量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐與應(yīng)用

摘" 要：量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中占據(jù)重要地位，不僅能加深學(xué)生對(duì)化學(xué)基本原理的理解，也能提高他們的計(jì)算和分析能力，還能促進(jìn)創(chuàng)新思維和科研能力的培養(yǎng)。文章通過探討量子化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算方法、計(jì)算軟件及其在教學(xué)中的具體實(shí)踐，包括基本原理講解、軟件使用演示、計(jì)算作業(yè)布置與教學(xué)效果評(píng)估，展示了量子化學(xué)計(jì)算在化工教育中的應(yīng)用與重要性。研究發(fā)現(xiàn)，通過引入量子化學(xué)計(jì)算，學(xué)生能夠更好地理解藥物分子設(shè)計(jì)、催化過程、材料性質(zhì)預(yù)測以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等領(lǐng)域中的復(fù)雜問題。量子化學(xué)計(jì)算教學(xué)的有效實(shí)施，不僅豐富了化工專業(yè)課程內(nèi)容，也為學(xué)生提供了解決實(shí)際化工問題的新工具，為他們將來的學(xué)術(shù)或工業(yè)職業(yè)生涯奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：量子化學(xué)計(jì)算;化工專業(yè)教學(xué);基礎(chǔ)知識(shí)

中圖分類號(hào)：G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1673-7164（2024）32-0079-04

隨著科技的不斷發(fā)展，量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。量子化學(xué)計(jì)算是一種利用量子力學(xué)原理和方法來研究化學(xué)問題的計(jì)算技術(shù)，可以對(duì)化學(xué)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行精確的預(yù)測和描述。在化工專業(yè)教學(xué)中，引入量子化學(xué)計(jì)算可以幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)過程的本質(zhì)，提高他們解決問題的能力，并為將來的研究和實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中的重要性分析

量子化學(xué)計(jì)算作為一種重要的計(jì)算方法，可以幫助學(xué)生深入理解化學(xué)的基本原理和量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。通過學(xué)習(xí)量子化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)，如量子力學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算方法和軟件，學(xué)生可以更加深入地理解化學(xué)現(xiàn)象和反應(yīng)機(jī)制的本質(zhì)。量子化學(xué)計(jì)算可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算能力和分析問題的能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)和實(shí)踐量子化學(xué)計(jì)算，能夠使用相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算和分析數(shù)據(jù)，提高解決化工問題的能力，還可以促進(jìn)創(chuàng)新思維和科學(xué)研究能力。學(xué)生可以通過量子化學(xué)計(jì)算方法對(duì)化工問題進(jìn)行模擬和預(yù)測，從而提出創(chuàng)新的解決方案，并進(jìn)行科學(xué)研究。[1]此外，其還可幫助學(xué)生了解和掌握現(xiàn)代化工領(lǐng)域的最新技術(shù)和研究方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，量子化學(xué)計(jì)算在化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，學(xué)生通過學(xué)習(xí)和實(shí)踐量子化學(xué)計(jì)算，為將來的工作和研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、量子化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)

（一）量子力學(xué)基礎(chǔ)

量子力學(xué)是描述微觀粒子如電子、原子及分子行為的基礎(chǔ)理論，揭示了物質(zhì)的量子性質(zhì)，與經(jīng)典物理學(xué)在本質(zhì)上有很大的不同。在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)由波函數(shù)描述，波函數(shù)的絕對(duì)值的平方給出粒子在某位置被發(fā)現(xiàn)的概率密度。著名的薛定諤方程是量子力學(xué)的核心，它是一個(gè)線性偏微分方程，描述了波函數(shù)隨時(shí)間的變化。與此同時(shí)，海森堡不確定性原理表明位置和動(dòng)量不能同時(shí)具有確定的值，這是量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)截然不同的另一個(gè)特點(diǎn)。量子糾纏和量子疊加等現(xiàn)象，也是量子力學(xué)獨(dú)有的非經(jīng)典特性。量子力學(xué)的這些基本概念和原理為量子化學(xué)提供了理論基礎(chǔ)，使得科學(xué)家可以從原子和分子層面理解和預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)。這些理論的應(yīng)用范圍廣泛，包括化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算、材料性能的模擬以及藥物設(shè)計(jì)的優(yōu)化等。在量子化學(xué)計(jì)算中，通常需要使用一些專門的軟件和方法來求解薛定諤方程。輸入分子結(jié)構(gòu)、原子種類和它們之間的相互作用等信息，計(jì)算出分子的電子結(jié)構(gòu)、能量、振動(dòng)頻率等性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果對(duì)理解分子行為、預(yù)測化學(xué)反應(yīng)以及優(yōu)化材料性能等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

