高校化学化工课程教学改革探索——以“价键理论”及“分子轨道理论”教学为例

化工专业高等教育在我国工业发展中具有重要地位。本文以党的二十大精神为指导,明确了高校化学化工专业教学改革的重要意义及基本要求,分析了高校化工课程教学改革的现状与具体问题,探索了高校化工课程教学改革的目标与路径。以“价键理论”及“分子轨道理论”为例,提出高校化工课程教学改革应坚持以人为本以,问题为导向,明确了教育理念与核心能力、培养应用型人才、实现产学研一体化、丰富教学手段等探索。本文希望为高校化工课程教学改革提供了一些理论参考和实践借鉴。

从“认知模型”到“模型认知”的教学实践与思考——以杂化轨道理论与分子空间构型的教学为例

微观世界看不见摸不着、抽象复杂,在教学过中可以采用模型建构的方法来帮助学生认识和研究物质的结构特征、性质特征、客观规律等.通过模拟、解释、推理等方法,引导学生通过探究学习,建立相关的认知模型,能够运用所掌握的知识解释相关的结构、性质特征,进而揭示该事物所蕴含的本质规律.通过以“杂化轨道理论与分子的空间构型”教学为例,引导学生通过对价层电子对互斥模型(VSEPR模型)和杂化轨道理论模型的建构与整合,进而掌握预测分子空间构型的方法,并能进行简单的解释与推理,促进学生从“认知模型”到“模型认知”的发展.

Au溶胶中咖啡酸分子的表面增强拉曼光谱实验与理论研究

在加热条件下利用氯金酸与柠檬酸钠的还原反应制备出胶体金,并使用拉曼光谱仪测量出咖啡酸(CA)分子常规拉曼散射(NRS)光谱及其吸附在Au纳米颗粒上的表面增强拉曼散射(SERS)光谱。采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,选用6-31+G**基组作为C、H、O的计算基组,选用赝势基组LANL2DZ作为Au的计算基组。首先对体系结构进行优化,并在此基础上计算CA分子的NRS光谱及CA分子与Au纳米颗粒吸附后3种可能模型的SERS光谱。对比分析可知,CA分子上的羧基和羟基共同与Au团簇吸附的构型计算得到的结果与实验数据最符合。接着进一步对CA分子的振动模式进行了详细指认,结果表明,CA分子与Au纳米颗粒是通过CA分子上的羧基和羟基吸附在一起的。最后通过计算CA分子及CA分子与Au纳米颗粒吸附后的分子前线轨道,进一步确定了CA分子在Au溶胶中的吸附方式。

dπ-pπ共轭对分子电子输运性质影响的理论研究

[目的]探究Ⅳ主族的C、Si、Ge等原子与不同离域基团形成的dπ-pπ共轭对相应分子体系电子输运性质的影响.[方法]采用密度泛函理论结合非平衡格林函数(DFT-NEGF)方法探究了含Ⅳ主族元素(C、Si、Ge)的三类分子:四乙基烷烃分子(C_(9)H_(20)S_(2)、SiC_(8)H_(20)S_(2)、GeC_(8)H_(20)S_(2)),四乙炔基烷烃分子(C_(9)H_(4)S_(2)、SiC_(8)H_(4)S_(2)、GeC_(8)H_(4)S_(2)),四苯基烷烃分子(C_(25)H_(20)S_(2)、SiC_(24)H_(20)S_(2)、GeC_(24)H_(20)S_(2))的电子输运性质.[结果]在四乙基烷烃分子中,中心原子Ge由于具有更为扩展的d轨道与碳氢(C—H)σ键存在dπ-pπ轨道相互作用,四乙炔基烷烃分子中乙炔基与Si的d轨道也存在dπ-pπ共轭,而在四苯基烷烃分子中苯环基团间存在额外的π-π弱相互作用,其均有利于电子离域,增大单分子电导.[结论]该研究一定程度上建立了dπ-pπ共轭作用与分子电子输运性质之间的联系,可为含Ⅳ主族中心原子分子在单分子电子学器件中的应用提供参考.

BeQ_2衍生物中金属配体间相互作用对前线分子轨道和非线性光学性质影响的理论研究

采用从头算 HF及密度泛函理论 (DFT) B3LYP方法对 8-羟基喹啉铍 (Be Q2 )及其取代衍生物Be(MQ) 2 ,Be(CNQ) 2 的稳定结构及结合能进行计算 .在此基础上 ,系统分析了前线分子轨道组成及体系非线性光学系数的变化 .计算结果表明 ,金属 -配体间的相互作用使非线性光学系数增大 ,且γ比β增大得多 ;CH3 和 CN的推拉电子取代均使结合能降低 ,电子离域性增强 ,非线性光学性质得以改善 .

