常用化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

緒連彩，張智強(qiáng)

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州450002)

常用化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

緒連彩，張智強(qiáng)

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州450002)

為化工專業(yè)的工科學(xué)生開設(shè)結(jié)構(gòu)化學(xué)課，有利于培養(yǎng)兼具研發(fā)能力的復(fù)合型人才。但是結(jié)構(gòu)化學(xué)極強(qiáng)的數(shù)理性對教師的授課方式提出了很高的要求。將常用的化學(xué)專業(yè)軟件應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中，可以克服傳統(tǒng)教學(xué)方法可視性差、不夠直觀的缺點(diǎn)，將抽象的概念和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)形象地展現(xiàn)給學(xué)生，從而提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

Chemoffice;Gaussian09;Molden;結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)

在工科類本科生培養(yǎng)方案中加入部分理科的課程，是培養(yǎng)具有技術(shù)研發(fā)能力的工科綜合人才的有益嘗試，如輕工業(yè)學(xué)院材料化工學(xué)院近年來為化工類專業(yè)學(xué)生開設(shè)結(jié)構(gòu)化學(xué)等化學(xué)基礎(chǔ)理論課程。目前，化學(xué)領(lǐng)域的許多學(xué)科已經(jīng)深入到了物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的研究，如在材料化學(xué)、高分子化學(xué)等學(xué)科中，人們在研究材料以及化合物宏觀性質(zhì)的同時，更重視物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，特別是希望從分子層面揭示材料的理化性質(zhì)。所以，掌握一定的結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)知識，對于培養(yǎng)兼具研發(fā)能力的復(fù)合型工科人才是十分重要的。因為，結(jié)構(gòu)化學(xué)是運(yùn)用現(xiàn)代量子力學(xué)和物理學(xué)的實(shí)驗方法，從微觀角度研究原子、分子、晶體等的微觀結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的科學(xué)，它具有極強(qiáng)的數(shù)理抽象性，需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，同時還要掌握相當(dāng)?shù)臒o機(jī)、有機(jī)化學(xué)知識，以及很多量子力學(xué)的新概念、新方法、新原理。對化工專業(yè)的學(xué)生來說，學(xué)好這門課程難度很大，許多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生了畏懼心理，這也增加了教師的授課難度，特別是對于教學(xué)經(jīng)驗還不豐富的青年教師，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程難于講授的特點(diǎn)就更加明顯。傳統(tǒng)的教學(xué)模式僅僅是借助一些球棍模型幫助學(xué)生理解，但是由于模型有限，而且模型也很難表示抽象、復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到困難，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被抑制，教師的授課效果也不理想。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的特點(diǎn)給教師教學(xué)方式提出了很高的要求，如何將抽象的概念較為直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是提高授課質(zhì)量和教學(xué)效果的關(guān)鍵所在。

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，特別是專業(yè)化學(xué)軟件的產(chǎn)生，為解決上述難題提供了方便。如Chemoffice等化學(xué)圖形及辦公軟件的應(yīng)用逐漸普及，而量子化學(xué)計算軟件Gaussian為結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論研究提供了方便［1］。筆者在此簡單的介紹一下幾個常用化學(xué)軟件的特點(diǎn)以及在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 常用化學(xué)軟件的特點(diǎn)

1.1 Chem3D(v11.0)

Chem3D(v11.0)是由劍橋公司(CambridgeSoft Corporation)出品的Chemoffice2008軟件包中的一個組成部分，它具有界面友好，便于操作的特點(diǎn)。既能夠顯示分子的立體結(jié)構(gòu)、鍵長、鍵角、分子軌道形狀等，同時還擁有簡單的計算功能，可以對化合物進(jìn)行能量計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電荷布局分析、振動頻率分析等，另外，Chem3D還可以通過接口調(diào)用其他量子化學(xué)計算軟件對分子的屬性進(jìn)行更為精確的計算。作為一款專業(yè)的化學(xué)圖形軟件，Chem3D為結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)帶來了很多的便利，特別是，該軟件提供了嵌入對象的功能，可以輕松地將分子模型拷貝到PPT中，而其在授課過程中可以進(jìn)行交互式操作。

1.2 Gaussian09

Gaussian09是目前國際上最為流行的量子化學(xué)計算軟件，具有計算精度高、適用范圍廣及容易操作等特點(diǎn)。Gaussian09計算項目主要包括計算分子的能量、反應(yīng)過渡態(tài)的能量和幾何結(jié)構(gòu)、振動頻率分析、鍵能與化學(xué)反應(yīng)能、化學(xué)反應(yīng)途徑、電荷分布，分子軌道分布等。Gaussian09的計算結(jié)果可以通過Chem3D等可視化軟件直觀地顯示出來，為結(jié)構(gòu)化學(xué)抽象概念的教學(xué)提供了便利。

1.3 Molden

Molden是一款免費(fèi)的化學(xué)圖形軟件，能夠安裝在多種作系統(tǒng)中，具有多個量子化學(xué)計算軟件的接口，如Gaussian、GAMESS、Mopac等。Molden可以直接將打開Gaussian等的輸出文件，將計算信息可視化，如分子能量、電荷分布、振動頻率和振動模式、分子軌道分布等。特別適用于Gaussian計算結(jié)果中紅外和拉曼光譜的分析。

