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量子化学方法范文1
关键词：燃烧学；量子化学；Gaussian软件；多媒体
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）19-0041-02
“燃烧学”是热能与动力工程专业一门十分重要的专业基础课程，其内容涉及化学动力学、传热学、热力学、流体力学以及热化学等多门学科知识，是一门典型的交叉学科。由于“传热学”、“热力学”以及“流体力学”是热能与动力工程专业的基础课程，通过前期的系统学习，学生对该部分内容较为熟悉。但由于专业的限制，本专业学生在大学期间很少有机会学习化学专业知识，因而对化学动力学和热化学等内容相对陌生，不少学生在课后反映该部分内容抽象难懂。燃烧过程实质上是耦合了流动、传热以及热力相变的复杂化学反应过程。因此，掌握好化学动力学和热化学等知识对本课程的学习具有重要意义。笔者根据在科研与教学实践中的经验，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程的教学中，取得了良好的效果。
一、量子化学Gaussian软件介绍
量子化学是应用量子力学的规律和方法来研究化学问题的一门学科。量子化学Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，是化学领域最著名的软件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。该软件由量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法模拟和计算分子和过渡态能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、极化率和超极化率、热力学性质以及反应路径等内容，是目前应用最广泛的半经验计算和从头计算量子化学计算软件。量子化学Gaussian软件在教学中可以轻松搭建直观的分子和原子模型，并且从分子动力学层面展现一个化学反应的内在变化和重组过程。因此，学生可以直观地了解物质的结构和化学反应内在规律，从而强化对相关知识和规律的认识与掌握。
二、量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用实例
量子化学Gaussian软件的功能非常强大，但本文仅选择个别功能，并且通过列举“燃烧学”中最常见的两个简单基元反应实例来介绍其在“燃烧学”教学中的应用。
1.实例一
CO和·OH的反应是燃烧过程以及燃烧大气污染控制化学中的一个重要基元反应。根据分子碰撞理论，两种物质是通过相互碰撞发生化学反应，但这种说法对于非化学专业的同学来说非常抽象，不易理解。比如两者是如何发生碰撞的，碰撞后又是如何发生反应的，这些问题都很模糊，通过简单的文字描述很难讲清楚。而通过简单直观的图形讲解则可能取得意想不到的效果。图1显示的是采用Gaussian软件中的密度泛函理论（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基组水平下全参数优化和模拟反应过程中的各反应物、中间体（IM）、过渡态（TS）以及反应产物的几何构型示意图。
图2显示的是CO和·OH之间的反应能级示意图。从图中结果可以看出，CO和·OH之间的反应实质上是·OH对CO发动进攻，即·OH的O原子去进攻CO中的C原子，得到反应中间体IM1。从中间体IM1出发有两种裂解方式：一种是经过渡态TS1断裂其H-O键；另一种方式是IM1首先经过一个异构化过渡态TS2异构为另一顺式中间体IM2，然后IM2又经过渡态TS3断裂其H-O键生成产物CO2和H。基于以上能级分析，反应存在两条可能的通道。但通过计算的活化能可知，第一条反应路径需要的活化能为197.41 kJ/mol，而第二条需要的活化能仅为33.22 kJ/ mol。化学反应进行必须先要克服一定的能量障碍，即活化能才可以发生。从计算结果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二个通道需要克服的能量障碍更小，即更容易发生，是该反应的主要通道（主要反应路径）。
2.实例2
量子化学方法范文2
（曲靖师范学院化学化工学院，云南 曲靖 655011）