（二）量子化學(xué)計(jì)算方法

量子化學(xué)計(jì)算方法的目的是運(yùn)用量子力學(xué)的原理來計(jì)算分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這些計(jì)算方法可以分為非經(jīng)驗(yàn)方法和半經(jīng)驗(yàn)方法。非經(jīng)驗(yàn)方法，如波函數(shù)方法的哈特里-?？耍℉F）理論和后哈特里-?？朔椒ǎ约盎陔娮用芏鹊拿芏确汉碚摚―FT），直接從量子力學(xué)的基本方程出發(fā)，不依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。HF理論通過構(gòu)建分子軌道來近似描述電子的行為，但忽略了電子間的關(guān)聯(lián)。后哈特里-福克方法，如從屬波函數(shù)理論（MP2）、組態(tài)相互作用（CI）、耦合簇（CC）等，考慮了電子關(guān)聯(lián)，提供了更為精確的結(jié)果。DFT則通過電子密度來計(jì)算物質(zhì)性質(zhì)，因其在計(jì)算效率和結(jié)果精確度之間的優(yōu)良平衡而廣泛應(yīng)用。半經(jīng)驗(yàn)方法依賴于某些實(shí)驗(yàn)參數(shù)來簡化計(jì)算，適用于大分子系統(tǒng)的快速模擬。

（三）量子化學(xué)計(jì)算軟件

量子化學(xué)計(jì)算軟件是應(yīng)用量子力學(xué)原理和計(jì)算方法進(jìn)行分子建模和性質(zhì)預(yù)測的工具。市面上的量子化學(xué)軟件眾多，包括通用型軟件和專業(yè)化軟件。通用型軟件如Gaussian、GAMESS、NWChem、ORCA、MO LPRO等，提供多種量子化學(xué)計(jì)算方法，如HF、DFT、CI、CC等，能夠處理從簡單分子到相對(duì)復(fù)雜體系的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。這些軟件通常具有友好的用戶界面，強(qiáng)大的功能以及靈活的計(jì)算選項(xiàng)，能夠幫助研究人員進(jìn)行從基礎(chǔ)研究到材料設(shè)計(jì)等不同領(lǐng)域的計(jì)算任務(wù)。專業(yè)化軟件，如CPMD、VASP等則更多地應(yīng)用于固體物理領(lǐng)域，它們擅長于處理周期性邊界條件的計(jì)算問題。[2]除此之外，近年來一些基于Web的量子化學(xué)計(jì)算平臺(tái)也逐漸興起，它們通過云計(jì)算為廣大研究者提供計(jì)算服務(wù)，降低了研究者的硬件門檻。

三、量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐

（一）講解量子化學(xué)計(jì)算的基本原理

在化工專業(yè)教學(xué)中，量子化學(xué)計(jì)算的基本原理是幫助學(xué)生理解分子水平上化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。講解通常從量子力學(xué)的基礎(chǔ)概念入手，如波函數(shù)、算符、能量本征值問題等。波函數(shù)是量子化學(xué)中最為核心的概念，它提供了一個(gè)概率框架來描述電子的行為和分子的性質(zhì)。通過薛定諤方程，可以獲得描述分子系統(tǒng)的波函數(shù)和相應(yīng)的能量。哈特里-?？死碚?、密度泛函理論等方法，都是嘗試解決這一方程，以預(yù)測電子結(jié)構(gòu)和分子性質(zhì)。這些理論的深入講解和實(shí)例分析能夠讓學(xué)生掌握量子化學(xué)計(jì)算的理論基礎(chǔ)。教師講解中也會(huì)結(jié)合化工實(shí)際，比如解釋催化劑如何影響反應(yīng)路徑，或是藥物分子如何與目標(biāo)蛋白相互作用，有助于學(xué)生將抽象的量子化學(xué)概念與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，更好地理解量子化學(xué)計(jì)算在化工領(lǐng)域的重要性。

（二）演示量子化學(xué)計(jì)算軟件的使用

在化工專業(yè)教學(xué)中可以選擇某個(gè)流行的量子化學(xué)軟件，如Gaussian或ORCA，從基本的輸入文件編寫講起，解釋如何為特定的化學(xué)問題設(shè)置合適的計(jì)算類型和參數(shù)。接著，可以展示軟件界面的操作，以及如何提交計(jì)算任務(wù)到計(jì)算服務(wù)器或本地計(jì)算機(jī)。計(jì)算完成后，應(yīng)該教授學(xué)生如何解讀輸出文件，提取關(guān)鍵的化學(xué)信息。通過可視化工具演示分子軌道、電子密度分布等，能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)分子電子結(jié)構(gòu)的直觀理解。

