量子化学方法范文

导语：如何才能写好一篇量子化学方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

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Guassian98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UB3LYP/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]。

（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C32H14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]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

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【关键词】中学 化学教学 量子空间论

【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0154-01

（小叙）：课篇第一章节细读、研读、探透性知识点。

1.寻找研究方法 2.课题的研究内容

3.课题研究的一些成果 4.巩固建筑语录

【序言】

化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组成、结构与变化规律的科学。化学不断地发展着，目前，人们发现和合成的物质已有几千万种，其中很多是自然界中原本不存在的；这极大地改善了人类的生存和发展条件，丰富了人们的生活。

例如：

1.纳米铜（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室温下可拉长50多倍而不出现裂纹。

2.用隔水透气的高分子薄膜做的鸟笼。

3.单晶硅为信息技术和新能源开发提供了基础材料。

4.用玻璃钢制成的船体。

总之，作为实用的、富于创造性的中心学科，化学在能源、材料、医药、信息、环境和生命科学等研究领域以及工农业生产中发挥着其他学科所不能替代的重要潜质作用。近年来，“绿色化学”的提出，使更多的化学生产工艺和产品向着环境友好的方向发展，化学必将使世界变得更加绚丽光彩。

【寻找研究方法】

第一单元 走进化学世界；

1.物质的变化和性质

2.化学是一门以实验为基础的科学

3.走进化学实验室

第二、三单元 我们周围的空气与自然界的水；空气、氧气（氧气的制取）、水的组成、分子和原子、水的净化。“爱护水资源”。

第四、五单元 物质构成的奥妙、简单统计应用；原子的构成、元素、离子、化学式与化合价 ：

如何正确书写化学方程式”？利用化学方程式的简单计算？

第六、七单元 C与C的氧化物燃料及其利用；

分析：金刚石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 与CO的区别、联系？）

应用：燃烧和灭火？燃料和热量？

环保问题：“燃料对环境的影响”

自留田地：“石油和煤的综合利用？”

第八、九单元 金属与溶液的问题；

熟记、认识：金属、金属材料、金属的化学性质；

金属资源的利用和保护、溶液的形成；

溶解度、溶质的质量分数。

第十、十一、十二单元 酸与碱 、盐与化肥 、“化学与生活”。

生活中常见的：1.酸与碱

2.酸与碱之间会发生什么反应

3.盐

4.化学肥料

人体：1.人类重要的营养物质

2.化学元素与人体健康

3.有机合成材料

学生自认化学常用仪器。学习“附录”相关记录 。

【课题的研究内容】

无机化学中量子（分子、原子）力学论

量子化学（Quantum chemistry）是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基础原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。

1927年海特勒和伦敦用量子力学基础原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。

【课题研究的一些成果】

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妙，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。

【巩固建筑语录】

化学中常见“离子反应”包括：“酸、碱、盐在水溶液中的电离”和“离子反应及其发生的条件”两部分。

无机化学中最关键的是要有实观性：基础高层次的“化学方程式”们。

其次，稀土元素中的各种化学量变、质变及各种物理、化学性反应。

再次，金属的利用、及高等积存用途。

还有，就是气体的大力层存在行式。如同：水、陆、空，人类的生活方式。

参考文献：

[1]初中九年级化学上、下册课本，人民出版社出版，2011年版。

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关键词： Gaussian09 有机化学教学 应用

Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。Gaussian09是目前最新的版本，高斯功能的研究对象有：分子能量和结构、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道多重矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径。计算可以对体系的基态或激发态执行，可以预测周期体系的能量、结构和分子轨道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能，等等，在有机化合物的研究中广泛使用。

有机化学是医学课程中的重要基础课程，为后续生物化学、生理学等专业课程的学习打下基础。教学实践发现，虽然学生在高中都有一定的有机化学知识，但是由于有机化学知识量大、信息抽象等特点，造成很多学生不能有效地掌握教学重点和难点。本文主要结合有机化学的课程特点，在教学中引入Gaussian09程序包及与之配套使用的GaussianView软件，可以增强教学的生动活泼性，使学生能够更好地从本质上掌握有机化学知识。

