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量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文第1篇

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無(wú)疑將從更高的理論起點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對(duì)材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門(mén)學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、 在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1 ，2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca 鈣礬石、含Ba 鈣礬石和含Sr 鈣礬石的Al -O鍵級(jí)基本一致，而含Sr 鈣礬石、含Ba 鈣礬石中的Sr，Ba 原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba -O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca 鈣礬石中的Ca 原子鍵級(jí)和Ca -O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr 、Ba 硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二） 在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe 、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子， 如低級(jí)芳香烴作為碳/ 碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。 轉(zhuǎn)貼于

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱(chēng)之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開(kāi)始向電動(dòng)汽車(chē)、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱(chēng)搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li + 離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago 等[8] 用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32 H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li - C 和具有共價(jià)性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、 在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘， 進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類(lèi)；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見(jiàn)運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李北星，程新.建筑材料學(xué)報(bào)，1999，2(2):147

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量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文第2篇

1什么叫“原子軌道”原子軌道，這是量子化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)中一個(gè)非常重要的概念，在研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常要與其打交道?！斑@里所說(shuō)的原子軌道與宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，它是指量子力學(xué)描述電子在原子核外空間運(yùn)動(dòng)的主要區(qū)域?！保?］這是一個(gè)明顯的錯(cuò)誤解釋?zhuān)榆壍涝趺磿?huì)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域呢？這正是想用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)解釋量子力學(xué)（量子化學(xué)）的現(xiàn)象，顯然不行。那什么叫原子軌道呢？在量子化學(xué)中，處理一個(gè)多電子體系（包括多電子原子或多原子分子），我們往往采取的近似解法是軌道近似方法（或稱(chēng)單電子近似和電子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)模型）。在運(yùn)用這種方法時(shí)，我們需要求解任意一個(gè)單電子的波函數(shù)ψi，即求解它的Schrdinger方程：此時(shí)，我們把原子中單電子的波函數(shù)ψi稱(chēng)為原子軌道。同理我們可以把分子中單電子的波函數(shù)ψj稱(chēng)為分子軌道［2～4］。因此即使對(duì)中學(xué)生，我們也應(yīng)該把原子軌道粗略地解釋為描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)（波函數(shù)），它可用來(lái)描述電子在核外空間一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率，而不能解釋成電子活動(dòng)的區(qū)域。

2電子云圖

關(guān)于用小黑點(diǎn)描繪的電子云圖（圖1）?！坝眯『邳c(diǎn)代表電子在核外空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，小黑點(diǎn)的疏密與電子在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大小成正比?！保?］這是一種很不準(zhǔn)確的解釋。其關(guān)鍵問(wèn)題是沒(méi)有分清楚幾率密度與幾率的概念。試問(wèn)若區(qū)域A比區(qū)域B大，但區(qū)域B內(nèi)小黑點(diǎn)排列得緊密些，那電子在A區(qū)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大還是在B區(qū)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大呢？上述的解釋是沒(méi)有分清楚幾率密度和幾率這2個(gè)重要概念的含義和關(guān)系。在某一微體積內(nèi)，2者關(guān)系如下：其中｜ψ｜2代表幾率密度，｜ψ｜2dτ代表電子在體積元dτ內(nèi)出現(xiàn)的幾率。對(duì)中學(xué)生可以采取如下近似解釋?zhuān)盒『邳c(diǎn)密度大的地方表示電子在那里出現(xiàn)的幾率密度大，稀則表示幾率密度?。?，6］。在電子云圖上取2個(gè)面積相等的區(qū)域A和B來(lái)觀察，若為立體圖形，則取2個(gè)體積相等的區(qū)域來(lái)觀察，則小黑點(diǎn)密度大的區(qū)域電子出現(xiàn)的幾率大。對(duì)電子云圖，這樣的解釋比較準(zhǔn)確———單位體積內(nèi)小黑點(diǎn)的疏密程度表示電子在原子核外單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率的大小。點(diǎn)密集的地方，表示在那里電子在單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大……［7］。