【摘要】采用量子化B3LYP（6-311G**基组水平）对乙腈及其衍生物的反应物，过渡态和产物的几何构型进行了优化，通过振动分析对反应物和产物进行了确认，证实了乙腈异构化的机理。
关键词 乙腈及其衍生物；异构化；量子化学
过渡态理论指出．任何化学反应不只是反应物通过简单的碰撞就能变成产物，而是要经过一个中间过渡态(活化络合物)，然后才能变成产物。由于过渡态的寿命极短，实验方法难以捕捉，因此运用量子化学方法进行研究，无疑是一种适宜的方法。Hammond曾把过渡态与反应物和产物关联起来。
提出了对过渡态结构作近似估计的Hammond原理，但在许多反应中不能用它来作近似的估计。
我们用MNDO方法算得了乙腈异构化的反应途径曲线和过渡态。为了克服MINDO方法所遇到的一些问题，我们采甩了D~war等人提出的MNDO方法，它是在NDDO近似基础上发展起来的 。采用能量梯渡法优化了反应物和产物的平衡几何构型用线性内坐标法找到了最小能量途径，再以它的能量投大值时的构型作为过渡态的初始值用Powell方法优化得到过渡态的精细构型参数，并通过力常数计算和振动分析予以确证。
乙腈又名甲基腈，无色透明液体，极易挥发，有优良的溶剂性能，能溶解多种有机、无机和气体物质，与水和醇能无限互溶。乙腈能发生典型的腈类反应，并被用于制备许多典型的含氮化合物，是一个重要的有机中间体[1]。当乙腈作为中间体参与化学反应时，研究乙腈及乙腈衍生物的异构化对化学反应的途径及产物的制备具有重要意义[2]。
1计算方法
本文在使用Gaussian 03量子化学程序包[3]，采用B3LYP/6-311G**量子化学方法，对乙腈互变异构机理的反应物、过渡态和产物的几何构型进行了优化，并在优化的几何构型基础进行了振动频率分析，得到分子的几何构型、能量、电荷分布等，全部计算在PIV-1G微机上完成。
1.1异构化反应机理
当R为H原子时，即把乙腈作为反应体系的模型反应物，当R先后被1号取代基甲基(Me)，2号叔丁基(t-Bu)，3号苯基(Ph)取代时为乙腈三种不同取代基的异构化反应物。计算结果表明，当互变异构进行时，反应物的原子H4从原子C3上迁移到原子C2上，并且N1和C3成键。C3-H4键的键长逐渐拉长，而C2-H4的键长和C3-N1键均逐渐被缩短，最终C2与H4成键，C3与N1成键，最终形成一个比较稳定的碳氮碳三元环，通过各驻点的振动分析计算表明，过渡态都具有唯一的虚频。在模型反应的基础上，换取代基进行计算其过渡态的形式与模型反应相似。
1.2反应物、过渡态及产物的能量
乙腈的过渡态ts的相对能为417.8kJ/mol，当H原子被Me和t-Bu取代时，支链烷烃取代基随着供电子基团的增加，它们的过渡态的相对能略有减小，分别为402.6kJ/mol和389.21kJ/mol；而当用Ph取代H原子时，其过渡态的相对能下降的比较明显，过渡态的相对能为330.8kJ/mol。由此说明了支链烷烃取代基随着碳原子的增加，增大了空间阻碍效应，使其过渡态的相对能略有降低，但是为什么被苯环取代的乙腈的过渡态的相对能要更偏低一点，这是由于苯环的六个碳原子处于同一个平面上，有一定的共轭效应，但苯基取代的相对能量与支链烷烃取代的相对能相差不大。反应物r进行反应时，C3-H4键断裂，H4原子迁移，经过一个相对能量较高的过渡态ts，再经过H4原子的迁移形成最后的异构产物p。
1.3分子的前线轨道
根据分子轨道理论，前线轨道及其附近的分子轨道对反应活性影响最大，因此研究前线轨道可以确定反应部位以及为探讨作用机制等提供重要信息，HOMO具有优先提供电子的重要作用，LUMO具有接受电子的重要作用。分子的最高占据轨道 (HOMO) 能级和最低空轨道(LUMO)能级之差ΔE反映出分子的稳定性和反应的活性。
2结论
本文采用B3LYP方法对乙腈模型进行了异构化的计算研究，从直线性转变为三元环，获得了乙腈及其取代基异构化反应机理的一些重要信息，说明乙腈及其取代基异构化的一些特征。在模型反应的基础上，进行了不同烷烃取代基形成乙腈衍生物的计算，从各种参数分析，不同的取代基有相同的反应机理，有一个过渡态(ts)，过渡态的相对能量变化不是很大，产物的相对能变化也不大。
参考文献
［1］张会琴,梁国明．HNC-HCN反应机理的密度泛函理论研究[J]．自然科学学报,2005，22(3):100~104．
［2］林雪飞,孙成科．氮杂炔正离子与环烯反应的机理及取代基效应[J]．化学研究与应用,2007,19(8):872~876.
