可視化專業(yè)軟件在基礎(chǔ)理論化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

笪良國

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南 232001）

可視化專業(yè)軟件在基礎(chǔ)理論化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

笪良國

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南 232001）

在基礎(chǔ)理論化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用可視化專業(yè)軟件創(chuàng)建、計(jì)算并展示分子的微觀結(jié)構(gòu),使抽象的化學(xué)理論變得形象、簡單。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維和形象思維能力，提高課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生對理論化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

理論化學(xué)；教學(xué)；Gaussview；Gaussian03

隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的廣泛開展，在專業(yè)領(lǐng)域采用新的教學(xué)思想以及與之相匹配的可視化教學(xué)軟件，使課堂教學(xué)既具科學(xué)性、條理性，又具有多樣性、生動(dòng)性和直觀性，能使學(xué)生從受體變成主體中的一部分，讓學(xué)生對學(xué)習(xí)過程和效果有更大的透明度和自主空間。在基礎(chǔ)理論化學(xué)教學(xué)中，由于原子、分子及晶體的微觀結(jié)構(gòu)，無法通過肉眼進(jìn)行直接觀察，并且微觀結(jié)構(gòu)難以用宏觀模型進(jìn)行科學(xué)的描述，這就需要嚴(yán)謹(jǐn)、清晰的教學(xué)思想與先進(jìn)且恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段。傳統(tǒng)的以“教師+黑板+粉筆”的教學(xué)模式或憑借一些球棍實(shí)體模型教具幫助學(xué)生理解的教學(xué)方式，存在模型有限和難以表達(dá)一些抽象、復(fù)雜的空間構(gòu)型的缺點(diǎn)，使學(xué)生缺乏形象化和空間化的思維環(huán)境。為克服這一缺陷，筆者將Gaussian03和Gaussview等可視化專業(yè)計(jì)算化學(xué)軟件應(yīng)用于基礎(chǔ)理論化學(xué)的教學(xué)中，通過對分子構(gòu)型的創(chuàng)建、計(jì)算以及對分子微觀結(jié)構(gòu)的多角度全方位可視化展示，使教學(xué)內(nèi)容從抽象到直觀、從復(fù)雜變得簡單，這增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

1 可視化專業(yè)軟件Gaussian03和Gaussview簡介

Gaussian 03[1]是近年來使用非常廣泛的量子化學(xué)綜合軟件包，在化學(xué)、化工、生物化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。Gaussian程序可以用來研究分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、振動(dòng)頻率、紅外和拉曼光譜、NMR、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等等。理論計(jì)算可以模擬在氣相和溶液中的體系，可以模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)。Gaussian可執(zhí)行程序可以在不同型號的大型計(jì)算機(jī)、超級計(jì)算機(jī)、工作站或個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并相應(yīng)有不同的版本。

Gaussview是一個(gè)專門設(shè)計(jì)用于Gaussian配套使用的軟件，其主要用途有兩個(gè)：一是構(gòu)建Gaussian的輸入文件；二是以圖的形式顯示Gaussian計(jì)算結(jié)果。在用Gaussview構(gòu)建輸入文件時(shí)，除了自己創(chuàng)建以外，還可用Gaussview直接讀入CHEM3D，HYPERCHEM和晶體數(shù)據(jù)等諸多格式的文件，從而使其可以與諸多圖形軟件連用，大大拓寬了Gaussview使用的范圍。

2 創(chuàng)建、計(jì)算和展示分子結(jié)構(gòu)

在講授分子對稱性[2]時(shí)，為了讓學(xué)生能準(zhǔn)確判斷分子的對稱元素、對稱操作以及分子所屬的點(diǎn)群，必須讓學(xué)生對分子的空間構(gòu)型有一個(gè)清晰的了解。這時(shí)，我們把Gaussian03程序精確的計(jì)算能力與Gaussview的顯示能力運(yùn)用于課堂教學(xué)，讓學(xué)生直觀形象地了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)問題處理方法，從而加深對教材內(nèi)容的理解，為學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)提供一種有用的工具。

2.1 創(chuàng)建Gaussview程序庫中已有的分子構(gòu)型

用Gaussview可直接創(chuàng)建并展示常見分子的構(gòu)型。例如，展示甲烷分子構(gòu)型，打開Gaussview程序后，只要直接點(diǎn)擊畫板即可。圖1所示為甲烷分子的球棍模型。展示乙烯這樣的鏈狀分子，需要先點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，常見的鏈狀分子就顯示在新打開的窗口中，如圖2所示。

圖1 CH4分子的球棍模型圖

圖2 常見鏈狀官能團(tuán)窗口圖

選中其中的乙烯分子，接著再點(diǎn)擊畫板，就生成了乙烯分子，如圖3所示。若要展示苯、萘等常見環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)，需要雙擊工具欄中的按鈕，常見的環(huán)狀有機(jī)分子就顯示在新打開的窗口中，如圖4所示，用創(chuàng)建乙烯分子相類似的操作方法就可得到一些環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示分別為萘分子的球棍模型和C60分子骨架構(gòu)型。

