計算機輔助結構化學實驗教學研究

苗體方

摘要： 本文介紹計算機及輔助軟件在結構化學實驗中的應用，有助于學生理解抽象的概念，激發學生學習的興趣。

關鍵詞： 結構化學實驗化學軟件

結構化學是高等師范院校化學專業的一門重要基礎課程，其任務是使學生掌握微觀物質運動的基本規律，獲得原子、分子及晶體結構的基本理論、基礎知識，探索物質的結構與性能關系。它涉及面廣，內容比較抽象，具有極強的理論性，要求學生具有較強的空間思維能力，學生學習起來會有一定的難度。

隨著計算方法的發展及計算技術的進步，分子的許多微觀信息能以三維圖像的方式表現。一些功能強大的化學軟件能在原子和分子的水平上獲取分子的幾何結構圖形及相關的電子結構信息，若采用計算機輔助開設一些結構化學實驗，一些抽象、難懂的概念就變得直觀、易于理解，還能激發學生的學習興趣，促進結構化學理論教學工作。

一、分子幾何結構的優化

隨著近代化學的發展，群論在化學上的應用越來越廣泛。判斷分子的對稱性及分子的所屬點群是學好群論的基礎，但有些分子的對稱性對于學生很難判斷，要求學生具有較好的形象思維和空間想象力。如果借助分子的三維圖形模型，學生就很容易判斷分子對稱性，同時也能獲得分子的結構和化學性質的關系。

本實驗以丙烯和苯分子為例，可以用Gaussian98軟件，在B3LYP/6-31G*水平上，對丙烯和苯分子進行優化，獲得丙烯和苯分子的最穩定幾何結構。用GaussView軟件顯示分子的三維結構，見圖1，學生可以清晰地看到丙烯和苯分子的圖形。學生也可以控制鼠標，通過分子模型的旋轉、縮放和平移，從不同角度觀察分子的形狀和結構，分子的對稱性、分子的內部結構，很清晰地呈現在學生腦海里。

二、分子軌道圖形

分子軌道理論是處理雙原子分子及多原子分子結構的一種有效近似方法，是化學鍵理論的重要內容，其應用范圍非常廣泛。分子發生化學反應時，分子軌道的對稱性影響著化學反應的難易程度及反應方向。因此確定分子軌道的組成，對了解分子的性質及反應歷程具有十分重要的意義。但如何把這些抽象的概念變為直觀、具體的圖形，可以借助于化學軟件顯示分子軌道的三維結構。

本實驗以丙烯分子為實驗對象，首先，在B3LYP/6-31G*水平上，對丙烯分子進行優化，獲得丙烯分子的最穩定幾何結構，用GaussView軟件顯示丙烯分子的分子軌道圖形，如圖2為丙烯分子的前線分子軌道：最高占據軌道（HOMO）和和最低空軌道（LUMO），通過分子軌道圖形，學生較容易判斷出各個原子對分子軌道貢獻的多少，貢獻多的是s軌道、p軌道、還是d軌道。同時可以看出：HOMO軌道主要由成鍵的p軌道貢獻，而LUMO主要由反鍵的p軌道貢獻。這些結果有利于學生判斷分子的性質及光激發下的分子激發性質。

三、原子靜電荷

通過化學軟件可以把分子中各原子的靜電荷計算出來，以丙烯分子為例，各碳原子帶負電荷，氫原子帶正電荷，整個分子的靜電荷為零。同時可以看出：雖然三個碳原子都帶負電荷，但C=C上的碳原子帶較少的負電荷，而甲基上的碳原子帶較多的負電荷。這些結果有利于學生理解一些有機分子進行親核取代反應或者加成反應的反應機理。

通過計算機輔助開設一些結構化學實驗，學生初步學會系列Gaussian軟件的使用方法，能夠進行一些分子的初步計算，根據計算結果，更好地理解分子結構和性能的關系，加深對結構化學中一些理論的理解，有利于提高學生的分析問題、解決問題及科研創新能力。

參考文獻：

[1]徐光憲，黎樂民.量子化學[M].科學出版社，1999.

[2]封繼康.基礎量子化學原理[M].高等教育出版社，1987.

淮北師范大學信息學院教研資助項目。