量子化学方法范文3
关键词：离子液体；合成；红外光谱；核磁共振；量子化学计算
中图分类号：O645 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）02-0001-04
离子液体[1-2]（ionic liquid）兼有极性与非极性有机溶剂的溶解特性，对有机、金属有机、无机化合物有很好的溶解性，溶解在离子液体中的催化剂，同时具有均相与非均相催化剂的优点，催化反应有高的反应速率与高的选择性，与传统的易挥发有机溶剂（the volatile organic compounds，VOCs）相比具有无味，不燃，易于产物分离，易回收，可循环使用的优点，可见离子液体在作为与环境友好的“洁净”溶剂方面有很大的潜力[3-5]。本研究包括（1）离子液体[BMIm]Cl的合成；（2）离子液体[BMIm]Cl的表征及量子化学计算。
1 实验部分
1.1 试剂
N-甲基咪唑（工业级，浙江临海化工厂），氯代正丁烷（n-BuCl，AR），氢氧化钠（NaOH），浓硫酸（H2SO4），碳酸氢钠（NaHCO3），乙酸乙酯（EA），高纯氮气（N2）。
1.2 仪器
傅立叶变换红外光谱仪测试系统（Nicolet 8700，美国热电仪器公司），超导傅立叶数字化核磁共振谱仪（AVANCE III 400 MHz，瑞士布鲁克公司），数显恒温搅拌油浴锅（HH-S4，金坛市白塔金昌实验仪器厂），真空干燥箱（101A-3，上海实研电炉有限公司）。
1.3 方法与步骤
1.3.1 原料的预处理 N-甲基咪唑的预处理：常温下取100 mL N-甲基咪唑，加入2～3 g NaOH搅拌进行干燥脱水，在N2保护下取（180±10）℃馏分即为所得纯品。
氯代正丁烷的预处理：用适量浓H2SO4多次洗涤n-BuCl至酸层无色，用1 mol/L的NaHCO3水溶液中和后，在N2保护下取（70±10）℃馏分即为所得纯品。
1.3.2 离子液体[BMIm]Cl的合成 如图1所示，在装有回流冷凝管、滴液漏斗和氮气导管（兼含温度计）的500 mL三口烧瓶中，按摩尔比1.1∶ 1加入N-甲基咪唑70 mL（约合0.878 mol），并将100 mL n-BuCl（约合0.957 mol）装入滴液漏斗，设置油浴加热温度70 ℃，在N2保护下将n-BuCl在2 h内滴加完毕，之后继续加热搅拌回流反应48 h，得到的粘稠液体在0 ℃以下冷冻1～2 d后结晶。抽滤晶体后，用EA反复洗涤，如图2所示。在50 ℃、0.08 MPa下真空干燥脱除残留的EA后，得到白色固体产品氯代1-丁基-3-甲基咪唑（1-butyl-3-methyl imidazolium chloride，记为[BMIm]Cl，下同），产率93%（真空干燥后的固体应立即称量或使用，否则极易吸水）。
1.3.3 [BMIm]Cl的表征 利用红外光谱仪和核磁共振谱仪（CDCl3作溶剂）对合成的离子液体[BMIm]Cl的化学结构进行表征。
1.3.4 [BMIm]Cl的量子化学计算 使用Materials Studio 5.5计算工作站对[BMIm]Cl进行了分子建模，并使用Dmol3模块对其结构进行了量子化学计算和优化。
2 结果与讨论
2.1 [BMIm]Cl的合成反应式
N-甲基咪唑和氯代正丁烷反应合成离子液体[BMIm]Cl的反应方程式如图3所示。
2.2 [BMIm]Cl的红外结构表征
图4中，3 416 cm-1是咪唑环甲基侧链C-H键伸缩振动吸收峰，2 961 cm-1是丁基取代基上-CH3的C-H伸缩振动峰，2 874 cm-1是丁基取代基上-CH2-的伸缩吸收峰，1 636 cm-1是咪唑环上C=C伸缩振动峰，1 570 cm-1是咪唑环中C=N伸缩振动吸收峰，1 465 cm-1是丁基侧链-CH2-上的C-H面内弯曲振动峰。1 169 cm-1是咪唑环中的C-H弯曲振动峰，754 cm-1是咪唑环的弯曲振动峰，3 416 cm-1是少量杂质水带来的-OH峰。FTIR（film）/cm-1ν=2961， 2 874（ν C-H）；1 636（ν C=C）；
