量子化學(xué)基礎(chǔ)精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇量子化學(xué)基礎(chǔ)范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點(diǎn)來認(rèn)識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計算方法以及計算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點(diǎn)設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)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

篇(2)

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)改革；互動教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是我國高等學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)的必修課程，內(nèi)容涉及量子化學(xué)，分子對稱性，配位化學(xué)和晶體學(xué)基礎(chǔ)等部分。該課程內(nèi)容抽象，知識系統(tǒng)龐雜，數(shù)理推導(dǎo)較多，學(xué)習(xí)曲線陡峭，不少學(xué)生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風(fēng)光在險峰，學(xué)好這門課程不僅有助于理解其它化學(xué)課程的內(nèi)容，也是為進(jìn)一步在本專業(yè)深造打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。[1]在當(dāng)前深化本科教育教學(xué)改革的背景下，如何將結(jié)構(gòu)化學(xué)課程上好，真正做到讓老師強(qiáng)起來，學(xué)生忙起來，效果實(shí)起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進(jìn)行總結(jié)。

1重視數(shù)理，夯實(shí)基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的一大難點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，譬如量子化學(xué)部分完全使用數(shù)學(xué)語言描述核心知識，而對于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)，數(shù)學(xué)一直是軟肋，于是極容易產(chǎn)生厭學(xué)和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重點(diǎn)介紹推導(dǎo)后的結(jié)論和意義，但我們在授課過程中，發(fā)現(xiàn)這樣的授課方式效果欠佳，因?yàn)榛A(chǔ)不牢，課程的學(xué)習(xí)只能是空中樓閣、風(fēng)中沙塔，很多同學(xué)在課程結(jié)束后還是無法對物理圖像有一個正確的認(rèn)識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認(rèn)為與其淡化數(shù)學(xué)，不如嚴(yán)格要求，把數(shù)學(xué)學(xué)到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用?！闭且?yàn)閿?shù)學(xué)和物理的引入，才讓化學(xué)擺脫了煉金術(shù)的桎梏而成為一門科學(xué)。因此我們在授課時自始至終強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的重要性，在涉及數(shù)學(xué)內(nèi)容較多的章節(jié)，提前講授將要用到的數(shù)學(xué)工具并布置作業(yè)，每章節(jié)結(jié)束后將重要的公式和結(jié)論進(jìn)行串講并配合習(xí)題進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，要求所以學(xué)生每學(xué)完一個章節(jié)就做思維導(dǎo)圖及時總結(jié)復(fù)習(xí)，將重要公式進(jìn)行總結(jié)歸納制作公式索引表格。盡管提升了學(xué)習(xí)的難度，但學(xué)生對于推導(dǎo)的結(jié)果和物理意義理解的更加準(zhǔn)確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

2理清主線，合理增負(fù)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容主要涉及量子化學(xué)基礎(chǔ)，分子對稱性，配位化學(xué)以及晶體學(xué)基礎(chǔ)。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨(dú)立，但所表達(dá)的核心思想是一致的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)也反映著結(jié)構(gòu)。目前授課內(nèi)容主要存在問題是：量子化學(xué)部分各章節(jié)之間主線不夠明確；配位化學(xué)部分和專業(yè)無機(jī)化學(xué)課程內(nèi)容有重疊；晶體學(xué)基礎(chǔ)部分，結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容介紹較多而相關(guān)的性質(zhì)介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理的補(bǔ)充和刪減。首先，對于量子化學(xué)部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學(xué)的誕生背景，量子力學(xué)基本假設(shè)，簡單模型的量子力學(xué)處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節(jié)開始時，我們對之前的內(nèi)容進(jìn)行簡要回顧，幫助學(xué)生理清了各章節(jié)的邏輯關(guān)系，在學(xué)期末復(fù)習(xí)課時對每一個知識點(diǎn)進(jìn)行展開復(fù)習(xí)，進(jìn)行鞏固。配位化學(xué)部分，對于和無機(jī)化學(xué)有重疊的部分，我們通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式簡要復(fù)習(xí)，同時突出結(jié)構(gòu)化學(xué)的重點(diǎn)，即分子軌道理論在配位化學(xué)的應(yīng)用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構(gòu)型下配體群軌道和中心原子如何依據(jù)對稱性進(jìn)行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應(yīng)的常見機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生通過知識解決實(shí)際科研問題，真正做到科研反哺教學(xué)。晶體學(xué)部分除了介紹基本知識以外，補(bǔ)充介紹了能帶理論，態(tài)密度等概念，并介紹了導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體在電子結(jié)構(gòu)上的差異，這些基礎(chǔ)知識有利于化學(xué)專業(yè)的同學(xué)在材料化學(xué)方向進(jìn)行科研工作打下基礎(chǔ)。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學(xué)都表示感受到了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)所帶來獲得感和高階樂趣。

3反客為主，多元考核

傳統(tǒng)理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學(xué)生被動填鴨式學(xué)習(xí)，效果較差，也不利于學(xué)生培養(yǎng)綜合能力。針對這些問題，我們開始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法來提高學(xué)生參與性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，表達(dá)能力，獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，這些都是未來創(chuàng)新型人才所具有的重要特質(zhì)。翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容主要涉及三個方面，一個是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中難度較低的幾個章節(jié)，如雙原子分子電子結(jié)構(gòu)，分子對稱性，配位化學(xué)基礎(chǔ)知識等章節(jié)，各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習(xí)以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學(xué)生統(tǒng)一準(zhǔn)備，課堂上抽簽進(jìn)行講解，在授課過程中，要求其他小組必須提問，教師在課程結(jié)束時對各小組所準(zhǔn)備的課件進(jìn)行補(bǔ)充點(diǎn)評，我們也將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)納入了考核評價，提高了課程總結(jié)筆記，課堂提問，翻轉(zhuǎn)課堂課件等分?jǐn)?shù)項(xiàng)的比例。翻轉(zhuǎn)課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和思辨精神。

篇(3)

