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量子化学应用范文1
结构化学是一门从微观角度研究原子、分子和晶体的结构及其结构与性能之间关系的科学。这门课程以严谨的数学逻辑推导为基础，建立比较抽象的理论概念，需要学生具备扎实的高等数学基础，特别是量子力学中许多新概念、新方法和新原理，使得学生普遍感到艰涩难懂，缺乏学习的积极性。要提高学生的学习兴趣，培养学生的量子化学思维，使其能够运用结构化学理论知识解释化学事实、阐明分子结构及揭示化学的内在规律，仅用传统的教学方式很难达到目的。在此介绍比较新颖的量子化学软件Gaussian和GaussView，将其应用于结构化学教学过程中，可使枯燥乏味的理论学习变得生动形象，大大提高教学质量，取得良好的教学效果。
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：
［1］Gaussian 03中文用户参考手册.
量子化学应用范文2
一、结构化学课程的教学现状分析
目前结构化学教学面临两大难题。首先，结构化学中的很多概念过于抽象，教师难以形象地去讲授，学生难以理解和接受。其次，随着现代化学学科本身的快速发展以及与其他学科的交叉融合，使得结构化学的教学内容快速膨胀，而结构化学的教学课时不但没有增加反而有所减少，这就势必产生“任务重，时间少”的难题。
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。
总之，可视化量化计算软件可以使结构化学的教学从单纯的理论讲授变成理论与实践相结合的课程，将结构化学抽象的概念变成直观的图形；通过让学生动手进行计算，分析计算结果，加深了学生对课程内容的理解，使学生便于接受和理解，同时提高了他们的学习兴趣，培养他们的科研能力。
量子化学应用范文3
关键词: 第一原理; 相互作用势; 多元合金; 合金设计
Abstract
This is a preliminary investigation of alloy design for multi-element alloys at electronic and atomic
scale. The research shows that this idea of alloy design was feasible that first calculating the properties
of matrix with different compositions by interatomic potential， secondly selecting the attempt total composition of the alloy， then calculating the carbide volume fraction by empirical formulae， until obtaining the appropriate total composition of the alloy corresponding to the desired phase structure， finally testing the design by experiment.
Keywords: first principles， Interatomic potentials， Multi-element alloy， alloy design
1．引言
目前从电子、原子层次上进行材料设计是材料科学领域的学者们广泛关注的热点问题， 主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理赝势方法，原子间相互作用势方法，分子力学 方法，分子动力学方法及蒙特卡罗方法等。其中前两种方法是在电子层次上进行材料设计的 方法，其方法的物理基础可靠，但由于计算工作量很大，因而所计算的体系受到一定的限制。 后几种方法是在原子及分子层次上的设计方法，这几种方法不考虑电子结构的影响，虽然会 损失一些精度，但大体上反映出由相互作用势所决定的晶体结构，以及由晶体结构所决定的 材料性质，且计算速度明显提高[1]。本文在多元合金的电子、原子层次的理论计算上联合使 用了第一性原理方法和原子间相互作用势方法，根据 3 种系列合金的关键问题进行理论计算 并结合其他理论计算和经验计算进行了合金设计探讨。
2．Fe-Cr-Mn-C 系亚稳奥氏体基铸造合金