3關(guān)于Moeller記憶圖［8］在討論多電子原子結(jié)構(gòu)時(shí)，涉及到核外電子的填充順序，很多結(jié)構(gòu)化學(xué)的教科書(shū)都給出了圖2。國(guó)外教材稱(chēng)之為Moeller記憶圖［9］，國(guó)內(nèi)教材一般稱(chēng)為構(gòu)造原理圖［10，11］。而稱(chēng)之為“原子核外電子排布的軌道能量順序”［1］，這是一個(gè)很不準(zhǔn)確的稱(chēng)呼。因?yàn)殡娮犹畛漤樞虻慕?jīng)驗(yàn)表達(dá)式1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，……并不能真實(shí)地、準(zhǔn)確地代表在各個(gè)原子中原子軌道的能量，它只能近似預(yù)測(cè)原子基態(tài)的電子構(gòu)型及定性地解釋周期表中原子的電子排布［12］。對(duì)不同的原子來(lái)說(shuō)（其核電荷當(dāng)然不同），原子軌道能量的順序不一定相同，比如原子軌道能量與原子序數(shù)的關(guān)系如圖3［13～15］：由圖3也可以看出，原子序數(shù)不同的原子，有的是E4s＞E3d，有的是E4s＜E3d。尤其是多電子體系，原子軌道能量次序還和電子填充情況有關(guān)。例如，同為第四周期元素的K和Ni，K無(wú)d電子填充，E3d＝－0．64eV，E4s＝－4．00eV，即E3d＞E4s；而Ni有d電子填充，E3d＝－18．7eV，E4s＝－7．53eV，即E3d＜E4s；類(lèi)似情況在第五、六周期元素還有［16］。

4晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶化學(xué)是化學(xué)科學(xué)中內(nèi)容極其豐富的一門(mén)學(xué)科。但迄今為止，學(xué)術(shù)界對(duì)結(jié)晶化學(xué)中的某些基本概念，如晶胞、晶系，布拉威格子等都還存在著一些不同解釋和描述［17～20］，但對(duì)大多數(shù)基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)術(shù)界還是有共識(shí)的。

4．1密堆積中空隙種類(lèi)在等徑圓球的密堆積中把空隙分成2種類(lèi)型［1］，如圖4［21］。這種分類(lèi)法不準(zhǔn)確。一般把晶體中的空隙分為三角形空隙、四面體空隙、八面體空隙、立方體空隙等［22～24］。在一個(gè)密置層中只有一種空隙———三角形空隙。只能說(shuō)如考慮其空間取向，有2種情況。否則的話(huà)，怎么討論在立方ZnS中空隙的種類(lèi)和個(gè)數(shù)呢？在立方ZnS（晶胞）中，可視S原子（或S2－）作立方最密堆積，形成2類(lèi)空隙———四面體空隙（8個(gè)）和八面體空隙（4個(gè)），而Zn原子（或Zn2＋）填入其中4個(gè)四面體空隙（見(jiàn)圖5），另外4個(gè)四面體空隙（未填微粒）與前面4個(gè)四面體空隙空間取向不同，但這8個(gè)空隙只能算一類(lèi)———四面體空隙，故才會(huì)得出空隙填充率等于50％的結(jié)論。

4．2關(guān)于小球堆積方式的概念在描述堆積方式時(shí)用了一個(gè)模糊概念———立方堆積［1］。與立方晶胞有關(guān)的堆積方式一般說(shuō)有3種：立方最密堆積（可抽面心立方晶胞），立方密堆積（可抽體心立方晶胞），簡(jiǎn)單立方堆積（可抽簡(jiǎn)單立方晶胞）。教材的表述應(yīng)改為“簡(jiǎn)單立方堆積。”