科學(xué)語錄：“化學(xué)結(jié)構(gòu)理論主要就是化學(xué)的理論?！?/p>

萊納斯?卡爾?鮑林是著名的量子化學(xué)家，他在化學(xué)的多個領(lǐng)域都有過重大貢獻(xiàn)。他是唯一一個單獨(dú)兩次獲諾貝爾獎的人，不過后一次獲得的是諾貝爾和平獎。

1901年2月18日，鮑林出生在美國俄勒岡州波特蘭市。幼年的鮑林聰明好學(xué)，11歲認(rèn)識了心理學(xué)教授捷夫列斯。捷夫列斯有一所私人實(shí)驗(yàn)室，他曾給幼小的鮑林做過許多有意思的化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，這使鮑林從小萌生了對化學(xué)的熱愛，這種熱愛使他走上了研究化學(xué)的道路。

1922年，鮑林以優(yōu)異的成績從俄勒岡州農(nóng)學(xué)院化學(xué)工程系畢業(yè)，同時，考取了加州理工學(xué)院的研究生，導(dǎo)師是著名化學(xué)家諾伊斯。諾伊斯告訴鮑林，不要只停留在書本知識上，應(yīng)當(dāng)注重獨(dú)立思考，同時要研究與化學(xué)有關(guān)的物理知識。鮑林在諾伊斯的指導(dǎo)下，用調(diào)射線衍射法測定了輝鋁礦的晶體結(jié)構(gòu)。這使他在化學(xué)界初露鋒芒，同時也增強(qiáng)了他進(jìn)行科學(xué)研究的信心。

1925年，鮑林以出色的成績獲得化學(xué)哲學(xué)博士，并于1926年2月去了歐洲游學(xué)。在歐洲游學(xué)時，鮑林去了很多實(shí)驗(yàn)室工作與學(xué)習(xí)，接觸到了許多世界第一流的專家，并且了解了很多科學(xué)前沿問題，這對他后來取得學(xué)術(shù)成就是十分重要的。

1927年，鮑林結(jié)束了兩年的歐洲游學(xué)回到了美國，擔(dān)任助理教授講授量子力學(xué)及其在化學(xué)中的應(yīng)用。1930年，鮑林再一次去歐洲，到布拉格實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)有關(guān)射線的技術(shù)，后來又到慕尼黑學(xué)習(xí)電子衍射方面的技術(shù)，回國后，被加州理工學(xué)院聘為教授。

鮑林在探索化學(xué)鍵理論時，遇到了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)的解釋問題。為了解釋甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)，說明碳原子四個鍵的等價性，鮑林提出了雜化軌道的理論。該理論的根據(jù)是電子運(yùn)動不僅具有粒子性，同時還有波動性，而波又是可以疊加的。所以鮑林認(rèn)為，碳原子和周圍四個氫原子成鍵時，所使用的軌道是二者經(jīng)混雜、疊加而成的“雜化軌道”，這種雜化軌道在能量和方向上的分配是對稱均衡的。雜化軌道理論，很好地解釋了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。

鮑林在研究量子化學(xué)和其他化學(xué)理論時，創(chuàng)造性地提出了許多新的概念。例如，共價半徑、金屬半徑、電負(fù)性標(biāo)度等，這些概念的應(yīng)用，對現(xiàn)代化學(xué)、凝聚態(tài)物理的發(fā)展都有巨大意義。1932年，鮑林預(yù)言，惰性氣體可以與其他元素化合生成化合物。惰性氣體原子最外層都被8個電子所填滿，形成穩(wěn)定的電子層，按傳統(tǒng)理論不能再與其他原子化合。但鮑林的量子化學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，較重的惰性氣體原子，可能會與那些特別易接受電子的元素形成化合物，這一預(yù)言，在1962年被證實(shí)。

篇(4)

    羥汞化-脫汞是由烯烴合成醇的有效途徑之一[1]。羥汞化反應(yīng)主要分為兩個階段:①烯烴在含水的四氫呋喃溶液中與乙酸汞發(fā)生羥汞化;②羥汞化產(chǎn)物不經(jīng)分離,直接加入NaBH4進(jìn)行還原脫汞。該反應(yīng)具有條件溫和(一般在室溫進(jìn)行)、速度快(一般第一階段只需要幾分鐘,第二階段需要1小時)、中間產(chǎn)物不需分離、區(qū)域選擇性好(Markovnikov取向)、無重排產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)。因此,盡管汞是公認(rèn)最毒的金屬元素,但由于羥汞化反應(yīng)的諸多優(yōu)點(diǎn),該反應(yīng)仍被廣泛用于有機(jī)合成[2-3]。

