毛維博，侯芹芹，張漩卓一

(西安建筑科技大學華清學院，陜西 西安 710043)

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Gaussian軟件在無機化學教學中的作用

毛維博，侯芹芹，張漩卓一

(西安建筑科技大學華清學院，陜西 西安 710043)

無機化學教學中物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容抽象，難于理解，是當前無機化學教學中比較難于理解的內(nèi)容。而且隨著學生構(gòu)成成分的變化以及學習方式的變化傳統(tǒng)的教學形式已經(jīng)很難滿足當前化學教學的客觀需求。本文對Gaussian軟件的基本功能進行了簡要介紹，利用Gaussian軟件解決目前《無機化學》中結(jié)構(gòu)化學難于理解、抽象晦澀的客觀難題，將抽象的化學概念形象化，將微觀結(jié)構(gòu)宏觀化，將計算機引入到當前教學過程中，實現(xiàn)計算機科學與化學科學的有效結(jié)合。

Gaussian 軟件；無機化學；教學

無機化學是研究無機物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學[1]?；瘜W及相關(guān)專業(yè)的學生在學習該門課程的過程中應該首先對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有比較清晰的理解，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)開篇就提到了量子力學，即：能量量子化、波粒二象性和統(tǒng)計學規(guī)律。該部分內(nèi)容存在著微觀、非可視化、概率統(tǒng)計的特點，目前學生所學到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容相對比較枯燥和晦澀，缺乏對復雜物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深刻理解。為了把復雜問題簡單化把抽象理論形象化，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學中引入Gaussian計算軟件，將大大提高學生的學習效率。

1 Gaussian軟件基本功能介紹

Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學計算軟件包, Gaussian 09是Gaussian系列電子結(jié)構(gòu)程序的最新版本。該軟件本身只有計算功能且其計算結(jié)果以矩陣的形式輸出，因此該軟件要與相應的圖形圖像軟件結(jié)合使用。主要功能有對分子結(jié)構(gòu)和能量、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學鍵和反應能量、分子軌道、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜等的計算功能。Gauss View 是Gaussian的圖形用戶界面, 是設計與Gaussian配套使用的軟件, 主要用于觀察分子、設置和提交Gaussian 計算任務、顯示Gaussian 計算結(jié)果。因此, 在Gauss View的輔助下, Gaussian可應用于化學、化工、生物化學、物理化學、環(huán)境工程等化學相關(guān)領域[2]。

2 Gaussian軟件計算實例

2.1 簡單分的構(gòu)型設計

應用Gauss View軟件中分子構(gòu)圖功能，以軟件自身提供的模型為基礎設定分子的基本構(gòu)型，作者以常見的甲烷分子為例進行了分子構(gòu)型繪制，如圖1所示。

圖1 甲烷分子的立體構(gòu)型

通過Gauss View軟件可以清晰的看出其中的碳原子，氫原子以及原子之間位置的相互關(guān)系，對于初學者而言，上述構(gòu)型能夠使量子力學中提到的微觀不可見的知識形象的呈現(xiàn)在學生的視野中，增加了學生的理解效果，增強了該部分內(nèi)容的可操作性[3]。

2.2 簡單分子電子云的模擬

在化學反應過程最為重要的問題就是電子得失，以及伴隨著電子得失而產(chǎn)生的舊鍵斷裂和新鍵形成。因此了解分子電子云的構(gòu)型有利于對電子云的概念和電子云運動的統(tǒng)計學規(guī)律給出合理解釋。作者從頭算起以6-31G為基本算法，對甲烷分子進行了量子化學計算，具體計算結(jié)果如圖2和圖3。

圖2 甲烷分子軌道電子云分布圖

圖3 甲烷分子HUMO軌道電子云分布圖

物質(zhì)在參與化學反應過程中，總會伴隨著舊鍵斷裂和新鍵形成。在解釋物質(zhì)發(fā)生化學反應的理論中目前主流的兩種理論為：碰撞理論和過渡態(tài)理論。其中過渡態(tài)理論認強調(diào)在化學反應過程中存在著舊鍵即將斷裂和新鍵即將形成的一種中間過程。同時該理論還認為任意分子都存在著最低空軌道和最高占據(jù)軌道。通過計算的方法可以形象的模擬出甲烷分子的最低空軌道和最高占據(jù)軌道的電子云分布的模擬圖。比較圖2和圖3明顯看出最高占據(jù)軌道的電子離核比較遠，最低空軌道的電子離核比較近，二者之間的最大區(qū)別在于有沒有受到能量激發(fā)。通過Gaussian軟件對上述兩種情況進行模擬的結(jié)果能清楚的呈現(xiàn)出這兩種情況的不同；也能更加直觀的為學生呈現(xiàn)出為什么當分子受到激發(fā)以后電子發(fā)生躍遷由最低空軌道躍遷至最高占據(jù)軌道而已于從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)而發(fā)生反應的原因[4]。

