時間：2023-06-25 16:20:01
導(dǎo)語：在量子化學(xué)基礎(chǔ)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
【關(guān)鍵詞】中學(xué) 化學(xué)教學(xué) 量子空間論
【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0154-01
（小敘）：課篇第一章節(jié)細讀、研讀、探透性知識點。
1.尋找研究方法 2.課題的研究內(nèi)容
3.課題研究的一些成果 4.鞏固建筑語錄
【序言】
化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué)。化學(xué)不斷地發(fā)展著，目前，人們發(fā)現(xiàn)和合成的物質(zhì)已有幾千萬種，其中很多是自然界中原本不存在的；這極大地改善了人類的生存和發(fā)展條件，豐富了人們的生活。
例如：
1.納米銅（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室溫下可拉長50多倍而不出現(xiàn)裂紋。
2.用隔水透氣的高分子薄膜做的鳥籠。
3.單晶硅為信息技術(shù)和新能源開發(fā)提供了基礎(chǔ)材料。
4.用玻璃鋼制成的船體。
總之，作為實用的、富于創(chuàng)造性的中心學(xué)科，化學(xué)在能源、材料、醫(yī)藥、信息、環(huán)境和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著其他學(xué)科所不能替代的重要潛質(zhì)作用。近年來，“綠色化學(xué)”的提出，使更多的化學(xué)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品向著環(huán)境友好的方向發(fā)展，化學(xué)必將使世界變得更加絢麗光彩。
【尋找研究方法】
第一單元 走進化學(xué)世界；
1.物質(zhì)的變化和性質(zhì)
2.化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)
3.走進化學(xué)實驗室
第二、三單元 我們周圍的空氣與自然界的水；空氣、氧氣（氧氣的制?。⑺慕M成、分子和原子、水的凈化?！皭圩o水資源”。
第四、五單元 物質(zhì)構(gòu)成的奧妙、簡單統(tǒng)計應(yīng)用；原子的構(gòu)成、元素、離子、化學(xué)式與化合價 ：
如何正確書寫化學(xué)方程式”？利用化學(xué)方程式的簡單計算？
第六、七單元 C與C的氧化物燃料及其利用；
分析：金剛石、石墨和C60 （1.CO2 的制??？ 2.CO2 與CO的區(qū)別、聯(lián)系？）
應(yīng)用：燃燒和滅火？燃料和熱量？
環(huán)保問題：“燃料對環(huán)境的影響”
自留田地：“石油和煤的綜合利用？”
第八、九單元 金屬與溶液的問題；
熟記、認識：金屬、金屬材料、金屬的化學(xué)性質(zhì)；
金屬資源的利用和保護、溶液的形成；
溶解度、溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。
第十、十一、十二單元 酸與堿 、鹽與化肥 、“化學(xué)與生活”。
生活中常見的：1.酸與堿
2.酸與堿之間會發(fā)生什么反應(yīng)
3.鹽
4.化學(xué)肥料
人體：1.人類重要的營養(yǎng)物質(zhì)
2.化學(xué)元素與人體健康
3.有機合成材料
學(xué)生自認化學(xué)常用儀器。學(xué)習(xí)“附錄”相關(guān)記錄 。
【課題的研究內(nèi)容】
無機化學(xué)中量子（分子、原子）力學(xué)論
量子化學(xué)（Quantum chemistry）是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基礎(chǔ)原理和方法研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。研究范圍包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定分子的結(jié)構(gòu)、性能及其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應(yīng)等問題。
量子化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法，研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。
1927年海特勒和倫敦用量子力學(xué)基礎(chǔ)原理討論氫分子結(jié)構(gòu)問題，說明了兩個氫原子能夠結(jié)合成一個穩(wěn)定的氫分子的原因，并且利用相當近似的計算方法，算出其結(jié)合能。由此，使人們認識到可以用量子力學(xué)原理討論分子結(jié)構(gòu)問題，從而逐漸形成了量子化學(xué)這一分支學(xué)科。
【課題研究的一些成果】
生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(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、電子水平上對體系進行精細的理論研究，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別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，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)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧妙，進而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。
【鞏固建筑語錄】
化學(xué)中常見“離子反應(yīng)”包括：“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”和“離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件”兩部分。
無機化學(xué)中最關(guān)鍵的是要有實觀性：基礎(chǔ)高層次的“化學(xué)方程式”們。
其次，稀土元素中的各種化學(xué)量變、質(zhì)變及各種物理、化學(xué)性反應(yīng)。
再次，金屬的利用、及高等積存用途。
還有，就是氣體的大力層存在行式。如同：水、陸、空，人類的生活方式。
參考文獻：
[1]初中九年級化學(xué)上、下冊課本，人民出版社出版，2011年版。
【關(guān)鍵詞】三聚體；構(gòu)象；理論計算
眾所周知，DNA分子呈現(xiàn)為螺旋形，所有氨基酸分子也都具有某種特定形狀進行生命活動，如具有α螺旋，β層或者PPII等左旋和右旋結(jié)構(gòu)等。然而，氨基酸分子正是由于具有特定的結(jié)構(gòu)形式而對生命活動有特定的影響，因此研究氨基酸分子的構(gòu)型構(gòu)象是非常重要的。同時，分子結(jié)構(gòu)也會受到不同溶劑或者分子內(nèi)氫鍵的影響，進而穩(wěn)定整個結(jié)構(gòu)[1]。我們也知道，氨基酸中最小的分子是甘氨酸，其具有一個羧基和氨基，以及與亞甲基相連。然而，當每一個甘氨酸首尾相連縮水后，就會產(chǎn)生肽鍵，而肽鍵會直接影響和作用于生命活動。同時，不同的肽鍵數(shù)目也會不同程度的影響著生命體[2]。前人借助于量子化學(xué)計算研究了脯氨酸多聚體的自聚集體，并且發(fā)現(xiàn)其β結(jié)構(gòu)形式可以作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)重構(gòu)的阻聚劑[3]。本文采用密度泛函B3LYP方法研究了甘氨酸三聚體的構(gòu)象重疊，進一步探究其可能的存在形式，為以后研究其各方面的性質(zhì)提供前期基礎(chǔ)。
1 理論方法
密度泛函DFT-B3LYP理論[4]是目前量子化學(xué)研究中常用的方法。本研究中，對甘氨酸三聚體采用6-31++G**全電子基組。為了考慮結(jié)構(gòu)中的弱相互作用，所有計算都采納了D3色散校正[5]。整個計算任務(wù)都采用GAUSSIAN 09程序包[6]，在單機上完成。
2 結(jié)果和討論
2.1 勢能面搜索及幾何結(jié)構(gòu)
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，甘氨酸三聚體主鏈有十個原子，九個成鍵，兩個肽鍵（重疊區(qū)域）?；谖覀兊慕?jīng)驗，對每一個肽鍵，采用了三個不同的扭轉(zhuǎn)二面角（分別為-60°， 60°， 180°）來搜索其勢能面的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，產(chǎn)生了3x3=9個構(gòu)象。從圖1中也可以看出，由于結(jié)構(gòu)鏈的扭轉(zhuǎn)，原子之間會存在弱相互作用，因此我們采用了B3LYP-D3校正的泛函形式[5]，這種泛函較可靠、并精確預(yù)測計算的電子能。
采用可靠的B3LYP-D3泛函，并結(jié)合6-31++G**全電子基組對甘氨酸三聚體進行了結(jié)構(gòu)全優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖1。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：主鏈上C-C平均鍵長為1.528？，靠近左側(cè)羧基的C-C鍵長較短，而靠近胺基部分的C-C鍵長則較長，N-C鍵也有類似的特征。在側(cè)鏈上的C=O鍵長分別為1.211、1.227和1.227？。同時，兩個胺基的二面角分別為176.4°和174.9°，近似于平面。此外，我們也通過比較發(fā)現(xiàn)，甘氨酸單體主鏈上O-C-C-N的二面角為-161.4°，說明在氨基酸大分子中，甘氨酸存在形式明顯不同于單體的結(jié)構(gòu)特征，也為以后生物大分子的實驗研究提供理論參考。
2.2 相對穩(wěn)定性
為了探究甘氨酸三聚體的電子特性，即從化學(xué)活性上探究化合物的穩(wěn)定性，我們對甘氨酸單體、二聚體以及三聚體的HOMO和LUMO做了分析研究，并計算了它們的HOMO-LUMO能隙（H-L）。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：三聚體的能隙為6.12 eV，其比二聚體和單體的能隙少約0.16和0.20 eV，表明甘氨酸三聚體的化學(xué)穩(wěn)定性較弱，致使HOMO電子容易躍遷到LUMO軌道上。
3 結(jié)論
本文采用量子化學(xué)計算對甘氨酸三聚體的構(gòu)象進行全局搜索，并討論了它們的相對穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與甘氨酸單體相比較，三聚體主鏈及側(cè)鏈上的鍵長都發(fā)生了變化，尤其是甘氨酸重疊的肽鍵部位。同時，通過能隙計算，我們也看到隨著甘氨酸聚合度增多，則能隙變小，表明其穩(wěn)定性更弱。這些研究結(jié)果將對理解氨基酸生物分子的生命活動提供一定的理論參考。
【參考文獻】
[1]Docampo， Z. R.； Pascu， S. I.； Kubik， S.； Otto， S. Noncovalent Interactions within a Synthetic Receptor Can Reinforce Guest Binding [J]. J. Am. Chem. Soc. 2006， 128， 11206-11210.
[2]Profant V.； Baumruk V.； Li X.； et al. Tracking of the Polyproline Folding by Density Functional Computations and Raman Optical Activity Spectra [J]. J. Phys. Chem. B 2011， 115， 15079-15089.
[3]Sandvoss， L.M.；Carlson， H. A. Conformational Behavior of β-Proline Oligomers [J]. J. Am.Chem. Soc. 2003， 125， 15855-15862.
[4]Becke A D. Density-functional thermochemistry. iii. The role of exact exchange [J]. J. Chem. Phys. 1993， 98（7）： 5648-6.
關(guān)鍵詞: 第一原理; 相互作用勢; 多元合金; 合金設(shè)計
Abstract
This is a preliminary investigation of alloy design for multi-element alloys at electronic and atomic
scale. The research shows that this idea of alloy design was feasible that first calculating the properties
of matrix with different compositions by interatomic potential， secondly selecting the attempt total composition of the alloy， then calculating the carbide volume fraction by empirical formulae， until obtaining the appropriate total composition of the alloy corresponding to the desired phase structure， finally testing the design by experiment.