    以丙烯加乙酸汞為例,目前比較公認(rèn)的羥汞化反應(yīng)機(jī)理[4-5]見圖1。其中第二步和第三步最為關(guān)鍵,但是目前國內(nèi)外多數(shù)有機(jī)化學(xué)教材都沒有明確指出反應(yīng)的速控步是哪一步[6-10],部分教材甚至把羥汞化過程歸類為親電加成反應(yīng)[8-10]。我們對此產(chǎn)生疑問,整個反應(yīng)的速控步究竟是汞離子親電加成的第二步,還是水親核進(jìn)攻的第三步?下面根據(jù)軟硬酸堿理論、元素電負(fù)性等有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識以及量子化學(xué)計算結(jié)果對各步反應(yīng)分析如下:(1)第一步,乙酸汞發(fā)生電離產(chǎn)生乙酰氧基汞正離子。我們認(rèn)為該帶有正電荷的汞離子的生成是必要的。最新的研究證明氯化汞能夠催化芳基烯基醚的羥汞化反應(yīng)。加入氯化鈉等含有氯離子的無機(jī)鹽能夠抑制上述反應(yīng),而加入硝酸銀可以促進(jìn)上述反應(yīng)。因?yàn)槁入x子是軟堿,額外增加的氯離子能夠和汞離子絡(luò)合生成[HgCl4]2-,抑制了+HgCl的生成,進(jìn)而抑制了羥汞化。而加入硝酸銀,使銀離子和氯離子結(jié)合,則可以促進(jìn)+HgCl的生成,進(jìn)而促進(jìn)羥汞化反應(yīng)。對于不同的汞鹽,根據(jù)軟硬酸堿理論可以判斷其電離的難易。越容易電離的汞鹽,活性越高。不同汞化合物應(yīng)該具有如下的活性順序:Hg(OOCCF3)2>Hg(OOCCH3)2>HgCl2>HgBr2>HgI2。因?yàn)镠g2+是軟酸,CF3COO-是最硬的堿,I-是最軟的堿。所以Hg(OOCCF3)2最容易電離,HgI2則是“軟親軟”,不易電離,活性最低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Hg(OOCCF3)2對4-己烯-1-醇分子內(nèi)氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快,而且產(chǎn)物不同[12]。(2)第二步,乙酰氧基汞正離子與烯烴的碳碳雙鍵發(fā)生親電加成生成汞鎓離子。從軟硬酸堿理論分析,烯鍵的π電子為軟堿,汞離子為軟酸,“軟親軟”,該基元反應(yīng)應(yīng)該屬于快反應(yīng)。從電負(fù)性考慮,汞的電負(fù)性為1.9,略小于碳的2.55[13],這使正電荷主要集中在汞上而不是碳上。這一點(diǎn)與溴鎓離子截然不同,后者正電荷主要集中在碳原子上。所以,相比溴鎓離子,汞鎓離子不易受到水的親核進(jìn)攻。我們用量子化學(xué)手段計算得出乙烯、丙烯、異丁烯與乙酰氧基汞正離子加成生成的汞鎓離子中間體以及乙烯的溴鎓離子的結(jié)構(gòu)與APT電荷(atomicpolartensor-basedcharges)[14]分布(圖2)(本文量化計算均采用Gaussian03軟件包,分子構(gòu)型在RB3LYP水平下進(jìn)行優(yōu)化,其中C、O使用6-31G*基組,H使用6-31G**基組,Hg和Br使用贗勢基組(Lanl2DZ,其中對Br加上極化函數(shù)(極化參數(shù)為0.389);

    對所有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率計算,以確認(rèn)所有結(jié)構(gòu)均是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(駐點(diǎn)是極小值,沒有虛頻))。從以上計算結(jié)果可得出結(jié)論:①上述汞鎓離子中,乙酰氧基與汞原子是雙齒配位的,兩個O—Hg鍵長幾乎等長,都在2.30左右。②汞原子上總是帶有最多的正電荷。③在丙烯等不對稱烯烴的汞鎓離子中,由于甲基的供電誘導(dǎo)效應(yīng),C2上正電荷多于C1,在異丁烯的汞鎓離子中這一差異更加明顯。從乙烯到丙烯到異丁烯,Hg—C1鍵逐漸變短,從2.602變?yōu)?.478,再到2.419。而Hg—C2鍵逐漸變長,在異丁烯的汞鎓離子中,Hg—C2鍵最長,達(dá)到2.876。這都預(yù)示著第三步水親核進(jìn)攻的位置在C2上,即Markovnikov取向。④在異丁烯的汞鎓離子中,C2上帶有最多的正電荷,可以預(yù)期其與水的親核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓離子更快,這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[15]:2-甲基-2-丁烯的羥汞化在10s內(nèi)完成,而環(huán)己烯需要55s。⑤與電負(fù)性分析結(jié)果一致,與乙烯的乙酸汞鎓離子不同,在乙烯的溴鎓離子中,正電荷主要集中在碳原子上,溴原子上正電荷很少,這表明汞鎓離子與溴鎓離子有著本質(zhì)的不同。眾所周知,羥汞化反應(yīng)通常不會發(fā)生重排,這正是由于汞鎓離子中間體的正電荷主要集中在汞上而不是碳上的具體體現(xiàn)。因?yàn)樯婕版f離子的碳上正電荷較少,臨近α位的烴基或氫原子不易發(fā)生遷移。

    我們分別計算了叔丁基乙烯的汞鎓離子和溴鎓離子甲基重排前后的能量變化,結(jié)果如圖3所示。從量子化學(xué)計算的結(jié)果也可以看出,在叔丁基乙烯汞鎓離子中,C2上的正電荷僅為0.4858e,而且甲基重排后所得到的叔碳正離子中間體的吉布斯自由能比重排前升高了77.78kJ/mol;而叔丁基乙烯的溴鎓離子中C2上正電荷高達(dá)0.8574e,非常有利于甲基遷移,而且發(fā)生類似重排后產(chǎn)物的吉布斯自由能比重排前降低了45.19kJ/mol。因此叔丁基乙烯的汞鎓離子的重排在熱力學(xué)上是極其不利的,不易重排。而叔丁基乙烯與溴的親電加成生成的溴鎓離子容易重排。事實(shí)上,許多烯烴,如:莰烯[16]、降冰片烯[17]和苯并二環(huán)[2.2.2]-2,5-辛二烯[18]與溴的親電加成都發(fā)生了重排。(3)第三步,水作為親核試劑進(jìn)攻汞鎓離子。在該步中,水分子中的氧原子是硬堿,而帶有部分正電荷的碳原子是軟酸。由于碳上的正電荷較少,水的親核性又弱,此類弱親核試劑的親核進(jìn)攻就變得更加困難。由此推斷,該步基元反應(yīng)才應(yīng)該是整個反應(yīng)的慢步驟,即整個羥汞化反應(yīng)的速控步。通過查閱文獻(xiàn)[19],這一結(jié)論得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羥汞化反應(yīng)速度比1-己烯快10倍,比四甲基乙烯的羥汞化速度快833倍。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)汞鎓離子中C2上的正電荷多少有關(guān)(圖4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓離子中C2上的正電荷最大(0.6632e),羥汞化最快;而四甲基乙烯的類似物相應(yīng)碳原子上的正電荷最少,羥汞化最慢。如果汞鎓離子生成的一步是速控步,含有4個供電甲基的四甲基乙烯與乙酸汞離子形成汞鎓離子進(jìn)而得到羥汞化中間體應(yīng)該是上述3個烯烴中最快的,然而實(shí)驗(yàn) 事實(shí)正好相反。這反過來證明汞鎓離子生成的一步不是整個羥汞化反應(yīng)的速控步。另外,對于含多個雙鍵的烯烴,羥汞化優(yōu)先發(fā)生在最不對稱的雙鍵上,即1,1-二取代優(yōu)于1,1,2-三取代,單取代優(yōu)于1,2-二取代[20],反應(yīng)速度與汞鎓離子中取代最多的碳原子上的正電荷密度成正比,也進(jìn)一步說明水親核進(jìn)攻的一步是整個反應(yīng)的速控步。(4)第四步是中間產(chǎn)物Ⅱ快速失去質(zhì)子的過程,不再贅述。(5)關(guān)于烯烴和炔烴羥汞化產(chǎn)物的脫汞問題。在烯烴的羥汞化產(chǎn)物中,由于碳與汞的電負(fù)性差別太小,使得碳汞鍵的電荷分布比較均勻,碳汞鍵的極性較小。量子化學(xué)計算得出乙烯羥汞化產(chǎn)物中與汞原子相連的碳原子上負(fù)電荷密度均為-0.1300e,同樣說明碳汞鍵的極性很小,所以乙烯羥汞化產(chǎn)物HOCH2CH2HgOAc不像其他金屬有機(jī)試劑(例如Grignard試劑)那樣容易水解,而必須使用還原劑NaBH4進(jìn)行還原。