4．3密堆積和晶格型式（或晶胞類(lèi)型）間的關(guān)系“在稱(chēng)為干冰的二氧化碳分子晶體中，作為線型分子的二氧化碳在空間是以A1型密堆積方式形成晶體的”［7］。這段描述與其給出的干冰的晶胞的示意圖［7］是矛盾的。關(guān)于CO2（干冰）的晶格形式有2種表述：CO2為線型分子，若晶胞中4個(gè)CO2分子的空間取向相同，則晶格型式為面心立方。且可認(rèn)為CO2是以立方最密堆積（A1型）方式形成晶體的。但是，若晶胞中4個(gè)CO2分子的空間取向不同，則4個(gè)CO2分子各屬于一套不同的等同點(diǎn)，故晶格型式應(yīng)為簡(jiǎn)單立方晶胞，此時(shí)可認(rèn)為CO2是以簡(jiǎn)單立方堆積方式形成晶體的。正如金剛石晶胞中有8個(gè)C原子，但分屬于2套不同的等同點(diǎn)（因其空間環(huán)境不同），其中頂點(diǎn)和面心的4個(gè)碳屬于一套等同點(diǎn)，而晶胞體內(nèi)4個(gè)碳屬于另一套等同點(diǎn)。我們只需取某一套等同點(diǎn)（如頂點(diǎn)和面心那一套）就能確定金剛石中碳原子的堆積方式和晶格型式（晶胞類(lèi)型）———立方最密堆積（A1型）和面心立方晶胞，見(jiàn)圖7。那么在不能確定干冰晶胞中，CO2空間取向是否相同時(shí)應(yīng)怎么描述呢？潘道皚等采取了這種說(shuō)法“形成了以分子的中心作立方密堆積排列；同時(shí)，CO2分子的軸平行于立方體體對(duì)角線?！绷⒎襟w有4條對(duì)角線，即CO2分子屬于4套等同點(diǎn)。其實(shí)質(zhì)是在不考慮空間取向時(shí)，干冰可視為A1型密堆積，但實(shí)際上4個(gè)CO2分子的空間取向不同，只能視為簡(jiǎn)單立方晶胞。

量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文第3篇

一、物理化學(xué)課程在課程體系中的地位

物理化學(xué)在兩階段工科化學(xué)(化工類(lèi))課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學(xué)原理(基礎(chǔ)物理化學(xué))、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等課程組成?；瘜W(xué)原理作為理論教學(xué)內(nèi)容,在對(duì)中學(xué)化學(xué)知識(shí)總結(jié)提煉上升到理性認(rèn)識(shí)高度的基礎(chǔ)上,對(duì)后繼無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)作為應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容提供理論基礎(chǔ)。第二階段由物理化學(xué)加后繼專(zhuān)業(yè)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程、選修課程組成。物理化學(xué)作為理論教學(xué)內(nèi)容,既將先前所學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等知識(shí)從理性上加以認(rèn)識(shí)提高,又為后繼課程提供理論基礎(chǔ)。[2]在專(zhuān)業(yè)教育的范疇內(nèi),物理化學(xué)是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專(zhuān)業(yè)必備的化學(xué)理論基礎(chǔ),它銜接基礎(chǔ)理論和相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課程,是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。

二、物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容

物理化學(xué)提供應(yīng)用于所有化學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域的基本概念和原理,嚴(yán)格和詳細(xì)地闡釋化學(xué)中普適的核心概念,以數(shù)學(xué)模型提供定量的預(yù)測(cè)。因此,物理化學(xué)是分析化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)課程,以及其他相關(guān)前沿課題的概念的理論基礎(chǔ)。總體而言,物理化學(xué)理論課程可能涉及的教學(xué)內(nèi)容如下:[3]

1.熱力學(xué)與平衡

標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)(焓、熵、吉氏函數(shù)等)及其應(yīng)用。熵的微觀解釋?；瘜W(xué)勢(shì)在化學(xué)和相平衡中的應(yīng)用。非理想系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學(xué)池的熱力學(xué)。

2.氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過(guò)程、擴(kuò)散系數(shù)、黏度。

