李潔瓊 ， 李 會 ， 韋秀華 ， 張永亞 ， 劉 猛

(1.商丘師范學院 化學化工學院 ， 河南 商丘 476000 ； 2.商丘師范學院 建筑工程學院 ， 河南 商丘 476000)

1 物理化學課程的教學現(xiàn)狀分析

物理化學是一門從物理現(xiàn)象和化學現(xiàn)象的聯(lián)系入手來探究化學變化的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律的學科。其研究內(nèi)容和研究對象決定了本學科具有理論性強、概念多、公式多且抽象復雜的特點。這些特點限制了教師在物理化學教學中采用多樣性的教學模式，只能通過傳統(tǒng)的教學手段(例如單純的板書或純理論講解)進行傳授。這種單一枯燥的教學方法不僅影響學生聽課的積極性和主動性，還影響教學效果和學習質(zhì)量，使學生很難真正理解和掌握課堂知識。對于底子薄弱的學生，教學過程的呆板會加劇學生失去聽課的興趣。久而久之，學生對于物理化學的學習熱情會急劇下降。

為了提高教師的教學質(zhì)量和學生的學習興趣，需要尋找新穎有效的教學方法，使抽象的問題具體化、形象化。計算化學也開始扮演著重要的角色[1]。計算化學可以通過相關可視化軟件把抽象的概念或理論知識具體、形象地展示出來。例如，模擬原子軌道中電子云的形狀、分子軌道中電子的排布和能級的高低、吸收和發(fā)射光譜的躍遷性質(zhì)及分子的靜電勢圖等。因此，將計算化學模擬融入到物理化學課堂中，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，而且可以加強學生對課堂知識的掌握，有效幫助學生理解復雜抽象的化學現(xiàn)象和原理[2]。下面結(jié)合具體的教學實例，介紹一下計算化學在物理化學教學中的應用。

2 提升教學質(zhì)量的計算化學應用實例

2.1 演示動態(tài)反應機理

過渡態(tài)理論是化學反應動力學中的一個重要基本理論。利用過渡態(tài)理論計算出的反應活化能可以有效判斷一個化學反應發(fā)生的現(xiàn)實性。但過渡態(tài)是一個極不穩(wěn)定的活化絡合物，在實驗上很難捕捉檢測到，因此，人們難以準確描述過渡態(tài)的分子結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有的物理化學教材中，也僅是通過一句簡單的“舊鍵還沒完全斷裂，新鍵還未完全建立”來描述活化絡合物的狀態(tài)。運用計算化學軟件，通過演示動態(tài)反應機理，把抽象繁雜的概念和機理轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)據(jù)和直觀的圖形展示出來，可以有效緩解學生對于物理化學的畏難情緒，從而提高學習的主動性和積極性。

例如，以化合物1→2的反應為例(化合物1和2的分子結(jié)構(gòu)見圖1)進行論證分析[3]。

圖1 化合物1→2的可能反應路徑

反應物1到產(chǎn)物2發(fā)生的是一個中間環(huán)中N原子上H的轉(zhuǎn)移過程。此過程可以通過H原子的直接轉(zhuǎn)移完成，也可以借助溶劑水分子進行H原子的交換來完成。采用Gaussian09軟件包分別對反應物1、產(chǎn)物2和可能的過渡態(tài)構(gòu)型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計算結(jié)果表明，H原子直接從中間環(huán)的左邊N原子上轉(zhuǎn)移到右邊N原子上需要克服一個很高的能壘，約248.71 kJ/mol(59.50 kcal/mol)(圖1a)。有文獻報道，當水分子作為橋梁協(xié)助質(zhì)子發(fā)生轉(zhuǎn)移，可以縮短質(zhì)子直接轉(zhuǎn)移到下一位點的距離，從而減小過渡態(tài)的張力，降低反應能壘[4]。對于該體系，受兩個N原子間距的約束，通過一個水分子協(xié)助H原子轉(zhuǎn)移，鏈長會過短。另外，受空間位阻的限制，水分子的鏈長也不易過長，否則會破環(huán)水分子間的氫鍵網(wǎng)格。因此，水分子的個數(shù)n=0或n=3及以上的過渡態(tài)不再進行分析，最優(yōu)的水分子個數(shù)為2。從圖1b可以看出，n=2對應的反應過程為左邊N原子上的H逐漸接近，其中一個水分子(標為H2O(1))的O原子，同時H2O(1)上連接的H原子慢慢靠近另一個水分子(標為H2O(2))的O原子，且H2O(2)上的H原子再逐漸進攻右邊的目標N原子，從而形成了一個中間過渡態(tài)。整個轉(zhuǎn)移過程需要克服的能壘為93.632 kJ/mol(22.40 kcal/mol)，明顯優(yōu)于H原子的直接轉(zhuǎn)移。