一、分子的几何构型与稳定性

在有机化合物的学习中，我们发现分子的几何构型可以有多种取向，但是在自然状态下分子一般以最稳定的几何构型大量存在，此时该构型能量也最低。我们认为在自然情况下分子主要以能量最低的形式存在。只有能量最低的构型才能具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质。我们使用GaussianView软件构建要研究的分子的基本模型，在建模过程中，我们无法保证所建立的模型有最低的能量，所以所有研究工作的起点都是构型优化，要将所建立的模型优化到一个能量的极小点上。只有找到合理的能够代表所研究体系的构型，才能保证其后所得到的研究结果有意义。通过Gaussian09程序优化结构得到的分子构型达到了收敛标准，就会得到一个稳定的几何构型。我们可以利用GaussianView软件读取这个优化后稳定构型的各自几何参数信息，如键长、键角、二面角等。学生可以通过自己构建简单的有机分子模型，进行结构优化，读取几何构型信息，更加形象地掌握有机分子的几何构型和稳定性。刘晓东等［1］曾采用Gaussian程序对顺反二氟乙烯的稳定性进行了探究，在教学过程中，形象地向学生展示了顺反二氟乙烯的稳定性不仅受空间位阻、静电斥力大小影响，还与电子的离域效应有关。

二、反应机理的研究

有机化学反应机理研究的是反应物通过化学反应变成产物所经历的全过程，而反应进行的途径主要由分子本身的反应性能和进攻试剂的性能，以及反应条件等内外因决定。对数目庞大的各种表面上互不相关的有机反应，通过反应机理的研究，揭示出它们的实质关系，并用少数几条原则将这些反应互相关联起来，从而能深入系统地掌握反应内在的规律性。更重要的是可以根据反应机理选择最适当的反应条件以提高所需产物的得率。目前，研究反应机理的可能性和方法主要是量子化学方法，而Gaussian程序是其中应用最为广泛的软件。

冯晓琴等［2］采用了Gaussian程序对芳烃硝化机理进行了模拟，从量子化学的角度确立了亲电取代和单电子转移的两种反应机理，并通过GaussView界面，使学生对复杂的芳烃硝化机理的认识更加清晰，为进一步对芳烃硝化反应的研究建立了更系统的理论基础。亲电加成反应是有机化学教学的难点和重点内容，比如烯烃和卤素的加成反应机制就可以用Gaussian程序来研究，溴与乙烯的加成反应，该反应途径时设计成顺式产物和反式产物两个通道，计算结果表明顺式反应产物的能量比反式产物高得多，从理论上明确地反映了该反应的产物是以反式产物为主，和实验结果一致。

三、苯环的定位效应

苯环上已有取代基，在进行亲电取代反应时，苯环上原有取代基会影响亲电取代反应活性和第二个基团进入苯环的位置。我们用Gaussian程序来研究苯环的定位效应，外来基团易于进攻电子密度较高的位置。计算发现，未有取代基的苯上6个碳原子的Mulliken charge电荷分布在-0.128―-0.129之间，对C1上的H分别被-CH，-NO，-OH，-NH和-Cl取代的物质做了电子密度计算分析，其Mulliken charge数值见表1。从表1可以看出，C1上的H被-CH取代后的甲苯，C2的电子密度增加最大，为-0.182，这个位置都是邻位，因此外来基团更容易进攻这个位置，发生亲电取代反应，这与甲苯发生亲电取代反应的主要产物为邻位的实验事实相一致，也从反应的实质原因上给学生展示了亲电反应的原理，更为生动和客观。从表1的数据，也可以进行类似的分析，解释与实验事实一致，-NO，-OH，-NH取代后，电子密度都增加了，使得苯环活化，亲电反应更容易发生，根据各碳位置电子密度的增加幅度不同，可以发现，-NO为间位定位基，-OH和-NH为邻对为定位基；以及-Cl取代后电子密度较取代前降低，导致苯环钝化。

四、波谱分析

有机化合物的机构鉴定是有机化学基本知识的重要组成部分。20世纪50年展起来的波谱法，为有机化合物的结构鉴定带来了很大方便。最常用的波谱包括紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱和质谱（通常称为“四谱”）。Gaussian程序也可以计算出物质的波谱信息可以计算各种光谱和光谱特性。包括：IR和Raman；预共振Raman；紫外―可见；NMR；振动圆形二色性（VCD）；电子圆形二色性（ECD）；旋光色散（ORD）；谐性振―转耦合；非谐性振动及振―转耦合；g张量，以及其他的超精细光谱张量。已有的物质的实验质谱信息与理论计算值对比后如果能够很好地吻合，那么就可以运用该计算方法对类似的新化合物进行设计和性质研究。在一定程度上比实验研究要节约大量的人力、物力和时间。

实践表明，Gaussian程序是一种功能强大的量子化学计算软件，使Gaussian09在有机化学教学中得到合理的应用，必将使学生对有机化学的许多基本知识产生更加清晰的认识，并能起到易学易懂的作用，从而达到提高教学质量的目的。

