案例教学法在研究生量子化学计算方法课程中的应用

在研究生课程量子化学计算方法中积极开展案例教学,以学生为中心进行教学改革与探索,提高了学生的学习兴趣,有利于研究生创新能力的培养。

高考中化学计算的常用方法与常考类型

化学计算是高考必考题型之一,分值大概占总分值的10%左右,其重要性不言而喻,它不仅考查学生对化学知识的理解,还考查他们的数学运算能力.面对化学计算题,学生会遇到各种挑战.笔者举例分析了化学计算的常用方法和常考类型.

LaCu_(2)O_(n)^(-/0)(n=4,5)团簇的负离子光电子能谱和量子化学计算:氧单元与LaCu_(2)O_(3)六元环的相互作用

本文采用负离子光电子能谱实验与理论计算相结合对-铜氧化物团簇LaCu_(2)O_(n-/0)(n=4,5)进行研究,测得LaCu_(2)O_(4)^(-)和LaCu_(2)O_(5)^(-)电子垂直脱附能的实验值分别为3.70和3.79eV.理论计算表明,LaCu_(2)O_(4),5-团簇的基态最稳定结构均以一个LaCu_(2)O_(3)六元环结构为主体,再由一个额外的氧原子或超氧单元与其中的镧原子结合.在LaCu_(2)O_(4)^(-)团簇中,外接的氧原子与LaCu_(2)O_(3)六元环结构之间主要呈现出共价相互作用.而在LaCu_(2)O_(5)^(-)团簇中,超氧单元与LaCu_(2)O_(3)六元环之间存在以诱导力为主导的弱相互作用.

应用量子化学计算研究As_(4)S_(4)与H^(+)、OH^(-)相互作用的复合物

目的 应用量子化学计算方法研究As_(4)S_(4)与H^(+)、OH^(-)相互作用的复合物,探讨雄黄在酸性、碱性介质中可能存在的砷形态。方法 首先采用GaussianView软件设计As_(4)S_(4)异构体与H^(+)、OH^(-)相互作用形成的复合物;接着采用Gaussian 09软件,在HF/STO-3G、B3LYP/6-31G^(*)、B3LYP/6-311+G^(*)理论水平下,对可能形成的[As_(4)S_(4)-H]^(+)复合物进行几何优化和热力学计算;对可能形成的[As_(4)S_(4)-OH]^(-)复合物,则在HF/STO-3G、B3LYP/6-31+G^(*)、B3LYP/6-311+G^(*)理论水平上进行几何优化和热力学计算。然后分别在B3LYP/6-31G^(*)和B3LYP/6-31+G^(*)水平下对[As_(4)S_(4)-H]^(+)和[As_(4)S_(4)-OH]^(-)复合物进行自然键轨道分析。结果 雄黄的两种稳定的As_(4)S_(4)异构体与H^(+)、OH^(-)均可以形成1∶1比例的复合物,所形成的21种复合物均具有热力学稳定性。前线轨道能级和键级分析表明,[As_(4)S_(4)-H]+和[As_(4)S_(4)-OH]^(-)复合物的热力学稳定性较差。结论 雄黄在酸性介质和碱性介质中所形成的复合物可以作为短寿命的分子离子存在,这些分子离子可能是雄黄在酸性、碱性介质中的活性中间体。

4,4′-联吡啶桥联的钴配位聚合物的合成、表征及量子化学计算

本文通过溶剂热法以对甲基苯磺酸钠为主配体,4,4′-联吡啶为辅助配体制备了一种结构新颖的钴配位聚合物{[Co(4,4′-bipy)(H_(2)O)_(4)]·(p-CH_(3)C_(6)H_(4)SO_(3))_(2)}_(n)。通过红外光谱、X射线单晶衍射、热重分析、X射线粉末衍射等方法对钴配位聚合物进行了表征。结果表明,{[Co(4,4′-bipy)(H_(2)O)_(4)]·(p-CH_(3)C_(6)H_(4)SO_(3))_(2)}_(n)属于单斜晶系,P2_(1/c)空间群,晶胞参数为a=11.3191(14)Å,b=8.0626(11)Å,c=14.936(2)Å,α=90°,β=92.423(4)°,γ=90°,V=1361.9(3)Å^(3),Z=2。中心金属Co(Ⅱ)离子为六配位略有畸变的八面体构型,通过4,4′-联吡啶中的N原子桥联形成一维无限链状,层间通过配位水分子与对甲基苯磺酸之间的氢键作用进一步扩展成三维超分子结构。并运用Gaussian 09程序对钴配位聚合物中[Co(4,4′-bipy)_(2)(H_(2)O)_(4)]·(p-CH_(3)C_(6)H_(4)SO_(3))结构单元进行了量子化学计算,获得了优化构型。原子电荷分布及前沿占据轨道组成很好地佐证了晶体结构的配位环境。电化学阻抗测试结果证明该配位聚合物的电阻较小,导电性能良好,为其在电化学应用方面提供了一定的理论依据。

