電子結構計算在結構化學教學中的示范作用

李哲 黎永秀

摘 要： 本文結合實例分析，闡述量子化學計算軟件（高斯）在結構化學教學中的示范作用。在多媒體課堂教學中，演示分子軌道、電子密度、原子電荷、靜電勢等電子結構的量子化學計算，理論聯系實際，使課堂教學更有趣味性，對培養學生的學習興趣，強化教學效果具有積極的促進作用。

關鍵詞： 電子結構 結構化學教學 示范作用

結構化學是高等學校化學及相關專業的基礎課程之一，主要研究原子、分子、固體的微觀結構、運動規律及結構與性能間的關系[1]。結構化學是化學學科的理論基礎，在本科教育和專業技能培養中具有不可替代的重要作用。但是該課程的理論性較強，概念抽象，需要利用數學和物理工具解決問題，學生感覺難度較高，不易掌握。知識本身理論性過強，導致課堂教學枯燥無味，不利于引發學習興趣。為解決這一矛盾，筆者在教學實踐過程中，利用多媒體課堂教學的優勢，嘗試利用現代量子化學計算工具，演示分子軌道、電子密度、原子電荷、靜電勢等電子結構的理論計算。結果發現，該方法有利于激發學生的學習興趣，增強課堂教學的趣味性，對強化教學效果具有促進作用。同時，對培養學生理論聯系實際，利用書本知識，解決實際問題的能力具有典型的示范作用。

高斯（Gaussian）軟件是進行半經驗和從頭計算的專業量子化學計算工具，可以用來研究分子能量和結構、化學鍵及反應能量、分子軌道、原子電荷和靜電勢、振動頻率、熱力學性質、分子反應路徑和機理；可以模擬在氣相和溶液中的體系，模擬基態和激發態；還可以用于生物大分子的酶催化反應及對周期性邊界體系的計算。本文以一氧化碳（CO）分子為例，利用專業量子化學計算軟件——Gaussian 09[2]，探討如何發揮電子結構計算在結構化學課堂教學中的作用，使用密度泛函理論B3LYP方法結合6-31G*基組，對CO分子進行幾何結構優化和電子結構計算。利用三維圖形可視化，解釋分子軌道、電子密度、原子電荷等基本概念。

1.分子軌道

2.電子密度和原子電荷

3.靜電勢

空間某點的靜電勢是指從無窮遠處移動單位正電荷至該點時所做的功。靜電勢實質上根源于靜電的相互作用。在原子核與電子共同構成的分子體系中，核與電子共同決定了分子的靜電勢。在分子周圍，與核距離不等的空間各點處的靜電勢是不同的。如圖3所示，CO鍵軸上C端的靜電勢最負（-1.828e-2），有利于吸引正電荷；O端的靜電勢略顯負值，所以O的配位能力比C較差。此外，靜電勢的正值區域位于C和O原子之間，說明CO很難與帶正電荷的金屬離子形成π型配位鍵。

4.結語

分子的電子結構可以通過量子化學計算方便地獲得，計算結果通過軟件可視化，可以提供形象直觀的三維圖形。將電子結構計算適當引入結構化學課堂教學，可以幫助學生理解和掌握波函數、電子密度、原子電荷等基本概念，了解結構化學研究微觀分子結構的手段和方法。一方面有利于激發學生的學習興趣，調動自主學習的主動性，克服對結構化學的畏難情緒，另一方面有利于鍛煉空間想象力，培養學生理論聯系實際的科學意識，提高教學質量。

參考文獻：

[1]周公度，段連運編著.結構化學基礎（第4版）[M].北京：北京大學出版社，2009.

[2]Frisch，M.J.，et al.Gaussian 09 rev.D01；Gaussian，Inc.，Wallingford CT，2009.

基金項目：中南民族大學中央高校基本科研業務費專項資金項目資助（CZY13005）。