参考文献：

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在重点院校中，学生素质相对较高，数学、物理学习能力普遍较强，对结构化学的作用与地位认识也相对较好，可能较少存在结构化学“无用”的观念;而在地方高校的化学专业学生中，有相当一部分学生存在认识误区，特别是有一些不考结构化学的考研学生和毕业后将从事中学教学的学生具有“结构化学无用”的思想。作为教师，应该认识到这一问题的严重性。通过这几年的实践证明提高学生认识，坚定学习信心，对消除学生学习结构化学“无用”的观念以及畏难的心理是很必要和有效的。因此，在开课之前必须详细介绍该课程在整个化学中所处的地位和作用，阐明学习结构化学的重要意义。

注重对量子化学发展史和研究结构

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．Schrdinger)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

使用多种教学方法培养学生的理论思维能力与创新能力，是结构化学课教学的重要目的。课堂教学是学生学习结构化学的主要和基本的学习形式。课堂教学质量的高低与课堂教学方法的运用有很大关系。以前我们采用的是“一言堂”的教学方式，这种教学方法压抑了学生学习结构化学的积极性和主动性，因此，根据教学内容灵活地采用不同的教学方法是提高结构化学课教学质量的重要手段。结构化学虽是理论性较强的学科，但与其他学科一样，来源于对实验现象的分析、思考，且要通过实践来检验其结论正确与否，内容博大精深，集科学性、思想性于一体，并具有前沿性。结构化学教师必须重视对结构化学教学方法的研究，针对不同教学内容采取不同的教学方法，更好地提高教学质量。我们采用的教学方法主要有:启发式教学、互动式教学、讨论式教学、对话式教学、模型教学和专题式教学，并布置小论文，开展学生的科技活动。如在课程讨论时将学生分成几个学习小组，针对不同主题进行讨论，并在课堂上交流。把个体作业学习与大组讨论交流结合起来，以培养学生的创新思维。如布置“超分子结构”为主题的小论文，许多学生通过期刊和网络收集了大量与超分子结构化学有关的信息，从不同角度撰写了心得体会和小论文，有的学生还发表了自己的设想和见解。课程教学讨论不仅丰富了学生的知识，而且也培养了学生的创新能力。利用多媒体辅助教学在有限的教学时间内运用现代化教学手段，可以加大信息量。我们使用幻灯片和CAI课件，通过图、文、声、像等手段，把抽象的理论变成具体的形象，让学生在直观、生动的学习中加深对理论的理解。目前，我们研制的结构化学CAI课件已连续使用几届，受到学生的好评。例如讲授等径球密堆积时，无论用黑板绘图或圆球模型展示表现得都不够清楚，现在用多媒体课件，动态演示等径球一层层的排列方式，效果很明显。必修课与选修课相结合在上好必修课的同时，开设量子化学、波谱学、化学中的数学方法等选修课，理论与实践相结合，以科学方法启迪学生的创新思想。以科研促教学从专业基础知识的结构上看，结构化学课程是基础课和专业课的枢纽课程，是介于本科生学习和毕业论文之间承上启下的课程。结构化学课程理论性强，但实践性也很重要，有些知识一直影响到学生的硕士、博士学位论文［4］。因此，科研进教学、教学促科研的双向互动就显得很重要。结构化学教学内容基本是20世纪的科研成果。我们发挥科研背景优势，在教学中不断将当前的科研成果融入教学，以使课堂内容具有丰富性、代表性、创造性和启发性，能跟上时代前进的步伐。在开展第二课堂活动中，通过设计专题科研实验，使学生能有更多机会加入到自身科研之中，有时间和空间从事自己有兴趣的课题研究;通过使用Origin，Chemistry3D等软件制作分子结构及其轨道图;利用Gaussian98以及GaussView等专业软件开展分子设计与量子化学计算模拟实验，帮助学生学习与理解自洽场运算原理、原子轨道、分子轨道及其能量电荷分布、热化学性质、简谐振动、对称性等相关知识。在科研过程中，学生有了正确的科研方向和学习目的，能有针对性地查阅最新资料，及时了解学科前沿，从而改变了被动学习的局面。

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两个学科的难易程度因人而异。因为个人的爱好和天赋不同，对不同的学科理解力就不同，感觉的难易也就不同。

物理：是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。物理学与很多其它领域有相当的交集，从而发展出不少跨领域学科，如生物物理学、量子化学等等。

地理：是研究地球表面的地理环境中各种自然现象和人文现象，以及它们之间相互关系的学科。地理学是研究地球表面的地理环境中各种自然现象和人文现象，以及它们之间相互关系的学科。

（来源：文章屋网 ）

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关键词：2-甲基环戊酮；Gaussian 03；振动频率；红外光谱

中图分类号：TP311文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)2007102

Description on the Structure of Molecule and Ion Using Gaussian 03

CUI Jinyu1,2

(1.Suihua University,Suihua,152060,China;2.Institute of Atomic and Moleculer Physics,Jilin University,Changchun,130000,China)

Abstract：The purpose of this article is adopting Gaussian 03 optimization 2-methyl molecules and ions cyclopentanone structure,the next step-finding may change the microscopic process.By quantum chemical methods,through the graphic depiction Gaussian 03 obtained ion stability and structure of the ion vibration spectra.Finally,infrared spectroscopy analysis obtained:hydrogen atom has strongest vibration,ion structure is changed,hydrogen atoms is reorganized.