（三）布置量子化學(xué)計(jì)算作業(yè)

將量子化學(xué)計(jì)算的作業(yè)融入課程是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。通常要求學(xué)生運(yùn)用他們所學(xué)的理論知識(shí)和計(jì)算工具來解決具體的化學(xué)問題。作業(yè)的設(shè)計(jì)包括多個(gè)層面，如讓學(xué)生使用量子化學(xué)軟件進(jìn)行分子的幾何優(yōu)化，模擬化學(xué)反應(yīng)的過程，計(jì)算分子的電子性質(zhì)或振動(dòng)頻率等。這些作業(yè)不僅需要學(xué)生理解量子化學(xué)中的基本原理，如波函數(shù)的意義、薛定諤方程、哈特里-福克方法和密度泛函理論等，還需要他們熟悉計(jì)算軟件的操作，比如如何編寫輸入文件、選擇合適的計(jì)算方法和基組，以及如何解讀計(jì)算結(jié)果。通過解讀輸出文件，學(xué)生應(yīng)能夠提取出各種化學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)，并將其與化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。此外，學(xué)生還應(yīng)學(xué)會(huì)如何使用可視化工具來觀察分子的三維結(jié)構(gòu)、電子密度分布和分子軌道等，進(jìn)而能夠直觀地理解分子內(nèi)部的電子分布和化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。

（四）評(píng)估量子化學(xué)計(jì)算教學(xué)的效果

評(píng)估包括對(duì)學(xué)生在理論知識(shí)掌握、軟件操作技能、問題解決能力以及實(shí)際應(yīng)用等方面的全面考查。為了有效評(píng)估，教師可以采取多種方法，包括定期的理論考試、計(jì)算實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)目作業(yè)的提交以及口頭答辯等。在理論考試中，可以通過問題解答的形式檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)量子化學(xué)基本原理的理解程度，如波函數(shù)的物理意義、薛定諤方程的重要性、哈特里-福克方法和密度泛函理論的基本概念等。計(jì)算實(shí)驗(yàn)報(bào)告則要求學(xué)生展示他們使用量子化學(xué)軟件求解具體問題的能力，包括對(duì)計(jì)算流程的記錄、結(jié)果的分析和結(jié)論的提煉。項(xiàng)目作業(yè)則更加注重學(xué)生將量子化學(xué)計(jì)算與實(shí)際化工問題相結(jié)合的能力，評(píng)估他們是否能獨(dú)立完成從問題提出到解決方案的整個(gè)過程。最后，口頭答辯主要考查學(xué)生對(duì)項(xiàng)目工作的理解程度，并能夠清晰表達(dá)自己的計(jì)算過程和結(jié)果意義的環(huán)節(jié)。[3]這些評(píng)估手段結(jié)合使用，可以全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，讓教師及時(shí)了解教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生的掌握情況，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

四、量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)中的應(yīng)用

（一）藥物分子的設(shè)計(jì)

在化工領(lǐng)域，特別是藥物分子設(shè)計(jì)中，量子化學(xué)計(jì)算使得研究人員能夠在分子層面上精確地預(yù)測和分析藥物分子的性質(zhì)，從而指導(dǎo)合理的藥物設(shè)計(jì)。通過量子化學(xué)計(jì)算，科學(xué)家可以對(duì)藥物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算其電子性質(zhì)，預(yù)測反應(yīng)活性位點(diǎn)，以及模擬藥物與其靶點(diǎn)蛋白的相互作用。這一過程通常開始于藥物分子的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過求解薛定諤方程獲得最低能量構(gòu)型，這可以通過哈特里-?？朔椒?、密度泛函理論等量子化學(xué)方法完成。分子軌道理論可以幫助理解電子分布和藥物分子的化學(xué)活性，而前線軌道理論則可以用來評(píng)估分子間的相互作用及其反應(yīng)傾向性。[4]量子化學(xué)計(jì)算還能夠模擬分子在不同環(huán)境下的行為，比如pH值的變化、溶劑效應(yīng)等，這些都是藥物設(shè)計(jì)中不可忽視的因素。