圖3 C2H4分子的球棍模型圖

圖4 常見環(huán)狀官能團(tuán)窗口圖

圖5 萘分子的球棍模型圖

圖6 C60分子骨架示意圖

2.2 創(chuàng)建Gaussview程序庫中沒有的分子構(gòu)型

根據(jù)教學(xué)需要，我們可以創(chuàng)建Gaussview程序庫中沒有，但我們自己又想要?jiǎng)?chuàng)建的分子。對于已知構(gòu)型的分子，這時(shí)只需打開Element窗口,選擇自己需要的元素及其構(gòu)型，然后點(diǎn)擊畫板再利用軟件中相關(guān)工具進(jìn)行構(gòu)建。例如，在講授對稱元素及其對稱操作時(shí)，我們需要構(gòu)建BF3分子，打開Gaussview后，雙擊界面上的 圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖7所示窗口。點(diǎn)擊硼的元素符號“B”，就選中了硼原子，然后，在窗口下部選中平面三角形構(gòu)型，點(diǎn)擊畫板，即得平面正三角形構(gòu)型的BH3分子。

圖7 雙擊圖標(biāo)出現(xiàn)的元素周期表窗口圖

再點(diǎn)擊圖標(biāo)，選中氟原子，在畫板上將H置換成F，圖8就是BF3分子的骨架結(jié)構(gòu)。用同樣的方法，可創(chuàng)建SF6分子，如圖9所示。

圖8 BF3分子的骨架結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 SF6分子的球棍模型圖

對于未知構(gòu)型的分子，根據(jù)化學(xué)鍵相關(guān)理論，可用Gaussview創(chuàng)建初始猜想的構(gòu)型，然后提交給Gaussian 03進(jìn)行優(yōu)化和頻率計(jì)算，根據(jù)虛頻個(gè)數(shù)判斷是否是分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，再通過Gaussview從不同角度展示給學(xué)生。圖10是作者用Gaussian 03軟件，采用 B3LYP[3，4]方法在 6-311G*水平上進(jìn)行優(yōu)化與頻率計(jì)算得到的1,1'-聯(lián)萘-2,2'-二胺穩(wěn)定構(gòu)象[5]，其中包括三對R-S對映異構(gòu)體。

2.3 展示創(chuàng)建的分子結(jié)構(gòu)

圖10 1,1'-聯(lián)萘-2,2'-二胺穩(wěn)定構(gòu)型（三對鏡面對映異構(gòu)體）

Gaussview可采用不同的形式展示分子三維結(jié)構(gòu)，如金屬線結(jié)構(gòu)模型、帽棍模型、球棍模型等。通過分子模型的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放帶來生動(dòng)的立體效果，通過控制鼠標(biāo)來從不同角度觀察分子在空間的形狀。將鼠標(biāo)放在分子上，按左鍵左右或前后移動(dòng)，可以調(diào)節(jié)分子的角度。按住Ctrl鍵，將鼠標(biāo)放在分子上，前后移動(dòng)，可以將分子放大或縮小，左右移動(dòng)，可以將分子旋轉(zhuǎn)。Shift+鼠標(biāo)左鍵組合可以在窗口內(nèi)平移分子。當(dāng)工作窗口內(nèi)有多個(gè)分子時(shí)，可以用Shift+Alt+鼠標(biāo)左鍵組合移動(dòng)想要移動(dòng)的分子，以調(diào)節(jié)各個(gè)分子間的距離，可以用Ctrl+Alt+鼠標(biāo)左鍵組合，調(diào)節(jié)其中一個(gè)分子的角度，以調(diào)節(jié)各個(gè)分子間的角度。

3 結(jié)語

用Gaussian等系列可視化專業(yè)軟件輔助理論化學(xué)的課堂教學(xué),有助于學(xué)生理解復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu),同時(shí)也加強(qiáng)了對學(xué)生空間思維、形象思維的培養(yǎng)，提高了教與學(xué)的效率和水平，非常值得在理論化學(xué)教學(xué)中進(jìn)行推廣。

[1]M.J.Frisch，G.W.Trucks and H.B.Schlegel，et al.Gaussian 03[M].Pittsburgh，Gaussian Inc.，2003

[2]王軍.結(jié)構(gòu)化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008：106-123

[3]Becke A D．Density-functional thermochemistry．III．The role of exact exchange[J]．Chem Phys，1993，（98）：5648-5652

[4]Lee C，Yang W，Parr R G，et a1．Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density[J].Phys Rev B，1988，（38）：3098-4107

[5]笪良國，王鳳武，趙星.1，1'-聯(lián)萘-2，2'-二胺的結(jié)構(gòu)和外消旋機(jī)理的DFT研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2010，22（4）：444-450

O642.4 < class="emphasis_bold">[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

A

1009-9530（2011）05-0094-03

2011-05-23

淮南師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（HSJY201021）、教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（JXTD200802、JXTD200903）及特色專業(yè)項(xiàng)目（TSZY200801）

笪良國（1976-），男，安徽桐城人，淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系副教授。