    相反,乙炔在汞催化下的水合產(chǎn)物是互變異構(gòu)體(圖5):HOCHCHHg+和OHCCH2Hg+,前者與汞相連的碳原子是sp2雜化,比sp3雜化碳原子具有更大的電負(fù)性[21]和更強(qiáng)的吸引電子能力,會使碳汞鍵極性增大;后者甲?；菑?qiáng)吸電基,而且在稀硫酸中,氧原子會發(fā)生質(zhì)子化,使碳汞鍵極性進(jìn)一步增大。因此,乙炔羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵更像一般金屬-碳鍵,在稀硫酸中容易水解。所以在炔烴羥汞化反應(yīng)中,汞離子是催化量的。為了便于比較,我們在乙炔羥汞化中間體的汞原子上螯合了一個乙酸根,量子化學(xué)計算結(jié)果見圖6。從圖6能夠明顯地看出,乙炔羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵正負(fù)電荷差別明顯大于乙烯羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵電荷差,鍵的極性也明顯比后者強(qiáng),即乙炔羥汞化產(chǎn)物中碳汞鍵容易直接水解變?yōu)樘細(xì)滏I。本文從有機(jī)化學(xué)基本概念、基本理論出發(fā),結(jié)合量子化學(xué)計算結(jié)果,對烯烴的羥汞化機(jī)理進(jìn)行了分析,得出該反應(yīng)的速控步是水分子親核進(jìn)攻汞鎓離子的一步,整個反應(yīng)屬親核加成。同時指出,烯烴羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵極性小,不能直接水解為碳?xì)滏I,故需要硼氫化鈉還原;而炔烴羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵極性較大,在反應(yīng)過程中可以直接水解轉(zhuǎn)化為碳?xì)滏I。

篇(5)

一努力培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容較為抽象、不易理解，因此學(xué)生普遍對該課程的學(xué)習(xí)興趣不高。為了盡可能克服這種現(xiàn)象，課堂教學(xué)中我們嘗試通過各種途徑培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，以切實(shí)提高課堂教學(xué)效果。

1介紹量子理論誕生的歷史，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的重要性[5-6]

結(jié)構(gòu)化學(xué)有著漫長的發(fā)展史，其發(fā)展歷程的每一階段幾乎都有一些傳奇的故事和有獲得諾貝爾獎的成就作為支撐。因此，課堂教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)叵驅(qū)W生介紹量子理論誕生及被人們所接受過程的傳奇故事，會使學(xué)生深刻認(rèn)識到相關(guān)知識的重要性，提高其學(xué)習(xí)興趣。同時，向?qū)W生介紹這些知識得出的背景和過程，前人分析問題、解決問題的思路和方法，激發(fā)并保持學(xué)生的興奮思維，讓學(xué)生從前人的成功中學(xué)會理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)會觀察、思考以及分析和歸納的能力，從而對結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

2將理論與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的廣泛應(yīng)用[7]

教師在授課過程中可針對不同專業(yè)的學(xué)生，加強(qiáng)授課內(nèi)容與學(xué)生畢業(yè)后工作及后續(xù)學(xué)習(xí)的聯(lián)系。針對師范院?；瘜W(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中有許多問題，都可以用結(jié)構(gòu)化學(xué)的原理、概念來加以解釋。其中，元素周期律、原子結(jié)構(gòu)、原子、離子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)的描述，核外電子排布的規(guī)律等都可以運(yùn)用結(jié)構(gòu)化學(xué)中原子結(jié)構(gòu)的原理進(jìn)行深入的理解和解釋。簡單分子的成鍵情況、分子的空間幾何構(gòu)型判斷、分子的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系等則可運(yùn)用結(jié)構(gòu)化學(xué)中分子結(jié)構(gòu)的知識進(jìn)行深入的解釋。C60分子篩等晶體的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)的知識也都可以得到解釋和說明。這些都說明結(jié)構(gòu)化學(xué)與中學(xué)化學(xué)是緊密相關(guān)、相互滲透的。教師可在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中充分聯(lián)系中學(xué)化學(xué)教學(xué)的實(shí)際，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性和興趣，提高他們應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)知識解決中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生對結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

3將學(xué)科前沿的研究動態(tài)和熱點(diǎn)融入課程教學(xué)，讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)的最新發(fā)展動態(tài)和取得的成果[8]