Fe-Cr-Mn-C 系亚稳奥氏体基铸造合金有优异的耐磨性和高的抗冲刷腐蚀能力。其合金 设计的关键理论问题是 B 对该多元合金奥氏体体系的影响，以及对含 B 多元合金奥氏体电 子、原子层次的计算研究。通过对奥氏体合金大体系的能量计算，既可以解释 B 元素在奥 氏体中占位、分布、固溶度、与 C 的替代作用、与其他合金元素的配合对奥氏体的影响， 又可进而解释 B 对摩擦诱发马氏体相变的作用[2]。Fe-Cr-Mn-C-B 系铸造合金一般为基体（奥 氏体或马氏体）和碳硼化物组成的双相系统，其中 C 元素和 B 元素在奥氏体基体中的作用 对合金材料的性能有重要影响。C 在奥氏体中的固溶度和占位已很清楚，而 B 的固溶度和 占位还不很清楚，采用量子化学从头计算方法，通过对含 C、B 的奥氏体小团簇电子结构计 算，来研究 B 在奥氏体中的固溶度和占位情况。
团簇的选取以从奥氏体的实测晶格结构出发，从中选取奥氏体中的八面体和四面体小团 簇。并在团簇中心分别加入一个 B 或 C 原子，计算团簇的结合能，见表 1。由表 1 可见奥 氏体中 Fe4 四面体团簇的原子平均结合能略大于 Fe6 八面体的，因为八面体中存在距离较远 的三对原子，使结合能降低。B 和 C 均使四面体体积增大很多（棱长增加 34.2%），使结合 能降低，表明它们在四面体间隙存在的可能性很小，尤其是 B 更小。B 使八面体的体积增 大（棱长增加 16.2%），结合能略有升高；在体积不变时，C 使八面体的结合能略有降低， 表明 C 在奥氏体八面体间隙中的溶解度要远大于 B。
表 1 量子化学从头算合金小团簇的电子结构计算结果
采用量子化学从头计算精确处理含 B 小团簇，以半经验原子间相互作用对势处理大团
簇，研究含微量 B 元素的合金奥氏体大体系。对含微量元素小团簇进行局部精确计算，对 大团簇采用低精度的计算方法，既能反映微量元素的作用，也使电子、原子层次的计算处理 多元合金大体系成为现实。
应用量子化学从头计算方法对含 B、C 奥氏体大体系进行局部精确计算，计算结果：B 在八面体间隙中的原子平均结合能为 1.6978eV，最近键距为 0.29967nm；C 在八面体间隙中 的原子平均结合能为 1.3520eV，最近键距为 0.25780nm；每个八面体间隙 B 原子使奥氏体
Fe 团簇总结合能降低 116.91443eV，每个 C 原子使小团簇总结合能降低 0.459142eV，B 原
子对奥氏体能量的影响是 C 原子的 254.6 倍。利用量子化学从头计算方法计算了
Fe-Cr-Mn-C-B 系双原子团簇的势能，提出按势能曲线最低点与从头计算所得的势能最低值 相重合的拟合原则，得出半经验原子间相互作用对势的参数，并计算了奥氏体团簇的平均结 合能、平衡原子间距，结果与实验符合。将量子化学从头计算方法精确计算小团簇和半经验 原子间相互作用对势处理大团簇相结合，计算分析 B、C 元素在奥氏体中的间隙固溶度，得 出了 B 原子处于奥氏体的八面体间隙中时的固溶度为 0.097wt%，此时对奥氏体大体系能量 的影响贡献最大，B 在晶界和缺陷中存在对体系能量影响很小。表 2 是随含量增加合金奥 氏体的原子平均结合能的变化。
表 2奥氏体中其他元素近似不变时 B 含量变化引起的团簇原子平均能的变化
根据半经验原子间相互作用对势计算结果，B 在晶界上与 Fe 较易结合，B 在固溶体中
晶界上的存在几率很大，而且 B 在硼碳化物中的含量比率也很高，由此，可估算出奥氏体 基铁合金中 B 的加入量范围约为 0.05~1.00wt%。计算了奥氏体大团簇中 Cr、Mn、C 元素含 量固定时，B 的加入对团簇原子平均结合能的影响。随奥氏体中 B 量的增加，原子平均结 合能降低，当 B 含量增至 0.0427wt%时，原子平均结合能与纯铁奥氏体相比降低 10%，将此 时的 B 含量定义为 B 在该团簇中的极限含量，当其他元素含量改变时，B 在奥氏体中极限 含量将有所变化。随着结合能的降低，奥氏体更易摩擦诱发马氏体相变。图 1 分别是无 B 和含 B 合金磨损表面的 XRD 衍射谱。所研究开发的 Fe-Cr-Mn-C-B 系亚稳奥氏体基耐磨铸 造合金为新型耐磨材料（图 2）。
（a）合金 1
（b）合金 4
图 1 Fe-Cr-Mn-C-B 系合金摩擦表面 XRD 图
图 2 Fe-Cr-Mn-C-B 奥氏体基合金的组织(1000×)，
(a)合金 2，
(b)合金 3，
(c)合金 4
3．Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系马氏体基铸造合金