2.3 通過模擬光譜分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)

在量子化學中物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分作者主要關(guān)注了物質(zhì)的內(nèi)部組成與性質(zhì)之間的關(guān)系，無機化學課程中有這樣一個概念：熱力學能或者稱為內(nèi)能，這一概念明確指出分子及構(gòu)成分子的原子存在著平動、轉(zhuǎn)動和振動。對于不同的物質(zhì)因為各種化學鍵的運動頻率存在區(qū)別所以可以通過這一特點來判斷位置物質(zhì)內(nèi)部的官能團[5]。

但是在實際應用中紅外光譜和拉曼光譜操作復雜技術(shù)要求較高，而且設備昂貴維護不便。因此，用計算機初步模擬來替代實驗在節(jié)約實驗成本，節(jié)省時間方面存在著很大的應用前景，筆者以甲烷為例進行了甲烷吸收峰的模擬優(yōu)化結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 甲烷分子模擬紅外光譜

圖4中3000～2850 cm-1為C-H伸縮振動，1465～1340 cm-1為C-H彎曲振動模擬結(jié)果基本符合甲烷分子的結(jié)構(gòu)特征。

圖5 甲烷分子模擬拉曼光譜

通過對拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動轉(zhuǎn)動能級情況，從而可以鑒別物質(zhì)，分析物質(zhì)的性質(zhì)[6]。入射光導致分子旋轉(zhuǎn)和振動發(fā)生光散射，散射光的頻率因入射光和受作用的分子不同而異，分析該散射光的頻率和強度的光譜圖以推測某些生物大分子(如病毒、核酸、蛋白質(zhì)和糖類)在溶液中的行為的方法。圖5中出現(xiàn)的四個振動峰符合該物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)。

3 結(jié) 論

在無機化學物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分教學中存在著理解難度大，抽象性強的特點。針對上述問題作者提出了將Gaussian軟件引入無機化學教學的建議，能解決物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)容教學中諸多的問題。通過上述軟件的引入能夠在教學過程中給學生提供更為形象的教學內(nèi)容，另一方面也可以使學生將傳統(tǒng)的化學教學與計算軟件結(jié)合，拓展學生知識面，提升學生的學習興趣。

[1] 大連理工大學無機化學教研室. 無機化學.5版[M]. 北京:高等教育出版社，2006:300-306.

[2] 劉曉東,胡宗球,潘文慧. 計算機在化學探究性學習中的應用[J]. 化學教學, 2006(4):45-46

[3] 韓選利,張思敬,張鳳云. 大學化學[M]. 北京：高等教育出版社，2005:37-52.

[4] 李善君,紀才圭,李橦,等.光分子光化學原理與應用.2版[M].上海:復旦大學出版社，2003:52-64.

[5] Senthilkumaar S, Varadarajan P R, Porkodi K,et al. Adsorption of methylene blue onto jute fiber carbon: Kinetics and equilibrium studies[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005,284(1): 78-82.

[6] 曾昭瓊. 有機化學. 4版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004:83-94.

Function of Gaussian Software in Inorganic Chemistry Teaching Process

MAOWei-bo,HOUQin-qin,ZHANGXuan-zhuo-yi

(Huaqing College, Xi’an University of Architecture and Technology, Shaanxi Xi’an 710043, China)

In the teaching process of Inorganic Chemistry, the material structure content is difficult, which is the hardest part of the whole teaching process. At the time, there are various challenges in the education. Owing to the transformation of students and study methods, the traditional instructional mode is difficult to satisfy the requirement of teaching and learning. The basic function of Gaussian software carried out the brief introduction. The problems were solved by Gaussian, which was hard to understand, the abstract chemical concepts were visualized to make the structure macroscopic. The computer was used in the teaching process to realize the combination of the computer science and Inorganic Chemistry.

Gaussian software; Inorganic Chemistry; teaching

O611.2

A

1001-9677(2016)020-0187-02