Keywords：2-methyl cyclopentanone;vibration frequency;infrared spectrum

Gaussian 03是Gaussian系列电子结构程序的最新版本。它在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域方面的功能都进行了增强。Gaussian 03能够处理更大的分子(例如，酶)，可以研究有机体系的反应机制，表面和表面反应的团簇模型等。Gaussian 03还能预测自旋-自旋耦合常数。通过对不同构像计算这些常数，并对预测的和观测的光谱做比较，可以识别观测到的特定构像。Gaussian 03扩展了化学体系的研究范围，它可以用周期性边界条件的方法(PBC)模拟周期性体系。Gaussian 03可以计算各种光谱和光谱特性。

本文仅列举了它的几个功能，介绍用Gaussian 03计算2-甲基环戊酮分子(C6H10O)及离子(C6H10O+)的基态能量和结构，及相应的振动光谱图等。

1 Gaussian 03优化2-甲基环戊酮分子及离子的几何构型并计算能量

1.1 描绘2-甲基环戊酮分子

计算2-甲基环戊酮分子的几何构型和能量，采用密度泛函理论b3lyp方法，用Gaussian 03程序，基组采用6-31g，各原子坐标采用内坐标形式，输入路径如下：

%chk=c6h10o

#p b3lyp/6-31g opt iop(1/6=100) iop(5/13=1)

空

c6h10o

空

0 1

o

c 1 r1

c 2 r2 1 120.

c 3 r2 2 108.1 180.

c 4 r2 3 108.2 0.

c 5 r2 4 108.3 0.

c 6 r3 2 108.1 0.

h 3 r4 2 120.1 30.

h 3 r4 2 120.1 -30.

h 4 r4 3 150.2 80.

h 4 r4 3 150.2 -80.

h 5 r4 4 150.3 70.

h 5 r4 4 150.3 -70.

h 6 r5 5 100.2 90.

h 7 r6 6 100.2 100.

h 7 r6 6 100.2 0.

h 7 r6 6 100.2 -100.

空

r1=1.4

r2=1.45

r3=1.42

r4=1.2

r5=1.35

r6=1.3

保存输入文件，命名为c6h10o.gjf。打开Gauss View3.07，点击File菜单，打开gjf文件，察看文件名c6h10o的输入图形，如图1所示。

运行该程序，在其输出文件中查找频率freq及其相应的能量。结果freq全部大于零，没有虚频，显示此结构是稳定构型，是基态。其能量为E(RB+HF-LYP)=-309.803 2(H.F)。用Gauss View打开out文件，观察c6h10o.out的几何构型如图2所示。由此进一步计算此构型下的离子构型和能量。

1.2 描绘2-甲基环戊酮离子

采用同样的方法，只是将文件名换成c6h10o+0.gjf，第6行的电荷数和多重度各加1，输入路径为：

%chk=c6h10o+0

#p b3lyp/6-31g(d,p) opt freq test

空

c6h10o+0

空

1 2

…(离子坐标)

运行该程序，在输出文件中查找频率freq及其相应的能量。结果freq全部大于零，没有虚频，显示此结构是稳定构型。其能量E(UB+HF-LYP)=-309.583 1(H.F)，几何构型如图3所示(与其分子的几何构型相似，但是键长不同，能量不同)。

2 用GaussView观察2-甲基环戊酮离子的红外光谱图

打开Gauss View3.07，点击File菜单，打开c6h10o+0.out文件，左击鼠标Results，进入Vibrations，即出现振动的红外光谱图，如图4所示。

从红外光谱图上，可以看到不同频率下的振动强度，如振动强度最大处，频率448.98 cm-1，此时可能发生2C-6C断裂，氢原子重排，如图5所示，从而离子的结构发生变化，如图6所示。

3 用GaussView察看2-甲基环戊酮离子的电荷分布

打开c6h10o+0.out文件，左击鼠标Results，进入Charges，察看各原子上电荷的分布情况。如图7所示。例如1号氧原子带负电，2号碳原子带正电，二者之间是一种库伦引力作用，所以键长较短，不容易断开。那么分析2-甲基环戊酮离子的微观变化过程，可以排除上述2个原子之间的键断裂，而去分析其他的键断裂的情形。

4 结 语

通过以上分析可见，用Gaussian软件可以计算分子的能量和振动频率，分析其所处的状态是稳定态还是过渡态或者激发态。Gauss View可以生成所计算的图形，从而进一步分析和确定分子或离子的微观变化过程，并能形象的表示出来。

参考文献

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［10］Michael J Frisch,Gary W Trucks.Gaussian 03 User′s Refrence,2004.

