道與2p軌道非常接近，兩個(gè)軌道之間可以隨意組合進(jìn)而改變整個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)軌道，經(jīng)Gaussian軟件計(jì)算結(jié)果來看氮?dú)夂脱鯕夥肿涌梢园l(fā)生能量反轉(zhuǎn)，兩個(gè)電子均處于2π成鍵軌道上，而不是處于σ鍵上，故氮?dú)夥肿又写嬖谝粚?duì)孤對(duì)電子，顯順磁性。

3.2分析物質(zhì)分子的振動(dòng)模式和紅外光譜

紅外光譜的形成機(jī)理是將不同波長(zhǎng)的紅外光束照射到分子上時(shí)，物質(zhì)會(huì)自動(dòng)吸收某些波長(zhǎng)的紅外線，進(jìn)而形成該分子的紅外光譜。由于不同物質(zhì)具有不同的分子結(jié)構(gòu)，每一個(gè)分子結(jié)構(gòu)對(duì)紅外光的吸收能力也不盡相同，所以各個(gè)物質(zhì)之間的紅外吸收光譜也有所差異，利用紅外光譜可以檢定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。紅外光譜技術(shù)的原理是化學(xué)鍵振動(dòng)能級(jí)和振動(dòng)頻率之間的差異，因此可以通過計(jì)算物質(zhì)的振動(dòng)能級(jí)和頻率來推測(cè)某一物質(zhì)的紅外吸收光譜，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。就拿水分子來說，利用Gaussian軟件，結(jié)合DFT理論可以計(jì)算出水分子的振動(dòng)頻率，進(jìn)而得到水分子的紅外光譜吸收?qǐng)D譜。用PE紅外光譜儀測(cè)定水分子的紅外吸收光譜圖，分析譜圖中顯示的吸收峰，與軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。軟件計(jì)算結(jié)果顯示，水分子紅外譜圖中有3個(gè)吸收峰，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，且吸收峰所處的位置由小波數(shù)到大波數(shù)分別為水分子中的氫氧鍵的非對(duì)稱的伸縮振動(dòng)、對(duì)稱性伸縮振動(dòng)以及剪式振動(dòng)三種模式。在Gaussian軟件計(jì)算過程中，教師可以對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行演示，演示畫面中會(huì)出現(xiàn)圖形界面動(dòng)畫，幫助學(xué)生理解水分子的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3.3推測(cè)反應(yīng)機(jī)理，掌握反應(yīng)產(chǎn)物的分布情況

在無機(jī)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，教師可以利用Gaussian軟件計(jì)算無機(jī)化合物化學(xué)反應(yīng)的途徑和反應(yīng)過程中能量的變化，Gaussian軟件可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)的定量關(guān)系和反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行定性分布，幫助學(xué)生更為直觀地了解無機(jī)化學(xué)反應(yīng)的途徑，計(jì)算反應(yīng)過程中的能量變化。這一計(jì)算過程通常是基于無機(jī)物的勢(shì)能面來尋找鞍點(diǎn)，進(jìn)而得出無機(jī)化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的能量，通過比較反應(yīng)物最初狀態(tài)和產(chǎn)物最終狀態(tài)來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱量和活化能。同時(shí)，結(jié)合反應(yīng)能壘和過渡態(tài)的振動(dòng)頻率、構(gòu)型等參數(shù)可以計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的速率。

3.4其它應(yīng)用

Gaussian軟件可以實(shí)現(xiàn)無機(jī)物離子勢(shì)和電子親和能量的計(jì)算，對(duì)同一個(gè)周期或同一個(gè)主族的化學(xué)元素變化趨勢(shì)進(jìn)行分析比較，幫助學(xué)生掌握元素周期律。Gaussian軟件自帶的自然鍵軌道分析程序，又被稱之為NaturalBondOr-bital、NBO，其計(jì)算和分析結(jié)果能準(zhǔn)確估計(jì)無機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中各個(gè)原子的電荷數(shù)量以及各個(gè)原子電子分布軌道中的電荷總數(shù)量，模擬不同軌道電子的分布情況。自然鍵軌道分析程序最常用的領(lǐng)域是無機(jī)化學(xué)教學(xué)中配合物的教學(xué)，應(yīng)用最多的是不同無機(jī)物質(zhì)原子之間電子的轉(zhuǎn)移情況、二階微擾理論下的“2e穩(wěn)定化能”，這一部分可以得出如何降低整個(gè)反應(yīng)體系的能量以及部分電子從占據(jù)軌道躍遷到空軌道的運(yùn)動(dòng)痕跡。Gaussian軟件可以完美地解析無機(jī)物的中間配體和中心原子相結(jié)合后生成穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)的過程、原子軌道至分子軌道的組成過程以及過渡金屬元素和中間配體化學(xué)鍵的形成機(jī)制等。此外，在對(duì)無機(jī)物變形性和極化作用進(jìn)行教學(xué)過程中，Gaussian軟件可以對(duì)靜態(tài)極化率、超極化率以及含頻的極化率、超極化率進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，更直觀地講述化合物性質(zhì)在離子極化作用下的變化趨勢(shì)，加深學(xué)生對(duì)離子極化概念的理解。因此，Gaussian軟件對(duì)提升無機(jī)化學(xué)教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。

4結(jié)語

綜合以上觀點(diǎn)來看，量子化學(xué)軟件Gaussian可以將大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)工作中抽象、難以理解、枯燥的知識(shí)轉(zhuǎn)變成更容易被學(xué)生所接受的、形象的知識(shí)，不僅可以有效提升學(xué)生在大學(xué)無機(jī)化學(xué)上的學(xué)習(xí)效率，還有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量，豐富教學(xué)工作內(nèi)容。

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作者:李明明 單位:貴州民族大學(xué)人文科技學(xué)院大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院