2 常用化學(xué)軟件在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 分子的對稱性和對稱操作

對稱操作和對稱元素是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的一個難點(diǎn)［2］，對學(xué)生的空間想象能力要求特別高。利用Chem3D可以簡單形象地將分子的立體結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，并且利用嵌入對象，還能夠?qū)Ψ肿拥牧Ⅲw結(jié)構(gòu)進(jìn)行交互式的操作，如平移、旋轉(zhuǎn)等。比如，甲烷分子屬于Td點(diǎn)群，其中有4個C3軸，3個I4軸和6個σd。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，筆者在Chem3D中構(gòu)建甲烷分子的立體結(jié)構(gòu)，選中所有結(jié)構(gòu)，在Edit菜單中選擇“Copy as”，“Embedded object”，直接粘貼到PPT課件中。在教學(xué)時，按下鼠標(biāo)左鍵拖動鼠標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對甲烷分子的旋轉(zhuǎn)操作，將C(1)－H(2)旋轉(zhuǎn)至與X軸平行的位置，并且H(3)、H(4)、H(5)三個氫原子處于YZ平面上，此時，左擊Chem3D對象下方的控制圖標(biāo)，使分子繞X軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)120度之后，分子結(jié)構(gòu)重合，此時可以點(diǎn)擊停止旋轉(zhuǎn)的圖標(biāo)。以上是一個旋轉(zhuǎn)操作的演示。通過交互式的操作分子結(jié)構(gòu)，可以將C(1)－H(3)旋轉(zhuǎn)至與X軸平行，且其余H原子處于YZ平面，此時再讓分子繞X軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)分子轉(zhuǎn)動120度之后再次重合，這是另一個旋轉(zhuǎn)操作的演示。與此類似，通過交互式操作演示對稱元素I4和σd［3］。

2.2 丁二烯的分子軌道分析

通過對前線分子軌道的分析，預(yù)測化合物的反應(yīng)性質(zhì)，是結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要應(yīng)用之一。但是對于分子軌道的分析需要解薛定諤方程，其過程非常復(fù)雜，在教學(xué)中并不要求學(xué)生掌握解薛定諤方程的方法，而通過直觀地展示量子化學(xué)計算的結(jié)果，讓學(xué)生了解預(yù)測化合物屬性的方法是非常重要的。以丁二烯HOMO、LUMO的軌道圖形為例，筆者首先在Chem3D中構(gòu)建(順)－1，3－丁二烯的結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用Gaussian09軟件在B3LYP/6－31G理論水平上對丁二烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，接下來將計算過程中保存的.chk文件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式.fchk，用Chem3D打開.fchk文件，選擇“Surface”菜單，“Choose surface”，“Molecular orbitals”，通過選擇HOMO和LUMO軌道，分別顯示出前線軌道的形狀，分別將這兩個軌道拷貝為嵌入對象，粘貼到PPT課件中。在教學(xué)演示時，通過旋轉(zhuǎn)、平移丁二烯的結(jié)構(gòu)，全方位的展示HOMO和LUMO軌道的形狀，另外，還可以通過測量C—C之間的鍵長，分析成鍵的信息，通過分析C原子的部分核電荷數(shù)，預(yù)測親電加成的反應(yīng)活性。

2.3 CO2振動模式的分析

線性多原子分子(如CO2)的振動光譜是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)之一，通過量子化學(xué)計算軟件Gaussian和可視化軟件Molden的配合，可以輕松地將CO2的振動模式和振動頻率直觀的展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能夠從分子層面認(rèn)識紅外光譜［4］。具體的方法是，首先，使用Chem3D構(gòu)建CO2的分子結(jié)構(gòu)，生成Gaussian09的輸入文件，然后運(yùn)行Gaussian09對CO2分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并進(jìn)行振動頻率分析，接下來用Molden讀出Gaussian09的計算結(jié)果文件，選擇相應(yīng)的振動頻率，觀測對應(yīng)的分子振動模式，使用屏幕錄像軟件將各個頻率對應(yīng)的分子振動模式錄制成avi格式的文件，在PPT課件中插入windows mediaplayer對象，修改對象的屬性，將視頻指定為avi格式的文件，這樣在教學(xué)中，通過插件控制播放CO2分子的振動模式。這樣的動畫模式在沒有安裝Molden軟件的系統(tǒng)中也能夠運(yùn)行。

3 體會

上面提到的化學(xué)軟件教學(xué)應(yīng)用實(shí)例，是將圖形和圖像信息整合到多媒體教學(xué)課件中，整合后的課件不依賴于計算機(jī)系統(tǒng)的軟件環(huán)境，具有相對獨(dú)立性。這樣的整合降低了對教學(xué)計算機(jī)軟件系統(tǒng)的要求，同時又克服了實(shí)物模型教具的一些缺點(diǎn)。特別是大班授課時，使用實(shí)物模型教學(xué)，一是制作和攜帶不方便，二是坐在后排的學(xué)生很難看清楚，勢必會影響教學(xué)效果。通過將化學(xué)軟件應(yīng)用到結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)過程中，將抽象的概念和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，將化學(xué)軟件產(chǎn)生的圖形和圖像整合到多媒體課件中的做法還可以推廣到相關(guān)學(xué)科的教學(xué)中去，如有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)等。因此，這種方法值得進(jìn)一步的探討和研究。

［1］顧云蘭.CS Chem3D和Gaussian 98在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.臨沂師范學(xué)院學(xué)報，2005，27(6):102－104.

［2］周公度，殷連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ).第3版.北京:北京大學(xué)出版社，2002.

［3］陳蘭美.Chem3D在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.廣東醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2009，27(6):712－714.

［4］劉江燕，呂銀華，韓德艷.常用化學(xué)軟件在中級無機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.大學(xué)化學(xué)，2006，21(2):38－41.

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1003－3467(2012)15－0060－02

2012－07－21

緒連彩(1976－)，女，博士，從事物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)及計算化學(xué)科研工作，電話:15939015539。