上述實例的講述可以讓學生直觀感受到反應的變化過程，分析如何根據(jù)反應能壘來預測最佳的反應機理，同時，可以激發(fā)學生探究過渡態(tài)理論的興趣。此探究性的教學方式不僅有利于學生掌握教學內(nèi)容、增強學習效果，而且有利于教師突破教學重點、解決教學難點。

2.2 展示固體表面結(jié)構(gòu)

在表面物理化學章節(jié)中有講到固體表面的特點，其性質(zhì)特點取決于固體表面的微觀結(jié)構(gòu)，因此清楚認識物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有利于理解和掌握本知識點。雖然教材中有給出一張固體表面的構(gòu)型圖，但其是二維的平面結(jié)構(gòu)，這對于幾何立體感差的學生來說是很難想象出來對應的三維立體構(gòu)型。因此，學生在學習固體的表面特點時，只能通過憑空想象和死記硬背去掌握知識內(nèi)容。很難達到學習應有的效果。利用計算化學軟件可以有效直觀地展示出固體的三維模型，從而幫助學生對固體表面特點的理解。 例如，在教師可以利用VMD軟件向?qū)W生演示二氧化鈦-水溶液界面(圖2)的動態(tài)優(yōu)化軌跡。可以看到，在整個優(yōu)化過程中固體二氧化鈦的Ti原子和O原子間的相對位置基本保持不變，但溶液中的水分子會發(fā)生明顯的移動。這主要是因為二氧化鈦半導體中原子間形成的化學鍵(離子鍵和共價鍵)比較牢固，從而原子移動困難。而溶液中水分子間形成的是氫鍵網(wǎng)格，氫鍵的相互作用力弱于固體中的離子鍵和共價鍵。這種結(jié)合計算化學軟件的教學方法打破了傳統(tǒng)教學方式的單一性和沉悶性，給學生帶來了新鮮感，激發(fā)了學生的學習興趣。

圖2 二氧化鈦—水溶液界面模型

2.3 分析化學吸附與催化反應的關系

在氣-固相多相催化反應中，催化劑的催化活性與固體表面吸附物的強弱有著密切關系。一種高效的催化劑對反應物和產(chǎn)物的吸附能力須處于一個合適的狀態(tài)。例如，對反應物的吸附不能太弱，否則達不到活化的效果。但對產(chǎn)物的吸附不能太強，否則產(chǎn)物不易解吸，會毒化催化劑。另外，反應物在催化劑表面的吸附能力會影響催化反應的機理，進而生成不同的產(chǎn)物。單純的理論講述很難讓學生真正領會到化學吸附和催化反應之間的緊密關系。理論模擬可以定量地計算出吸附物的吸附能，并能準確地預測出催化機理。通過真實的數(shù)據(jù)可以把枯燥無味的理論知識轉(zhuǎn)化為具體的實例展現(xiàn)給學生，使學生更易理解和接受。

3 結(jié)論

理論性強、概念多且抽象是物理化學課程的顯著特點。在物理化學教學過程中融入計算化學的可視化軟件，不但適應教育創(chuàng)新性改革的發(fā)展方向，而且有助于提高學生學習的主動性和積極性。實踐表明，將計算化學軟件與物理化學教學相結(jié)合，可將冗雜的課程內(nèi)容明晰化、將抽象的概念原理具體化、將枯燥的推導過程生動化。這種創(chuàng)新性的教學模式在激發(fā)學生聽課興趣的同時，提高了教師的教學質(zhì)量。