量子化学研究L-精氨酸磷酸盐的前线分子轨道与理论振动光谱

L-精氨酸磷酸盐(LAP)晶体是一种性能优异的半有机非线性光学材料,因其特殊的高激光损伤阈值受到众多关注。基于LAP晶体的多种特殊性质及结构中磷酸胍基间作用的相继发现,通过研究分子内基团间作用探讨分子特异性及晶体光损伤机制是一种新的合理途径。本研究根据LAP分子的基团组成建立四个相关分子模型,在M06-2X-D3/6-311++g(d,p)水平下对不同基团组合模型进行了结构优化、频率计算及前线分子轨道分析。研究发现,LAP中L-精氨酸阳离子与磷酸根阴离子具有较强的结合能,磷酸胍基间作用会弱化L-精氨酸分子构象弯曲能力,且使磷氧四面体发生畸变。LAP中磷酸基团能够降低LAP分子轨道能级间隙,有利于分子内电子转移。磷酸基团与L-精氨酸分子上各个基团均有电子相互作用,其中对胍基与氨基上N-H键具有推电子作用,且与胍基间作用更强、更明显,而对羧基表现为吸电子作用。该研究结果为进一步理解和研究晶体中磷酸根和胍基间的作用奠定了良好的理论基础。

前线轨道理论及其对氢碘双分子基元反应机理的质疑

1问题的提出 前线轨道理论在有机化学领域有着广泛的应用。实际上，它也可以用来阐释或说明一些无机化学反应，从正面肯定或侧面否定某些无机反应的反应机理。例如，对于氢、碘的化合反应H2（g）＋I2（g）=2HI（g），由于实验测得其速度方程为V=k[H2][I2]（二级反应），这与直接套用基元反应质量作用定律得出的结论完全一致，所以长期以来，它被认为是一个典型的、一步进行的双分子基元反应。

PBL教学法在结构化学休克尔分子轨道理论教学中的应用

休克尔分子轨道理论是结构化学课程中的重要内容,可预测或解释共轭分子性质、电子光谱等问题。其与势箱中粒子运动模型、分子轨道理论、分子对称性等知识点关联密切,综合性强。在该理论教学过程中运用问题式教学法(Problem-Based Learning,PBL),以典型问题引导学生自主学习,在循序渐进的问题中,学生的思考意识逐步增强,知识综合能力可得到有效提升。

前线分子轨道理论在选矿中的研究现状

目前国内外学者从量子化学和前线分子轨道理论对硫化矿电化学浮选进行了大量的研究,成果丰硕,本文主要论述了前线分子轨道理论的主要内容及其在选矿中的研究现状及应用进展。

三种同分异构的双苯并吩噻嗪材料的合成、理论计算及光物理性质

吩噻嗪及其衍生物材料是一类重要的多环芳烃材料,在光电子领域有着广泛的应用。其中,基于苯并噻嗪材料的研究相对较少。在本文中,我们分别在吩噻嗪的1,2-、2,3-和3,4-位引入苯基,制备了三种同分异构的双苯并吩噻嗪化合物D-PTZa、D-PTZb和D-PTZc,研究了它们的构效关系,并与双吩噻嗪化合物(D-PTZ)进行了对比。研究发现,D-PTZb和D-PTZc的HOMO和LUMO分布与D-PTZ的类似;对于D-PTZa,其1,2-位引入的苯基与中间的苯环空间张力较大,造成空间结构极度扭曲,性质比较特殊。并苯的引入可以有效增加分子的共轭长度,使得最大吸收波长发生红移;在2,3-位引入苯基可以有效地稳定HOMO能级,使基于π→π*跃迁的能隙稍有增大,呈现蓝光发射,溶液的荧光量子产率为1.7%;而在3,4-位引入苯基使LUMO分布更加趋向于线型,从而使LUMO更加稳定,使基于π→π*跃迁的能隙降低,其最大发射峰位于520 nm处,呈现黄绿光发射,溶液荧光量子产率为13%。此外并入苯环之后,空间张力增大,化合物的分解温度降低。我们的分子设计和结构–性质关系的研究可以为设计新的吩噻嗪材料提供基础指导。

铌团簇和配合物的多面体分子轨道理论研究

应用多面体理论方法研究铌纯金属团簇和配合物的电子结构成键性质,并将理论预测结果用密度泛函方法验证.证实多面体理论是简便预测过渡金属簇,尤其是簇骨架电子结构的有效方法.铌的小团簇总是以低自旋密堆积结构为稳定构型,当体系的价电子数满足轨道成键数时,用该方法可较准确地推断成键性质(如Nb4和[Nb6Cl12]+4);而对于不满足成键数的体系(如Nb5和Nb6),则可利用该理论分析畸变趋势.