3.化學(xué)動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)速率的微分和積分表達(dá)式。弛豫過(guò)程。微觀可逆性。反應(yīng)機(jī)理與速率方程。穩(wěn)定態(tài)近似。碰撞理論、絕對(duì)速率理論、過(guò)渡狀態(tài)理論。同位素效應(yīng)。分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)含分子束、反應(yīng)軌跡和激光。

4.量子力學(xué)

薛定諤方程的假定和導(dǎo)出。算符和矩陣元素。勢(shì)箱中的粒子。簡(jiǎn)諧振子。剛性轉(zhuǎn)子、角動(dòng)量。氫原子、類(lèi)氫離子波函數(shù)。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計(jì)算化學(xué)。量子化學(xué)應(yīng)用。

5.光譜

光-物質(zhì)相互作用、偶極選律。線型分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。振動(dòng)光譜。光譜項(xiàng)。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)

系綜。配分函數(shù)表示的標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)。原子、剛性轉(zhuǎn)子、諧振子的配分函數(shù)。愛(ài)因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學(xué)科的應(yīng)用

生物物理化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、藥學(xué)、大氣化學(xué)等。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生用物理化學(xué)原理聯(lián)系定量模型與觀察到的化學(xué)現(xiàn)象的能力,深化學(xué)生對(duì)模型定性假設(shè)和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預(yù)測(cè)化學(xué)現(xiàn)象的基本技能。

學(xué)生應(yīng)能記錄正確的測(cè)量值,估算原始數(shù)據(jù)的誤差。學(xué)生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現(xiàn)代儀器測(cè)量物理性質(zhì)和化學(xué)變化,積累用這些儀器解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)含有結(jié)合若干實(shí)驗(yàn)方法和理論概念的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。適用于工科化學(xué)(化工類(lèi))課程體系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大體如下:

1.熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)聯(lián)用測(cè)定無(wú)機(jī)鹽溶解熱。計(jì)算機(jī)聯(lián)用測(cè)定有機(jī)物燃燒熱。溫度滴定法測(cè)定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學(xué)平衡實(shí)驗(yàn)

不同外壓下液體沸點(diǎn)的測(cè)定。環(huán)己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點(diǎn)下降法測(cè)定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。沸點(diǎn)升高法測(cè)定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)的測(cè)定。

3.表面化學(xué)實(shí)驗(yàn)

溶液表面張力測(cè)定。沉降法測(cè)定粒度分布。BET容量法測(cè)定固體比表面積。

4.化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

量氣法測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解反應(yīng)速率系數(shù)。蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率系數(shù)測(cè)定。酯皂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。一氧化碳催化氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。甲酸液相氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式的建立?？扇?xì)?氧氣-氮?dú)馊当O限的測(cè)定。計(jì)算機(jī)聯(lián)用研究BZ化學(xué)振蕩反應(yīng)。

5.電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)電解質(zhì)溶液無(wú)限稀釋摩爾電導(dǎo)的測(cè)定。離子遷移數(shù)測(cè)定。原電池反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其溫度系數(shù)的測(cè)定。金屬鈍化曲線測(cè)定。

