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量子化学程序应用于中学化学的实践研究

发表时间：2021/3/29 来源：《中小学教育》2021年4月1期作者：王文勇

[导读] 以量子化学程序为依托，将中学化学抽象的知识和概念形象、生动、立体的呈现出来，这是培养中学学生化学核心素养的一条重要途径。

王文勇江苏省新海高级中学 222006
【摘要】以量子化学程序为依托，将中学化学抽象的知识和概念形象、生动、立体的呈现出来，这是培养中学学生化学核心素养的一条重要途径。
【关键词】化学程序；化学核心素养；中学教学
中图分类号：G652.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1001-2982（2021）04-147-01

        一、研究的背景
        量子化学[1]，简单说来，就是利用量子力学基本原理研究原子、分子内的电子运动状况，从而为研究化学的本质以及化学反应中的变化提供理论和定量的依据。质量极小的分子、原子、电子等微观粒子的能量变化常常不像宏观物理量那样连续变化的，而是以某一最小的单位作跳跃式的增减，我们就称它为“量子化”。“不连续性”或“量子化”是这些微观粒子的重要特征。
        随着计算机的快速发展以及超级计算机的形成，化学学科很多无法人工精确求解的问题被编译成了程序，这些程序对化学理论的研究和化学实验成果的验证有很大的推动作用。例如，理论化学届赫赫有名的“Gaussian”程序。量子化学软件能够很好的辅助科学研究，却不能服务于中学的师生，不能推动中学化学教育的发展将是一种巨大的浪费[2]。结合量子化学程序以及计算机的模拟，将抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、立体的形式呈现出来[3]，使学生能运用模型解释化学现象，揭示化学现象的本质和规律，形成证据推理与模型认知的能力。
        二、案列的研究
        1.分子结构
        在中学化学教学中，经常需要演示一些有机分子，如醇、酚、醚、羧酸和氨基酸等。以往的教学中，化学式或者结构简式往往难以让学生头留下深刻的印象。“GaussView”，一种量子化学“Gaussian”程序的图形用户界面，通过三维结构清晰的描绘出这些有机分子。“GaussView”中分子模型的默认形式是球棍和键线式的混合模型，如图1。
        建立苯分子模型，就要解决一个一直困扰在学生心中的问题。为什么苯分子中所有C-C键的键长相等？首先，学生需要知道一些基本的物质结构知识，也就是苯分子为D6h点群。在建苯分子模型时，设置它的点群为D6h。将分子坐标存储为gjf（Gaussian Input File）格式，用超级编辑器程序打开gjf文件，输入优化（opt）命令，所有的计算方法采用密度泛函理论下杂化密度泛函B3LYP方法和6-31G基组。这样的水平下优化一般的小分子，计算结果快速且较为精确。优化分子时输入的命令是“#P B3LYP/6-31G opt”。“Gaussian”程序计算完成后自动输出结果文件（“out文件”）。采用“GaussView”程序打开“out文件”得到能量最低的苯分子结构。分别量取6个C-C键和C-H键，每个C-C键和C-H键的键长分别为1.40043Å和1.08574Å（C-C单键一般为1.50Å，C=C双键一般为1.35Å），很明显，苯分子中的C-C键是一种介于C-C单键和C=C双键之间的特殊的键。以上证实，6个C-C键为同一种键，至于苯分子的6个C-C键为什么会是同一种介于C-C单键和C=C双键之间特殊的键？是因为形成了6中心6电子大π键。

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        有经验的教师讲授甲烷一课时，常常提问学生CH2Cl2为什么只有一种结构？如何从侧面验证甲烷是正四面体构型?很多空间想象能力弱的学生理解这个问题非常痛苦。他们无论如何也不能想象CH2Cl2分子只有一种结构。课堂上，教师打开“GaussView”程序建立CH2Cl2分子模型，邀请一位学生到讲台前按下键盘Alt键并且将鼠标放到分子上按住左键不放旋转，则可以让图2中的两种结构重合。即使理解能力最弱的学生也会在这个时候豁然开朗。此时，非常有助于学生学习兴趣的建立与化学核心素养的培养[4]。
        图1苯的球棍键线式混合模型、球棍模型和比列模型      图2 CH2Cl2的结构             图3乙烯的π键和乙烷的σ键
        2.分子轨道
        学习杂化轨道理论时，教师经常提及乙烯和乙烷分子。乙烯分子中，每个碳原子的1个2S轨道与2个2P轨道发生杂化，形成3个SP2杂化轨道，伸向平面正三角形的三个顶点，每个C原子的2个SP2杂化轨道分别与2个H原子的1S轨道形成2个相同的σ键，每个C原子各自剩余的1个SP2杂化轨道相互重叠形成1个σ键。每个C原子各自没有杂化的l个2P轨道则垂直于平面三角形所在的平面，彼此肩并肩重叠形成π键。乙烷分子中，每个碳原子的1个2S轨道与3个2P轨道发生杂化，形成4个SP3杂化轨道，伸向空间正四面体的四个顶点。每个C原子的3个SP3杂化轨道分别与3个H原子的1S轨道形成3个相同的C—Hσ键。两个C原子各自剩余的1个SP3杂化轨道相互重叠形成1个C—Cσ键。学生如何去理解乙烯分子中两个2P轨道肩并肩重叠形成的π键和乙烷分子中两个SP3杂化轨道头碰头相互重叠形成的1个C—Cσ键？只要量子化学程序给出两个分子的最高占据轨道(HOMO)，学生就立刻明白了（如图3）。乙烯分子形成非常明显的π键（π键位于两个碳原子连线的上方或者下方），乙烷分子形成非常明显的σ键（σ键位于两个碳原子连线之间）。
        三、结语
        与传统的实验化学比较，量子化学越来越体现出它的优势，它无毒、便宜、操作简单、结果可靠、不受实验场地限制，最重要的是它能够从微观角度去理解和预测宏观化学现象。对于中学师生而言，只要有一台计算机并且装载相关的量子化学计算程序，就可以根据教学需求设计教案或者根据教学问题设计一系列研究课题，这样的硬件要求任何一所中学都可以达到。总之，师生根据量子化学程序研究遇到的化学问题，像科研工作者一样着眼于化学的本质和规律，这样的教与学便不再是传统意义上知识的传授与获取，而是一种培养学生化学核心素养重要的途径。
参考文献
[1]Enrico Clementi,Giorgina Corongiu,从原子到大分子体系的计算机模拟--计算化学50年[J].帅志刚，马忠云，张天，等，译.化学进展,2011(9): 1795-1830.
[2]胡先锦，胡天保.基于发展学科核心素养的高中化学教学实践与思考[J].中学化学教学参考,2016(4):4-7.
[3]高修库，赵浏，杨晓琳，郑克强.计算量子化学手段辅助高中化学素养教学——从“结构”视角浅析乙醇的化学性质[J].中学化学教学参考,2019(11):23-25.
[4]吴星.高中化学核心素养的建构视角[J].化学教学,2017(2):3-7.