键能的分子轨道理论研究 Ⅰ.理论公式

从LCAO-MO出发,给出了一个计算键能的近似方法,即E_AB(i)=-(?)C_aiS_abC_biε_i为第i个占据分子轨道(MO)中的一对电子对A-B键键能的贡献.对所有分子轨道求和即为该键的键能:E_AB=(?)E_AB(i).按该方法,不仅可以计算各种不同分子中每两个相键连原子间的键能,还可以从MO及AO角度分析每一具体键,如σ,π,δ键的键能以及各AO对键能的贡献.该方法虽有别于求键焓和平衡离解能De,但计算结果和De的实验值甚相符合.通过对键能的分析研究,能较好地揭示原子间的相互作用关系及化学键的强弱,从而可进一步探讨化学反应活性,反应速率等化学性质.

磺胺甲恶唑的振动光谱和密度泛函理论研究

磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole,SMX)是一种磺胺类广谱抗生素.基于密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上对SMX初始构型进行结构优化,得出该分子最稳定结构构型.同时,给出了SMX的键长、键角和二面角等空间结构参数值,确定该分子空间构型为非平面结构.相同基组水平下进行频率计算,通过频率校正因子0.9630修正并绘制了SMX分子的红外光谱和拉曼光谱图.发现光谱谱段主要分布在3600-2800 cm-1和1700-300 cm-1频率段,并且理论计算值和实验测定值有较好吻合,表明DFT计算方法是可取和可信的.借助GaussView 6.0软件和计算得到的势能分布结果对频率范围内每一个振动模式进行了指认归属.此外,采用Multiwfn和VMD程序计算并分析SMX分子的静电势和前线分子轨道,预测了该分子的反应活性位点.该结果为SMX分子的振动光谱检测提供基础数据,为其结构鉴定提供技术参考.

二芴及其衍生物的结构优化、前线轨道及其性质的理论研究

采用DFT/B3LYP方法对系列二芴体系进行了全优化,对其结构特征进行对比.在此基础上,得到各分子的最高占据轨道和最低空轨道能量关系及HOMO-LUMO能隙,并分析其能隙与导电性的关系及预计其光谱特征.对各分子的相关热力学性质进行了研究.热力学参数表明各分子均较稳定,其中化合物DFBT最稳定.采用ZINDO和TD-DFT方法计算其吸收光谱,分析结构特征对光谱性质的影响.二芴中插入共轭程度高的结构后,分子的共轭程度增加;HOMO-LUMO能隙变窄;最低激发能降低,导电性增强;吸收光谱红移.而接入扭曲的结构后,共轭程度降低;HOMO-LUMO能隙变宽;最低激发能有所升高,导电性下降;吸收光谱蓝移.

紫金山黄铁矿的第一性原理和前线轨道理论分析

紫金山黄铁矿是金的主要载体矿物之一,基于第一性原理和前线轨道理论计算,探讨Cu对紫金山黄铁矿的电子性质和氧化性的影响。结果表明:Cu进入黄铁矿晶体结构中,对其晶胞参数影响不大,但使黄铁矿的导带上能带不断变宽,向高能量方向延伸。Fe和S原子获得电子能力减弱,出现S-Fe和S-Cu的共价键性减弱,S-S的共价键性增强,对黄铁矿的浮选性能产生影响。在黄铁矿的氧化过程中,矿石含铜越高,越容易被氧化,且S、Fe和Cu都参与和氧气的作用,其中S原子与氧气作用最大(最易被氧化)。

Multiwfn在分子轨道理论教学中的应用

分子轨道理论是学生在学习无机化学过程较难理解和掌握的内容,文章使用gaussian和multiwfn软件对分子轨道成分和键级的计算,绘制了分子轨道能级图,并将这部分内容形象直观地呈现出来,有利于增加学生学习的主动性和积极性,提高教学质量。

用分子轨道理论研究NO气体在TiO_2表面吸附

根据一氧化氮(No)气体在二氧化钛(TiO2)表面吸附和脱附的实验结果,揭示了气体脱附量的变化规律.利用MOPAC和GAUSSIAN分子轨道理论计算了在TiO2(110)表面上吸附NO分子的原子簇模型,电荷分布以及原子簇的能级,推断了NO在TiO2(110)表面吸附的稳定性.

人参皂苷Rg分子轨道微扰理论的研究

人参皂苷Rg是具有生理活性的物质,它包括三个异构体:Rg1; Rg2; Rg3其中Rg3具有很强的抗癌作用。本文通过休克尔分子图形理论对Rg异构体的各分子轨道进行约化,并且根据分子轨道微扰理论求出它们不同本征多项式和本征值。

运用分子轨道理论考察甲酚的生物降解特性

运用分子轨道理论考察了甲酚同分异构体的生物降解特性．计算出最高占据轨道(ＨＯＭＯ)能量的大小,反映了甲酚同分异构体生物降解反应的难易程度,且结论与事实相符合．