1 570（ν C=N）； 1 465（β C-H）；1 169（δ C-H）； 754 （δ 咪唑环）。
2.3 [BMIm]Cl的核磁结构表征 在实测谱图5b上，化学位移δ为0.9是丁烷基侧链上-CH3的氢原子，δ为1.4是丁烷基上连接-CH3上的-CH2-氢原子，δ为1.9是丁烷基上中间的-CH2-氢原子，δ为4.1是与咪唑环上N相连的甲基侧链-CH3上的氢原子，δ为4.3是丁烷基与咪唑环上N相连的-CH2-氢原子，δ为7.4和7.5分别是咪唑环上CH=CH对应的氢原子，δ为10.7是咪唑环上N=CH-N上的氢原子。
尽管由于电负性差异造成实测谱图与理论谱图在化学位移上略有差别，但从峰强度和H分布基团角度来看，所合成的物质可判定为[BMIM]Cl，且其杂质较少，含水量低于1%。
其数据为1H NMR （400 MHz， CHLOROFORM-D，27 ℃ ）ppm 0.93 （td，J=7.34，1.63 Hz，3 H） 1.35 （ddd，J=15.18， 7.40， 1.51 Hz， 2 H） 1.87 （m， 2 H） 4.10 （d， J=1.25 Hz， 3 H） 4.30 （t， J=7.40 Hz， 2 H） 7.38 （dd， J=3.39， 1.63 Hz， 1 H） 7.50 （m， 1 H） 10.66 （d， J=8.78 Hz， 1 H）。
2.4 [BMIM]Cl结构的理论计算
[BMIM]Cl分子是通过离子氢键将阳离子[BMIM]+与阴离子Cl-结合而形成，其间会有电子转移，但[BMIM]+因电子云密度较小而显正电性，Cl-则显负电性。根据理论推测，[BMIM]Cl分子的HOMO应该大部分存在于Cl-上，而LUMO则会集中出现在[BMIM]+上。量化计算结果证明了这种推测，如图6所示。
图6a中，[BMIM]Cl分子的HOMO全部存在于Cl-上，因为阴离子在形成过程中，由于电子在Cl-轨道中转移，使其轨道更易填满。由于HOMO的存在，Cl原子轨道能级为所有填充轨道中最高的。而图6b所示的LUMO大部分出现在[BMIM]+部分，且主要集中于咪唑环上，这是由于丁基与N原子结合后，在N-C-N三个原子之间形成一个由两个电子与一个空轨道组成的大π键，与H2有很强的H-π共轭效应，可以形成较强的分子内氢键，令整个离子因缺少一个电子而显正电性，且正电荷存在于咪唑环内。LUMO的存在说明若有多余电子，咪唑环上的空余分子轨道将被优先填充。
对比图5实测数据可明显发现，咪唑环上CH=CH对应化学位移左偏，咪唑环上N=CH-N和甲基侧链右偏，该现象也可用上述HOMO和LUMO进行解释。
3 结论
本文通过合成了离子液体[BMIM]Cl，对其IR、1HNMR谱图进行了综合分析，表明所合成的离子液体[BMIM]Cl杂质较少，含水量低于1%，并通过理论计算，均使得离子液体的结构与理论吻合，为该类型离子液体的合成、应用研究提供了帮助。
参考文献：
[1] SWATLOSKI R P， HOLBREY J D， ROGERS R D.Ionic liquids are not always green： hydrolysis of 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate[J]. Green Chemistry， 2003， 5（4）： 361-363.
[2] 邓友全. 离子液体―性质， 制备与应用[M]. 北京： 中国石化出版社， 2006：8-100.
[3] SHELDON R. Catalytic reactions in ionic liquids[J]. Chemical Communications， 2001 （23）： 2 399-2 407.