高铬铸铁是高性能的耐磨材料。以高钒作为合金强化元素加入到高铬铸铁中，有利于大 幅度提高高铬铸铁耐磨性，并提高冲击韧性。高铬铸铁一般经高温淬火得到马氏体，但高钒 高铬铸铁在高温时因强烈的氧化而不适合热处理。为此，研究高钒高铬铸铁在铸态下得到稳 定的马氏体基体而省略淬火过程具有重要的实际意义。铸态下直接得到马氏体的关键是选择 合适的化学成分。
将 Finnis-Sinclair 多体势扩展到多元合金，建立适合于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系的多元合金的
原子间 相互 作用势 函数 ；利用 第一 性原理 从头 算所得 的平 衡距离 及结 合能， 拟合
Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中与 Si 和 C 有关的对势函数；利用第一性原理赝势平面波方法 计算 Fe-Cr、Fe-V、Fe-Ni、Cr-V、Cr-Ni、Ni-V 二元合金的晶格常数、结合能及体弹性模量， 并根据计算得到的这些数据，构造 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中与 Fe、Cr、V、Ni 有关的 二元合金的 F-S 多体势函数；这样便得到了应用于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子间相 互作用势函数[3]。利用所得 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子间相互作用势函数，研究该 多元合金奥氏体基体的稳定性；并且通过金相显微镜、X-Ray 衍射仪、扫描电镜及电子探针
等分析测试设备对多元合金样品进行测试，对测试结果进行分析，与计算结果进行比较。 采用了独立于实验数据的基于第一性原理计算的晶格常数、结合能及体弹性模量构建了 原子间相互作用势函数，该方法对于目前还没有足够实验数据的合金特别是多元合金的研究 是一个很有效的方法。将 F-S 多体势扩展到多元合金，拓宽了理论的应用范围。研究结果表 明：当基体中 含 C 量大于 0.6wt%，含 Ni 量在 1.02～1.50wt%范围内时，合金奥氏体基体 较稳定。当合金中 Ni 含量从 0.8wt%至 1.6wt%逐渐增加时，合金的奥氏体基体越来越稳定；
但是，当合金中 Ni 含量达到 2.4wt%时，奥氏体基体能量却上升，稳定性反而下降（表 4），
Ni 含量 2.4wt%铸造合金的残余奥氏体量明显低于马氏体量。计算结果与 X 射线衍射结果一 致（参见图 3）。
表 4 合金奥氏体基体(Fe-7.5Cr-2.2V-Ni-1.8Si-0.9C)的晶体特性
图 3 合金 N5-N8 的铸态下 X 射线衍射图
图 4 合金(1.2Ni)的铸态组织
图 5 合金 (1.2 及 2.4 Ni)的回火硬度
实验表明，含 Ni 高 V 高 Cr 铸铁浇注后即形成马氏体加奥氏体组织（图 4），通过高温
回火残余奥氏体分解，并获得二次硬化（图 5），避免了高温淬火时的严重氧化现象，成为 具有实际应用价值的耐磨合金。
4．Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 系合金钢
多元合金高碳钢成分设计合适时，钢中存在多类型碳化物（M3C、M23C6、M7C3、 M6C 和 MC），在常规的锻轧加工和退火工艺条件下，碳化物具有超细化特征。为了开发适 应不同生产条件的多类型超细碳化物高碳合金钢，其固溶强化的 Si 元素部分以 Ni 元素替代。
因此，合理的成分设计是常规热处理工艺下获得超细碳化物高碳合金钢的关键。 利用扩充的量子化学从头计算程序计算 Fe、Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、C 组成的双原 子团簇的电子结构数据，由于该程序只能计算包括 Mo 在内的元素周期表中前 54 号元素， 而不能计算与 W 相关的双原子团簇电子结构数据，利用第一性原理赝势平面波方法计算 W 与其它原子组成的二元合金的电子结构数据，拟合半经验原子间相互作用对势。利用半经验 原子间相互作用对势，选择八面体为中心的奥氏体晶胞模型、马氏体晶胞模型，计算奥氏体、 马氏体中各类晶胞室温、常压下的结合能信息。相对 γ-Fe 基体、α-Fe 基体而言，含有碳原 子和合金元素原子的晶胞均具有较大的结合能，起到固溶强化作用。