篇7

什么是多尺度模型

20世纪70年代，瓦谢尔从理论上提出，可以用计算机模拟、以量子力学和分子力学结合的方式描述化学过程，后来被称为“多尺度模型”。这一理论得到了广泛的应用。

其实，多尺度模型就是我们常用的MM/QM模型。我们知道，原子是化学反应的基本微粒，它由原子核和核外电子共同构成。我们在做分子模拟时，分子力学（MM）算起来比较快，但只能处理到原子、基团这个层面，而量子力学（QM）虽然考虑到了电子和原子核，但计算起来相当复杂。

三位科学家的开创性，在于打开了“势不两立”的分子力学与量子力学之间的一扇窗，将两者结合起来。如今，当科学家在模拟分子反应的过程时，他们会在必要时借助计算机的力量。化学反应系统核心的计算基于量子物理学，而在远离反应核心区域的地方，模型计算则基于经典物理学，在最外的几层，原子和分子甚至混合在一起，形成同质的物体。通过这些理论简化，我们可以对大型的化学系统进行模拟计算。

多尺度模型的应用与前景

“分而治之”描述化学反应

化学反应是一个微观过程，许多化学反应的发生极为迅速，我们肉眼难以快速捕捉到。比如，生命体中的核糖从无规则的多肽链发展到稳定的蛋白质结构所用时间为微秒级。如果扫描这一过程，耗费的时间将是天文数字。

因此，传统上用实验手段描述出反应过程的每一个步骤几乎是不可能实现的。量子力学的描述小而精，分子力学的描述宽泛但精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程，计算将难以进行。所以，多尺度组合的方法便成了研究者最好的选择，这与中国古代“分而治之”的哲学思想类似。

掀起科学研究新篇章

化学是一门以实验为基础的学科，三位科学家基于量子力学、经典力学以及混合量子—经典力学提出的理论模型对化学的定量化研究、化学理论研究以及实验研究都有非常重要的指导作用。例如，通过计算机模拟的方法来研究蛋白质分子的运动和酶的催化反应机理，发展分子动力学模拟方法，研究复杂化学体系的运动规律等。

同时，该模型还被应用于计算化学、生物化学、生物物理学以及物理学与应用数学，是典型的跨学科成果。这一模型的提出与应用，对化学学科的推进、化学与生物学科交叉发展都发挥了相当大的作用，具有里程碑式的意义。

研究前景可观

对于该领域的研究，我国的起步相对较晚，但自2000年之后，随着国家科研实力的增强，这一领域研究已经取得了较大进步。例如，2012年9月，北京师范大学化学系教授方维海带领的课题组便采用高精度的量子化学计算对萤火虫发光机理进行了进一步探索，提出了渐进可逆电荷转移引发荧光的新理论，首次在电子态的水平阐明了萤火虫生物发光的化学起源。

此外，三位科学家的研究成果，已经应用于废气净化及植物的光合作用研究中，并将用于优化汽车催化剂、药物和太阳能电池的设计中。

经典力学与量子力学

经典力学是力学的一个分支。经典力学是以牛顿运动定律为基础，在宏观世界和低速状态下，研究物体的运动。经典力学又分为静力学（描述静止物体）、运动学（描述物体运动）和动力学（描述物体受力作用下的运动）。

量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础，而且在化学等相关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。

（敬瑞玲）

试一试

1. 我们知道，经典力学是以牛顿运动定律为基础，在宏观世界和低速状态下，研究物体的运动。那么你所了解的牛顿运动定律有哪些呢？

2. 量子力学主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质，根据所学的知识回答下列问题。

（1）原子是由什么构成的？

（2）氢原子呈什么电性？为什么？

（3）画出Na原子的原子结构示意图。

（4）根据核外电子排布规律，画出Fe原子的原子结构示意图。

篇8

【摘要】

目的建立准确简便测量油茶种子中抗肿瘤有效部位群化学成分含量的分析方法。方法采用分光光度法。结果油茶种子60%丙酮-水提物中总皂苷纯度为64.90%，总黄酮含量为11.81%，总酚含量为7.40%(其中鞣质占2.43%)。结论分光光度法测定以上3种物质简便易行，准确可靠，重复性和回收率都较理想。

【关键词】 油茶种子； 抗肿瘤； 总皂苷； 黄酮； 多元酚； 鞣质

Abstract：ObjectiveTo establish the accurate and convenient method for determining the contents of total saponin，total flavonoids， total polyphenol and tannin in Camellia oleifera Abel.MethodsThe contents were determined by spectrophotometry. ResultsThe contents of total saponin， total flavonoids， total polyphend and tannin were respectively 64.90%，11.81%， 7.40% and 2.43%. ConclusionThe method is convenient and reliable for the determination of the three substances，and its reproducibility and recovery rate are fairly well.

