“三融合,四突出”教学路径探索——物理化学C课程教学创新

针对传统课堂的教学“痛点”问题,团队教师以课程思政为主导,以现代信息技术为媒介,优化教学目标,重构教学内容,重塑教学过程,强化互动辩论,完善考评机制,持续改进,探索出“三融合,四突出”的教学创新路径。全面解决课程“痛点”问题,全力打造“两性一度”金课,促进学生创新能力和综合素质的提升。

平衡时溶液的表面吸附（英文）

溶液的表面吸附仍是表面热力学当中的一个具有挑战性的问题.在本文中我们定义了一个新的热力学态函数,表面吸附的平衡条件是这个态函数的微分为零.基于这个条件,我们推导了描述平衡时表面吸附的新方程.在推导过程中没有采用假想分界面.新的表面吸附方程和Gibbs表面吸附方程完全不一样.还通过分子动力学方法模拟了氯化钠溶液,模拟结果和我们的理论预测符合较好.

大型线性方程组的迭代求解(英文)

将求解大型标准特征值问题的Davidson方法推广到求解大型线性方程组.推广后的方法既可以用于求解对称问题,又可以用于求解非对称问题.数值计算结果显示,该方法对这两类问题的求解分别优于共轭梯度方法和双共轭梯度方法.

稀溶液中化学势的计算以及渗透压公式的推导

将溶液中某组分化学势的计算方式归纳为两种:(1)利用气液平衡时,溶液中某组分的化学势和气相中该组分的化学势相等这一关系来计算;(2)利用溶液中某组分化学势的全微分表达式直接积分来计算。在此基础上,给出了渗透压公式的一种新推导方式,并指出部分物理化学教材关于渗透压定义(Π=p2-p1)的不合理性以及推导渗透压时存在的不妥之处。

量子化学中有限元法的并行计算

在有限元方法的框架下，将量子化学中的基组展开方法和普通有限元方法结合起来，提出了一个新方案。在曙光１０００并行机上，采用新方案，计算了Ｌｉ２、ＬｉＨ、ＢＨ分子的基态总能量。新方案在相同计算量下，可获得比普通有限元方法高得多的精度。

多参考态微扰理论大小一致性的数值研究(英文)

采用由H_2、He和LiH分别组成的三个超分子系列,从数值的角度研究了多参考态微扰理论和单双重激发的多参考态组态相互作用(MRSDCI)的大小一致性.首先在模型空间中进行一个小的完全组态相互作用计算,然后进行多参考态微扰计算.数值结果显示,对这三个模型体系,我们以前提出的多参考态二级微扰公式是完全大小一致的.和MRSDCI结果比较,我们也对它的计算精度进行了讨论.另外,还对两组多参考态微扰理论的二级和三级计算结果以及MRSDCI的计算结果的大小一致性误差进行了研究和比较.

柯诺洛夫规则与相图

以柯诺洛夫规则为例,引导学生去探索该规则背后蕴藏的物理图像,即气液相图。从理想溶液和稀溶液气液相图开始,进一步探讨和分析了非理想溶液气液相图中总蒸气压与气液相中A组分物质的量分数之间的定量关系。

亲电取代反应中活性位点预测方法的比较

预测发生亲电取代反应的活性位点具有重要的理论和实际意义.目前已提出了许多基于反应物自身电子结构的预测方法.本文选择14个单取代苯和8个双取代苯作为测试集,对14种预测方法的可靠性进行了详细的比较分析.结果表明,福井函数、平均局部离子化能等体现局部电子软度的方法特别适合含有邻对位定位基的单取代苯和双取代苯体系,但对于含有单个间位定位基的体系,这类方法往往预测失败.基于静电效应的预测方法整体表现明显不如体现局部软度的方法,但更适合含有单个间位定位基的体系.对所有体系预测能力最稳健的是双描述符,因此可以作为普适性的预测方法.