教學(xué)中，我們會根據(jù)學(xué)科進(jìn)展，適時更新一些前沿內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容上增加一些教材中沒有的學(xué)科前沿研究動態(tài)和熱點(diǎn)。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異，加快了科學(xué)知識的積累和科學(xué)概念的更新，所以基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容也需不斷的更新和發(fā)展。教學(xué)中不但要“少而精”，還要“少而新”，不但要“常教常精”，還要“常教常新”，這就要求教師及時了解發(fā)展動態(tài)，不斷補(bǔ)充新知識。選擇新分子、新材料、新理論充實(shí)和更新教材內(nèi)容，如簡介球烯化合物、納米材料、高溫超導(dǎo)體、掃描隧道顯微鏡，展示晶體材料在現(xiàn)代科技中的重要應(yīng)用，向?qū)W生作“結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展與動向”、“新型材料及應(yīng)用前景”等專題介紹，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)的新進(jìn)展。實(shí)踐證明，通過課堂知識與當(dāng)前科研的前沿和實(shí)際相結(jié)合的講授方式，使學(xué)生在學(xué)到基礎(chǔ)知識的同時，又能了解所學(xué)知識與科研實(shí)踐的聯(lián)系，使學(xué)生覺得學(xué)有所用，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和從事科研工作的熱情。

二充分利用計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)

為了讓學(xué)生能帶著問題有針對性地學(xué)習(xí)，我們要求學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。我們利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺把結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)課件、教學(xué)大綱、練習(xí)題及解答、結(jié)構(gòu)化學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)講義等各種信息上傳到結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)網(wǎng)頁上，讓學(xué)生充分了解課程安排、課程要求等課程信息，有意識地給學(xué)生留一些與上課內(nèi)容有關(guān)的問題或知識點(diǎn)，鼓勵學(xué)生應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)去主動獲取知識，形成自己的認(rèn)識和體會，提前做到有效預(yù)習(xí)，這增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和空間。課后還要求進(jìn)行知識的復(fù)習(xí)鞏固，遇到疑難問題，還可在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行在線答疑，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。這為課堂教學(xué)質(zhì)量的提高提供了有效的保證。

三改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，創(chuàng)設(shè)民主、開放的課堂環(huán)境和氛圍[7]

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，課堂教學(xué)以教師為中心，知識傳播靠教師灌輸?shù)奶卣魇置黠@。長此以往，造成課堂氣氛沉悶、壓抑，學(xué)生思想不易集中。為確立學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，我們本著以學(xué)生為本的思想，創(chuàng)設(shè)民主、開放的課堂環(huán)境和氛圍，把學(xué)習(xí)的主動權(quán)還給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生適當(dāng)參與課堂教學(xué)，教學(xué)互動、教學(xué)相長。在整個教學(xué)過程中，我們以積極的心態(tài)和情緒，豐富形象的語言，因勢利導(dǎo)，不斷啟迪，使學(xué)生思維活躍、積極響應(yīng)，課堂教學(xué)始終充滿活力。學(xué)生也通過愉快的交流達(dá)到掌握知識的目的。

四采用框架結(jié)構(gòu)教學(xué)法，強(qiáng)化重難點(diǎn)，弱化復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的推演[8]

每門學(xué)科都有自己的知識框架，它是學(xué)科的精髓。教師在課堂上的講授不能只見樹木，不見森林。如果拘泥于細(xì)節(jié)講得太多太細(xì)，在有限的時間內(nèi)很難完成規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，也不利于激發(fā)學(xué)生的求知欲。我們在課堂講授中，著重闡述分析知識結(jié)構(gòu)框架及知識點(diǎn)之間的聯(lián)系、關(guān)鍵內(nèi)容及重要結(jié)論等，中間的演算、一般性的論述和遺留問題可以由學(xué)生課后通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺自己解決，實(shí)在無法回避的數(shù)學(xué)公式，力爭用簡化的模型來描述，使其易于理解、掌握。我們進(jìn)入課堂就向?qū)W生直接交底，這次課打算解決什么問題，問題是怎樣提出的；打算采用哪些方法、沿什么思路解決這些問題，問題解決后又如何具體應(yīng)用。在引導(dǎo)學(xué)生理清思路后再選擇重點(diǎn)或難點(diǎn)等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)講授，達(dá)到舉一反三的目的。將那些屬于拓展提高、疑難問題辨析討論、進(jìn)一步應(yīng)用細(xì)節(jié)等內(nèi)容調(diào)整為給學(xué)生提問題，引導(dǎo)學(xué)生通過思考、查閱資料的方式來完成。這樣的教學(xué)過程不僅使學(xué)生接受知識，而且對教師分析問題和解決問題的思路和方法產(chǎn)生興趣，得到有效啟迪，自然也就獲得了探索知識的主動權(quán)，最終轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新能力和課堂效率。

五適當(dāng)運(yùn)用多媒體技術(shù)和量子化學(xué)計算軟件輔助教學(xué)[8-10]

傳統(tǒng)的以“教師+黑板+粉筆”的教學(xué)模式有時學(xué)生感到枯燥無味，且難以理解原理與結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中我們利用Flash、3D MAX、ChemOfice、PPT等軟件制作了分子結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)圖片和三維立體變化模型，模擬原子、分子等的結(jié)構(gòu)和變化機(jī)理，使抽象的三維空間變得直觀化，以生動、形象、清晰的畫面向?qū)W生展示出分子結(jié)構(gòu)模型等，通過幻燈片放映還可以使學(xué)生在最短的時間獲得大量知識，提高教學(xué)效率。借助于計算機(jī)技術(shù)，學(xué)生將能“走進(jìn)”原子、分子和晶體內(nèi)部，探索微觀世界的奧妙，從而顯著改進(jìn)教學(xué)效果，這也是結(jié)構(gòu)化學(xué)多媒體教學(xué)的魅力。多媒體教學(xué)廣泛采用分子軟件制作立體感強(qiáng)、可實(shí)時操作的動態(tài)模型，解決實(shí)物模型種類有限、數(shù)量不足的困難，為學(xué)生提供動手機(jī)會；尤其是把Gaussian03程序[11]精確的計算能力與Gaussview的顯示能力運(yùn)用于課堂教學(xué)，讓學(xué)生直觀形象地了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)問題處理方法，從而加深對教材內(nèi)容的理解，為學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)提供一種有用的工具。原子軌道、分子軌道、電子云等圖形采用量子化學(xué)程序計算繪制，不僅使抽象概念具體化，而且將結(jié)構(gòu)化學(xué)中豐富多彩的結(jié)構(gòu)美、形態(tài)美、理論美，用多媒體功能表現(xiàn)出來，使化學(xué)教學(xué)同時成為美感教育過程，活躍氣氛，提高學(xué)習(xí)興趣，糾正對化學(xué)的片面認(rèn)識，使學(xué)生更加熱愛化學(xué)，從而提倡科學(xué)與人文、藝術(shù)的結(jié)合，以利素質(zhì)教育，最終改進(jìn)課堂教學(xué)效果。

總之，我們在結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂教學(xué)中努力培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，盡可能做到化繁入簡、化簡于無形，合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段和量子化學(xué)計算軟件的強(qiáng)大功能，使學(xué)生忘卻其難，感受其美，喜歡結(jié)構(gòu)化學(xué)，從而學(xué)好結(jié)構(gòu)化學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]潘道皚，趙成大，鄭載興，等.物質(zhì)結(jié)構(gòu)(第2版) [M] .北京:高等教育出版社，1989.