基于量子化学计算优化的氮掺杂碳量子点缓蚀剂制备及其缓蚀性能

[目的]氮掺杂碳量子点(N-CQDs)作为一种绿色高效的新型缓蚀剂,在腐蚀控制领域具有巨大的应用潜力。但由于其结构无法精确调控,很难对制备N-CQDs的众多前驱体进行筛选。[方法]依据密度泛函理论(DFT),通过Fukui指数计算各前驱体分子的优先反应活性位点,确定前驱体分子间一步脱水缩合反应产物的分子结构,并进行全局参量和局部参量的计算,分析了采用柠檬酸分别与乙二胺、尿素和氨基胍盐酸盐作为前驱体所合成的3种N-CQDs的缓蚀性能,再通过称重法对水热法合成的3种N-CQDs的缓蚀性能进行验证,优选出缓蚀性能最佳的缓蚀剂。采用紫外可见吸收光谱、荧光光谱和高分辨率场发射透射电镜表征优选缓蚀剂的荧光性能和表面形貌,并以电化学方法和表面分析方法研究此缓蚀剂对Q235碳钢在0.5 mol/L硫酸溶液中的缓蚀机理。[结果]以柠檬酸和氨基胍盐酸盐为前驱体制备的N-CQDs-3缓蚀性能最佳,且试验结果和理论计算结果一致。N-CQDs-3在紫外激发光下显示蓝绿光,平均粒径为(2.5±0.8)nm。该缓蚀剂是一种混合型缓蚀剂,主要通过物理和化学吸附同时抑制金属在酸溶液中腐蚀反应的发生,其对Q235碳钢在0.5 mol/L硫酸溶液中的缓蚀效率最高可达95.3%。[结论]通过量子化学计算方法对制备N-CQDs所用的前驱体进行筛选,提前预测其缓蚀性能,可提高试验效率。

量子化学计算在化工专业教学中的实践与应用

量子化学计算在化工专业教学中占据重要地位,不仅能加深学生对化学基本原理的理解,也能提高他们的计算和分析能力,还能促进创新思维和科研能力的培养。文章通过探讨量子化学计算的基础知识、计算方法、计算软件及其在教学中的具体实践,包括基本原理讲解、软件使用演示、计算作业布置与教学效果评估,展示了量子化学计算在化工教育中的应用与重要性。研究发现,通过引入量子化学计算,学生能够更好地理解药物分子设计、催化过程、材料性质预测以及化学反应机理等领域中的复杂问题。量子化学计算教学的有效实施,不仅丰富了化工专业课程内容,也为学生提供了解决实际化工问题的新工具,为他们将来的学术或工业职业生涯奠定了坚实基础。

例谈新高考化学计算题的解题突破

本文根据守恒关系、列关系式、特定表达式对近年新高考中出现的化学计算进行破解,并归类赏析,希望能够抛砖引玉,探寻解题突破的有效方法,从而提高复习的针对性和得分率.

例析中考化学计算题——以南京市中考化学真题为例

通过梳理近年来南京市中考化学真题中的典型计算,总结初中化学计算题的复习方向,助力课堂“教-学-评一体化”,提升学生学习效果。一、考查原子的构成和相对原子质量例题1(2022年南京卷)我国科学家研制出由碲制成的全新开关器件,在元素周期表中碲元素的某些信息如图1所示,下列有关碲的说法不正确的是()。

基于量子化学计算的正己烷热解反应动力学模拟

为研究正己烷(n-C_(6)H_(14))的常压热解特性,提出了正己烷热解(NHP)模型,该模型使用基于误差传播的直接关系图(DRGEP)简化方法和色散校正密度泛函理论的B2PLYP/def2-tzvp方法,得到了一个包含33种物种和134个基元反应的简化机理。利用该模型计算了n-C_(6)H_(14)在不同温度下主要热解产物乙烯(C_(2)H_(4))、丙烯(C3H6)和丁炔(C4H6)的相对摩尔分数,并对n-C_(6)H_(14)的热解过程进行了反应路径分析。利用同步辐射真空紫外光电离质谱法(SVUV-PIMS)结合射流搅拌反应器(JSR)在温度为673~1103K、压力为1atm条件下对n-C_(6)H_(14)进行了热解实验,并与NHP模型进行了对比分析。结果表明:n-C_(6)H_(14)热解过程中最主要的产物是C_(2)H_(4),促使C_(2)H_(4)生成较为重要的两个反应的指前因子分别为6.01×10^(13)s^(-1)和2.18×10^(13)s^(-1)。在673~1023K温度范围内,结合量子化学计算得到的NHP模型对n-C_(6)H_(14)主要热解产物的相对摩尔分数进行了预测,与JetSurF 2.0模型相比,C_(2)H_(4)和C4H6的最大误差分别减小了27.9%和47.9%。反应路径分析表明,C_(2)H_(4)主要来源于己基的一系列β位断裂。