原子电荷计算方法的对比

原子电荷是对化学体系中电荷分布最简单、最直观的描述形式之一,在理论和实际应用中都有重要意义.本文介绍了12种重要的原子电荷计算方法的原理和特点,通过大量实例从不同角度比较了它们的优缺点.这些方法包括Mulliken、分子环境中的原子轨道(AOIM)、Hirshfeld、原子偶极矩校正的Hirshfeld布居(ADCH)、自然布居分析(NPA)、Merz-Kollmann(MK)、分子中的原子(AIM)、Merck分子力场94(MMFF94)、AM1-BCC、Gasteiger、电荷模型2(CM2)以及电荷均衡(QEq)方法.最后本文对如何在实际应用中选择合适的计算方法给出了建议.

电子定域化函数的含义与函数形式

电子定域化函数(ELF)是研究电子结构的重要工具.本文介绍了电子定域性的概念,从电子对密度和动能密度两个角度详细讨论了ELF的物理意义与其函数形式的联系,并将ELF推广到自旋极化形式.通过实例分析,指出了参考项在ELF中起到了关键性作用.对两种自旋极化形式的ELF的比较发现:CheckDen和TopMoD程序中使用的形式并不合理,明显低估了单电子区域的定域性.最后指出了一些文献由于对ELF函数的错误理解而在引用时出现的错误.

大型广义特征值问题的部分特征值和特征向量的块迭代求解

将求解标准特征值问题的Davidson方法推广到求解大型广义特征值问题,并给出了相应的块迭代算法.经过理论分析和数值计算发现,如果迭代过程不发散,则块迭代算法经过有限次迭代一定收敛.设矩阵的维数为n,要求的特征值和相应特征向量的个数为k,初始的子空间大小为r(r≥k),迭代次数为m,则它们之间满足关系n=r+km.通过调节子空间大小,就得到迭代次数m的正整数解.

多组分体系相图中的杠杆原理形式

讨论了两相和三相多组分体系中杠杆原理的两种形式。对两组分体系,利用三相线上的杠杆原理关系式和凝固点降低公式,解释了熔化物体系冷却过程中的步冷曲线。另外,还讨论了三组分体系相图中,同一直线段上三个物系点之间的类杠杆原理关系式。该关系式可以用于不同浓度溶液的配制和三相体系相图的绘制。

量子化学有限元方法中STO基组的应用

在有限元方法的框架下,将量子化学中的基组展开方法和普通有限元方法结合起来,提出了一个新方案,研究了影响Poisson方程和Hartree-Fock-Slater方程求解精度的各种因素,计算了H_2^+,H_2,LiH,Li_2,BH,N_2,CO等分子的基态总能量。和普通有限元方法的计算结果比较,新方法计算量少,而精度更高。

TiO_2基态和激发态的几何结构、激发能和偶极矩

采用二阶微扰理论MP2、密度泛函B3LYP方法和含时密度泛函TD-B3LYP方法分别优化了TiO2分子的基态1A1和六个激发态1B2、3B2、1B1、3B1、1A2和3A2的几何结构.1A1、1B2、3B2、1B1和3B1具有弯曲几何结构,1A2和3A2具有线性对称结构.我们发现激发态1B2、3B2、1B1和3B1键偶极矩的数值大小顺序和相应的键角大小顺序完全一致.另外,采用完全活化空间自洽场(CASSCF)CASSCF(6,6)、CASSCF(8,8)、多参考组态相互作用(MRCI)和含时密度泛函TD-B3LYP计算了TiO2分子各激发态的垂直激发能和绝热激发能.对1B2、3B2和1B1三个态,MRCI/CASSCF(6,6)计算的垂直激发能和绝热激发能与已有的实验值最接近.对其他三个激发态3B1、1A2和3A2,计算的激发能和文献报道的激发能计算值基本一致.最后,还计算了TiO2分子的基态和激发态的偶极矩.对1A1和1B2态,偶极矩的计算值与已有的实验值相吻合.采用原子偶极矩校正的Hirshfeld布居方法计算了TiO2分子在1A1、1B2、3B2、1B1和3B1态时各原子的电荷,发现从基态到激发态偶极矩的变化与电荷从氧原子向钛原子的转移有关.整个计算中还考察了基函数cc-pVDZ、cc-pVTZ和cc-pVQZ对计算结果的影响.