Keywords: first principles， Interatomic potentials， Multi-element alloy， alloy design
1．引言
目前從電子、原子層次上進行材料設(shè)計是材料科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者們廣泛關(guān)注的熱點問題， 主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理贗勢方法，原子間相互作用勢方法，分子力學(xué) 方法，分子動力學(xué)方法及蒙特卡羅方法等。其中前兩種方法是在電子層次上進行材料設(shè)計的 方法，其方法的物理基礎(chǔ)可靠，但由于計算工作量很大，因而所計算的體系受到一定的限制。 后幾種方法是在原子及分子層次上的設(shè)計方法，這幾種方法不考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，雖然會 損失一些精度，但大體上反映出由相互作用勢所決定的晶體結(jié)構(gòu)，以及由晶體結(jié)構(gòu)所決定的 材料性質(zhì)，且計算速度明顯提高[1]。本文在多元合金的電子、原子層次的理論計算上聯(lián)合使 用了第一性原理方法和原子間相互作用勢方法，根據(jù) 3 種系列合金的關(guān)鍵問題進行理論計算 并結(jié)合其他理論計算和經(jīng)驗計算進行了合金設(shè)計探討。
2．Fe-Cr-Mn-C 系亞穩(wěn)奧氏體基鑄造合金
Fe-Cr-Mn-C 系亞穩(wěn)奧氏體基鑄造合金有優(yōu)異的耐磨性和高的抗沖刷腐蝕能力。其合金 設(shè)計的關(guān)鍵理論問題是 B 對該多元合金奧氏體體系的影響，以及對含 B 多元合金奧氏體電 子、原子層次的計算研究。通過對奧氏體合金大體系的能量計算，既可以解釋 B 元素在奧 氏體中占位、分布、固溶度、與 C 的替代作用、與其他合金元素的配合對奧氏體的影響， 又可進而解釋 B 對摩擦誘發(fā)馬氏體相變的作用[2]。Fe-Cr-Mn-C-B 系鑄造合金一般為基體（奧 氏體或馬氏體）和碳硼化物組成的雙相系統(tǒng)，其中 C 元素和 B 元素在奧氏體基體中的作用 對合金材料的性能有重要影響。C 在奧氏體中的固溶度和占位已很清楚，而 B 的固溶度和 占位還不很清楚，采用量子化學(xué)從頭計算方法，通過對含 C、B 的奧氏體小團簇電子結(jié)構(gòu)計 算，來研究 B 在奧氏體中的固溶度和占位情況。
團簇的選取以從奧氏體的實測晶格結(jié)構(gòu)出發(fā)，從中選取奧氏體中的八面體和四面體小團 簇。并在團簇中心分別加入一個 B 或 C 原子，計算團簇的結(jié)合能，見表 1。由表 1 可見奧 氏體中 Fe4 四面體團簇的原子平均結(jié)合能略大于 Fe6 八面體的，因為八面體中存在距離較遠 的三對原子，使結(jié)合能降低。B 和 C 均使四面體體積增大很多（棱長增加 34.2%），使結(jié)合 能降低，表明它們在四面體間隙存在的可能性很小，尤其是 B 更小。B 使八面體的體積增 大（棱長增加 16.2%），結(jié)合能略有升高；在體積不變時，C 使八面體的結(jié)合能略有降低， 表明 C 在奧氏體八面體間隙中的溶解度要遠大于 B。
表 1 量子化學(xué)從頭算合金小團簇的電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果
采用量子化學(xué)從頭計算精確處理含 B 小團簇，以半經(jīng)驗原子間相互作用對勢處理大團
簇，研究含微量 B 元素的合金奧氏體大體系。對含微量元素小團簇進行局部精確計算，對 大團簇采用低精度的計算方法，既能反映微量元素的作用，也使電子、原子層次的計算處理 多元合金大體系成為現(xiàn)實。
應(yīng)用量子化學(xué)從頭計算方法對含 B、C 奧氏體大體系進行局部精確計算，計算結(jié)果：B 在八面體間隙中的原子平均結(jié)合能為 1.6978eV，最近鍵距為 0.29967nm；C 在八面體間隙中 的原子平均結(jié)合能為 1.3520eV，最近鍵距為 0.25780nm；每個八面體間隙 B 原子使奧氏體
Fe 團簇總結(jié)合能降低 116.91443eV，每個 C 原子使小團簇總結(jié)合能降低 0.459142eV，B 原
子對奧氏體能量的影響是 C 原子的 254.6 倍。利用量子化學(xué)從頭計算方法計算了
Fe-Cr-Mn-C-B 系雙原子團簇的勢能，提出按勢能曲線最低點與從頭計算所得的勢能最低值 相重合的擬合原則，得出半經(jīng)驗原子間相互作用對勢的參數(shù)，并計算了奧氏體團簇的平均結(jié) 合能、平衡原子間距，結(jié)果與實驗符合。將量子化學(xué)從頭計算方法精確計算小團簇和半經(jīng)驗 原子間相互作用對勢處理大團簇相結(jié)合，計算分析 B、C 元素在奧氏體中的間隙固溶度，得 出了 B 原子處于奧氏體的八面體間隙中時的固溶度為 0.097wt%，此時對奧氏體大體系能量 的影響貢獻最大，B 在晶界和缺陷中存在對體系能量影響很小。表 2 是隨含?量增加合金奧 氏體的原子平均結(jié)合能的變化。
表 2奧氏體中其他元素近似不變時 B 含量變化引起的團簇原子平均能的變化
根據(jù)半經(jīng)驗原子間相互作用對勢計算結(jié)果，B 在晶界上與 Fe 較易結(jié)合，B 在固溶體中
晶界上的存在幾率很大，而且 B 在硼碳化物中的含量比率也很高，由此，可估算出奧氏體 基鐵合金中 B 的加入量范圍約為 0.05~1.00wt%。計算了奧氏體大團簇中 Cr、Mn、C 元素含 量固定時，B 的加入對團簇原子平均結(jié)合能的影響。隨奧氏體中 B 量的增加，原子平均結(jié) 合能降低，當 B 含量增至 0.0427wt%時，原子平均結(jié)合能與純鐵奧氏體相比降低 10%，將此 時的 B 含量定義為 B 在該團簇中的極限含量，當其他元素含量改變時，B 在奧氏體中極限 含量將有所變化。隨著結(jié)合能的降低，奧氏體更易摩擦誘發(fā)馬氏體相變。圖 1 分別是無 B 和含 B 合金磨損表面的 XRD 衍射譜。所研究開發(fā)的 Fe-Cr-Mn-C-B 系亞穩(wěn)奧氏體基耐磨鑄 造合金為新型耐磨材料（圖 2）。
（a）合金 1
（b）合金 4
圖 1 Fe-Cr-Mn-C-B 系合金摩擦表面 XRD 圖
圖 2 Fe-Cr-Mn-C-B 奧氏體基合金的組織(1000×)，
(a)合金 2，
(b)合金 3，
(c)合金 4
3．Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系馬氏體基鑄造合金
高鉻鑄鐵是高性能的耐磨材料。以高釩作為合金強化元素加入到高鉻鑄鐵中，有利于大 幅度提高高鉻鑄鐵耐磨性，并提高沖擊韌性。高鉻鑄鐵一般經(jīng)高溫淬火得到馬氏體，但高釩 高鉻鑄鐵在高溫時因強烈的氧化而不適合熱處理。為此，研究高釩高鉻鑄鐵在鑄態(tài)下得到穩(wěn) 定的馬氏體基體而省略淬火過程具有重要的實際意義。鑄態(tài)下直接得到馬氏體的關(guān)鍵是選擇 合適的化學(xué)成分。
將 Finnis-Sinclair 多體勢擴展到多元合金，建立適合于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系的多元合金的
原子間 相互 作用勢 函數(shù) ；利用 第一 性原理 從頭 算所得 的平 衡距離 及結(jié) 合能， 擬合
Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中與 Si 和 C 有關(guān)的對勢函數(shù)；利用第一性原理贗勢平面波方法 計算 Fe-Cr、Fe-V、Fe-Ni、Cr-V、Cr-Ni、Ni-V 二元合金的晶格常數(shù)、結(jié)合能及體彈性模量， 并根據(jù)計算得到的這些數(shù)據(jù)，構(gòu)造 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金中與 Fe、Cr、V、Ni 有關(guān)的 二元合金的 F-S 多體勢函數(shù)；這樣便得到了應(yīng)用于 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子間相 互作用勢函數(shù)[3]。利用所得 Fe-Cr-V-Ni-Si-C 系多元合金的原子間相互作用勢函數(shù)，研究該 多元合金奧氏體基體的穩(wěn)定性；并且通過金相顯微鏡、X-Ray 衍射儀、掃描電鏡及電子探針
等分析測試設(shè)備對多元合金樣品進行測試，對測試結(jié)果進行分析，與計算結(jié)果進行比較。 采用了獨立于實驗數(shù)據(jù)的基于第一性原理計算的晶格常數(shù)、結(jié)合能及體彈性模量構(gòu)建了 原子間相互作用勢函數(shù)，該方法對于目前還沒有足夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)的合金特別是多元合金的研究 是一個很有效的方法。將 F-S 多體勢擴展到多元合金，拓寬了理論的應(yīng)用范圍。研究結(jié)果表 明：當基體中 含 C 量大于 0.6wt%，含 Ni 量在 1.02～1.50wt%范圍內(nèi)時，合金奧氏體基體 較穩(wěn)定。當合金中 Ni 含量從 0.8wt%至 1.6wt%逐漸增加時，合金的奧氏體基體越來越穩(wěn)定；
但是，當合金中 Ni 含量達到 2.4wt%時，奧氏體基體能量卻上升，穩(wěn)定性反而下降（表 4），
Ni 含量 2.4wt%鑄造合金的殘余奧氏體量明顯低于馬氏體量。計算結(jié)果與 X 射線衍射結(jié)果一 致（參見圖 3）。
表 4 合金奧氏體基體(Fe-7.5Cr-2.2V-Ni-1.8Si-0.9C)的晶體特性
圖 3 合金 N5-N8 的鑄態(tài)下 X 射線衍射圖
圖 4 合金(1.2Ni)的鑄態(tài)組織
圖 5 合金 (1.2 及 2.4 Ni)的回火硬度
實驗表明，含 Ni 高 V 高 Cr 鑄鐵澆注后即形成馬氏體加奧氏體組織（圖 4），通過高溫
回火殘余奧氏體分解，并獲得二次硬化（圖 5），避免了高溫淬火時的嚴重氧化現(xiàn)象，成為 具有實際應(yīng)用價值的耐磨合金。
4．Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 系合金鋼
多元合金高碳鋼成分設(shè)計合適時，鋼中存在多類型碳化物（M3C、M23C6、M7C3、 M6C 和 MC），在常規(guī)的鍛軋加工和退火工藝條件下，碳化物具有超細化特征。為了開發(fā)適 應(yīng)不同生產(chǎn)條件的多類型超細碳化物高碳合金鋼，其固溶強化的 Si 元素部分以 Ni 元素替代。