Key words：Camellia oleifera Abel.; Anti-tumor; Saponins; Flavonoids; Polyphenols; Tannin

油茶Camellia oleifera Abel属于山茶属山茶亚属油茶组植物。中国有油茶面积3 660 000 ha，年产油茶种子645 000 t［1］，资源非常丰富。但长期以来，对油茶药用价值方面的研究，国内外鲜有报道。我们课题组在对油茶药用价值进行研究的过程中，采用MTT比色法对其种子和油粕的石油醚、乙醇、水、60%丙酮-水的梯度溶媒提取物进行体外抗癌实验，结果表明油茶种子60%丙酮-水提取物对人肺癌细胞株（A549）、人胃癌细胞株(SGC－7901)和人黑色素细胞瘤（A375）具有非常强的抑制作用。定性分析结果表明其含有大量皂苷、黄酮及多元酚类成分。为进一步明确其抗肿瘤的有效部位及有效成分，本文对该有效部位群中的三大类成分进行了定量分析，为抗肿瘤有效部位的分离纯化提供科学依据。

1 仪器与材料

unico7200可见分光光度计（尤尼柯上海仪器有限公司）；Laborata4000型旋转蒸发仪（Heidolph公司）；BP210S十万分之一电子天平（Sartorius公司）；Jascov-560紫外可见分光光度计；油茶总皂苷对照品（湖南今汉生有限公司）；芦丁对照品（东京化成工业株式会社）；没食子酸（中国药品生物制品检定所）；所用试剂均为分析纯；水为蒸馏水；油茶种子（2006-03 采集于广西壮族自治区燕洞乡）。

2方法与结果

2.1 总皂苷的测定［2］

2.1.1 标准品溶液的制备精密称取干燥至恒重的油茶总皂苷对照品50 mg，置100 ml容量瓶中，甲醇溶解并稀释至刻度，摇匀，得浓度为0.5 mg/ml的对照品溶液，备用。

2.1.2 供试品溶液的制备精密称取干燥至恒重的样品20 mg，甲醇溶解并定容至10 ml容量瓶中，制得浓度为2.0 mg/ml的样品溶液，备用。

2.1.3 测定波长的选择取0.8 ml的对照品溶液及样品溶液，分置于具塞试管中，挥去甲醇，精密加入新鲜配制的5%香草醛溶液0.2 ml，高氯酸0.8 ml加塞，于60℃水浴中反应15 min，取出，冰水中冷却至室温，精密加入冰乙酸5.0 ml，摇匀立即在紫外分光光度计450～700 nm波长下扫描，同时空白溶液做参比，确定检测波长为588 nm。

2.1.4 标准曲线的绘制精密吸取对照品溶液 0.0，0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 ml，分置于具塞试管中，挥去甲醇，精密加入新鲜配制的5%香草醛溶液0.2 ml，高氯酸0.8 ml加塞，于60℃水浴中反应15 min，取出，冰水中冷却至室温，精密加入冰乙酸5.0 ml，摇匀， 随行做空白实验，588 nm波长下测吸光度。计算得回归方程为：Y=0.467X-0.008 2(r=0.999 9)。线性范围为0.2～1.0 mg/ml。

2.1.5 样品测定精密吸取供试品溶液0.5 ml，置于具塞试管中，挥去甲醇，照标准曲线项下的方法操作，测定吸收值，从标准曲线中读出供试品溶液中总皂苷的量，计算，即得。

2.1.6 重复性实验精密吸取供试品溶液0.5 ml置于具塞试管中，挥去甲醇，照标准曲线项下的方法操作，测定吸收值，平行测定5次，代入回归方程，计算总皂苷的含量。结果见表1。表1 总皂苷测定的重复性实验结果（略）

2.1.7 加样回收率实验精密吸取已知总皂苷含量的供试品溶液0.2 ml置于具塞试管中，分别加入0.5 mg/ml的油茶总皂苷标准溶液0.5 ml，挥去甲醇，按标准曲线绘制项下的方法操作，平行测定5次，计算加样回收率。结果见表2。表2 总皂苷测定的加样回收率实验结果（略）

2.2 黄酮的含量测定［3］

2.2.1 对照品溶液的制备精密称取干燥至恒重的芦丁对照品20 mg，置100 ml容量瓶中，加入甲醇溶解并稀释至刻度，摇匀，得浓度为0.2 mg/ml的对照品溶液，备用。

