毛維博，侯芹芹，張漩卓一

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

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Gaussian軟件在無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中的作用

毛維博，侯芹芹，張漩卓一

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容抽象，難于理解，是當(dāng)前無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中比較難于理解的內(nèi)容。而且隨著學(xué)生構(gòu)成成分的變化以及學(xué)習(xí)方式的變化傳統(tǒng)的教學(xué)形式已經(jīng)很難滿足當(dāng)前化學(xué)教學(xué)的客觀需求。本文對(duì)Gaussian軟件的基本功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，利用Gaussian軟件解決目前《無(wú)機(jī)化學(xué)》中結(jié)構(gòu)化學(xué)難于理解、抽象晦澀的客觀難題，將抽象的化學(xué)概念形象化，將微觀結(jié)構(gòu)宏觀化，將計(jì)算機(jī)引入到當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)科學(xué)的有效結(jié)合。

Gaussian 軟件；無(wú)機(jī)化學(xué)；教學(xué)

無(wú)機(jī)化學(xué)是研究無(wú)機(jī)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)[1]?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程的過(guò)程中應(yīng)該首先對(duì)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(kāi)篇就提到了量子力學(xué)，即：能量量子化、波粒二象性和統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。該部分內(nèi)容存在著微觀、非可視化、概率統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)，目前學(xué)生所學(xué)到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容相對(duì)比較枯燥和晦澀，缺乏對(duì)復(fù)雜物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深刻理解。為了把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化把抽象理論形象化，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入Gaussian計(jì)算軟件，將大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1 Gaussian軟件基本功能介紹

Gaussian軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)計(jì)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(jì)算功能且其計(jì)算結(jié)果以矩陣的形式輸出，因此該軟件要與相應(yīng)的圖形圖像軟件結(jié)合使用。主要功能有對(duì)分子結(jié)構(gòu)和能量、過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和電勢(shì)、紅外和拉曼光譜等的計(jì)算功能。Gauss View 是Gaussian的圖形用戶界面, 是設(shè)計(jì)與Gaussian配套使用的軟件, 主要用于觀察分子、設(shè)置和提交Gaussian 計(jì)算任務(wù)、顯示Gaussian 計(jì)算結(jié)果。因此, 在Gauss View的輔助下, Gaussian可應(yīng)用于化學(xué)、化工、生物化學(xué)、物理化學(xué)、環(huán)境工程等化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域[2]。

2 Gaussian軟件計(jì)算實(shí)例

2.1 簡(jiǎn)單分的構(gòu)型設(shè)計(jì)

應(yīng)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(chǔ)設(shè)定分子的基本構(gòu)型，作者以常見(jiàn)的甲烷分子為例進(jìn)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(guò)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(duì)于初學(xué)者而言，上述構(gòu)型能夠使量子力學(xué)中提到的微觀不可見(jiàn)的知識(shí)形象的呈現(xiàn)在學(xué)生的視野中，增加了學(xué)生的理解效果，增強(qiáng)了該部分內(nèi)容的可操作性[3]。

2.2 簡(jiǎn)單分子電子云的模擬

在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程最為重要的問(wèn)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(duì)電子云的概念和電子云運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律給出合理解釋。作者從頭算起以6-31G為基本算法，對(duì)甲烷分子進(jìn)行了量子化學(xué)計(jì)算，具體計(jì)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(xué)反應(yīng)過(guò)程中，總會(huì)伴隨著舊鍵斷裂和新鍵形成。在解釋物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的理論中目前主流的兩種理論為：碰撞理論和過(guò)渡態(tài)理論。其中過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)強(qiáng)調(diào)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中存在著舊鍵即將斷裂和新鍵即將形成的一種中間過(guò)程。同時(shí)該理論還認(rèn)為任意分子都存在著最低空軌道和最高占據(jù)軌道。通過(guò)計(jì)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(yuǎn)，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(méi)有受到能量激發(fā)。通過(guò)Gaussian軟件對(duì)上述兩種情況進(jìn)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(xué)生呈現(xiàn)出為什么當(dāng)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(yīng)的原因[4]。

2.3 通過(guò)模擬光譜分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)

在量子化學(xué)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(wú)機(jī)化學(xué)課程中有這樣一個(gè)概念：熱力學(xué)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。對(duì)于不同的物質(zhì)因?yàn)楦鞣N化學(xué)鍵的運(yùn)動(dòng)頻率存在區(qū)別所以可以通過(guò)這一特點(diǎn)來(lái)判斷位置物質(zhì)內(nèi)部的官能團(tuán)[5]。

但是在實(shí)際應(yīng)用中紅外光譜和拉曼光譜操作復(fù)雜技術(shù)要求較高，而且設(shè)備昂貴維護(hù)不便。因此，用計(jì)算機(jī)初步模擬來(lái)替代實(shí)驗(yàn)在節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，節(jié)省時(shí)間方面存在著很大的應(yīng)用前景，筆者以甲烷為例進(jìn)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(dòng)，1465～1340 cm-1為C-H彎曲振動(dòng)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(guò)對(duì)拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(dǎo)致分子旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)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(qiáng)度的光譜圖以推測(cè)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(gè)振動(dòng)峰符合該物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)。

3 結(jié) 論

在無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)部分教學(xué)中存在著理解難度大，抽象性強(qiáng)的特點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題作者提出了將Gaussian軟件引入無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)的建議，能解決物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)容教學(xué)中諸多的問(wèn)題。通過(guò)上述軟件的引入能夠在教學(xué)過(guò)程中給學(xué)生提供更為形象的教學(xué)內(nèi)容，另一方面也可以使學(xué)生將傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)與計(jì)算軟件結(jié)合，拓展學(xué)生知識(shí)面，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[1] 大連理工大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室. 無(wú)機(jī)化學(xué).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(jì)算機(jī)在化學(xué)探究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué), 2006(4):45-46

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

[4] 李善君,紀(jì)才圭,李橦,等.光分子光化學(xué)原理與應(yīng)用.2版[M].上海:復(fù)旦大學(xué)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(jī)化學(xué). 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