因此，合理的成分設(shè)計是常規(guī)熱處理工藝下獲得超細碳化物高碳合金鋼的關(guān)鍵。 利用擴充的量子化學(xué)從頭計算程序計算 Fe、Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、C 組成的雙原 子團簇的電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，由于該程序只能計算包括 Mo 在內(nèi)的元素周期表中前 54 號元素， 而不能計算與 W 相關(guān)的雙原子團簇電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用第一性原理贗勢平面波方法計算 W 與其它原子組成的二元合金的電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，擬合半經(jīng)驗原子間相互作用對勢。利用半經(jīng)驗 原子間相互作用對勢，選擇八面體為中心的奧氏體晶胞模型、馬氏體晶胞模型，計算奧氏體、 馬氏體中各類晶胞室溫、常壓下的結(jié)合能信息。相對 γ-Fe 基體、α-Fe 基體而言，含有碳原 子和合金元素原子的晶胞均具有較大的結(jié)合能，起到固溶強化作用。
采用直接將第一性原理贗勢平面波方法計算 W 的結(jié)果與從頭計算程序計算其它原子的 結(jié)果聯(lián)合使用，或考慮 CASTEP 軟件計算結(jié)果與從頭計算程序計算結(jié)果存在整體差異，聯(lián) 合使用存在 “未校準零點”誤差，將第一性原理贗勢平面波方法計算 W 的結(jié)果除以修正系 數(shù)后與從頭計算程序計算其它原子的結(jié)果聯(lián)合使用，或考慮不含 W 元素的情況下利用從頭 計算程序計算的結(jié)果，研究 Si、Ni、C 的變化對 Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-Ni-C 多元合金基體原 子間的結(jié)合能的影響，通過三種方法計算結(jié)果比較，采用修正系數(shù)處理的方法比較合理。得 出：合金奧氏體基體、馬氏體基體原子間的結(jié)合能隨著含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的增加呈 逐漸增加的趨勢，隨 Si 含量的增加原子間的結(jié)合能急劇上升，隨 Ni 含量的增加原子間的結(jié) 合能緩慢上升，即 Si 含量的變化比 Ni 含量的變化對馬氏體基體強度影響大。當 Si 或 Ni 以 外的元素含量都不變時， Si 或 Ni 的含量在 0.2%~0.6%時， Ni 含量對原子間的結(jié)合能影響 高于 Si。Si 或 Ni 的含量在 0.6%~0.8%時，轉(zhuǎn)換為 Si 含量對原子間的結(jié)合能影響高于 Ni（圖
6）。上述結(jié)果為合金設(shè)計時根據(jù)性能要求確定 Si、Ni 含量提供理論依據(jù)。
圖 6 DM8A 合金馬氏體基體原子間的結(jié)合能隨含 C 量、含 Si 量、含 Ni 量的變化
表 5 是 3 種鋼在淬火溫度下的基體成分。DM8， DM8A 和 DM8B 鋼的基體的 C 和合金元
素含量是用相平衡熱力學(xué)和在電子、原子層次上馬氏體的原子間結(jié)合能計算的。實驗結(jié)果表 明原子間結(jié)合能與力學(xué)性能有對應(yīng)關(guān)系，其比值是 2.3 ? 10-4-2.5 ? 10-4(表.6).
表 5 三種鋼基體成分(wt%)
表 6 三種鋼馬氏體結(jié)合能和機械性能
實驗研究表明，三種中合金鋼退火后剩余碳化物均達到了超細化的程度（圖 7）。根據(jù)
三種鋼實驗結(jié)果，分析碳化物超細化的原因主要是由碳化物溶解、形核的轉(zhuǎn)變過程所引起的。 加熱至? ? ? 相變附近的溫度再退火或淬火的碳化物的細化程度依賴于碳化物類型及其比 例，因此，合理的成分設(shè)計是常規(guī)熱處理工藝下獲得超細碳化物高碳低、中合金鋼的關(guān)鍵。 與同類型鋼比較，其抗彎強度、屈服強度、撓度和沖擊韌性均明顯提高。
圖 7 三種鋼的淬火組織
根據(jù)碳化物隨溫度變化的規(guī)律，并結(jié)合熱力學(xué)相平衡計算，設(shè)計的多類型碳化物 DM7S
鋼，成分(wt%)為：C 0.85-0.95，Mn 0.3-0.5，Si 0.3-0.50，Cr 6.0-7.0， W 2.5-3.5，V 1.0-1.5，
Mo 0.85-1.5，Ni 0.25-0.42。在常規(guī)的熱處理工藝條件下，碳化物具有超細化特性（圖 8）。
1080℃以上淬火，500-560℃回火時出現(xiàn)二次硬化效應(yīng)，最高硬度接近 64HRC。
圖 8 DM7S 鋼 1100℃淬火顯微組織（a）及其碳化物顆粒尺寸分布（b）
5. 結(jié)語
本文以第一原理計算（量子化學(xué)從頭計算方法和第一性原理贗勢方法）按勢能曲線最低
點的擬合原則，對小團簇進行局部精確計算和對大團簇采用低精度的計算方法進行能量疊 加，以及用偏聚結(jié)構(gòu)晶胞的計算用于多元合金的理論計算上。雖然其理論依據(jù)和計算精度有
待于進一步探討，但卻實現(xiàn)了多元合金的電子、原子層次的理論計算。針對三種多元合金材
料的不同問題采用了不同的計算方法，計算結(jié)果與某些實驗結(jié)果相對應(yīng)。近年來，我們采用 相平衡熱力學(xué)計算、電子、原子層次上的計算以及經(jīng)驗公式相結(jié)合的合金設(shè)計計算，所開發(fā) 的合金已經(jīng)作為高性能材料用于實際生產(chǎn)中[5-7]。
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量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律的物理科學(xué)。它是20世紀人類文明發(fā)展的一個重大飛躍，量子力學(xué)的發(fā)展引發(fā)了一系列劃時代的科學(xué)發(fā)展與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。
19世紀末，正當人們?yōu)榻?jīng)典物理取得的重大成就而驚嘆不已的時候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。德國物理學(xué)家維恩通過熱輻射能譜的測量發(fā)現(xiàn)的熱輻射定理。德國物理學(xué)家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出一個大膽的假設(shè)：在熱輻射的產(chǎn)生與吸收過程中能量是以hv為最小單位，一份一份交換的。這個能量量子化的假設(shè)不僅強調(diào)了熱輻射能量的不連續(xù)性，而且與輻射能量和頻率無關(guān)由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無法納入任何一個經(jīng)典范疇。當時只有少數(shù)科學(xué)家認真研究這個問題。
著名科學(xué)家愛因斯坦經(jīng)過認真思考，于1905年提出了光量子說。1916年，美國物理學(xué)家密立根發(fā)表了光電效應(yīng)實驗結(jié)果，驗證了愛因斯坦的光量子說。
1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾為解決盧瑟福原子行星模型的不穩(wěn)定(按經(jīng)典理論，原子中電子繞原子核做圓周運動要輻射能量，導(dǎo)致軌道半徑縮小直到跌落進原子核，與正電荷中和)，提出定態(tài)假設(shè)：原子中的電子并不像行星一樣可以在任意經(jīng)典力學(xué)的軌道上運轉(zhuǎn)，穩(wěn)定軌道的作用量fpdq必須為h的整數(shù)倍(角動量量子化)，即fpdq=nk，n稱之為量子數(shù)。玻爾又提出原子發(fā)光過程不是經(jīng)典輻射，是電子在不同的穩(wěn)定軌道態(tài)之間的不連續(xù)的躍遷過程，光的頻率由軌道態(tài)之間的能量差A(yù)E=hy確定，即頻率法則。這樣，玻爾原子理論以它簡單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線，并以電子軌道態(tài)直觀地解釋了化學(xué)元素周期表，導(dǎo)致了72號元素鉛的發(fā)現(xiàn)，在隨后的短短十多年內(nèi)引發(fā)了一系列的重大科學(xué)進展。這在物理學(xué)史上是空前的。
由于量子論的深刻內(nèi)涵，以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對此進行了深入的研究，他們對對應(yīng)原理、矩陣力學(xué)、不相容原理、測不準關(guān)系、互補原理、量子力學(xué)的概率解釋等都作出了貢獻。
1923年4月，美國物理學(xué)家康普頓發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)。按經(jīng)典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而愛因斯坦光量子說這是兩個“粒子”碰撞的結(jié)果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，使光量子說得到了實驗的證明。
光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動量的粒子。1924年，美籍奧地利物理學(xué)家泡利發(fā)表了“不相容原理”：原子中不能有兩個電子同時處于同一量子態(tài)。這一原理解釋了原子中電子的殼層結(jié)構(gòu)。這個原理對所有實體物質(zhì)的基本粒子(通常稱之為費米子，如質(zhì)子、中子、夸克等)都適用，構(gòu)成了量子統(tǒng)計力學(xué)——費米統(tǒng)計的基點。為解釋光譜線的精細結(jié)構(gòu)與反常塞曼效應(yīng)，泡利建議對于原子中的電子軌道態(tài)，除了已有的與經(jīng)典力學(xué)量(能量、角動量及其分量)對應(yīng)的三個量子數(shù)之外應(yīng)引進第四個量子數(shù)。這個量子數(shù)后來稱為“自旋”，是表述基本粒子一種內(nèi)在性質(zhì)的物理量。
1924年，法國物理學(xué)家德布羅意提出了表達波粒二象性的愛因斯坦——德布羅意關(guān)系：E=hv，p=h/波長，將表征粒子性的物理量能量、動量與表征波性的頻率、波長通過一個常數(shù)h相等。
一、引言