6.結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

磁化率測(cè)定。分子介電常數(shù)和偶極矩的測(cè)定。

三、面向?qū)I(yè)的物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

當(dāng)然,一個(gè)工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)不可能也不必要包含上列的所有內(nèi)容。因此,各學(xué)科專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)根據(jù)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和規(guī)格,在已經(jīng)或即將公布的各學(xué)科專(zhuān)業(yè)的指導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)規(guī)范中,制訂了包括物理化學(xué)在內(nèi)的化學(xué)課程教學(xué)基本內(nèi)容作為最低要求。如化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的規(guī)范(研究型)中規(guī)定:物理化學(xué)可分為兩部分,物理化學(xué)(I)主要內(nèi)容為化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等,作為化工主干課的基礎(chǔ),應(yīng)注意與化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程的銜接和分界(一些內(nèi)容可在化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程中展開(kāi),以加強(qiáng)工程背景);物理化學(xué)(II)主要內(nèi)容為溶液理論、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子力學(xué)等方面的概要以及近展等。各專(zhuān)業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)基本內(nèi)容充分體現(xiàn)了本專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn),是在保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提下,兼顧國(guó)內(nèi)各相關(guān)學(xué)校的教學(xué)條件提出的基本要求。因此,它體現(xiàn)的是該專(zhuān)業(yè)人才的知識(shí)體系的共性。由于各校的學(xué)科背景和教學(xué)條件的優(yōu)勢(shì)不同,要培養(yǎng)具有特色的專(zhuān)業(yè)人才,需要在教學(xué)中研究如何在滿(mǎn)足各專(zhuān)業(yè)的教學(xué)基本內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上開(kāi)展物理化學(xué)教學(xué)。我們認(rèn)為在教學(xué)內(nèi)容建設(shè)中應(yīng)堅(jiān)持貫徹下列原則,才能切實(shí)發(fā)揮物理化學(xué)這一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的作用。[4]

1.承前啟后,發(fā)揮樞紐作用。了解授課對(duì)象的先修和后繼課程與物理化學(xué)的聯(lián)系,深化化學(xué)原理課程中的物理化學(xué)理論,介紹其在后繼專(zhuān)業(yè)課程中的應(yīng)用,以開(kāi)闊視野并兼顧系統(tǒng)性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容要突出重點(diǎn),講深講透,體現(xiàn)學(xué)科框架;選擇介紹相關(guān)前沿的內(nèi)容以擴(kuò)大知識(shí)面。

3.提倡內(nèi)容側(cè)重的多樣化。針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)時(shí)要不拘一格,倡導(dǎo)內(nèi)容側(cè)重的多樣化;即便面對(duì)同一專(zhuān)業(yè),內(nèi)容側(cè)重亦應(yīng)有寬松的選擇余地。

4.體現(xiàn)工科特色,強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)踐性。引入研究型實(shí)踐項(xiàng)目,使學(xué)生加深對(duì)理論的理解,提高應(yīng)用水平。

四、建設(shè)物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的措施

華東理工大學(xué)物理化學(xué)教研室在國(guó)家精品課程和國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)過(guò)程中,以提高專(zhuān)業(yè)人才的教育質(zhì)量為目標(biāo),采取了一系列措施,提高物理化學(xué)課程的教學(xué)水平和質(zhì)量,促進(jìn)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程體系建設(shè)。

1.根據(jù)授課專(zhuān)業(yè)的先修、后繼課程,研讀相關(guān)教材,如化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工過(guò)程分析與合成教材,了解其改革動(dòng)向和內(nèi)容變革,并且請(qǐng)有關(guān)學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人做物理化學(xué)在學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用介紹的報(bào)告,提出教學(xué)內(nèi)容改革建議。這樣做的結(jié)果一方面可以避免教學(xué)內(nèi)容上不必要的重復(fù),另一方面可以合理地選擇教學(xué)內(nèi)容側(cè)重,實(shí)現(xiàn)化學(xué)基礎(chǔ)課程與專(zhuān)業(yè)課程的合理銜接。

2.編寫(xiě)教材和教學(xué)參考書(shū),保障教學(xué)基本內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,介紹物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展、在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用;介紹溶液模型、線性自由能關(guān)系等半經(jīng)驗(yàn)方法,以銜接后繼課程。近年來(lái)編寫(xiě)或修訂出版了《物理化學(xué)參考》、《物理化學(xué)》(第五版)、《物理化學(xué)導(dǎo)讀》、《物理化學(xué)釋疑》、《物理化學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)指南》。開(kāi)展教學(xué)研討,提高教師隊(duì)伍的學(xué)識(shí)水平和在教學(xué)中貫徹少而精、博而通教學(xué)思想的能力。