量子化学方法范文4
物理化学是化学类专业的重要基础课程，其基本原理被广泛地应用于其它分支学科。因而学好本课程，可以加深对无机化学、有机化学、分析化学等先行课程的理解。物理化学也是一门理论性很强的交叉学科，涉及一定的数学和物理学知识，推演出的公示很多，使初学者感到抽象难懂，普遍反映是比较难学的一门课程[1]。随着人们对物理化学现象本质的认识以及计算机技术的飞速发展，近些年来许多物理化学原理和方法得到了进一步的发展和完善。为了促使大学教师及时更新知识、丰富教学内容、提高教学水平，非常有必要在课程教学中融入相关学科领域的最新科研成果，最终达到科研促进教学的目的。鉴于此，作者将反应焓的量子化学计算研究融入到物理化学课程的热化学教学中，这极大地提高了物理化学的教学水平和教学效果，同时有助于培养学生的科研兴趣、增强学生的思维创新性。
1.物理化学教材中关于反应焓的计算
众所周知，化工生产离不开化学反应，而化学反应常常伴随着热量的交换与传递。测定或计算一个化学反应的热对于实际生产是非常重要的。由于实际生产经常是在等压或者等容条件下进行的，因此很有必要对这两种情况下的热即Qp和Qv展开学习和研究。又因为Qp和Qv之间存在直接的定量关系，所以只需要获得其中一种热效应值就可以了，一般倾向于讨论Qp。在非体积功为零的条件下，Qp与反应焓变H在数值上是相等的，故恒压反应热又可称之为反应焓。目前，物理化学教材[1]中关于化学反应焓的计算，主要是利用标准摩尔生成焓和标准摩尔燃烧焓这两种基础热数据计算标准摩尔反应焓。通过标准摩尔反应焓可以进一步计算化学反应过程的Qp、Qv以及体系的rH和rU等。因此，标准摩尔反应焓的计算是物理化学课程的一个重要知识点，所涉及的相关内容也是物理化学课程的教学难点。
对于298.15 K下的反应cC + dD yY + zZ，其标准摩尔反应焓等于：
也就是说，298.15 K下的标准摩尔反应焓等于相同温度下参加反应的各个组分的标准摩尔生成焓与其化学计量系数乘积的代数和。结合νB的取值情况，其实质是：一个化学反应的标准摩尔反应焓等于各产物的标准摩尔生成焓之和减去各反应物的标准摩尔生成焓之和。
如果利用标准摩尔燃烧焓计算上述化学反应的标准摩尔反应焓，那么相应的计算公式为：
显然，一个化学反应的标准摩尔反应焓等于参加反应的各个组分的标准摩尔燃烧焓与其化学计量系数乘积的代数和的负值。
2.反应焓的量子化学计算方法
根据文献“Thermochemistry in Gaussian”白皮书[2]可知，对于一个化学反应来说，如果反应物和生成物中各种原子的个数均相等，那么在计算该化学反应过程的反应热时，有关原子的信息就可以抵消，其反应热的计算只需要分子的数据。具体的计算公式如下：
其中Em表示分子总能量，Hc表示热焓校正，二者之和可以直接从Gaussian程序的输出文件中读取。此处量子计算化学研究的对象一般是单个气态分子，因此上述公式中的Em准确地说是气态单分子的总能量，Hc是气态单分子的热焓校正值。由此可见，这里所说的化学反应都是在气相中进行的，即参与反应的各个组分均为气态。这也正是该理论计算方法的局限性和不足之处。但是，对于某些液相或者固相反应来说，同样可以利用该方法粗略地估算其标准摩尔反应焓。
3.乙醇脱水制取乙烯的化学反应焓
以乙醇脱水制取乙烯的气相化学反应为例，介绍量子化学方法计算标准摩尔反应焓的步骤和具体过程。首先，利用GaussView软件分别绘制乙醇、水和乙烯的分子结构，编辑各自的输入文件。然后，采用Gaussian03程序优化它们的分子结构，并且进行振动分析以判断它们为势能面上的稳定点。图1给出了乙醇、水和乙烯在B3LYP/6-311++G？鄢？鄢理论水平下的优化分子结构。
此外，通过查阅物理化学教材[1]的附录获得乙醇、水和乙烯的气相标准摩尔生成焓分别为-235.10kJ/mol、-241.82kJ/mol和52.26kJ/mol，进而采用公式（1）计算乙醇脱水制取乙烯的标准摩尔反应焓等于45.54kJ/mol。其次，打开它们的Gaussian输出文件，得到每个组分的分子总能量Em与其热焓校正值Hc之和，再利用公式（3）计算该反应在298.15 K时的标准摩尔反应焓。在此基础上，计算各种理论水平下的误差，相关热化学数据的理论值及其误差列于表1。
量子化学方法范文5
