電子結(jié)構(gòu)計(jì)算在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的示范作用

李哲 黎永秀

摘 要： 本文結(jié)合實(shí)例分析，闡述量子化學(xué)計(jì)算軟件（高斯）在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的示范作用。在多媒體課堂教學(xué)中，演示分子軌道、電子密度、原子電荷、靜電勢等電子結(jié)構(gòu)的量子化學(xué)計(jì)算，理論聯(lián)系實(shí)際，使課堂教學(xué)更有趣味性，對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化教學(xué)效果具有積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 電子結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué) 示范作用

結(jié)構(gòu)化學(xué)是高等學(xué)校化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，主要研究原子、分子、固體的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系[1]。結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，在本科教育和專業(yè)技能培養(yǎng)中具有不可替代的重要作用。但是該課程的理論性較強(qiáng)，概念抽象，需要利用數(shù)學(xué)和物理工具解決問題，學(xué)生感覺難度較高，不易掌握。知識(shí)本身理論性過強(qiáng)，導(dǎo)致課堂教學(xué)枯燥無味，不利于引發(fā)學(xué)習(xí)興趣。為解決這一矛盾，筆者在教學(xué)實(shí)踐過程中，利用多媒體課堂教學(xué)的優(yōu)勢，嘗試?yán)矛F(xiàn)代量子化學(xué)計(jì)算工具，演示分子軌道、電子密度、原子電荷、靜電勢等電子結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性，對強(qiáng)化教學(xué)效果具有促進(jìn)作用。同時(shí)，對培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，利用書本知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力具有典型的示范作用。

高斯（Gaussian）軟件是進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)和從頭計(jì)算的專業(yè)量子化學(xué)計(jì)算工具，可以用來研究分子能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵及反應(yīng)能量、分子軌道、原子電荷和靜電勢、振動(dòng)頻率、熱力學(xué)性質(zhì)、分子反應(yīng)路徑和機(jī)理；可以模擬在氣相和溶液中的體系，模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)；還可以用于生物大分子的酶催化反應(yīng)及對周期性邊界體系的計(jì)算。本文以一氧化碳（CO）分子為例，利用專業(yè)量子化學(xué)計(jì)算軟件——Gaussian 09[2]，探討如何發(fā)揮電子結(jié)構(gòu)計(jì)算在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂教學(xué)中的作用，使用密度泛函理論B3LYP方法結(jié)合6-31G*基組，對CO分子進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)計(jì)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(diǎn)的靜電勢是指從無窮遠(yuǎn)處移動(dòng)單位正電荷至該點(diǎn)時(shí)所做的功。靜電勢實(shí)質(zhì)上根源于靜電的相互作用。在原子核與電子共同構(gòu)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(diǎn)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(fù)（-1.828e-2），有利于吸引正電荷；O端的靜電勢略顯負(fù)值，所以O(shè)的配位能力比C較差。此外，靜電勢的正值區(qū)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(jié)語

分子的電子結(jié)構(gòu)可以通過量子化學(xué)計(jì)算方便地獲得，計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)計(jì)算適當(dāng)引入結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂教學(xué)，可以幫助學(xué)生理解和掌握波函數(shù)、電子密度、原子電荷等基本概念，了解結(jié)構(gòu)化學(xué)研究微觀分子結(jié)構(gòu)的手段和方法。一方面有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，克服對結(jié)構(gòu)化學(xué)的畏難情緒，另一方面有利于鍛煉空間想象力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)意識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]周公度，段連運(yùn)編著.結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第4版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

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

基金項(xiàng)目：中南民族大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助（CZY13005）。