化學(xué)在發(fā)展的前期主要運用歸納法，因此被強調(diào)為“實驗的科學(xué)”。量子力學(xué)建立起來以后，化學(xué)有了堅實的物理理論基礎(chǔ)，原則上化學(xué)變化是可以通過計算定量地說明和預(yù)測的。1929年量子力學(xué)奠基人之一Dirac就指出:“大部分物理學(xué)和全部化學(xué)的基本規(guī)律已經(jīng)完全知道了，困難只是在于運用這些規(guī)律得到的數(shù)學(xué)方程太復(fù)雜，無法求解”。盡管杰出的理論化學(xué)家如凡uling、Mulliken、Fukui等運用量子力學(xué)的概念和方法定性地處理化學(xué)問題獲得豐碩而且能在一定程度上預(yù)測新實驗的結(jié)果。計算機模擬在實際化學(xué)問題的研究中占據(jù)重要地位，正在發(fā)展成為一種其他方法不能代替的強有力的化學(xué)研究工具，化學(xué)理論計算軟件作為商品蓬勃興起，廣泛流通。當前，理論化學(xué)計算的發(fā)展趨勢是研究對象力求逼近真實的化學(xué)休系，通常是復(fù)雜的大體系;力求得到明確的定量的結(jié)論。對大體系的理論計算研究，包括發(fā)展計算方法及應(yīng)用，成為理論化學(xué)的前沿研究領(lǐng)域。下面重點對這方面的工作做簡要介紹。
二、理論化學(xué)計算方法
1.從頭計算(abi赫切)法量子化學(xué)從頭計算法不求助可調(diào)參數(shù)求解微觀粒子體系的真實的量子力學(xué)方程。為簡化間題引進三個近似:非相對論近似，Bo二一oppenhei~近似，單粒子近似或軌道近似。在上述近似下導(dǎo)出描寫電子運動的Hartree一Fock(H一F)方程或H側(cè)rt祀e一Fock-Rooth~(H一F一R)方程。為減少計算誤差，可以針對上述三個近似作校正。從頭計算法有嚴格的量子力學(xué)和數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，原則上可以達到任意精度。缺點是計算量太大，與體系電子數(shù)目的4一7次方成比例，難于處理較大的體系。目前，高等級H一RR方法可以計算上千個電子的體系。若包括精確的相關(guān)能計算，則只能處理100個左右電子的體系。2.密度泛函理論(DP】，)方法密度泛函理論用電子密度分布函數(shù)而不是用波函數(shù)來描述體系，對于多電子體系是極大的簡化。目前密度泛函理論計算方法是依靠求解近似的Koha一Sh。方程，計算量大體與體系粒子數(shù)的3次方正比例。對于大的體系，它的計算量比從頭計算(H-F-R)法要小得多而計算精度可以達到MPZ方法的水平，得到廣泛的應(yīng)用。目前用DFI，方法可以對100一200個原子(包含幾千個價電子)的體系進行高等級的計算。局限性有兩點:一是由于還不知道精確的能量密度泛函形式，計算結(jié)果的精度有限制，無法系統(tǒng)地提高計算的精度;二是還不能很好地嚴格處理與電子激發(fā)態(tài)及多重態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)的過程和性質(zhì)。3.半經(jīng)臉1子化學(xué)方法從頭計算法和密度泛函理論方法被統(tǒng)稱為第一性原理方法。半經(jīng)驗量子化學(xué)方法實質(zhì)上是在量子力學(xué)理論框架下的擂值方法，擂值函數(shù)中的特征參數(shù)通過擬合一組標樣分子的實驗與計算值來確定。半經(jīng)驗方法的計算量比第一性原理算法小2一3個數(shù)量級，用于有機分子體系比較成功，缺點是計算誤差難于估計。隨著計算能力的提高，第一性原理算法不斷發(fā)展，半經(jīng)驗方法逐步退居較次要的地位。目前仍在廣泛使用的半經(jīng)驗方法是AMI和PM3，對F扭uenheim等提出基于緊束縛近似的半經(jīng)驗密度泛函理論方法，其半經(jīng)驗參數(shù)的普適性好，有可能發(fā)展成為一種有用的計算方法。4.相對論蚤子化學(xué)計算相對論效應(yīng)對重元素化合物的結(jié)構(gòu)、性能均有很大影響。包含相對論效應(yīng)的嚴格計算要求解狄拉克方程，比非相對論計算更加困難。已經(jīng)提出了Di~F沈k(一cI)方法、相對論質(zhì)勢方法、相對論密度泛函理論方法、相對論半經(jīng)驗方法等。相對論計算的計算量一般比相應(yīng)的非相對論計算要大一個數(shù)量級。近年來發(fā)展了近似的相對論效應(yīng)計算方法，比較重要的有三種:基于狄拉克算符Pauli展開式的微擾方法、DKH方法、ZORA方法，后兩種方法更好一些。用DKH或ZORA方法，可以用比非相對論計算稍多的計算量，得到與直接求解狄拉克方程相接近的結(jié)果，可望得到廣泛的應(yīng)用，特別是應(yīng)用到比較大的含重元素的體系中。5.分子力學(xué)和分子動力學(xué)方法分子力學(xué)方法利用分子力場確定分子體系的穩(wěn)定構(gòu)型，模擬分子的振動光譜，計算氣相熱力學(xué)函數(shù)等。分子力場是分子的經(jīng)驗勢能函數(shù)，其中包含的參數(shù)通過擬合一組標樣分子的實驗與計算值確定。分子力學(xué)方法的計算量比半經(jīng)驗方法少2一3個數(shù)量級，可以處理成萬個原子的體系。缺點是:計算結(jié)果的誤差難于估計，不能用來研究過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，更不能用于討論有化學(xué)鍵形成或斷裂的間題。分子力學(xué)方法最大的用處是研究生物大分子(或高聚物)的構(gòu)型和構(gòu)象變化。分子動力學(xué)方法是在給定的分子力場下用數(shù)值方法求解多原子體系的經(jīng)典力學(xué)方程，模擬體系中各原子的運動過程，現(xiàn)在可以模擬幾千個原子組成的體系的運動?？梢郧蟮皿w系的熱力學(xué)函數(shù)，也可以尋找分子的優(yōu)勢構(gòu)象。分子動力學(xué)計算結(jié)果依賴于采用的分子勢函數(shù)。1985年Car和P恤幣neno將密度泛函方法和分子動力學(xué)方法結(jié)合起來，提出C一P方法，克服了分子動力學(xué)方法中由于使用經(jīng)驗勢函數(shù)產(chǎn)生的缺點，但計算量也就增大了許多。
三、大體系的分區(qū)計算方法
1.電子可分離性理論[s]實現(xiàn)對很大體系的計算是當前的前沿熱點。解決問題的基本思路是分區(qū)進行計算。早在1959年Mcweeny就提出電子可分離性理論:將大體系分割為若千子體系，其波函數(shù)寫成子體系波函數(shù)的全反對稱積，不同子體系波函數(shù)滿足強正交條件。分別求解各子體系的H一F方程，就可以得到大體系的波函數(shù)及能量。Huz還昭a、Adall陽和今比ert等后來深人研究了上述方法。1992年F班ncisc。等提出了不要求子體系間波函數(shù)強正交條件的方程。上述分區(qū)處理辦法雖然解決了可以計算大分子的間題，但總計算量并未減少。2.“分而治之(divids一叨d一conquer，D&C)”方法[‘，，]1991年楊偉濤在密度泛函理論的框架下提出“分而治之”的方法。將大體系分剖為若干子體系，對各子體系進行Kohn~Sham方法的密度泛函理論計算，在子體系周圍添加緩沖基函數(shù)以減少基組截斷誤差。電荷在各子體系間的分配由電負性均衡原理確定。各子體系間的庫侖及交換相關(guān)作用包含在子體系的Kohn一sham方程中。D&C方法計算盤比整體計算小得多，并且便于實現(xiàn)并行計算，是一種有效的計算大體系的方法。1995•年楊偉濤等將D&C方法推廣到分割一階約化密度矩陣，整體密度矩陣分解為若干個子體系密度矩陣的迭加。由子體系的F加k矩陣求得其分子軌道，在同一費米能級下構(gòu)造各子密度矩陣，迭加得到總密度矩陣。用于半經(jīng)驗計算，處理過幾千個原子的體系。3•線性比率(linear。e‘ng，o(N))算法I。]降低計算量隨體系粒子數(shù)的增長速率是很關(guān)鍵的問題。1991年楊偉濤在提出“分而治之”算法的基礎(chǔ)上提出實現(xiàn)對大體系線性比率算法的可能性。1995年，楊偉濤等在把D&c方法用于密度矩陣的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了半經(jīng)驗方法的線性比率算法。1996年Kohn指出線性比率算法的物理基礎(chǔ)是在外場中的量子力學(xué)多粒子平衡體系，其粒子具有“近視性，即一個小區(qū)域的靜態(tài)性質(zhì)，對于較遠距離的外場變化是不敏感的。與此相聯(lián)系，體系的一階約化密度矩陣是主對角線帶狀矩陣。隨著體系加大，矩陣帶只是成比例增長，構(gòu)造密度矩陣及將其對角化的計算量只是線性增加。D&C方法構(gòu)造密度矩陣的計算量比較大。提出過幾種效率更高的辦法:Fenni算符展開法(1994)，F(xiàn)e雙‘算符投影法(1995)，密度矩陣優(yōu)化法(1993，1996)等。線性比率算法在半經(jīng)驗方法框架內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。例如，Scuseria等用AMI計算過2O口以)個原子的體系(1998)。用大基組作精確計算的線性比率算法還難于實現(xiàn)，但研究在取得進展，例如提出了庫侖矩陣的高效率算法，交換矩陣的線性與準線性比率算法，F(xiàn)OCk矩陣的線性比率算法等。線性比率算法要對大的體系才發(fā)揮作用。從小體系計算量隨粒子數(shù)3一7次方增長速率到大體系實現(xiàn)線性比率算法，計算量隨粒子數(shù)增長的速率逐漸降低，轉(zhuǎn)變點大概在1以}一500個原子之間。
四、對大體系局部的計算
