本站原创摘 要：在教学改革中,计算化学因其结果可视化的优势,而不断被纳入化学教学中.计算化学辅助的化学教学,可生动、形象地展示分子轨道、光谱、立体结构及化学反应,以激起学生学习化学的兴趣,从而提高教学质量.
关 键 词：教学改革；计算化学；化学教学
中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）05-0059-02一、教育现状
化学是一门以实验为基础而发展起来的学科,研究的主要内容是通过物质的转化以产生新的物质.由于分子间化学转化的微观性和抽象性等特点,在传统的化学教学中,教师多用比喻、实物分子模型等方法对分子进行展示和讲解.这种教学方法虽然可以使学生学到一些化学知识,但对化学知识的理解主要停留在记忆层次上,对化学知识抽象原理的进一步深入理解存在困难.随着计算化学的迅速发展,不断地有许多新的理论方法和软件得到开发[1].通过计算化学的模拟研究,不仅能从分子及量子水平解释实验现象中无法解释的问题,还可以通过计算化学对实验中的一些性质或现象总结出一定的规律,进而对化学实验起到指导及预测作用.这不但可以避免科研工作者进行盲目的科学研究,也在很大程度上节省时间、人力和财力,提高科研效率,也使化学学科发展的更加成熟和完善.
二、计算化学与化学教学相结合
为了弥补传统化学教学的不足,将计算化学与化学教学相结合的教育方式,将对化学课程的发展、化学教学的改革及学生创新能力的培养起到推动作用.近几年,随着教学体制的改革,我国已不断地将计算化学教学纳入化学课程中[2-6].对于传统的化学教学手段,难以生动地表现出抽象的化学概念.采用计算化学模拟及相关的可视化软件分析,则可将这些抽象的概念表达的更具体,使化学变化的本质与过程更形象地展现在学生眼前,从而打破了化学反应的“黑匣子”传统观念.在国际上已有不少高校将计算化学作为一门独立的学科纳入化学课程体系中.在我国一些大学中,计算化学也相继走进化学课堂,如北京化工大学.由于计算化学的高效、形象化和易于理解等特点,在化学教学中,人们主要是采用计算化学的各种软件并进行一些简单的计算练习来辅助教学.这不仅可以激发学生学习化学的兴趣,还可以加强学生对化学知识的理解.
计算化学所使用的一些可视化软件主要有GaussianView、Chemcraft、ChemOffice等.老师及学生通过对选定的分子进行简单的计算后,就可以通过这些软件对其分子结构、电子密度和轨道等进行可视化分析.这不但使化学教学变得更加灵活,也使这些抽象的概念得到形象具体的展现,化学课程不再枯燥乏味,也降低了教学的难度,帮助学生理解复杂的现象与机理,进而增加学生探索化学微观世界的兴趣,提高了教学质量.
三、计算化学在化学教学中的应用
在大学的化学课程中,如有机化学、无机化学、立体化学、分析化学等[7,8],都可以通过计算化学的应用提高教学质量.以下通过相关化学知识实例来简单介绍一些计算化学在化学教学中的作用.
1.分子轨道.1,3-丁二烯的分子轨道图是大学化学课本上讲解分子轨道的一个典型实例.在分子中每个碳原子都含有一个未占据的p轨道,四个碳原子的四个未杂化的p轨道线性组合成四个不同的分子轨道,即两个占据轨道和两个非占据轨道.由于分子轨道概念较抽象,单凭老师的口述,很难让学生很深入地理解其含义,但通过计算化学软件进行可视化分析后,这个问题可以得到很好的解决,采用GaussianView对分子轨道进行可视化后得出的图形如下：
图1左侧的四个分子轨道图分别对应着右侧的14-17号轨道.通过鼠标选中一个轨道号,相应的轨道图就会显示出来.从轨道图可以看出,分子轨道的节面越多,能量越高.
2.分子光谱.在有机化学实验中,常通过光谱来鉴定不同的化学物质,如红外光谱、拉曼光谱和核磁共振氢谱等.红外光谱是通过不同种键的不同振动方式而产生的.由于大多分子含有较多化学键且键的类型较多,因此光谱图的峰种较多,学生对于光谱的学习比较困难.通过计算化学软件的辅助作用可加强学生对光谱的理解与记忆.图2为计算得到的丙醛和丙酮的红外光谱图.在计算化学软件显示的光谱图中,用鼠标点击峰的位置,即可显示分子相应键的振动.因此,在教学的过程中可以进行现场的计算模拟,使学生快速地了解并掌握不同分子的红外光谱特征.通过红外光谱也可以对两个不同的分子进行区分,如丙醛与丙酮的分子式相同且都含有一个羰基,因此在1750cm-1附近都有一个较强的吸收峰.两个分子的不同之处主要在于丙醛分子的羰基上含有一个C-H键,此键在2800cm-1处有特征吸收,而丙酮分子中没有,从而将两分子区别开.
3.分子的立体构型.同一分子往往具有不同的立体构象,如烷烃的重叠构象和交叉构象等.由于大多分子含有的原子数较多,学生很难想象出分子的立体结构,这使学生对立体化学知识望而生畏.但通过计算化学的应用,这个问题很容易得到解决.
在基础有机化学中,环己烷的构象是一个比较难于理解及掌握的知识点.学生往往缺乏对分子结构直观的认识,难于在头脑中形成正确的立体几何构型,因而很难正确地书写出环己烷的椅式构象和船式构象.通过计算模拟可以优化得到环己烷的两种构型,采用Chemcraft等可视化软件则可以将其形象地展现在学生眼前.使用此可视化软件查看构型时,可以通过鼠标随意地对分子进行平移和反转等操作,进而使学生对分子的空间构型有较好的认识,也加强了学生空间思维能力的培养.
4.化学反应.物质的生成离不开化学反应,有些反应机理复杂,一个反应因不同的反应方式而得到多种产物.在传统教学中,学生只能通过课本中的化学方程式进行记忆,学生在化学实验课上,也仅能通过溶液颜色或状态的变化判断反应是否进行及是否得到产物,对于分子的微观反应过程并不了解,这使化学在学生心得很神秘.然而通过计算化学模拟,采用一些化学可视化软件则可以将微观的化学变化形象地展现在学生面前,使学生对化学反应的本质有深入的理解.以甲醛的异构化反应为例,通过计算模拟优化得到甲醛分子的两种异构过程,如图3所示.通过GaussianView可视化软件可以查看两个过渡态TS的振动情况.图4为通过对过渡态（TransitionState,TS）做内禀坐标（IntrinsicReactionCoordinates,IRC）计算得到的反应势能面,纵坐标为反应体系的总能量,横坐标为反应内禀坐标.最高点为过渡态TS对应的点,沿着反应坐标两侧分别是导致反应物和产物的方向.曲线上的每个点对应着一个结构.在可视化软件中通过鼠标选择不同的点可以查看相应的结构.从图4中可以明显看出甲醛分子的异构化过程伴随着键的断裂和形成,也可以通过反应最高点对应的能量粗略地比较两个反应的难易,最高点能量较低的反应路径为主反应通道,相反则为副反应通道.
综上所述,计算化学在国际上已成为一个独立的研究领域,而在我国发展相对滞后.因此,将计算化学纳入到化学课程教学中,使学生体会到计算化学所发挥的重要作用,树立计算化学在学生心目中的位置,激起一些计算化学的兴趣爱好者,也为培养具੍ 7;分子模拟及运用计算化学能力的新一代化学专业人才奠定基础.