[2]麥松威，周公度，李偉基.高等無機(jī)結(jié)構(gòu)化學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社，2001.

[3]周公度，段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)(第4版) [M].北京:北京大學(xué)出版社，2008.

[4]王軍.結(jié)構(gòu)化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[5]王東田，張錢麗，錢惠.培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的實(shí)踐研究[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué))，2011，27(1): 49-50.

[6]宋美榮.培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵[J].科技信息，2011(9):108.

[7]李桂花.提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂教學(xué)效果的實(shí)踐與思考[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，10(1)：111-115.

[8]許瑩.材料專業(yè)研究生結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2011，11(3): 97-99.

[9]魏榮敏.提高結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)效果的探索與實(shí)踐[J].廣西輕工業(yè)，2011(5):136-137.

篇(6)

系里設(shè)立了應(yīng)用化工專業(yè)和化工分析與檢驗(yàn)專業(yè)（高職?？疲瑢ｉT培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能的化工操作人才，其中，應(yīng)用化工專業(yè)是培養(yǎng)化工總控工的，就業(yè)崗位包括化工工藝操作、化工工程操作，化工設(shè)備操作、維護(hù)，化工儀表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工產(chǎn)品的包裝與銷售等。

專業(yè)的課程設(shè)置

由完成工作所需要的能力，確定以下學(xué)習(xí)領(lǐng)域：1、物理化學(xué)的知識體系一般公認(rèn)的物理化學(xué)的研究內(nèi)容大致可以概括為三個方面:化學(xué)體系的宏觀平衡性質(zhì)以熱力學(xué)的三個基本定律為理論基礎(chǔ)，研究宏觀化學(xué)體系在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡物理化學(xué)性質(zhì)及其規(guī)律性。在這一情況下，時間不是一個變量。屬于這方面的內(nèi)容有化學(xué)熱力學(xué),溶液、膠體和表面化學(xué)?；瘜W(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以量子理論為理論基礎(chǔ)，研究原子和分子的結(jié)構(gòu)，物體的體相中原子和分子的空間結(jié)構(gòu)、表面相的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)與物性的規(guī)律性。屬于這方面的內(nèi)容有結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)?；瘜W(xué)體系的動態(tài)性質(zhì)研究由于化學(xué)或物理因素的擾動而引起體系中發(fā)生的化學(xué)變化過程的速率和變化機(jī)理。在這一情況下，時間是重要的變量。屬于這方面的內(nèi)容有化學(xué)動力學(xué)、催化、光化學(xué)和電化學(xué)。物理化學(xué)的主要理論支柱是熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)和量子力學(xué)三大部分。熱力學(xué)和量子力學(xué)分別適用于宏觀和微觀系統(tǒng)，統(tǒng)計力學(xué)則為二者的橋梁。原則上用統(tǒng)計力學(xué)方法能通過個另分子、原子的微觀數(shù)據(jù)來推斷或計算物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象。物理化學(xué)由化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)三大部分組成。2、應(yīng)用化工專業(yè)所需內(nèi)容的選擇對照操作崗位的知識和能力需要，本著實(shí)用、夠用，適當(dāng)拓展的原則，選取化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)兩大部分，主要內(nèi)容有物質(zhì)PVT性質(zhì)、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、熱力學(xué)在多組分體系和相平衡體系中的應(yīng)用、化學(xué)平衡、化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)、膠體、粗分散系和表面化學(xué)。根據(jù)課程內(nèi)容及深度，決定選用高職高?；瘜W(xué)教材編寫組編寫的《物理化學(xué)》（第三版，化學(xué)工業(yè)出版社）為基本教材，以傅獻(xiàn)彩主編《物理化學(xué)》（第五版，高等教育出版社）為主要參考資料。3、物理化學(xué)課程定位學(xué)習(xí)物理化學(xué)需要大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)的基礎(chǔ)知識，同時，物理化學(xué)又為學(xué)習(xí)化工設(shè)備基礎(chǔ)、化工熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、煤化工工藝學(xué)等課程打下基礎(chǔ)。因此，《物理化學(xué)》課程是應(yīng)用化工專業(yè)的重要專業(yè)課，是其他主要專業(yè)課的基礎(chǔ)。

基于工作過程的教學(xué)方法

確定了內(nèi)容，就需要對知識按照工藝崗位的實(shí)際情況，進(jìn)行解構(gòu)和重構(gòu)，即以工作過程為載體，以工作任務(wù)為情境，構(gòu)建認(rèn)知系統(tǒng)。通過綜合分析周邊化工企業(yè)生產(chǎn)工藝，歸納典型崗位，決定選取新能鳳凰甲醇的生產(chǎn)工藝為載體，對物理化學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。新能鳳凰甲醇的生產(chǎn)采用的是德士古技術(shù)工藝，主要工段有空氣分離制取液氧，制取水煤漿，水煤漿燃燒氣化，甲醇合成與精制，各工段對應(yīng)的知識如下表：（表略）通過完成任務(wù)，提高了學(xué)生掌握知識的目的性；在學(xué)生自主決策與計劃中，激發(fā)其主觀能動性，掌握解決問題的方法與步驟；通過任務(wù)實(shí)施，培養(yǎng)其動手實(shí)踐能力；通過教師的檢查與評價，讓學(xué)生體驗(yàn)成功的愉悅，激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率和效果。