對于很多大體系，性能只與其局部有關(guān)，其余部分只起到一種支撐基體的作用。在這種情況下，對體系整體進行精確計算，事倍功半;而完全忽略基體的作用，又與實際情況差距太大，計算結(jié)果不能說明間題。針對上述情況，人們提出將體系分為環(huán)境區(qū)和活性區(qū)，分區(qū)進行不同精度計算的方法。1.分區(qū)域作不同精度計算[9]最簡單的比較粗略的做法是用近似的嚴格定域軌道(孤對、。鍵、二鍵等)堆砌出環(huán)境區(qū)的電荷分布，產(chǎn)生靜電勢，用于活性區(qū)的半經(jīng)驗自洽場計算。Bax-ter等(i卯6)提出se留(。e琢eonsistent卿pfield)方法。通過較小分子的計算得出分子片的密度矩陣。環(huán)境區(qū)的密度矩陣由分子片密度矩陣組合出來，用以計算環(huán)境對活性區(qū)的靜電勢，作自洽場計算。楊偉濤等(1998)在把D&C方法用于密度矩陣的基礎(chǔ)上提出凍結(jié)環(huán)境分子軌道的半經(jīng)驗計算方法，用來研究大體系局部構(gòu)型變化。Kau加陽n等(l990)提出先用較小基組對大體系作從頭計算，將所得定域于環(huán)境區(qū)的分子軌道凍結(jié)，再對活性區(qū)作精確的從頭計算。Morokuma等(1996)提出IMOMo方法，用模型分子代替活性區(qū)作精確從頭計算，半經(jīng)驗地扣除模型誤差?！畆t~等(1993，1996)提出局域量子化學(xué)方法，用于Hartree~FOCk計算:將環(huán)境和括性區(qū)各自的密度矩陣之和作為整個體系的起始密度矩陣，凍結(jié)環(huán)境部分，用Mcweeny提出的等幕性優(yōu)化的方法，得到在環(huán)境下活性區(qū)的密度矩陣。M二等(20(犯)提出基于D&C方法的復(fù)合哈密頓方法，對精確計算的子體系用D碑哈密頓，對環(huán)境區(qū)用半經(jīng)驗哈密頓，兩部分之間的電荷分配由電負性均衡確定?？梢杂冒虢?jīng)驗線性比率算法處理很大的環(huán)境。2.基體上添加外物的局部計算〔10.川對晶體中摻雜的局部進行計算，提出過多種方法，如原子簇近似、鑲嵌原子簇、超晶胞法等。D~si等對鑲嵌原子簇方法作了系統(tǒng)的研究，方法是:在雜質(zhì)周圍劃出一個原子簇進行計算，考慮晶體環(huán)境對原子簇的作用。將體系的格林函數(shù)矩陣分割為原子簇部分Cc。、環(huán)境部分‘D。和兩者相互作用部分‘cD和“。令‘DD部分與純晶體的相同，求解格林函數(shù)矩陣方程，可以得到‘cc和Cc。以及相應(yīng)的密度矩陣。固體表面吸附是另一類要求局部精確計算的間題。Head等(1996)提出的方法是:將基體表面原子的基組分為活性區(qū)及環(huán)境區(qū)，將環(huán)境區(qū)與活性區(qū)有相互作用的基函數(shù)成分吸收到活性區(qū)的基組中，凍結(jié)環(huán)境區(qū)的密度矩陣，將吸附分子的基組加人到擴充的活性區(qū)基組中去，進行精確計算。Salahub等(1998)提出計算金屬表面上吸附的方法，將表面分為吸附中心、軟環(huán)境區(qū)和硬環(huán)境區(qū)，凍結(jié)環(huán)境區(qū)的分子軌道，將吸附分子加到活性區(qū)作D打計算。電子在吸附區(qū)與軟環(huán)境區(qū)之間可以流動，保持電負性均衡
五、量子力學(xué)/分子力學(xué)(QM/MM)方法
對于很大的分子，上述精粗結(jié)合的QM/QM方法仍然計算量太大。分子力學(xué)方法不能用于有化學(xué)鍵斷裂或形成的研究，但在確定有機分子骨架結(jié)構(gòu)方面很有成效。QM/MM方法是把大體系分為兩個子體系，其一用量子力學(xué)處理，另一用分子力學(xué)處理。要解決的問題是對兩個子體系邊界的適當處理。當QM/MM區(qū)分界處有化學(xué)鍵x一Y被切開時，QM區(qū)的游離價需要飽和。提出過兩類處理方法。1.等效原子法MoIDkulna等用一個氫原子模擬X一Y鍵中MM區(qū)的原子Y作QM計算。在作MM計算時，不考慮這個氫原子的存在。MM區(qū)邊界上各Y原子間的非鍵作用要計算，與X原子的作用不計算。也有人用準鹵素原子模擬Y原子。楊偉濤等提出準鍵(Pseudo-bond)方法，用一個等效邊界原子BY代替Y原子并人QM區(qū)作計算。BY原子只有一個成鍵價電子，通過模擬具有類似X一Y鍵的小分子的計算選擇其有效勢函數(shù)參數(shù)，使得計算出的xeeBY鍵長、鍵強及對活性區(qū)的影響與X一Y鍵很接近。在作MM計算時，不考慮Y原子，但在計算QM/MM區(qū)的相互作用時考慮MM區(qū)其余原子與Y原子的作用。2.等效健方法凡vail等用一個嚴格定域的軌道(填充兩個電子，由類似小分子計算得到)代替x一Y健作QM計算。高加力、Friesner等對這一方法進行改進，使計算結(jié)果更符合實際。MM計算時QM/MM區(qū)邊界上的原子與MM區(qū)其余原子間的相互作用勢參數(shù)要作適當調(diào)整。QM/MM方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，盡管還有問題沒有滿意地解決。顯然，QM/MM方法很容易推廣為QM/QM/MM方法，即對活性區(qū)和對活性區(qū)影響大的區(qū)域分別采用高精度和低精度的QM計算，對遠離活性區(qū)的環(huán)境作MM計算。QM/MM方法也容易推廣為QM/MD方法，QM/MD區(qū)邊界以及兩區(qū)的相互作用勢問題采用類似的辦法處理。
關(guān)鍵詞：單元教學(xué)設(shè)計；關(guān)鍵；核心；重點；分子的立體構(gòu)型
文章編號：1005－6629(2011)02－0005－03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
傳統(tǒng)的教學(xué)以課時為教學(xué)時間單位，以教材的自然章、節(jié)(專題、單元)的欄目為教學(xué)內(nèi)容。這樣的教學(xué)重視一個個知識點的突破，以知識點的積累構(gòu)建學(xué)科體系和學(xué)科觀念。由于教學(xué)過程中師生過于關(guān)注知識點學(xué)習(xí)目標和任務(wù)的完成。容易產(chǎn)生只見樹木不見森林的心理效應(yīng)，忽視相關(guān)知識點學(xué)習(xí)目標和任務(wù)的內(nèi)在聯(lián)系，不利于學(xué)科體系和學(xué)科觀念的整體構(gòu)建。單元教學(xué)則強調(diào)教學(xué)目標全面性和教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程系統(tǒng)性設(shè)計，以提高課時教學(xué)效益，增進學(xué)生學(xué)科體系和學(xué)科觀念的整體構(gòu)建。所謂教學(xué)單元就是指一個特定主題下相關(guān)教學(xué)目標、內(nèi)容、過程的集合。單元教學(xué)指教師在對課程標準、教材等教學(xué)指導(dǎo)性資源進行深入地解讀和剖析后，根據(jù)自己對教學(xué)內(nèi)容的理解以及學(xué)生的情況和特點，對教學(xué)內(nèi)容進行分析、整合、重組，形成相對完整的教學(xué)主題，并以一個完整的教學(xué)主題作為一個教學(xué)單元的教學(xué)。單元教學(xué)強調(diào)從單元整體出發(fā)設(shè)計教學(xué)，突出教學(xué)目標、內(nèi)容和過程的整體性、聯(lián)系性和發(fā)展性。因此，單元教學(xué)應(yīng)從單元教學(xué)內(nèi)容著手、從單元教學(xué)目標著眼、從單元教學(xué)策略著力。“三序融合”是單元教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的關(guān)鍵，觀念建構(gòu)是單元教學(xué)目標設(shè)計的核心，學(xué)生活動是單元教學(xué)策略設(shè)計的重點。
1 “三序融合”是單元教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的關(guān)鍵
課堂教學(xué)是一個多元的、開放的、動態(tài)的系統(tǒng)，它要求將“知識的邏輯發(fā)展順序、教材的文本呈現(xiàn)順序、學(xué)生的認知心理順序”有機地融合起來確定教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)順序?！叭蛉诤稀笔菃卧虒W(xué)內(nèi)容設(shè)計的關(guān)鍵。
知識的邏輯發(fā)展順序就是學(xué)科概念產(chǎn)生、發(fā)展、衍變的脈絡(luò)。20世紀初，路易斯的“八隅律”理論從稀有氣體最外層電子構(gòu)型的穩(wěn)定性出發(fā)。從共用電子對角度解釋了一些分子的“化學(xué)作用力”。然而。路易斯結(jié)構(gòu)式不能很好地表達分子的立體結(jié)構(gòu)，也不能表達比傳統(tǒng)的單鍵、雙鍵、叁鍵更復(fù)雜的化學(xué)鍵。路易斯結(jié)構(gòu)式中單鍵、雙鍵、叁鍵的實質(zhì)一直到量子化學(xué)建立后才得到合理解釋。這種基于基態(tài)原子軌道重疊的量子化學(xué)模型，在說明很多分子或離子的立體結(jié)構(gòu)時卻無能為力。為此，為了解釋分子或離子的立體構(gòu)型，泡林(L.Pauling)以量子力學(xué)為基礎(chǔ)提出了雜化軌道理論。1940年希吉維克(Sidgwiek)和坡維爾(Powell)在總結(jié)實驗事實的基礎(chǔ)上提出了一種簡單的理論模型。用以預(yù)測簡單分子或離子的立體結(jié)構(gòu)。后來發(fā)展為價層電子對互斥模型。隨著大量分子或離子的立體結(jié)構(gòu)實驗事實的積累，人們進一步發(fā)現(xiàn)分子或離子的組成、價電子總數(shù)與其立體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特征的內(nèi)在聯(lián)系，提出了“等電子體原理”。這種基于類比思維的方法豐富了對未知分子或離子立體結(jié)構(gòu)的認知。配位鍵則是經(jīng)典價鍵理論的衍變，為解釋配合物結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，雜化軌道理論又得到進一步發(fā)展。
材的文本呈現(xiàn)順序就是教學(xué)內(nèi)容以不同欄目、順序的敘述和表達方式?！胺肿拥牧Ⅲw結(jié)構(gòu)”是人教版《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章“分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”第二節(jié)教學(xué)內(nèi)容，承接第一節(jié)“共價鍵”之后，后續(xù)第三節(jié)是“分子的性質(zhì)”。教材上本節(jié)首先引導(dǎo)學(xué)生重溫一些常見分子的結(jié)構(gòu)和立體模型，并用“資料卡片”欄目豐富拓展學(xué)生對多原子分子立體結(jié)構(gòu)的認識，感受“分子世界是如此形形”。在“科學(xué)視野”欄目提出“分子的立體構(gòu)型是怎樣測定的”，隨后通過具體實例重點介紹了“價層電子對互斥理論”預(yù)測分子立體構(gòu)型的基本概念、一般步驟。在“雜化軌道理論簡介’’中，由經(jīng)典價鍵理論說明甲烷的化學(xué)鍵與甲烷實際立體構(gòu)型的矛盾，激發(fā)認知沖突，介紹雜化軌道理論的要點以及常見雜化軌道的類型與分子立體構(gòu)型的關(guān)系。在“配合物理論簡介”中，主要通過實驗讓學(xué)生感受配合物的存在和形成，通過具體實例認識配位鍵、配離子、配合物概念。而“等電子體原理”，則安排在第一節(jié)“共價鍵”之中?？傮w而言，這些物態(tài)化的教學(xué)內(nèi)容之間缺乏內(nèi)在的心理聯(lián)系線索。照本宣科，難以與學(xué)生的認知心理相協(xié)同。