采用直接将第一性原理赝势平面波方法计算 W 的结果与从头计算程序计算其它原子的 结果联合使用，或考虑 CASTEP 软件计算结果与从头计算程序计算结果存在整体差异，联 合使用存在 “未校准零点”误差，将第一性原理赝势平面波方法计算 W 的结果除以修正系 数后与从头计算程序计算其它原子的结果联合使用，或考虑不含 W 元素的情况下利用从头 计算程序计算的结果，研究 Si、Ni、C 的变化对 Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 多元合金基体原 子间的结合能的影响，通过三种方法计算结果比较，采用修正系数处理的方法比较合理。得 出：合金奥氏体基体、马氏体基体原子间的结合能随着含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的增加呈 逐渐增加的趋势，随 Si 含量的增加原子间的结合能急剧上升，随 Ni 含量的增加原子间的结 合能缓慢上升，即 Si 含量的变化比 Ni 含量的变化对马氏体基体强度影响大。当 Si 或 Ni 以 外的元素含量都不变时， Si 或 Ni 的含量在 0.2%~0.6%时， Ni 含量对原子间的结合能影响 高于 Si。Si 或 Ni 的含量在 0.6%~0.8%时，转换为 Si 含量对原子间的结合能影响高于 Ni（图
6）。上述结果为合金设计时根据性能要求确定 Si、Ni 含量提供理论依据。
图 6 DM8A 合金马氏体基体原子间的结合能随含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的变化
表 5 是 3 种钢在淬火温度下的基体成分。DM8， DM8A 和 DM8B 钢的基体的 C 和合金元
素含量是用相平衡热力学和在电子、原子层次上马氏体的原子间结合能计算的。实验结果表 明原子间结合能与力学性能有对应关系，其比值是 2.3 10-4-2.5 10-4(表.6).
表 5 三种钢基体成分(wt%)
表 6 三种钢马氏体结合能和机械性能
实验研究表明，三种中合金钢退火后剩余碳化物均达到了超细化的程度（图 7）。根据
三种钢实验结果，分析碳化物超细化的原因主要是由碳化物溶解、形核的转变过程所引起的。 加热至 相变附近的温度再退火或淬火的碳化物的细化程度依赖于碳化物类型及其比 例，因此，合理的成分设计是常规热处理工艺下获得超细碳化物高碳低、中合金钢的关键。 与同类型钢比较，其抗弯强度、屈服强度、挠度和冲击韧性均明显提高。
图 7 三种钢的淬火组织
根据碳化物随温度变化的规律，并结合热力学相平衡计算，设计的多类型碳化物 DM7S
钢，成分(wt%)为：C 0.85-0.95，Mn 0.3-0.5，Si 0.3-0.50，Cr 6.0-7.0， W 2.5-3.5，V 1.0-1.5，
Mo 0.85-1.5，Ni 0.25-0.42。在常规的热处理工艺条件下，碳化物具有超细化特性（图 8）。
1080℃以上淬火，500-560℃回火时出现二次硬化效应，最高硬度接近 64HRC。
图 8 DM7S 钢 1100℃淬火显微组织（a）及其碳化物颗粒尺寸分布（b）
5. 结语
本文以第一原理计算（量子化学从头计算方法和第一性原理赝势方法）按势能曲线最低
点的拟合原则，对小团簇进行局部精确计算和对大团簇采用低精度的计算方法进行能量叠 加，以及用偏聚结构晶胞的计算用于多元合金的理论计算上。虽然其理论依据和计算精度有
待于进一步探讨，但却实现了多元合金的电子、原子层次的理论计算。针对三种多元合金材
料的不同问题采用了不同的计算方法，计算结果与某些实验结果相对应。近年来，我们采用 相平衡热力学计算、电子、原子层次上的计算以及经验公式相结合的合金设计计算，所开发 的合金已经作为高性能材料用于实际生产中[5-7]。
参考文献
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[8]
量子化学应用范文4
化学软件辅助教学计算机应用在基础理论化学的教学中，由于原子分子的微观结构无法通过肉眼直接观察，化学反应的过程也难以用宏观模型进行形象的描述，对学生来说比较抽象，利用适当的软件设计一些有助于学生理解和掌握化学知识的课件，会使枯燥无味的化学结构和化学反应变得生动形象，能让学生更深入直观地了解物质的微观结构，理解化学的本质。
一、计算机在化学教学中的适用范围
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.
[3]叶国东.量子化学软件Gaussian应用于无机化学教学[J].广东化工，2010，37（4）：220.