量子化学计算方法在煤反应性研究中的应用

介绍了在煤反应性研究中常用的量子化学计算方法和计算原理 ,总结了量子化学计算方法在煤的两类重要的反应性研究中的应用 .这两类反应性是煤裂解过程中化学键和热力学量的变化以及反应动力学 ,煤在二氧化碳和甲烷作用下表面结构的变化机理和变化动力学 .通过对现有相关工作的研究探讨了量子化学计算在煤反应性研究中的特点和作用 ,发现为量子化学计算合理地建立和选择一个能够反映出被研究过程特点的初始模型 ,是量子化学计算方法在煤反应性研究中的需要解决的最关键问题 .

量子化学计算在煤的结构与反应性研究中的应用

概述了在煤的结构与反应性研究中常用的量子化学计算方法的特点和作用 ,总结了量子化学计算方法在煤的静态微观性质、裂解、液化和气化等研究中的应用 .通过对现有相关工作的研究发现 :量子化学计算方法作为一种研究手段已经能够满足煤结构与反应性研究的需要 ;合理地建立和选择能够反映被研究过程特点的煤结构模型是运用量子化学计算方法解决问题的关键 ;对煤反应性的研究仅从化学键的断裂入手 ,键的形成尚未涉及 ;煤的量子化学静态参量的研究尚待深化 .

苯并咪唑衍生物的合成、晶体结构及量子化学计算

合成了两种苯并咪唑衍生物 :2 苄基 -苯并咪唑 (1)和 1 苄基 2 苯基 -苯并咪唑 (2 ) .用元素分析、红外光谱和核磁共振氢谱对产物进行了表征 ,并且测定了它们的单晶结构 .化合物 1属正交晶系 ,空间群Pbca ,a =0 93 783 (6)nm ,b =0 9715 5 (6)nm ,c =2 49187(16)nm ,V =2 2 70 5 (2 )nm3 ,Dc=1 2 18g/cm3 ,Z =8,F(0 0 0 ) =880 ,μ =0 0 73mm-1,R =0 0 816,wR =0 1698,GOF =0 948.化合物 2属单斜晶系 ,空间群P2 1/c ,a =0 60 2 72 (12 )nm ,b =1 70 5 9(3 )nm ,c =1 5 2 5 7(3 )nm ,β =91 45 (3 )° ,V =1 5 682 (5 )nm3 ,Dc=1 2 0 4g/cm3 ,Z =4,F(0 0 0 ) =60 0 ,μ =0 0 71mm-1,R =0 0 73 0 ,wR =0 12 15 ,GOF =1 191.采用量子化学方法 ,在B3LYP/6 3 1G 水平上计算了标题化合物 1和 2的优化构型。

聚苯硫醚交联反应机理的量子化学计算研究

用量子化学从头计算方法，利用静态理论对聚苯硫醚（ＰＰＳ）的交联机理进行了研究，通过对ＰＰＳ分子模型和可能产生的自由基模型的量子化学计算，探讨了ＰＰＳ的热交联反应趋势和交联结构，证实了氧在交联中所起的重要作用。

芳香二磺酸根桥联的锌配位聚合物的合成、表征、晶体结构及量子化学计算

ZnO与1,5-萘二磺酸在水溶液中反应,再加入含咪唑的甲醇溶液合成得到新颖的锌配位聚合物{[Zn(C10H6O6S2)(C3H4N2)2(H2O)]·2H2O}n.通过元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱和热重分析等方法对配合物进行了表征.通过X射线单晶衍射测得其晶体结构.该配合物为三斜晶系,空间群为P1,晶体学参数:a=0.85313(19)nm,b=1.0253(2)nm,c=1.3357(3)nm,α=100.653(2)°,β=100.135(3)°,γ=108.859(2)°,V=1.0511(4)nm3,Dc=1.712g·cm-3,Mr=541.85,Z=2,F(000)=556,μ=1.425mm-1.Zn离子通过磺酸基团形成桥联配位,进而构筑了二维(2D)的配聚物.层间通过水分子的氢键作用构成了有序的三维(3D)超分子结构.并运用Gaussian03W对配合物结构单元进行了量子化学计算分析,原子电荷分布及前线占据分子轨道组成很好地佐证了晶体结构的配位环境.