2.2.2 供试品溶液的制备精确量取油茶60%丙酮-水提取物0.250 7 g置100 ml容量瓶中，加入甲醇稀释至刻度，摇匀，精密吸取20 ml置100 ml容量瓶中加入甲醇稀释至刻度，摇匀，得浓度为0.501 4 mg/ml的供试品溶液。

2.2.3 测定波长的选择芦丁对照品溶液和供试品溶液NaNO2-Al(NO3)3-NaOH显色后，用分光光度计在200～600 nm区间进行扫描。均在500 nm处有最大吸收，因此选择500 nm为测定波长。测得的结果以芦丁为基准计算总黄酮的含量。

2.2.4 标准曲线的绘制精密吸取芦丁对照品溶液0.0，0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 ml分别置于试管中，各加甲醇至2.5 ml，再分别加入质量分数为5%的亚硝酸钠溶液0.25 ml，摇匀，室温放置5min后，再加10%硝酸铝溶液0.25 ml，摇匀，室温放置5 min后，加入4%的氢氧化钠溶液2.0 ml，摇匀，室温放置15 min。以相同试剂为空白在500 nm处测吸光度（A），以A值为纵坐标，浓度C(mg/ml)为横坐标，绘制标准曲线，得回归方程为：A=0.5448C+0.007 8(r=0.999 9)，线性范围为0.034 2～0.163 mg/ml。

2.2.5 样品测定精密吸取供试品溶液1.5 ml置于试管中，加入甲醇至2 ml，照标准曲线项下的方法操作，测定吸收值，从标准曲线中读出供试品溶液中芦丁的量，计算，即得。

2.2.6 重复性实验精密吸取供试品溶液1.5 ml置于试管中，加入甲醇至2 ml，照标准曲线项下的方法操作，测定吸收值，平行测定5次，代入回归方程，计算总黄酮的含量。结果见表3。表3 总黄酮测定的重复性实验结果（略）

2.2.7 加样回收率实验精密吸取已知总黄酮含量的供试品溶液1.5 ml置于试管中，分别加入芦丁对照品溶液0.5 ml，余下部分按照标准曲线项下的方法操作，平行测定5次，计算加样回收率。结果见表4。表4 加样回收率实验结果（略）

2.3 多元酚及鞣质的含量测定［4］

2.3.1 对照品溶液的制备精密称取干燥至恒重的没食子酸对照品10 mg，置100 ml棕色容量瓶中，加水溶解并稀释至刻度，摇匀，精密量取25 ml，置100 ml棕色容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，得浓度为0.025 mg/ml的对照品溶液，备用。

2.3.2 供试品溶液的制备精密量取油茶种子60%g丙酮-水提取物干浸膏0.508 0 g置于200 ml棕色容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，过滤，弃去初滤液20 ml。精密吸取续滤液5 ml置50 ml棕色容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，即得供试品溶液Ⅰ(0.254 mg/ml)。精密吸取续滤液5 ml置于50 ml量瓶中，加水稀释至刻度，倒入已盛有600 mg干酪素的具塞锥形瓶中，30℃水浴加热1 h，时时振摇，取出，放冷，过滤，弃去初滤液10 ml，续滤液作为供试品溶液Ⅱ（0.254 mg/ml），备用。

2.3.3 测定波长的选择没食子酸对照品溶液和供试品溶液经磷钼钨酸-碳酸钠显色后，用紫外可见分光光度计在400～1 000 nm区间进行扫描。结果表明最大吸收波长为754 nm，因此选择754 nm做为测定波长。测得的结果以没食子酸为基准计算总酚和鞣质的含量。

2.3.4 标准曲线的绘制精密吸取没食子酸标准溶液0.0，0.5，1.0，1.5， 2.0，2.5 ml分别置于10 ml棕色量瓶中，各加水至5ml再分别加入1ml磷钼钨酸试液，用29%碳酸钠溶液稀释至刻度。摇匀，以相同试剂为空白，30 min后在754 nm处测定吸光度（A），以A值为纵坐标，浓度C(mg/ml)为横坐标，绘制标准曲线，得回归方程：A=0.3155C+0.007 9，r=0.999 8。线性范围为0.010 7～0.053 2 mg/ml。

2.3.5 总酚的测定精密吸取供试品溶液Ⅰ1.0 ml置于10 ml棕色容量瓶中，照标准曲线项下的方法，自“加入1 ml磷钼钨酸试液”起，同法测定吸收值，从标准曲线中读出供试品溶液中没食子酸的量，计算，即得。

2.3.6 不被吸附的多元酚测定精密吸取供试品溶液Ⅱ 2.0 ml置于10 ml棕色容量瓶中，照标准曲线项下的方法，自“加入1 ml磷钼钨酸试液”起，同法测定吸收值，从标准曲线中读出供试品溶液中不被吸附的多酚的量，计算，即得。