篇(7)

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子計算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各學(xué)科的每一個領(lǐng)域之中，各學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展對計算機(jī)的依賴程度越來越高，化學(xué)工程學(xué)科也不例外。目前，計算機(jī)已經(jīng)深入應(yīng)用到化工模擬、計算化學(xué)和化工制圖等化學(xué)工程學(xué)科的各個層面之中，對化學(xué)工程的發(fā)展起著巨大的促進(jìn)推動作用。化學(xué)工作者應(yīng)該抓住機(jī)遇，在新時期努力學(xué)習(xí)計算機(jī)知識、熟練掌握運(yùn)用計算機(jī)，將其應(yīng)用到化工設(shè)計、化學(xué)本文由收集整理計算中去，使化工學(xué)科能夠更快地發(fā)展。

化學(xué)工程作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，長期以來是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，是一門理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科。隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，化學(xué)工程的研究中又增加了計算與計算機(jī)模擬的方法，它已經(jīng)逐漸成為化學(xué)工程中最富有生命力的研究方法。隨著電子計算機(jī)在化學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的化學(xué)工程學(xué)科已逐漸成為一門集實(shí)驗(yàn)、計算、理論于一體的綜合性學(xué)科。

從20世紀(jì)50年代開始，科研工作者就利用計算機(jī)解算化工過程的數(shù)學(xué)模型，使研究方法出現(xiàn)了一個革新。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，化工過程模擬已經(jīng)成為普遍采用的常規(guī)手段，被廣泛應(yīng)用于化工過程的研究、開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化、操作培訓(xùn)和技術(shù)改造之中。

一、流程模擬

化工過程流程模擬或流程模擬是根據(jù)化工過程的數(shù)據(jù)，諸如物料的壓力、溫度、流量、組成和有關(guān)的工藝操作條件、工藝規(guī)定、產(chǎn)品規(guī)格以及一定的設(shè)備參數(shù)，如蒸餾塔的板數(shù)、進(jìn)料位置等，采用適當(dāng)?shù)哪M軟件，將一個有許多個單元過程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模擬描述，用計算機(jī)模擬實(shí)際生產(chǎn)過程，并在計算機(jī)上通過改變各種有效條件得到所需要的結(jié)果，其中包括最受關(guān)心的原材料消耗、公用工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)。

流程模擬就是在計算機(jī)上“再現(xiàn)”實(shí)際生產(chǎn)過程，由于這一“再現(xiàn)”過程不涉及實(shí)際裝置的任何管線、設(shè)備以及能源的變動，因此給化工模擬人員最大的自由度，可以在計算機(jī)上任意進(jìn)行不同方案和工藝條件的探討、分析。流程模擬式計算機(jī)技術(shù)是化工方面的最重要應(yīng)用之一。應(yīng)用流程模擬系統(tǒng)不僅可以節(jié)省時間，也可節(jié)省大量資金和操作費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低消耗。流程模擬系統(tǒng)還可以對經(jīng)濟(jì)效益、過程優(yōu)化、環(huán)境評價進(jìn)行全面地分析和精確評估，并可以對化工過程的規(guī)劃、研究和開發(fā)及技術(shù)可靠性做出分析，并快速準(zhǔn)確地對多種流程方案進(jìn)行分析和對比。

二、單元模擬

化工工業(yè)處理的過程是以質(zhì)量、動量和能量的連續(xù)流動為特征，傳統(tǒng)手段對這一過程的處理很大程度上是依靠經(jīng)驗(yàn)以及一些宏觀參數(shù)表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式?，F(xiàn)代流程模擬技術(shù)中，絕大部分單元過程仍被處理為“黑箱”模型，對流動、傳質(zhì)、熱、反應(yīng)比較敏感的單元過程的設(shè)計、放大，需要了解有關(guān)質(zhì)量、動量、能量流更多微觀和深入的信息，單元模擬技術(shù)就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。

在單元模擬過程中，單元內(nèi)部的介質(zhì)基本是多組分或多相的，傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)過程相互耦合。單元模擬技術(shù)通過離散方法求解這一耦合體系，以獲得空間和時間的速度分布、溫度分布、壓力分布、濃度分布、相分?jǐn)?shù)分布等。單元模擬技術(shù)可以提供傳統(tǒng)手段難以獲得的大量信息，如單元過程內(nèi)部所有參數(shù)的空間分布和動態(tài)變化，通過這些信息可以深入理解單元過程內(nèi)部的機(jī)理，在發(fā)生異常時亦有助于分析原因。因此，它是一種低成本的調(diào)優(yōu)手段，當(dāng)結(jié)構(gòu)形式或結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后，單元過程內(nèi)部隨工藝參數(shù)和操作參數(shù)而變化的過程，可以在計算機(jī)上很方便地進(jìn)行試驗(yàn)，直接用于優(yōu)化和改造手段，而且單元模擬的計算不是經(jīng)驗(yàn)性的，比較可靠，目前單元模擬主要用于化工生產(chǎn)的工程放大、優(yōu)化設(shè)計、診斷及擴(kuò)能改造、生產(chǎn)調(diào)優(yōu)及控制四個方面。

三、反應(yīng)動力學(xué)模擬

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)是一門研究各種因素對反應(yīng)速率的影響規(guī)律和反應(yīng)機(jī)理的科學(xué)，在根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對反應(yīng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上建立了化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程，它們對反應(yīng)器的設(shè)計、最優(yōu)化條件的選擇都是必不可少的理論基礎(chǔ)。

目前所采用的物理化學(xué)教材對一系列對峙、平行、連

續(xù)等復(fù)雜反應(yīng)的動力學(xué)方程僅給出分離變量法或消元法等單一的數(shù)學(xué)處理方法，這種方法對于非常簡單的復(fù)雜反應(yīng)可以求出解析解，但大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，由于從反應(yīng)機(jī)理得到的微分方程組，非常不便求解，因此借助電子計算機(jī)用數(shù)值解法，可以方便地求解從反應(yīng)機(jī)理得到的微分方程組。