单体对分子印迹聚合物分子识别能力的影响:量子化学计算与实验研究

采用密度泛函方法计算功能单体与印迹分子的结合能,以与目标分子结合能最大的单体分子来合成分子印迹聚合物.为此,以茶碱为印迹分子,氯仿为溶剂,首先计算了茶碱与甲基丙烯酸、丙烯酰胺和三氟甲基丙烯酸的结合能,其强度顺序为:三氟甲基丙烯酸>甲基丙烯酸>丙烯酰胺.然后以茶碱为印迹分子、氯仿为溶剂、二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂,分别采用上述3种单体合成分子印迹聚合物并测定了其分子识别能力,实验结果和量子化学计算结果具有一致性.最后,采用1H NMR考察了茶碱和上述3种单体之间的氢键作用,揭示出二者相互作用的内在机制.研究结果表明量子计算方法可以应用于合成分子印迹聚合物时单体的选择.

对甲苯磺酰胺基乙酰腙类化合物的生物活性及其量子化学计算

以对甲苯磺酰氯为原料,通过与氨基乙酸反应得到中间体对甲苯磺酰氨基乙酸,再经酯化、肼解得到对甲苯磺酰氨基乙酰肼,然后与相应的醛缩合得一系列对甲苯磺酰胺基乙酰腙类化合物.其结构经元素分析,IR,1HNMR和13CNMR确证.采用量子化学方法,在DFT-B3LYP/6-31G*水平上计算了标题化合物4a～4g的反应热、电荷分布和前线轨道能级.初步生物活性试验结果表明该系列部分化合物在不同浓度下对植物的生长调节表现出一定的规律性.

量子化学计算研究4种黄酮类天然抗氧化物清除自由基活性的构效关系

黄酮类化合物是一种具有广泛生物活性的多酚物质,其显著的抗氧化活性常被应用于食品保健和医疗等方面。为从化学反应活性层面研究黄酮类化合物的构效关系。以柚皮素、柚皮苷、橙皮素及橙皮苷4种黄酮类分子作为研究对象,使用量子化学密度泛函DFT方法 B3LYP和6-31g(d,p)基组计算得出4种分子的原子电荷分布情况、分子前线轨道分布(HOMO&LUMO)、能级差△E,以及各羟基位O-H键解离焓△BDE等理论参数,同时实测4种化合物对DPPH自由基的清除活性。结果表明,前线分子轨道能级差能有效的表征4种黄酮类清除自由能力的活性顺序,各羟基位O-H键解离焓BDE则能有效表征同一分子中各羟基位O-H的活性顺序,柚皮苷及其糖苷(柚皮素)与橙皮苷及其糖苷(橙皮素)抗氧化活性最大的位点分别为4’-OH、5’-OH基团。通过计算所得理论数据预测的黄酮类化合物清除自由基活性与实验测定结果一致,提示今后可利用理论计算方法对高活性的黄酮类化合物进行高通量筛选和分子结构设计。

油酸基咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能和量子化学计算

针对CO2腐蚀特点,以植物油酸A为原料分别与二乙烯三胺、三乙烯四胺及四乙烯五胺反应合成了三种咪唑啉中间体,再利用氯化苄将其季铵化制备了A,B,C3种缓蚀剂。采用失重法、电化学方法及扫描电镜(SEM)评价了3种缓蚀剂在饱和CO2的6%NaCl水溶液中对N80碳钢的缓蚀性能,并探讨其在N80碳钢表面的吸附行为。结果表明,缓蚀剂C缓蚀效果最优,当其加量为2.0×10-3 mol/L时,缓蚀率达到86.74%。3种缓蚀剂的吸附行为均服从Langmuir吸附等温式,属于以化学吸附为主的混合吸附。同时运用Gaussian 03W程序、密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-31G*方法对3种咪唑啉缓蚀剂进行结构优化,得到它们的稳定构型和量化参数。量子化学计算表明,3种分子都具有较强的反应活性,活性区域集中在咪唑环和亲水支链上,其中分子C的反应活性最强,其次是B和A。理论计算与试验结果相一致。

苯氧乙酸类浮选抑制剂性能的量子化学计算

运用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,取6 31G 基组,对苯氧乙酸类浮选抑制剂分子进行了量子化学计算。通过官能团羧基的键电荷密度及其比值ρ(O—H)/ρ(C—O)的计算,比较了各药剂分子离解成一价负离子的难易。根据各分子的前线轨道能量差ΔEHOMO LUMO和一价负离子的HOMO能级,对分子的反应活性、一价负离子与矿物表面不同金属离子作用的强弱进行了比较。从药剂与矿物表面作用前后的能量变化,比较了各药剂的一价负离子与不同矿物表面发生作用的稳定性,并通过对比矿物与捕收剂作用后的能量变化,证明苯氧乙酸类抑制剂对方解石的抑制作用是靠抑制剂在矿物表面强烈的化学吸附而形成的。