鞣质含量=总酚量-不被吸附的多酚量

2.3.7 重复性实验精密吸取供试品溶液Ⅰ 1.0 ml置于10 ml的棕色容量瓶中，照标准曲线绘制项下的方法操作，测定吸收值，平行测定5次，代入回归方程，计算总酚的含量，结果见表5；精密吸取供试品溶液Ⅱ 2 ml置于10 ml的棕色容量瓶中，照标准曲线项下的方法操作，测定吸收值，平行测定5次，代入回归方程，计算不被吸附的多酚的含量。结果见表6。表5 总酚测定的重复性实验结果（略）表6 不被吸附多酚的重复性实验结果（略）

2.3.8 加样回收率实验精确吸取已知总酚含量的供试品溶液Ⅰ1 ml和 已知不被吸附的多酚含量的供试品溶液Ⅱ2 ml置于10 ml棕色容量瓶中，分别加入0.025 mg/ml的没食子酸标准溶液0.5 ml，余下部分照标准曲线绘制项下的方法操作，平行测定5次，计算加样回收率。结果见表7～8。表7 总酚测定的加样回收率实验结果（略）表8 不被吸附多酚的加样回收率实验结果（略）

3讨论

皂苷的分析测定有多种方法，但分光光度法操作简便、灵敏，属于经典、成熟的方法。采用分光光度计法测定其总皂苷的含量，其结果为64.90%。

以芦丁为对照品，NaNO2-Al(NO3)3-NaOH体系为显色剂，利用分光光度法测定总黄酮含量，操作简便，灵敏度高，重复性好，结果可靠。研究结果表明油茶种子60%丙酮-水提物种总黄酮含量为11.81%。

总酚与鞣质含量测定方法主要是参考了《中国药典》鞣质测定方法，以没食子酸为对照品稳定性好，干酪素吸附作用具有专属性，操作简便，且重复性和回收率都较理想。测定结果：总酚含量为7.40%，其中鞣质为2.43%。

对于在这一有效部位群中，具体是哪一类成分为抗肿瘤的有效成分及其作用的机理，本研究组正在进一步研究中。

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篇9

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篇10

刘强，西南财经大学金融学院教授、博士生导师。湖北当阳市人，宜昌市夷陵中学毕业。1981年高考数学满分、宜昌地市理科第一名。中国科学技术大学理学学士（1986年），美国康奈尔（Cornell）大学物理化学硕士（1993年）、量子化学博士（1995年。师从诺贝尔奖得主Roald Hoffmann教授）。1995年至1997年在康奈尔大学从事博士后研究。1997年至1999年，任国际顶尖投资银行瑞士信贷第一波士顿（Credit Suisse First Boston）纽约总部全球货币市场交易部分析员。1999年至2004年，任国际著名对冲基金高桥基金管理公司（Highbridge Capital Management，纽约）可转换债券套利交易部资深分析员。2004年至2008年，任电子科技大学管理学院金融系教授、金融工程研究所所长，主持并以优异成果完成国家自然科学基金面上项目《可转换债券定价之若干问题研究》。2008年5月至今，任西南财经大学金融学院教授，兼任华西期货有限责任公司高级学术顾问。

二、研究领域

长期从事于金融衍生产品设计、定价及软件化，量化交易策略及高效金融数值算法研究。任中国期货业协会第一届、第二届“全国高校金融期货与衍生品知识竞赛”命题及组卷专家。“人大经济论坛学者访谈”嘉宾。上海期货与衍生品研究院专家库成员。The European Journal of Finance及《管理科学学报》审稿人。现主持国家自然科学基金面上项目《复杂衍生产品的蒙特卡洛定价方法研究》。

三、研究成果

刘强教授在国际上提出美式期权正则最小二乘蒙特卡洛定价法（canonical least-squares Monte Carlo method）、美式期权正则隐含二叉树定价法、已知红利股票期权节点重合二叉树定价法（对Hull经典教材《期权、期货及其他衍生品》内容的一个修正）、非线性损益静态复制的三种最优近似方法及可转换债券或有赎回权的条件概率近似定价法等。

在国际顶级金融衍生产品学术期刊Journal of Futures Markets上独立三篇，其国际金融论文已经被引用30次（谷歌学者）。社会科学研究网络（SSRN）上存放其13篇工作论文，其中多篇论文曾名列“下载前十”目录。在二十七万多SSRN作者中其当前总下载排名为7287位。攻读博士及博士后研究期间，发表七篇化学顶级学术期刊论文，已经被引用619次（谷歌学者）。

四、主要论著

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squares Monte Carlo[M].Journal of Futures Markets，2010.

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[6] 布莱克―斯科尔斯期权定价模型，《衍生金融工具》（王晋忠主编）第十二章，中国人民大学出版，2014年。