3.制作相關(guān)前沿課題和理論應(yīng)用實(shí)例,如“正、負(fù)離子混合表面活性劑雙水相系統(tǒng)及其微觀結(jié)構(gòu)”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術(shù)”、“復(fù)雜材料的微相平衡和結(jié)構(gòu)演化的數(shù)學(xué)模擬”、“離子液體的合成、性質(zhì)和應(yīng)用”等教學(xué)素材,進(jìn)行教學(xué)資源的儲(chǔ)備。

4.由科學(xué)研究項(xiàng)目提煉研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn),如“界面上聚乳酸PLA膜的結(jié)構(gòu)特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測(cè)定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類(lèi)研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測(cè)”、“Gem-ini表面活性劑連接基團(tuán)對(duì)合成硅基介孔材料結(jié)構(gòu)的影響”等。

量子化學(xué)和量子力學(xué)的關(guān)系范文第4篇

    一、化合價(jià)概念的歷史演變

    化合價(jià)概念從提出到現(xiàn)在,已經(jīng)一個(gè)半世紀(jì),隨著人們對(duì)分子及分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入,早期那種認(rèn)為可用整數(shù)定量量度化學(xué)元素性質(zhì)的化合價(jià)概念已經(jīng)過(guò)時(shí),化學(xué)家的注意力已轉(zhuǎn)向用分子軌道理論來(lái)討論化學(xué)鍵的本質(zhì)。從歷史發(fā)展的角度來(lái)看,化合價(jià)概念的演變與發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)重要階段:化合價(jià)的提出、化合價(jià)概念的發(fā)展、化合價(jià)的電子理論階段和分子軌道理論階段。

    1.化合價(jià)概念的提出

    1852年,英國(guó)化學(xué)家弗蘭克蘭在研究金屬有機(jī)化合物時(shí)提出了化合價(jià)的思想,認(rèn)為金屬或其他元素的每一個(gè)原子在化合時(shí)具有一種特殊的性質(zhì)——化合力,即任何一個(gè)原子都有和一定數(shù)目的其他原子結(jié)合的性質(zhì)?！盎狭Α备拍畹奶岢鼋沂玖嗽鼗狭εc基團(tuán)化合力之間的聯(lián)系,“化合力”后來(lái)被德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒翻譯為“價(jià)”,得到歐洲各國(guó)的普遍認(rèn)可;我國(guó)早期使用的術(shù)語(yǔ)是“原子價(jià)”,1991年公布的《化學(xué)名詞》中譯為化合價(jià),并給出定義:一定數(shù)目的一種元素的原子只能跟一定數(shù)目的其他元素的原子化合,這種性質(zhì)叫做化合價(jià)。

    2.“化合價(jià)”概念的發(fā)展

    化合價(jià)的概念提出后,在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有相應(yīng)的理論去解釋原子間結(jié)合的原因,直到化學(xué)家們把研究重點(diǎn)從化合價(jià)的本質(zhì)轉(zhuǎn)移到原子結(jié)合的數(shù)量關(guān)系上。21世紀(jì),原子結(jié)構(gòu)理論的建立為揭示化合價(jià)的本質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。1861年,俄國(guó)有機(jī)化學(xué)家特列洛夫首先提出“化學(xué)架構(gòu)”的概念,并指出物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)決定于它的化學(xué)結(jié)構(gòu),通過(guò)化學(xué)性質(zhì)的研究可以推測(cè)化學(xué)結(jié)構(gòu),反之,根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)又可預(yù)見(jiàn)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。隨著有關(guān)分子結(jié)構(gòu)理論的不斷充實(shí),原子間結(jié)合為分子的空間取向等問(wèn)題逐步被解釋了,但是人們無(wú)法回答分子間作用力的實(shí)質(zhì)問(wèn)題,1916年美國(guó)化學(xué)家路易斯在《原子和分子》中闡釋了化合價(jià)的電子理論,解釋了分子間作用力的實(shí)質(zhì),提出:原子失去或獲得電子后形成穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu),金屬原子易失電子,非金屬原子易得電子形成負(fù)離子,正、負(fù)離子間的靜電庫(kù)倫力是離子間形成化合價(jià)的本質(zhì)。