學(xué)生的認知心理順序就是基于學(xué)生生活經(jīng)驗、學(xué)習(xí)經(jīng)歷以及與之思維水平和認知風(fēng)格相適應(yīng)的學(xué)習(xí)路徑。在《化學(xué)1》和《有機化學(xué)》的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已初步認識了一些常見分子的立體構(gòu)型。在第一節(jié)“共價鍵”學(xué)習(xí)中，在從原子軌道重疊的角度分析氯化氫分子的形成時，學(xué)生能聯(lián)想到水分子、氨分子的形成過程，產(chǎn)生與其立體構(gòu)型不符的認知沖突，進而產(chǎn)生從基態(tài)碳原子的電子排布無法說明一個碳原子為什么能結(jié)合四個氫原子，更不能說明甲烷的正四面體立體構(gòu)型的困惑。這些沖突和困惑正是雜化軌道理論引入的契機。在對比甲烷分子、氨分子、水分子的中心原子雜化方式與它們鍵角差異時，學(xué)生已接納“相同的電子對斥力相同”、“不同的電子對斥力不同”、“孤電子對比成鍵電子對斥力大”等觀念，這些都是“價層電子對互斥理論”的精髓。
學(xué)生探究欲的激發(fā)和知識的內(nèi)在邏輯生長，是確定單元教學(xué)內(nèi)容和順序的根本依據(jù)。“認識共價分子結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，能根據(jù)有關(guān)理論判斷簡單分子或離子的構(gòu)型，能說明簡單配合物的成鍵情況”是《高中化學(xué)課程標準》所要求的。結(jié)合課程標準和“三序融合”的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計思想，確定本單元教學(xué)內(nèi)容和順序為“雜化軌道理論簡介”、“價層電子對理論”、“等電子體原理”、“配合物理論簡介”。
2 觀念建構(gòu)是單元教學(xué)目標設(shè)計的核心
教學(xué)目標是指通過教師設(shè)計的有組織、有計劃的教學(xué)活動，對學(xué)生身心發(fā)展變化的期望，是學(xué)習(xí)者通過教學(xué)后應(yīng)該表現(xiàn)出來的可見行為的具體明確的表述。傳統(tǒng)的教學(xué)目標設(shè)計關(guān)注課時目標的設(shè)計，往往過于重視知識和技能這些有形的、顯性的目標范疇，不利于學(xué)生方法性、觀念性這些高層次目標的實現(xiàn)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，學(xué)習(xí)是學(xué)生主動地將原有經(jīng)驗和新信息進行對比、分析、批判、選擇和重建知識結(jié)構(gòu)的過程，是觀念(概念)的發(fā)展或改變，而不是新信息的簡單積累。教學(xué)是為了促進學(xué)生從舊觀念向新觀念轉(zhuǎn)變，教師的任務(wù)則是選擇能有效促使學(xué)生發(fā)生觀念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略。所謂觀念就是人們對事物概括性的、根本性的認識，它建立在知識、技能和方法層面，又是在這些層面上的凝煉和升華，對學(xué)生身心發(fā)展變化起著決定性和持久性的影響。因此，單元教學(xué)目標設(shè)計應(yīng)重視教學(xué)目標的整體性、全面性，觀念建構(gòu)是單元教學(xué)目標設(shè)計的核心。
“分子的立體結(jié)構(gòu)”教學(xué)單元要幫助學(xué)生建構(gòu)哪些觀念呢?
首先，理論的提出源于事實，并隨著人們對事實的不斷認識而發(fā)展、完善。在實際教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生總是糾結(jié)于怎么知道碳原子采用了什么樣的雜化方式?其實。雜化軌道理論的提出是基于對分子或離子立體構(gòu)型的解釋，人們并不能由此理論預(yù)知中心原子的雜化方式進而推演分子或離子的實際立體構(gòu)型。分子或離子的立體構(gòu)型是物質(zhì)本身的固有性質(zhì)，它只能通過實驗的方法測知。從路易斯的“八隅律”理論到基態(tài)
原子軌道重疊的量子化學(xué)模型。再到以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的雜化軌道理論以及配位鍵理論。反映了人們對分子的“化學(xué)作用力”由現(xiàn)象到本質(zhì)、由簡單到復(fù)雜、由片面到全面不斷深化的認識過程。
其次，理論模型是基于經(jīng)驗事實的概括，它不能反映事實的全部?！皟r層電子對互斥模型”作為一種簡單的理論模型，用以預(yù)測簡單分子或離子的立體結(jié)構(gòu)，僅是在有限范圍內(nèi)具有正確性。實際教學(xué)中，有學(xué)生不自覺地將此模型遷移到多中心分子或離子甚至配合物中，反映了教學(xué)中學(xué)生對要領(lǐng)的內(nèi)涵和外延理解不準確?！暗入娮芋w原理”的本質(zhì)是一種類比思維，類比是推理的一種重要方式，是人們認識新事物或做出新發(fā)現(xiàn)的重要思維形式。但類比的結(jié)果是否正確，還需要經(jīng)過實踐檢驗。初學(xué)時，學(xué)生利用“等電子體原理”以二氧化碳的立體構(gòu)型為原型判斷二氧化硅的立體構(gòu)型導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，反映了理論被“泛化”的傾向。在教學(xué)的整個過程中，教師必須引導(dǎo)學(xué)生正確地面對“理論的有用性和理論的局限性”雙重屬性，這是一個具有化學(xué)學(xué)科特性和科學(xué)教育共性的普遍意義的問題。
3 學(xué)生活動是單元教學(xué)策略設(shè)計的重點
所謂教學(xué)策略，就是為了實現(xiàn)教學(xué)目標，完成教學(xué)任務(wù)所采用的方法、步驟、媒體和組織形式等教學(xué)措施構(gòu)成的綜合性方案。它是實施教學(xué)活動的基本依據(jù)，是教學(xué)設(shè)計的中心環(huán)節(jié)。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教學(xué)目的是把課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)主體的主體意識和主體能力，教學(xué)的整個過程就是為了學(xué)生主體性的發(fā)展和增強。因此，要把促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)作為教學(xué)策略設(shè)計的重點。這就要求把調(diào)動學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力放在首位，重在誘發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，激發(fā)濃厚的學(xué)習(xí)興趣，形成積極的學(xué)習(xí)態(tài)度和良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣；教師要關(guān)注教學(xué)過程的問題化，從學(xué)生的經(jīng)驗、生活出發(fā)，創(chuàng)設(shè)一定的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題，為學(xué)生的自主發(fā)展提供時間和空間：要關(guān)注教學(xué)過程的活動化，通過組織多形式、多層次的課堂討論、交流、辨論、競賽、操作、演示等豐富多樣的親歷活動來充實教學(xué)過程。
例如，在“雜化軌道理論簡介”中可以H2O、NH3、CH4為例，從基態(tài)原子的原子軌道重疊角度形成的鍵角與分子的實際鍵角差異，產(chǎn)生認知沖突，設(shè)計以下問題：
(1)按基態(tài)原子原子軌道重疊的方式和角度，H2O、NH3分子的鍵角應(yīng)為多少?為什么與H2O、NH3分子的實際鍵角有差異?
(2)按基態(tài)原子軌道的電子排布。1個碳原子能結(jié)合多少個氫原子?為什么1個碳原子能結(jié)合4個氫原子形成CH4分子?為什么CH4分子是正四體空間構(gòu)型?
學(xué)生在強烈的動機和興趣驅(qū)動下，較好地理解雜化軌道理論提出的緣由、要點和類型。
在“價層電子互斥理論”教學(xué)過程中進行誘導(dǎo)啟發(fā)：為什么中心原子同為sp3雜化的CH4、NH3、H2O分子中的鍵角卻不相同?
通過討論、分析、比較，使學(xué)生感悟：分子中的鍵角或分子的幾何構(gòu)型主要取決于中心原子的價電子層中各電子對問的相互排斥作用。這些電子對在中心原子周圍按盡可能互相遠離的位置排布，以使彼此間的排斥能最小。還可以通過“氣球游戲”，讓學(xué)生在實踐活動中得到啟迪：當物體所占空間因素相同時，它們彼此趨向均勻分布；較大物體會“擠占”較小物體的空間。從生活中的實例類比，體會價層電子對互斥模型的合理內(nèi)涵。
在“等電子體原理”的教學(xué)中。啟發(fā)學(xué)生思考：我們已知CH4、NH3、H2O、BF3、BeCl2分子的空間構(gòu)型分別為正四體形、三角錐形、折線形、正三角形、直線形，與這些分子空間構(gòu)型相同的分子還哪些?為什么這些分子的空間構(gòu)型相同?學(xué)生在尋找這些分子的過程中，水到渠成地歸納概括出：相同價電子總數(shù)且相同原子數(shù)的兩個或兩個以上的分子或離子，具有相同的結(jié)構(gòu)特征(立體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵類型)。
從教學(xué)內(nèi)容上講，單元教學(xué)設(shè)計不再拘泥于教材固有章節(jié)順序，改變以課本為中心，依據(jù)對課程標準的分析和學(xué)生的需要以及學(xué)科內(nèi)在邏輯，統(tǒng)籌重組和整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容體系；從教學(xué)目標上講，單元教學(xué)設(shè)計在關(guān)注知識、技能目標的同時，更重視思想、觀念這些高層次目標的達成；從教學(xué)策略上講，單元教學(xué)設(shè)計更強調(diào)促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的活動。如果說，課時教學(xué)設(shè)計側(cè)重在微觀層面完成具體的教學(xué)任務(wù)，那么。單元教學(xué)設(shè)計則在宏觀層面完成一個主題的教學(xué)任務(wù)，因而更突出教學(xué)設(shè)計的整體性、聯(lián)系性和發(fā)展性。
參考文獻：
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[2]何彩霞，化學(xué)學(xué)科觀建構(gòu)是單元教學(xué)的核心――“物質(zhì)的分類”單元教學(xué)的思考[J].化學(xué)教育，2009(2)：7.