量子化学应用范文5
【关键词】高中化学 定量实验教学 数字化实验 应用
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.04.007
在高中化学教学中，实验教学作为极为重要的教学部分，也是学生充分理解化学知识和现象的重要途径。数字化实验平台作为一种数字化实验信息系统，其的构成部分主要包括传感器、计算机、配套软件及数据采集器等。在高中化学定量实验教学中引入和应用数字化实验，可以使化学定量实验数据能够得到即时处理、编辑和储存，也是对化学定量实验教学理念与模式进行创新的重要推动力，有利于提升高中化学定量实验教学的水平。
一、在高中化学定量实验教学中引入数字化实验
在信息化时代下，数据资源的重要性不言而喻，而这也使得数据资源的处理和存储方式逐渐受到了重视。在高中化学实验教学中，为了提升对化学实验数据的处理效率，数字化实验的引入不容忽视。通过引入数字化实验，可以实现对高中化学实验教学理念和模式的创新，也为化学实验教学质量和效率的提升奠定了基础。在高中化学教学中，大部分化学实验对实验环境都有极为严格的要求，如SO2的性质等，为了保证这类化学实验能够在安全、可靠的前提下进行教学，一般都会在通风橱中进行实验。对于可燃气体和有毒气体的实验也要在安全的环境中进行，否则很容易引发可燃气体爆炸和有毒气体泄漏等问题，会对实验人员的人身安全造成威胁。从发展进程角度分析，化学实验可以被分为三个时代，即传统实验时代、微型化实验时代和数字化实验时代。
其中，传统实验时代是化学实验发展的第一个时代，实验过程主要通过常规玻璃实验器皿来完成。微型化实验时代是化学实验发展的第二个时代，在这一时代挖掘出了近乎所有的化学实验现象。数字化实验是化学实验发展的第三个时代，在这个时代化学实验的反应过程和化学现象会逐渐被转换成数字信号，能够实现对化学实验的实时监测，可以帮助学生更好地观察和理解化学现象的本质。由此可见，在高中化学实验教学中，数字化实验的引入，是对化学实验教学理念与模式的创新，有利于提高化学教师的实验资源整合能力，而这也为化学实验教学质量和效率的提升奠定了基础。
二、在高中化学定量实验教学中引入数字化实验的切入点
在高中化学实验教学中，为了更好地提升化学实验教学的水平，对于数字化实验的引入，可以从下述三个方面进行考虑：定性到定量的转变、表象到本质的转变、质疑到探究的转变。
传统化学实验是对化学反应现象的体现，在传统化学实验过程中很难对其实施定量化处理。但将数字化实验引入高中化学实验教学，基于对数字传感技术的应用，能够实现对化学实验数据的完整采集，并利用计算机和配套软件对化学实验数据进行处理、存储，最后以表格或图像等形式对化学实验数据进行展现。例如，对于浓硫酸的吸水性实验，从对比试验角度考虑，对湿度传感器进行合理使用，可以实现在实验过程中对密闭容器内空气相对湿度的变化情况进行实时监测，而这个过程也是对化学实验的定量化控制，体现了数字化实验在定性到定量的转变中所发挥的重要作用。
从表象到本质的转变角度分析，在高中化学实验教学中，数字化实验的引入不仅能够实现对化学实验教学过程的优化，也能够依靠数字化实验对化学实验过程和现象的更为直接的展示，而帮助学生更好地理解和掌握化学实验的现象及原理，有利于提升学生学习化学的效率。例如，弱电解质的稀释实验，爱弱电解质稀释过程中，电解质的导电性会发生变化，但在传统化学实验过程中，很难对导电性变化情况进行直观展示。然而，在数字化实验过程中，通过对数字化技术和电导率传感器的应用，可以实现对弱电解质稀释过程中导电性变化情况的实时监控，并且通过实验数据，学生也能更加直观的看到导电性变化情况。在高中化学实验教学中，数字化实验的引入能够实现对化学实验本质的直观展示，可以激发学生的学习热情，也能够帮助学生更好地理解化学实验现象与相应化学概念之间的联系。
在高中化学实验教学中，数字化实验的引入，可以使学生由质疑转变到探究，有利于帮助学生理解化学实验反应和现象。在传统化学实验过程中，实验结果与实验预期之间出现不匹配是极为常见的现象，但这会导致学生对化学教师和化学实验产生质疑。在这种情况下，对化学实验技术进行创新和优化就显得十分重要。通过在化学实验教学中引入数字化实验，可以实现对化学实验数据的全面搜集，也能够实现对化学实验过程的实时监控，是更加直观的展现化学实验现象和本质的一种方式。通过应用数字化实验，可以实现对学生分析和解决问题的能力进行培养，有利于提升化学实验教学的质量和效率。