极性分子键角与键偶极矩的关系

研究了基态极性分子的键角和键偶极矩之间的关系。我们采用原子偶极矩校正的Hirshfeld(ADCH)电荷来计算键偶极矩,利用电子的局域函数和键临界点处的局域函数值来分析键的电子结构。通过对IVA族(IVA=C,Si,Ge)、VA族(VA=N,P,As)、VIA族(VIA=O,S,Se)和VIIA族(VIIA=F,Cl,Br)元素形成的系列共价型基态分子,以及环状基态分子的键角和键偶极矩数据进行分析,发现在键的电子结构类似的情况下,由于键偶极矩的排斥作用,这些分子的键角随键偶极矩的增加而增大。这一发现有助于加深我们对分子几何结构的认识。

两种哈密顿量划分的单参考态微扰展开式的大小一致性研究

利用一个含N个氢分子的超分子模型,从解析的角度仔细地分析了相应于两种哈密顿量划分方式的单参考态微扰展开式前四级能量的大小一致性.对于Epstein-Nesbet划分,微扰展开式是大小一致的.而对于另一种划分(Chen,F;Davidson,E.R.;Iwata,S.Int.J.Quantum Chem.,2002,86:256,见公式(24)的讨论),其展开式大小不一致.但将它的分母作泰勒展开,经过重新整理,将那些大小不一致的项消去后,得到的新微扰展开式是逐项大小一致的.

二阶多参考态微扰理论计算电子亲和势（英文）

采用二阶多参考微扰理论计算了F,Cl,OH,SH,CN,CH2和NH2的电子亲和势.另外,还考察了基函数和完全活性空间大小对电子亲和势精度的影响.通过和CASSCF,CASPT2,CCSD,CCSD(T),B3LYP,X3LYP,M06,HCTH,TPSS,B97D3,m PW2PLYP和B2PLYP的计算结果比较发现,针对目前所用的基函数,二阶多参考态微扰理论的总体计算效果是最好的.

二元和三元复合物中阳离子硫键与磷键的理论研究

采用MP2/cc-pVDZ和cc-pVTZ基组分别对复合物XH 2S^+…NCH2P和NCH 2P…PyX(X=NH 2,CH 3,H,CN,F,Cl,Br)中的硫键和磷键进行了研究,讨论了键长、键临界点的电荷密度(ρ)、拉普拉斯密度(▽2ρ)、范德华表面穿透距离、二阶稳定化能和电荷转移量对硫键和磷键相互作用能的影响.结果表明,当取代基X为吸电子基团时,形成的硫键较强.当X为给电子基团时,形成的磷键较强.利用能量分解方法分析了取代基—CN导致硫键稳定性反常的可能原因.还进一步讨论了三元复合物H 3S^+…NCH 2P…PyX(X=NH2,CH3,H,CN,F,Cl,Br)中硫键和磷键的协同相互作用以及取代基对复合物稳定性的影响.并通过对比相同的2种单体在三元复合物和二元复合物中的二阶稳定化能和相互作用能的差值,说明了硫键与磷键起到相互促进的正协同作用,增强了三元复合物的稳定性.

溶剂效应计算中两种积分方法的比较研究

采用多面体表面模拟溶质空腔, 讨论了溶剂效应计算中近似积分方法和解析积分方法的平行性和收敛性. 我们发现: 对所研究的 40 个中性分子, 近似方法和解析方法之间的平行性较好; 但是, 对于 20 个正离子和27 个负离子, 当溶质空腔分别为 0.002 和 0.001 a.u.的等电荷密度面时, 近似方法和解析方法之间的平行性较差,因此, 近似方法的可靠性不一定有保证. 我们还发现当多面体的表面无限趋近空腔的表面时, 不管采用何种多面体序列, 近似方法和解析方法的基态总能量都基本趋向同一极限值.

两种约化密度矩阵重构方法的理论分析

利用Harris模型，详细分析了Mazziotti提出的重构方法和Chen提出的一种由低阶约化密度矩阵重构高阶约化密度矩阵的系统方法（Sciencein China B，2006，49：402）的差异．如果忽略Mazziotti方法中的^3△M、^4△M和Chen方法中的^3△M、^4△M计算结果显示两种方法的计算误差相近．更好的近似是只忽略四级项^4△M、^4△M而三级项由相应的四级项通过简缩来计算．采用Mazziotti方法计算出来的有些近似值和精确值连正负号都不同，而用Chen方法计算出来的近似值和精确值不仅正负符号一致，而且数值大小也很接近．