目前，在化學(xué)界對理論與實驗關(guān)系的討論由來已久，有些強調(diào)理論，有些強調(diào)實驗。這些觀點都具有片面性，不利于教學(xué)和科研，也不利于學(xué)科的全面發(fā)展。本文試圖從化學(xué)發(fā)展史及其發(fā)展趨勢的角度探討一下化學(xué)理論與實驗的關(guān)系及對化學(xué)教育的作用。
一、化學(xué)理論與化學(xué)實驗的辯證關(guān)系
(一)從化學(xué)發(fā)展史看化學(xué)理論與實驗1.近代化學(xué)。從人類利用火起是人類應(yīng)用化學(xué)的萌芽。隨著人類社會生活的發(fā)展，出現(xiàn)一些冶金技術(shù)和醫(yī)藥化學(xué)，也有一些代表性著作，但在古代、中古時代的化學(xué)以生產(chǎn)經(jīng)驗的積累、整理為主，未能成為科學(xué)，只是在17世紀后期到19世紀末，化學(xué)在大量實驗的基礎(chǔ)上建立起初步的理論，從而發(fā)展為實驗科學(xué)。這段時間為近代化學(xué)發(fā)展史，化學(xué)以實驗為主。近代化學(xué)奠基人波義耳、拉瓦錫、道爾頓等從不同的角度和方面闡述了化學(xué)理論與實驗的關(guān)系。在他們的一生工作中與實驗密不可分。波義耳認為:人之所能效力于世界，莫過于勤在試驗上作功夫，他在大量化學(xué)實驗的基礎(chǔ)上提出了元素的定義，為研究物質(zhì)的組成指出了明確的方向，從而使化學(xué)發(fā)展到一個新的階段?；瘜W(xué)由此被確立為科學(xué)(恩格斯語)。從波義耳、拉瓦錫、道爾頓等近代化學(xué)奠基人的工作中可以看出，在化學(xué)發(fā)展的近代史階段，化學(xué)理論是對大量化學(xué)實驗工作的總結(jié)和概括，其理論對新的實驗給予了指導(dǎo)。其發(fā)展模式應(yīng)是實驗一理論一實驗……，二者相互聯(lián)系，交替式促進發(fā)展。在近代化學(xué)史階段，化學(xué)以實驗為主，是一門實驗科學(xué)。2.現(xiàn)代化學(xué)。進入20世紀以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的突飛猛進，化學(xué)理論與實驗水平有了顯著提高，隨著化學(xué)動力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)統(tǒng)計熱力學(xué)、量子化學(xué)等理論的建立、發(fā)展和完善，化學(xué)發(fā)展為一個新的更高階段，即現(xiàn)代化學(xué)。在現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展階段，實驗技術(shù)、手段等不斷提高、更新。許多高新尖技術(shù)如無線電電子技術(shù)、真空技術(shù)、高能技術(shù)、高溫技術(shù)、高壓技術(shù)、激光技術(shù)、低溫超導(dǎo)技術(shù)、計算機技術(shù)等被應(yīng)用于化學(xué)實驗中，人類對化學(xué)各個方面的認識得到了加強，固有的理論被完善和加強，新的理論被建立?，F(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展，距今已近百年。1916年相對論建立，1926年量子力學(xué)建立，改變了人類的時空觀?，F(xiàn)代化學(xué)基本理論逐步形成和建立。60年以后，借助計算機科學(xué)技術(shù)的進步，不僅量子化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，而且化學(xué)科學(xué)正在走向分子設(shè)計新方向。分子反應(yīng)動力學(xué)以及態(tài)一態(tài)化學(xué)的發(fā)展，正在分子水平的微觀程度上對化學(xué)科學(xué)的核心問題一化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)作深入的揭示?；瘜W(xué)研究的范圍已擴展到宇宙空間，人類社會、微觀世界的各個領(lǐng)域，幾乎無處沒有化學(xué)，形成了眾多的交叉邊緣學(xué)科。從現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展史看，化學(xué)理論與化學(xué)實驗的關(guān)系更為復(fù)雜，更為密切。人類從更精密、更準確的化學(xué)實驗中建立起新的化學(xué)理論，而理論又反過來指導(dǎo)新的實驗。實驗與理論相結(jié)合，實驗在檢驗理論的同時，又促使人們提出更新的理論。這一理論是對前一理論的補充、完善或者部分否定?，F(xiàn)代化學(xué)發(fā)展階段，理論與實驗已不再如近代化學(xué)發(fā)展階段交替式促進，其發(fā)展模式以如下方式進行:（圖略）化學(xué)理論與實驗的關(guān)系已是密不可分，二者是共同促進的過程。
(二)從21世紀化學(xué)的發(fā)展趨勢看化學(xué)理論與實驗21世紀將是化學(xué)科學(xué)全面發(fā)展的世紀?；瘜W(xué)理論、實驗和應(yīng)用都將獲得巨大成果。化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，不僅將在更深層次揭示化學(xué)反應(yīng)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，.72而且將在揭示和解決許多自然的、社會的、精神的實際問題如生命科學(xué)中的化學(xué)問題、環(huán)境中的化學(xué)問題、人類認識和思維的物質(zhì)基礎(chǔ)及其化學(xué)過程中發(fā)揮巨大作用和作出貢獻?；瘜W(xué)學(xué)科的發(fā)展，將在繼續(xù)分化的同時，更重要的趨勢是走向綜合。一方面化學(xué)的四大學(xué)科無機、有機、分析、物化的內(nèi)部在分化、綜合、交叉、滲透發(fā)展中將模糊界限;另一方面化學(xué)將與物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)以及自然科學(xué)其它學(xué)科乃至人文和社會科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉、滲透、融合和相互促進，形成更大的更多的綜合趨勢。化學(xué)科學(xué)的發(fā)明與創(chuàng)造被應(yīng)用的周期將迅速縮短，化學(xué)與化工、材料、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、軍工等產(chǎn)業(yè)密切結(jié)合?；瘜W(xué)理論的獨立性將增強，實驗技術(shù)會迅速提高。人們在大量實驗的基礎(chǔ)上建立起新的化學(xué)理論的同時，將利用更多更新的高精尖實驗技術(shù)乃至人們自身的思維實驗加以驗證。實驗與理論的關(guān)系將更加密不可分。
二、化學(xué)理論與實驗的關(guān)系對教學(xué)的啟示
(一)更新教育思想明確培養(yǎng)目標現(xiàn)代化學(xué)教育是一個向多樣化、綜合化、個性化、終身教育等立體發(fā)展的過程，應(yīng)擯棄專業(yè)劃分過窄、知識面分割過細的觀念，擯棄單純傳授具體知識的觀念，擯棄單一的教師講學(xué)生聽的教學(xué)方法，強調(diào)綜合性和整體性的素質(zhì)教育，強調(diào)分析、解決問題能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，強調(diào)發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性，強調(diào)雙向式教學(xué)，使學(xué)生具有自我開拓和獲得知識的能力。
滬教版化學(xué)九（上）“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”是在學(xué)生學(xué)習(xí)了用元素概念定性地表示物質(zhì)組成的基礎(chǔ)上，進一步從定量的角度來學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的組成。本節(jié)課的難點是讓學(xué)生建立和理解元素在物質(zhì)（化合物）中的質(zhì)量分數(shù)的概念，引領(lǐng)學(xué)生從微觀粒子的數(shù)量與質(zhì)量的角度，推算出組成宏觀物質(zhì)中各元素質(zhì)量關(guān)系，也是幫助學(xué)生理解化學(xué)學(xué)科中“宏觀-微觀-符號”這三重表征的極好素材。
“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”一節(jié)內(nèi)容較為抽象與深奧，且遠離學(xué)生的生活經(jīng)驗和感性知識，這給教學(xué)帶來了一定的困難。為較好地突破教學(xué)中的這一難點，幫助學(xué)生用定量的觀點去學(xué)習(xí)化學(xué)，教師在教學(xué)中可通過觀察、想象、模型化等方法，化虛無抽象為形象直觀，逐步引領(lǐng)學(xué)生從定性到定量，初步理解物質(zhì)的組成。同時通過類比推理，學(xué)生的抽象思維能力和定量計算能力也能有所提高。
二、教學(xué)片斷
環(huán)節(jié)一：問題情景。
【投影】尿素是農(nóng)業(yè)上常用的一種氮肥。小強看到某化肥標簽如下：
試幫助小強回答下列問題：
（1）尿素含氮量的含義。
（2）尿素中的含氮量是如何計算出來的？
學(xué)生活動：思考、討論。
環(huán)節(jié)二：定比定律介紹。
【閱讀】法國化學(xué)家普魯斯特發(fā)現(xiàn)定比定律的化學(xué)史。
【講解】每一種化合物都有固定的組成，且組成化合物的各成分元素的質(zhì)量比是一定的，這一規(guī)律稱為定比定律，又稱定組成定律。
學(xué)生活動：閱讀、思考。
環(huán)節(jié)三：水中氫、氧元素質(zhì)量比。
【活動】指導(dǎo)學(xué)生用下面的模型搭出水分子結(jié)構(gòu)，再拼出1個水分子中氫、氧原子質(zhì)量比的示意圖。
【講解】水中氫、氧原子個數(shù)比n（H）：n（O）=2：1，1個水分子中所有的氫原子和氧原子的質(zhì)量之比，即是水中氫元素和氧元素的質(zhì)量之比。
1個水分子中氫原子和氧原子的質(zhì)量比=
【講解】原子的質(zhì)量都很小，計算時使用相對原子質(zhì)量。
【總結(jié)】化合物中各元素質(zhì)量比=該元素原子的相對原子質(zhì)量×原子個數(shù)之比。
【鞏固】計算下列物質(zhì)中原子個數(shù)比、各元素的質(zhì)量比：（1）氨氣（NH3）；（2）尿素〔CO（NH2）2〕。環(huán)節(jié)四：水中氫元素的質(zhì)量分數(shù)。
【活動】用模型拼出氫元素質(zhì)量在水中占的質(zhì)量比例（質(zhì)量分數(shù)）。