矿产资源开发利用中,矿物分离与富集的依据是有用矿物与脉石矿物之间的物理化学性质差异。这种物理化学性质指的是矿物比重、磁性、电性、表面化学性质等,与这些性质对应的矿物分离与富集方法分别是重力选矿、磁电选矿、浮选等。利用重力选矿和磁电选矿分离与富集矿物的方法受到矿物比重、磁性和电性难以改变的限制,应用范围相对较窄,而矿物表面性质可以通过人为改变,对应的浮选在矿物加工工程得到广泛的应用。可以说,所有的矿物都可以通过浮选方法进行分离与富集。正是由于浮选成为矿物分离与富集应用最为广泛的方法,而浮选的理论基础又是化学,所以化学是矿物加工工程学科的重要基础成为公认的事实,浮选作为矿物加工的主要方法,本身就是化学在矿物加工工程学科中的一种应用,因此,化学教育在矿物加工工程学科的基础理论教育中占有非常重要的地位。矿物和岩石是自然界中天然形成的,具有固定组成的固体化合物,由于成分不同、成矿条件不同,不同的矿物表面性质是不同的,即使相同组成的矿物,由于成矿地点和成矿条件不同也会具有不同的表面性质。对于浮选分离矿物而言,不同的矿物表面性质又有相似之处,矿物与岩石之间、矿物与矿物之间、岩石与岩石之间的表面性质异同,成为浮选分离与富集这些矿物的根本依据。浮选工程中,矿物与岩石的表面性质可以根据需要人为调节和改变,从而扩大需要分离的矿物之间的表面性质差异,实现矿物之间的有效分离。化学是学生需要学习的基础课程,从初中开始,就涉及到化学的学习,直到博士研究生,化学仍然是矿物加工工程学科学生需要继续学习的课程。甚至作为高层次的矿物加工工程学科的教授专家,仍在不间断的学习化学。化学与浮选是不可分的,可以说,无论多么深厚的化学知识,都不能说对于浮选已经足够了。化学有多深奥,浮选就有多深奥。矿物加工工程学科人才培养过程中,化学教育是根本之一,不同层次的人才对应不同程度的化学教育。只有重视化学教育,才能做好矿物加工学科的人才培养。
1浮选是化学在矿物加工工程中的应用
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
矿产资源是不可再生的,随着矿产资源的不断开发利用,资源枯竭已经成为制约社会和经济发展的重要问题之一,资源高效利用成为矿产资源开发与利用必须坚持的原则。如何实现资源的高效利用,显然矿物加工先进技术的开发与利用是实现资源高效的重要支撑。矿物加工工程中,浮选是最为主要的方法,而化学优势浮选的基础,通过浮选回收和利用矿产资源,实际上就是利用化学或者表面化学方法回收和利用矿产资源。重视矿物加工工程学科的化学教育问题,才可能从根本上提高人才质量,才能从源头上解决矿产资源高效利用的根本问题。矿产资源开采出来以后,多种资源共伴生,性质复杂,给资源中各种矿物的分离与富集带来了很多困难,为了实现资源的综合利用,只要有价值的矿物,都要进行回收,此时,这种矿物的物理化学性质研究,通过化学的方式改变各种矿物的性质,扩大彼此间性质的差异就成为矿物加工工程学科的重要课题,而所使用的方法基本上都是化学的方法,所以,矿物加工工程学科中的化学,决定着矿产资源的综合利用,也只有重视矿物加工工程学科的化学教育问题,才可能从根本上提高人才质量,才能从源头上解决矿产资源综合利用的根本问题。矿产资源天然形成的,其中的组分有的是对人类社会有益的,但同样存在对人类社会有害的组分,在矿产资源回收利用过程中,高效、综合回收有益组分的同时,处理好有害成分也是矿物加工工程学科的任务。只有解决了有害组分的处理,使得矿物加工过程中和矿物加工以后剩下来无用组分无害于人类和社会,矿产资源才能实现清洁利用。矿产资源中有害组分的处理,首先也必须掌握这些组分的性质,然后通过化学的、物理的方法对其进行分离、无害化处理等,而这些过程也与化学密切相关,所以,矿产资源的清洁利用也离不开化学。矿物加工工程学科的化学教育也是矿产资源清洁利用所要求的。矿物加工过程大都需要将矿石磨细,使矿石中的有用矿物与脉石矿物解离,而有用矿物与脉石矿物的分离大多是在水中进行的,矿物加工工程废水排放成为影响环境的重要问题。当今的矿物加工工程领域,要求选矿废水零排放,确保废水对环境不造成影响。废水零排放意味着废水必须回用,而废水回用将带来对选矿技术指标产生影响的问题,为了尽可能不是回水影响选矿技术指标,必须对回水进行性质研究,有的还要进行适当的化学处理,无论是回水性质的研究和回水的化学处理,都需要涉及化学知识,所以,矿物加工过程中废水对环境的影响、废水回用的处理等都直接与化学相关。矿物加工的环境问题也要求矿物加工工程学科重视化学教育。矿物加工过程中,做好了资源高效、综合、清洁利用,做好了废水的循环利用和实现了废水的零排放,就能实现矿产资源开发利用的可持续发展,而矿产资源高效、综合、清洁利用与废水处理均与化学密切相关,由此看出化学在矿物加工工程领域的重要性,重视化学教育是矿物加工工程学科的必然要求。
量子化学方法范文6
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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