计算机辅助结构化学实验教学研究

苗体方

摘要： 本文介绍计算机及辅助软件在结构化学实验中的应用，有助于学生理解抽象的概念，激发学生学习的兴趣。

关键词： 结构化学实验化学软件

结构化学是高等师范院校化学专业的一门重要基础课程，其任务是使学生掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子及晶体结构的基本理论、基础知识，探索物质的结构与性能关系。它涉及面广，内容比较抽象，具有极强的理论性，要求学生具有较强的空间思维能力，学生学习起来会有一定的难度。

随着计算方法的发展及计算技术的进步，分子的许多微观信息能以三维图像的方式表现。一些功能强大的化学软件能在原子和分子的水平上获取分子的几何结构图形及相关的电子结构信息，若采用计算机辅助开设一些结构化学实验，一些抽象、难懂的概念就变得直观、易于理解，还能激发学生的学习兴趣，促进结构化学理论教学工作。

一、分子几何结构的优化

随着近代化学的发展，群论在化学上的应用越来越广泛。判断分子的对称性及分子的所属点群是学好群论的基础，但有些分子的对称性对于学生很难判断，要求学生具有较好的形象思维和空间想象力。如果借助分子的三维图形模型，学生就很容易判断分子对称性，同时也能获得分子的结构和化学性质的关系。

本实验以丙烯和苯分子为例，可以用Gaussian98软件，在B3LYP/6-31G*水平上，对丙烯和苯分子进行优化，获得丙烯和苯分子的最稳定几何结构。用GaussView软件显示分子的三维结构，见图1，学生可以清晰地看到丙烯和苯分子的图形。学生也可以控制鼠标，通过分子模型的旋转、缩放和平移，从不同角度观察分子的形状和结构，分子的对称性、分子的内部结构，很清晰地呈现在学生脑海里。

二、分子轨道图形

分子轨道理论是处理双原子分子及多原子分子结构的一种有效近似方法，是化学键理论的重要内容，其应用范围非常广泛。分子发生化学反应时，分子轨道的对称性影响着化学反应的难易程度及反应方向。因此确定分子轨道的组成，对了解分子的性质及反应历程具有十分重要的意义。但如何把这些抽象的概念变为直观、具体的图形，可以借助于化学软件显示分子轨道的三维结构。

本实验以丙烯分子为实验对象，首先，在B3LYP/6-31G*水平上，对丙烯分子进行优化，获得丙烯分子的最稳定几何结构，用GaussView软件显示丙烯分子的分子轨道图形，如图2为丙烯分子的前线分子轨道：最高占据轨道（HOMO）和和最低空轨道（LUMO），通过分子轨道图形，学生较容易判断出各个原子对分子轨道贡献的多少，贡献多的是s轨道、p轨道、还是d轨道。同时可以看出：HOMO轨道主要由成键的p轨道贡献，而LUMO主要由反键的p轨道贡献。这些结果有利于学生判断分子的性质及光激发下的分子激发性质。

三、原子静电荷

通过化学软件可以把分子中各原子的静电荷计算出来，以丙烯分子为例，各碳原子带负电荷，氢原子带正电荷，整个分子的静电荷为零。同时可以看出：虽然三个碳原子都带负电荷，但C=C上的碳原子带较少的负电荷，而甲基上的碳原子带较多的负电荷。这些结果有利于学生理解一些有机分子进行亲核取代反应或者加成反应的反应机理。

通过计算机辅助开设一些结构化学实验，学生初步学会系列Gaussian软件的使用方法，能够进行一些分子的初步计算，根据计算结果，更好地理解分子结构和性能的关系，加深对结构化学中一些理论的理解，有利于提高学生的分析问题、解决问题及科研创新能力。

参考文献：

[1]徐光宪，黎乐民.量子化学[M].科学出版社，1999.

[2]封继康.基础量子化学原理[M].高等教育出版社，1987.

淮北师范大学信息学院教研资助项目。