計算機(jī)模擬在復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的計算中有著廣泛的應(yīng)用，通過計算機(jī)模擬計算得到的結(jié)果可以預(yù)知反應(yīng)過程中各反應(yīng)物質(zhì)濃度的變化，通過對連續(xù)反應(yīng)最佳時間的計算可以控制反應(yīng)時間以得到所需要的物質(zhì)的最大濃度，通過計算平行反應(yīng)和對峙放熱反應(yīng)最佳溫度，可以控制反應(yīng)溫度，優(yōu)化反應(yīng)條件，使生成產(chǎn)物的速率達(dá)到最大值，這些計算機(jī)模擬計算的數(shù)值可以為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中工藝條件的控制以及反應(yīng)器的設(shè)計提供重要的參考數(shù)據(jù)。

四、分子模擬

從分子水平來研究化工過程及產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，無疑是21 世紀(jì)化學(xué)工程的一個重要方向，計算機(jī)模擬研究已漸成為與實(shí)驗(yàn)研究及理論研究相平衡的認(rèn)識自然規(guī)律的第三種重要方法。化工熱力學(xué)數(shù)據(jù)對于化學(xué)工業(yè)過程的設(shè)計、操作以及優(yōu)化具有重要的作用。熱力學(xué)數(shù)據(jù)一般通過三個途徑取得：即實(shí)驗(yàn)測定、理論總結(jié)及計算機(jī)分子模擬。通過計算機(jī)分子模擬，可以較為嚴(yán)格地從流體的微觀相互作用出發(fā)，預(yù)測流體的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)。特別是在一些極端的條件（如高溫、高壓、劇毒）下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是很困難的，計算機(jī)模擬則較易實(shí)現(xiàn)，并且比較經(jīng)濟(jì)。采用計算機(jī)分子模擬方法，可以得到相當(dāng)可靠的熱力學(xué)體系的徑向分布函數(shù)、宏觀熱力學(xué)性質(zhì)以及輸運(yùn)性質(zhì)，這為我們建立與改進(jìn)各種描述實(shí)際現(xiàn)象的理論或模型提供可靠的依據(jù)。

化學(xué)是一門基礎(chǔ)性學(xué)科，是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科，隨著計算機(jī)技術(shù)在化學(xué)學(xué)科中的廣泛應(yīng)用，逐漸形成了應(yīng)用計算機(jī)研究化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)變化的獨(dú)立學(xué)科，它以計算機(jī)為技術(shù)手段，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)方面的數(shù)值計算，這就是計算化學(xué)。

計算化學(xué)是理論化學(xué)的重要分支，是利用電子計算機(jī)、通過數(shù)值計算解決化學(xué)問題的一門方法學(xué)。計算化學(xué)是一門新興的、多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，它運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)與計算機(jī)程序設(shè)計的方法，進(jìn)行化學(xué)方面的理論計算、實(shí)驗(yàn)設(shè)計、數(shù)據(jù)與信息處理、分類、分析和預(yù)測。隨著化學(xué)儀器對自動化要求越來越高，許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程用人工進(jìn)行控制相當(dāng)困難，需要可靠的控制技術(shù)系統(tǒng)，因此計算機(jī)計算模擬技術(shù)從根本上改變了化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

計算化學(xué)以數(shù)值計算為基礎(chǔ)，用高級語言及其編程技術(shù)，解決化學(xué)中的數(shù)值計算問題，它將數(shù)學(xué)的計算方法通過計算機(jī)程序具體地應(yīng)用于化學(xué)過程中，通常用來研究化學(xué)中一些常用的、共同的、較為常見的計算方法，是化學(xué)計算的核心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)插、函數(shù)擬合、線性方程組求解、高階方程組求解、解微分方程組、求本征值與本征向量等，它們均與化學(xué)中量子化學(xué)、分析化學(xué)、化學(xué)平衡、化學(xué)動力學(xué)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等密切相關(guān)。現(xiàn)代計算化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)⒏鞣N化學(xué)性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系定量地聯(lián)系起來，化學(xué)因此正從實(shí)驗(yàn)科學(xué)邁向?qū)嶒?yàn)、計算、理論相結(jié)合的綜合性學(xué)科，化學(xué)已經(jīng)由多實(shí)驗(yàn)少計算，演變?yōu)橄葘?shí)驗(yàn)再計算，也必將逐步演變?yōu)橄扔嬎阍賹?shí)驗(yàn)。

目前計算化學(xué)在無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)中都有廣泛地運(yùn)用，具體來說，計算化學(xué)要完成的任務(wù)主要有量子結(jié)構(gòu)計算、分子從頭計算、半經(jīng)驗(yàn)計算和分子力學(xué)計算等量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)范疇，以及物理化學(xué)參數(shù)計算，包括反應(yīng)焓、偶極距、振動頻率、光譜熵、反應(yīng)自由能、反應(yīng)速率等理論計算，這些屬于化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)及統(tǒng)計熱力學(xué)范疇。在計算化學(xué)中，數(shù)值計算是最根本的任務(wù)，其目的是將已知參數(shù)通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)計算得到一個預(yù)期的結(jié)果，這個結(jié)果可以和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，也可以和前人的研究成果相比較，最終得出結(jié)論，用來指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。

化學(xué)工程設(shè)計具體的任務(wù)涉及物料衡算、能量衡算、廠區(qū)布置圖繪制、車間布置圖繪制、設(shè)備裝備圖繪制、管道布置圖繪制、帶控制點(diǎn)工藝流程圖繪制、設(shè)備選型及強(qiáng)度校核計算等許多工作，如此眾多繁雜的工作，如能引入計算機(jī)輔助，將大大減輕化工設(shè)計工作的強(qiáng)度。

過去那種利用普通紙筆繪制化工圖樣、利用計算尺和計算器進(jìn)行的各種計算將被計算機(jī)軟件應(yīng)用所取代。計算機(jī)輔助設(shè)計制圖和普通制圖相比不僅具有繪制精確、圖面整潔等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有隨意修改、重復(fù)利用、按需打印等普通手工繪制無法具備的特點(diǎn)，利用計算機(jī)輔助設(shè)計

進(jìn)行化工工程圖繪制已經(jīng)是21世紀(jì)的基本趨勢。