    3.電子理論的發(fā)展

    1927年,英國(guó)化學(xué)家海特勒和德國(guó)化學(xué)家倫敦把量子力學(xué)理論應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)中來(lái),后來(lái)又經(jīng)過(guò)美國(guó)化學(xué)家鮑林等人的發(fā)展,建立了現(xiàn)代價(jià)鍵理論(簡(jiǎn)稱(chēng)VB法,又叫電子配對(duì)法),1931年,由鮑林和斯萊托創(chuàng)立了雜化軌道理論。價(jià)鍵理論和雜化軌道理論都認(rèn)為,原子的化合價(jià)與原子核外電子層中未配對(duì)的電子數(shù)目相等。因?yàn)橛袔讉€(gè)未配對(duì)電子,就可以借電子對(duì)的形式來(lái)形成幾個(gè)共價(jià)鍵,從而生成具有一定穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子。例如:H、F、O、N、He、Ne基態(tài)時(shí)原子核外未配對(duì)電子數(shù)分別是1、1、2、3、0、O,所以它們的化合價(jià)也分別為1、1、2、3、0、0。

    4.分子軌道理論階段

    化合價(jià)的電子理論雖然對(duì)解釋化學(xué)鍵的本質(zhì)起了重要作用,但是它無(wú)法解釋后來(lái)逐步發(fā)現(xiàn)的缺電子分子、夾心面包型分子或分子片等實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

    1931年鮑林提出了雜化軌道理論和電價(jià)配鍵、共價(jià)鍵的配合物價(jià)鍵理論,1932年美國(guó)化學(xué)家密立根和德國(guó)化學(xué)家洪特等人創(chuàng)立了分子軌道理論(簡(jiǎn)稱(chēng)MO理論),以及隨后提出的單電子鍵、三電子鍵和缺電子鍵等概念,使化學(xué)家們對(duì)原子間相互化合的形式、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化和發(fā)展,同時(shí)也使化合價(jià)的傳統(tǒng)概念暴露出來(lái)這樣那樣的缺陷。1938年,鮑林出版了《化學(xué)鍵本質(zhì)》一書(shū),宣告了用整數(shù)定量量度化學(xué)元素性質(zhì)的化合價(jià)的消亡,并引導(dǎo)化學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)到探索化學(xué)鍵的本質(zhì)上來(lái)。至此,人們開(kāi)始清醒地認(rèn)識(shí)到用化學(xué)鍵數(shù)目來(lái)計(jì)算原子的化合價(jià)的方法是行不通的,至少在有些類(lèi)型的化合物中是無(wú)法應(yīng)用的。這類(lèi)化合物中的化學(xué)鍵及化合價(jià)需要用量子化學(xué)理論來(lái)討論,在這些分子中原子的化合價(jià)不再是整數(shù),而可能是分?jǐn)?shù)或小數(shù)。

    二、化合價(jià)的學(xué)習(xí)困難分析

    通過(guò)對(duì)化合價(jià)概念的演變與發(fā)展的歷史回顧,我們可以看到,在第一階段的化合價(jià)概念僅僅回答了原子間相互化合的數(shù)量關(guān)系。第二階段則將化合價(jià)的數(shù)值與共價(jià)鍵數(shù)目或原子中未配對(duì)電子數(shù)目畫(huà)上等號(hào),從而使化合價(jià)這一起初比較抽象的概念變得具體起來(lái)。第三階段,化合價(jià)的分子軌道理論為揭示化學(xué)鍵的本質(zhì)提供了理論基礎(chǔ),同時(shí)說(shuō)明用整數(shù)定量度量原子化合價(jià)的概念已經(jīng)過(guò)時(shí),對(duì)于奇數(shù)電子的分子、缺電子分子和夾心面包型分子中原子的化合價(jià),必須用分子軌道理論來(lái)闡述才能得到滿(mǎn)意的解釋。這不斷變化的含義,讓化合價(jià)披上了一層神秘的面紗,也導(dǎo)致了學(xué)生化合價(jià)學(xué)習(xí)的困難。