【講解】一個水分子中所有的氫原子的質(zhì)量與這個水分子的質(zhì)量之比，即是水中氫元素的質(zhì)量分數(shù)。
1個水分子中氫原子所占的質(zhì)量分數(shù)=
【講解】分子和原子的質(zhì)量都很小，計算時使用相對分子質(zhì)量和相對原子質(zhì)量。
環(huán)節(jié)五：拓展應(yīng)用。
【情景再現(xiàn)】尿素是農(nóng)業(yè)上常用的一種氮肥。小強同學(xué)看到某化肥廣告如下：
請你運用本節(jié)課所學(xué)知識判斷這袋尿素樣品是純凈物還是混合物？
學(xué)生活動：
通過計算，純尿素的含氮量為46.7%。而樣品中氮元素的質(zhì)量分數(shù)為43.5%，低于純尿素中氮元素質(zhì)量分數(shù)，故為混合物。
【課堂小結(jié)】結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，從知識、方法、規(guī)范、學(xué)科觀念談一談這節(jié)課的收獲。
三、教學(xué)反思
從宏觀到微觀，從定性到定量，是化學(xué)教學(xué)中的一大難點。本節(jié)課將宏觀計算演變成微觀模型的演示，從而化抽象為直觀，進一步提高學(xué)生對物質(zhì)的微粒觀、元素觀的認識。
1.合理設(shè)置教學(xué)臺階。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容是初中化學(xué)計算的開始，設(shè)計時以學(xué)生熟悉的化學(xué)肥料（尿素）為素材，以問題鏈作為主線，同時以組成相對簡單的水為例，用球棍模型讓學(xué)生體驗水分子與氫原子和氧原子的關(guān)系。通過模型，學(xué)生總結(jié)出水分子中氫、氧原子質(zhì)量比和氫原子在水分子中占的質(zhì)量比例，然后通過類比、歸納等方法得出氫、氧元素質(zhì)量比和水中氫元素的質(zhì)量分數(shù)。教學(xué)以生活經(jīng)驗為基礎(chǔ)，拾級而上，降低學(xué)習(xí)的難度。
【關(guān)鍵詞】 Chem3D；有機化學(xué)；教學(xué)
Chem3D是英國劍橋軟件公司（CambridgeSoft Corporation）所編寫的Chemoffice 化學(xué)辦公軟件的一個組成部分，其界面友好，便于操作，可以顯示分子的立體結(jié)構(gòu)、鍵長、鍵角、分子軌道形狀等，同時還具有簡單的量子化學(xué)計算功能，可以對有機分子進行能量、電荷分布、紅外和拉曼光譜、核磁性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等的計算與模擬。作為一款專業(yè)的化學(xué)圖形軟件，Chem3D可以為化學(xué)教育工作者［1］，特別是有機化學(xué)教師在教學(xué)工作中帶來很多便利。下面簡單介紹筆者在有機化學(xué)［2-3］教學(xué)過程中利用Chem3D軟件的實踐和體會。
1 在構(gòu)象教學(xué)中的應(yīng)用
環(huán)己烷的構(gòu)象是有機化學(xué)教學(xué)中的一個難點，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中總是占用大量的時間，但是教學(xué)效果也并不理想。利用Chem3D可以簡單形象的把環(huán)己烷的兩種經(jīng)典的構(gòu)象椅式和船式［圖1(a)， (b)］展現(xiàn)出來，為教學(xué)提供很多便利。
在授課時，可以事先在制作的PPT中插入超級鏈接，然后就可以方便地把已經(jīng)制作好的圖形文件打開。如圖1(e)所示，點擊鼠標左鍵，可以使模型任意地旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生從不同的角度觀察分子模型，從而可以清楚地辨認出e鍵和a鍵的位置以及它們的特點。還可以用鼠標選定任意的兩個氫原子，軟件則自動測出兩者之間的距離，從而很方便地說明椅式構(gòu)象沒有空間張力，而船式構(gòu)象存在較大的空間張力。并且通過軟件的Model Display選項，可以控制圖形顯示或不顯示氫原子，便于學(xué)生分辨出船式和椅式構(gòu)象。
一般學(xué)生通過教材中的圖1(c)、1(d)很難想象的出它們就是圖1(a)、(b)所表示的分子構(gòu)象，但是通過Chem3D的圖像旋轉(zhuǎn)功能可以很清楚地把圖1(e)旋轉(zhuǎn)為1(g)，圖1(f)旋轉(zhuǎn)為1(h)。通過觀察圖1(g)和1(h)中的分子構(gòu)象特征，很容易發(fā)現(xiàn)前者的氫處于對位交叉式，而后者的氫處于重疊式。這也說明了椅式構(gòu)象的扭轉(zhuǎn)張力小，能量低，船式構(gòu)象的扭轉(zhuǎn)張力大，能量高。這樣的授課方式對于一些空間想象能力不夠好的學(xué)生起到一個很好的輔助理解作用。
在講取代環(huán)己烷的構(gòu)象分析時，同樣可以利用Chem3D來建立模型，觀察分子的立體結(jié)構(gòu)以及空間張力。另外，還可以利用Chem3D自帶的量子化學(xué)計算程序，快速地計算出取代基分別位于e鍵和a鍵時分子的能量，比較分子能量的大小就可以很容易地判斷出當取代基位于e鍵時的構(gòu)象是優(yōu)勢構(gòu)象。這樣通過3D模型和理論計算兩種方法證明了教材中給出的結(jié)論。
2 在立體化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
立體化學(xué)是有機化學(xué)的重要組成部分，在有機化學(xué)中占有非常重要的地位。立體化學(xué)也是有機化學(xué)教學(xué)中的重點和難點，它需要學(xué)生有很強的空間想象能力。由于學(xué)生缺乏對分子結(jié)構(gòu)的直觀認識，難于在頭腦中產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)的立體幾何形象，所以有相當一部分學(xué)生感到立體化學(xué)的學(xué)習(xí)較難，并產(chǎn)生畏懼情緒，從而影響了對整個有機化學(xué)的學(xué)習(xí)［4］。立體化學(xué)教學(xué)中有兩個難點：Fisher投影式和構(gòu)型的標記（R/S構(gòu)型標記法）。由立體結(jié)構(gòu)投影到Fisher投影式，學(xué)生一般都可以理解，但是由Fisher投影式轉(zhuǎn)換為立體結(jié)構(gòu)式就顯得比較困難。利用Chem3D可以很好地解決這一難題，并使教學(xué)過程簡單、形象化。
如圖2(a)、(b)所示D， L乳酸的立體結(jié)構(gòu)。在教學(xué)的過程中首先打開制作好的模型文件，然后用鼠標拖動D乳酸或L乳酸，使其任意的旋轉(zhuǎn)，并使兩者盡量重合，但是不管怎樣轉(zhuǎn)動或平移兩者均無法重合，從而生動形象地演示了手性現(xiàn)象，加深學(xué)生對手性概念的理解。旋轉(zhuǎn)分子的立體模型，使其碳鏈位于豎直方向，即COOH基團位于碳鏈的上方，CH3位于下方，并使其向投影屏的后方伸展，如圖2(a)、(b)所示，這樣從學(xué)生的視線方向來看，其投影式即為圖2(c)、(d)，也就是該分子的Fisher投影式。通過這樣一種教學(xué)方式，使學(xué)生直觀地掌握了Fisher投影式的概念，投影方法及還原方法。同樣在后續(xù)章節(jié)中講授比較復(fù)雜的Fisher投影式時，如酒石酸分子、葡萄糖分子，也可以用該方法，使其投影式的立體結(jié)構(gòu)清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前。在講授另外一難點R/S構(gòu)型判斷時，可以首先建立3D模型，然后旋轉(zhuǎn)，使H原子遠離學(xué)生的視線，再讓學(xué)生判斷其他原子或基團大小，從而較為容易的判斷分子是R還是S構(gòu)型。這樣利用Chem3D中分子模型可以任意旋轉(zhuǎn)來幫助初學(xué)者，使其學(xué)習(xí)變得相對容易，并增加其學(xué)習(xí)興趣。
另外在講授無手性碳原子的手性分子時，也可以把Chem3D引入教學(xué)。如圖3(a)所示，學(xué)生一般難以通過教材中的兩個結(jié)構(gòu)式想象出這兩個分子是實物與鏡像的關(guān)系且不能相互重合。但是通過Chem3D，構(gòu)建出兩個分子的3D模型［圖3(b)］，并任意地旋轉(zhuǎn)、平移，學(xué)生就可以很直觀地判斷出它們之間是不可能重合的，從而可以在更深層次上理解“手性”及手性分子的含義。
3 在反應(yīng)機理教學(xué)中的應(yīng)用
有機化學(xué)的反應(yīng)機理一般較為復(fù)雜，步驟多，涉及到電子效應(yīng)、立體效應(yīng)等諸多因素，初學(xué)者往往難以準確的理解和掌握。如在乙烯與Br2的親電加成反應(yīng)機理中，反應(yīng)首先生成溴钅翁離子［圖4(a)所示］，然后Br-離子再從反面進攻C原子，最終生成反式的加成產(chǎn)物。針對這種機理，很多學(xué)生容易產(chǎn)生疑問： Br-離子為什么從反面而不從正面進攻？實際上，這種機理是由空間位阻所決定的，但是從教材中的結(jié)構(gòu)式很難看到空間位阻的影響，所以就給教師的講解造成了較大的困難。如果利用Chem3D 的Display Model 功能中Space Filling選項，將結(jié)構(gòu)式［圖4(b)］轉(zhuǎn)換為比例模型［圖4(c)］就可以清楚地給學(xué)生展示空間位阻的概念，上面的問題也就迎刃而解。
從圖4(c)中可以直觀的看出，由于Br原子的體積較大，幾乎占據(jù)了C原子上方所有的空間，所以Br－離子不可能從同一側(cè)來接近C原子，只可能沿空間位阻較小的反方向進攻，所以最終形成反式的加成產(chǎn)物。
4 總結(jié)
Chem3D 在有機化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用遠不止本文所講，例如還可以利用該軟件顯示共軛體系中的離域大兀鍵；在講述波譜分析時利用其計算功能可以顯示紅外光譜、一維核磁共振譜以及對應(yīng)的譜圖解析；在講反應(yīng)機制時，可以通過Calculation菜單計算反應(yīng)歷程，然后可以將整個反應(yīng)過程動態(tài)地顯示出來。在以往的教學(xué)過程中，教師是利用實物模型（如球棍模型）進行授課。但是現(xiàn)在隨著高校地擴招，學(xué)生人數(shù)地增多，大多高校采用大班授課，如果還用模型教學(xué)，一是制作攜帶不方便，二是坐在后排的學(xué)生很難觀察清楚，勢必嚴重影響教學(xué)效果。所以教師適當?shù)貙W(xué)習(xí)一些計算機知識和專業(yè)軟件操作技巧，并成功應(yīng)用在教學(xué)中，則可以達到事半功倍的效果，從而促進有機化學(xué)的教學(xué)。同時，還可以使學(xué)生較早接觸到專業(yè)的科研工具，培養(yǎng)其科研興趣。
參考文獻
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