三、高中化学定量实验教学中数字化实验的应用
化学实验最重要的部分就是反应过程，只有通过观察化学实验的反应过程，学生才能更好的理解化学实验现象的发生原理，进而理解相应的化学理论知识。在高中化学实验教学中，数字化实验的应用能够更加直观的展示化学实验的反应过程，可以帮助学生更好地理解化学实验的反应过程、现象和本质，有利于学生理解和掌握相应的化学知识。
例如，“金属的电化学腐蚀”实验，生活中经常见到的暖宝宝就是对“金属的电化学腐蚀”实验的最直接体现。在开展“金属的电化学腐蚀”实验教学的时候，化学教师可由暖宝宝的l热原理引出这个化学实验，并针对这个实验和暖宝宝的发热原理提出一些问题，如“暖宝宝模拟装置是否能构成原电池？”然后在实验教学过程中，引导学生进行讨论，可以使学生通过讨论得出原电池的电极反应式，即负极的电极反应式是Fe―2e-=Fe2+，但对于正极反应式会得出两个结果，分别是O2+2H2O+4e-=4OH-和2H++2e-=H2。在以数字化实验方式开展“金属的电化学腐蚀”实验的时候，通过观察数字化实验所搜集的实验数据，可以更加直观的看出金属电化学腐蚀的正极反应，并得出正极反应式O2+2H2O+4e-=4OH-，这个反应式体现出随着压强的减小，金属电化学腐蚀的正极会发生吸氧反应。而2H++2e-=H2这个反应式体现的是正极发生的析氢反应。通过数字化实验的应用，可以更加直观的了解金属在不同环境下发生的腐蚀反应，可以帮助学生更好地理解这个化学实验的反应和现象。
量子化学应用范文6
Ab Initio Molecular
Dynamics
Basic Theory and Advanced Methods
2009；584pp
Hardback
ISBN9780521898638
D. Marx等著
从头计算分子动力学方法或称为第一原理分子动力学，是对分子作经典与量子混合处理的一种方法，其基本思想最早是由Paul Enrenfest 提出来的，他把原子核视为经典粒子而把电子仍作为量子对象，实质是一种平均场理论。其后，发展成著名的BornOppenheimo "绝热分子动力学"，广泛地应用于量子化学和一些少体问题的研究工作。1985年R.Car 和M. Parrinello 把两者的优点以优化的方法结合起来，极大地提高了这一方法的应用能力和使用范围，因而受到普遍的重视。
从头计算分子动力学通过统一处理分子动力学和电子结构理论把密度泛函理论和分子动力学方法有机地结合，使复杂分子体系和过程，包括化学反应以及电子的极化效应和化学键的本质等实际的计算机模拟领域发生了革命性改变。
本书第一次提供了这一快速增长领域涉及的方法及其广泛的应用范围，从基础理论直到先进的方法给出了协调一致的阐述，堪称是对研究生和研究人员的一部极具吸引力的教材。它包含了各种从头分子动力学技术的系统推导，使读者能理解常用的方法，评估它们的优点和缺点。本书还讨论了广泛使用的CarParrinello方法的特点，纠正了目前在研究文献中发现的各种错误。
此外，本书还详细地介绍了一些用于典型平面波的电子结构编码和程序设计的、使该领域的初学者容易理解并普遍使用的程序包，并使开发人员能够方便地改进它们的代码及添加新的功能。
除了前言和第1章开场白“为什么需要从头计算分子动力学”之外，本书的内容分为三大部分共10章，第一部分基本技巧，含第2-4章，2. 入门：统一MD和电子结构；3. 实现：使用平面波的基；4. 用平面波处理原子：精确的赝势。第二部分高级技巧，含第5-8章，5.超出标准的从头计算分子动力学；6. 超越保模赝势；7. 计算性能；8. 并行计算。第三部分应用，含第9-11章，9. 从材料到生物分子；10. 来自于从头模拟的一些性能； 11. 展望。
这是一部内容十分新颖丰富且实用性很强的高水平教材。作者们叙述的内容尽可能详尽，特别注重一些使用的技巧和难点的分析讨论。对于从事与分子动力学相关的教学与科研人员、高年级大学生和研究生是一本很好的参考书。
丁亦兵，
教授
(中国科学院研究生院)