    首先,從化合價(jià)的發(fā)展歷程可以看出,化合價(jià)這一概念的含義不斷在發(fā)生變化,而并不是我們現(xiàn)在教材中給出的化合價(jià)的含義,所以這就導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)了化合價(jià)概念之后,按照所學(xué)的化合價(jià)知識(shí)去判斷其他物質(zhì)中元素的化合價(jià)時(shí),常常會(huì)遇到解釋不通的時(shí)候,比如說(shuō)四氧化三鐵中鐵的化合價(jià)、過(guò)氧化氫中氧的化合價(jià)。這樣就導(dǎo)致學(xué)生難以理解化合價(jià)這個(gè)概念。

    初三學(xué)生在學(xué)習(xí)化合價(jià)之前頭腦中沒(méi)有與“化合價(jià)”相連接的先行組織者,化合價(jià)知識(shí)很難與學(xué)生的已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相連接,學(xué)生只能靠死記硬背老師教給的口訣,這樣學(xué)到的知識(shí)在練習(xí)應(yīng)用中又頻頻出錯(cuò),這對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)更是雪上加霜,化合價(jià)的學(xué)習(xí)更加困難。

    其次,化合價(jià)如此復(fù)雜的發(fā)展史,對(duì)于很多的初中教師也是陌生的,教師在理解化合價(jià)時(shí)都不能給出其確切的含義,如果要傳授給學(xué)生,講到什么程度、怎樣講合適,這對(duì)教師來(lái)說(shuō)本身就是一個(gè)挑戰(zhàn),所以很多教師則干脆不講,直接告訴學(xué)生一個(gè)“化合價(jià)記憶口訣”,學(xué)生們只會(huì)記住這些口訣,而對(duì)于化合價(jià)什么含義、怎么用,則是一塌糊涂。

    三、解決化合價(jià)學(xué)習(xí)困難的教學(xué)建議

    以上從化合價(jià)發(fā)展史的角度分析了初中化合價(jià)難學(xué)的主要原因,在教學(xué)中為幫助學(xué)生理解化合價(jià)的概念,教師要注意以下兩個(gè)方面:

    1.深入挖掘教材內(nèi)容,注重化合價(jià)本質(zhì)的理解

    化合價(jià)的內(nèi)容理論性較強(qiáng),需要學(xué)生的邏輯思維和抽象思維能力強(qiáng)。魯教版初中化學(xué)教科書(shū)很好地利用了化合價(jià)發(fā)展史,教材中在化合價(jià)之前先安排原子的構(gòu)成、元素等章節(jié),讓學(xué)生先了解了原子的構(gòu)成、分子的形成以及原子的八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等知識(shí),學(xué)生初步具有了從微觀的視角來(lái)分析問(wèn)題的能力。然后在“物質(zhì)組成的表示”一節(jié)中提出了“化合價(jià)”概念。從教科書(shū)內(nèi)容來(lái)看,教科書(shū)給出的“化合價(jià)”的解釋處在了“化合價(jià)”歷史發(fā)展的第二個(gè)階段:在元素化合物中,元素的化合價(jià)是由這種元素的一個(gè)原子得到或失去電子的數(shù)目決定的。這樣的編寫(xiě)順序便于學(xué)生理解。

    教師應(yīng)充分利用教科書(shū),對(duì)于化合價(jià)的教學(xué)可以從原子結(jié)構(gòu)等微觀入手,利用學(xué)生已知的“原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是最外層八個(gè)電子”,而大部分的原子的最外層都沒(méi)有達(dá)到八個(gè)電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu),所以在相互化合時(shí)元素原子為了達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu),必然要得到或失去電子,所以元素的化合價(jià)與原子的最外層電子數(shù)有關(guān),是由原子的結(jié)構(gòu)決定的,是元素的一種屬性。學(xué)生在理解化合價(jià)本質(zhì)的基礎(chǔ)上可以更好的理解化合價(jià)的定義。