（二）催化過程的研究

催化劑在化學(xué)反應(yīng)中的作用至關(guān)重要，能夠降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)進(jìn)程，提高產(chǎn)率。量子化學(xué)計(jì)算使得研究人員能在原子和分子水平上深入理解催化劑的作用機(jī)制和催化反應(yīng)的本質(zhì)。通過計(jì)算反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)以及產(chǎn)物的電子結(jié)構(gòu)和能量，可以揭示反應(yīng)路徑和潛在的能量障礙，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更為高效的催化劑。這些計(jì)算通常涉及密度泛函理論（DFT）或從頭算方法，能夠提供反應(yīng)活化能、反應(yīng)物和產(chǎn)物的穩(wěn)定性等關(guān)鍵信息。量子化學(xué)計(jì)算還能夠模擬催化劑表面的吸附和解吸過程，為理解表面反應(yīng)提供動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)。在催化劑設(shè)計(jì)中，計(jì)算化學(xué)可以幫助預(yù)測不同催化劑對(duì)特定反應(yīng)的催化活性，借此優(yōu)化催化劑的結(jié)構(gòu)和組成，甚至在實(shí)驗(yàn)尚未進(jìn)行之前，預(yù)測未知催化劑的性能。量子化學(xué)計(jì)算還是研究催化劑如何通過電子轉(zhuǎn)移或形成中間穩(wěn)定態(tài)來影響反應(yīng)路徑中的重要一環(huán)。在教育中，通過量子化學(xué)計(jì)算提供的直觀模型和理論數(shù)據(jù)，學(xué)生可以更好地理解催化過程的微觀機(jī)制，加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

（三）材料的性質(zhì)預(yù)測

量子化學(xué)計(jì)算在材料性質(zhì)預(yù)測方面的應(yīng)用正成為化工專業(yè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)創(chuàng)新工具。這類計(jì)算能夠在原子和分子層面上提供對(duì)材料性質(zhì)的深入洞察，使科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)前預(yù)測和設(shè)計(jì)具有特定特性的新材料。通過密度泛函理論（DFT）、分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬等量子化學(xué)方法，研究者可以計(jì)算出材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)穩(wěn)定性以及機(jī)械性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。特別是在納米材料、半導(dǎo)體、高分子復(fù)合材料等新型材料的研發(fā)過程中，量子化學(xué)計(jì)算是優(yōu)化材料屬性和功能的重要手段。這些計(jì)算不僅能預(yù)測材料在不同環(huán)境條件下的行為，如溫度、壓力和化學(xué)環(huán)境的影響，還能模擬材料在電場、磁場等外部場作用下的響應(yīng)。

此外，計(jì)算化學(xué)在揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，通過計(jì)算可以理解材料的導(dǎo)電性如何受到摻雜水平或晶體缺陷的影響，以及如何通過改變分子排列和結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性。[5]在化工教育中，量子化學(xué)計(jì)算的引入使得學(xué)生能夠在理論和實(shí)際應(yīng)用之間架起橋梁，通過預(yù)測材料的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，學(xué)生能夠更好地理解材料科學(xué)的基本原理，并在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用理論知識(shí)。

（四）反應(yīng)機(jī)理的探討

通過應(yīng)用量子力學(xué)原理，尤其是運(yùn)用密度泛函理論（DFT）和從頭算（ab initio）方法，研究者可以在分子水平上詳細(xì)預(yù)測和分析化學(xué)反應(yīng)的步驟，揭示反應(yīng)路徑、過渡態(tài)、中間體以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)。這些計(jì)算為理解復(fù)雜反應(yīng)機(jī)理提供了強(qiáng)有力的支持，有助于預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)物和設(shè)計(jì)高效催化劑。在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究中，量子化學(xué)計(jì)算能夠提供反應(yīng)的電子層面的細(xì)節(jié)，這是通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以獲得的信息。例如，計(jì)算可以揭示電子是如何在反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的，哪些原子或分子軌道參與了反應(yīng)，以及反應(yīng)中的鍵斷裂和鍵形成順序。通過計(jì)算反應(yīng)物、可能的過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的能量，研究人員可以構(gòu)建出完整的反應(yīng)能量剖面圖，這對(duì)于理解反應(yīng)速率和選擇性至關(guān)重要。此外，量子化學(xué)計(jì)算還能夠幫助科學(xué)家優(yōu)化反應(yīng)條件，如溫度和壓力，預(yù)測反應(yīng)在不同條件下的行為，從而在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。[6]在教學(xué)中，借助量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果，學(xué)生可以直觀地理解反應(yīng)機(jī)理，這對(duì)培養(yǎng)他們的分子思維和解決實(shí)際化工問題的能力具有重要作用。

五、結(jié)語

量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中具有重要性，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)量子化學(xué)計(jì)算在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)更多具有計(jì)算能力和應(yīng)用能力的化工專業(yè)人才。

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