計(jì)算化學(xué)在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李潔瓊 ， 李 會(huì) ， 韋秀華 ， 張永亞 ， 劉 猛

(1.商丘師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 ， 河南 商丘 476000 ； 2.商丘師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院 ， 河南 商丘 476000)

1 物理化學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析

物理化學(xué)是一門(mén)從物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系入手來(lái)探究化學(xué)變化的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律的學(xué)科。其研究?jī)?nèi)容和研究對(duì)象決定了本學(xué)科具有理論性強(qiáng)、概念多、公式多且抽象復(fù)雜的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)限制了教師在物理化學(xué)教學(xué)中采用多樣性的教學(xué)模式，只能通過(guò)傳統(tǒng)的教學(xué)手段(例如單純的板書(shū)或純理論講解)進(jìn)行傳授。這種單一枯燥的教學(xué)方法不僅影響學(xué)生聽(tīng)課的積極性和主動(dòng)性，還影響教學(xué)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量，使學(xué)生很難真正理解和掌握課堂知識(shí)。對(duì)于底子薄弱的學(xué)生，教學(xué)過(guò)程的呆板會(huì)加劇學(xué)生失去聽(tīng)課的興趣。久而久之，學(xué)生對(duì)于物理化學(xué)的學(xué)習(xí)熱情會(huì)急劇下降。

為了提高教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，需要尋找新穎有效的教學(xué)方法，使抽象的問(wèn)題具體化、形象化。計(jì)算化學(xué)也開(kāi)始扮演著重要的角色[1]。計(jì)算化學(xué)可以通過(guò)相關(guān)可視化軟件把抽象的概念或理論知識(shí)具體、形象地展示出來(lái)。例如，模擬原子軌道中電子云的形狀、分子軌道中電子的排布和能級(jí)的高低、吸收和發(fā)射光譜的躍遷性質(zhì)及分子的靜電勢(shì)圖等。因此，將計(jì)算化學(xué)模擬融入到物理化學(xué)課堂中，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握，有效幫助學(xué)生理解復(fù)雜抽象的化學(xué)現(xiàn)象和原理[2]。下面結(jié)合具體的教學(xué)實(shí)例，介紹一下計(jì)算化學(xué)在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 提升教學(xué)質(zhì)量的計(jì)算化學(xué)應(yīng)用實(shí)例

2.1 演示動(dòng)態(tài)反應(yīng)機(jī)理

過(guò)渡態(tài)理論是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重要基本理論。利用過(guò)渡態(tài)理論計(jì)算出的反應(yīng)活化能可以有效判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的現(xiàn)實(shí)性。但過(guò)渡態(tài)是一個(gè)極不穩(wěn)定的活化絡(luò)合物，在實(shí)驗(yàn)上很難捕捉檢測(cè)到，因此，人們難以準(zhǔn)確描述過(guò)渡態(tài)的分子結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有的物理化學(xué)教材中，也僅是通過(guò)一句簡(jiǎn)單的“舊鍵還沒(méi)完全斷裂，新鍵還未完全建立”來(lái)描述活化絡(luò)合物的狀態(tài)。運(yùn)用計(jì)算化學(xué)軟件，通過(guò)演示動(dòng)態(tài)反應(yīng)機(jī)理，把抽象繁雜的概念和機(jī)理轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)據(jù)和直觀的圖形展示出來(lái)，可以有效緩解學(xué)生對(duì)于物理化學(xué)的畏難情緒，從而提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

例如，以化合物1→2的反應(yīng)為例(化合物1和2的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)進(jìn)行論證分析[3]。

圖1 化合物1→2的可能反應(yīng)路徑

反應(yīng)物1到產(chǎn)物2發(fā)生的是一個(gè)中間環(huán)中N原子上H的轉(zhuǎn)移過(guò)程。此過(guò)程可以通過(guò)H原子的直接轉(zhuǎn)移完成，也可以借助溶劑水分子進(jìn)行H原子的交換來(lái)完成。采用Gaussian09軟件包分別對(duì)反應(yīng)物1、產(chǎn)物2和可能的過(guò)渡態(tài)構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，H原子直接從中間環(huán)的左邊N原子上轉(zhuǎn)移到右邊N原子上需要克服一個(gè)很高的能壘，約248.71 kJ/mol(59.50 kcal/mol)(圖1a)。有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)水分子作為橋梁協(xié)助質(zhì)子發(fā)生轉(zhuǎn)移，可以縮短質(zhì)子直接轉(zhuǎn)移到下一位點(diǎn)的距離，從而減小過(guò)渡態(tài)的張力，降低反應(yīng)能壘[4]。對(duì)于該體系，受兩個(gè)N原子間距的約束，通過(guò)一個(gè)水分子協(xié)助H原子轉(zhuǎn)移，鏈長(zhǎng)會(huì)過(guò)短。另外，受空間位阻的限制，水分子的鏈長(zhǎng)也不易過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)破環(huán)水分子間的氫鍵網(wǎng)格。因此，水分子的個(gè)數(shù)n=0或n=3及以上的過(guò)渡態(tài)不再進(jìn)行分析，最優(yōu)的水分子個(gè)數(shù)為2。從圖1b可以看出，n=2對(duì)應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程為左邊N原子上的H逐漸接近，其中一個(gè)水分子(標(biāo)為H2O(1))的O原子，同時(shí)H2O(1)上連接的H原子慢慢靠近另一個(gè)水分子(標(biāo)為H2O(2))的O原子，且H2O(2)上的H原子再逐漸進(jìn)攻右邊的目標(biāo)N原子，從而形成了一個(gè)中間過(guò)渡態(tài)。整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程需要克服的能壘為93.632 kJ/mol(22.40 kcal/mol)，明顯優(yōu)于H原子的直接轉(zhuǎn)移。

上述實(shí)例的講述可以讓學(xué)生直觀感受到反應(yīng)的變化過(guò)程，分析如何根據(jù)反應(yīng)能壘來(lái)預(yù)測(cè)最佳的反應(yīng)機(jī)理，同時(shí)，可以激發(fā)學(xué)生探究過(guò)渡態(tài)理論的興趣。此探究性的教學(xué)方式不僅有利于學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容、增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，而且有利于教師突破教學(xué)重點(diǎn)、解決教學(xué)難點(diǎn)。

2.2 展示固體表面結(jié)構(gòu)

在表面物理化學(xué)章節(jié)中有講到固體表面的特點(diǎn)，其性質(zhì)特點(diǎn)取決于固體表面的微觀結(jié)構(gòu)，因此清楚認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有利于理解和掌握本知識(shí)點(diǎn)。雖然教材中有給出一張固體表面的構(gòu)型圖，但其是二維的平面結(jié)構(gòu)，這對(duì)于幾何立體感差的學(xué)生來(lái)說(shuō)是很難想象出來(lái)對(duì)應(yīng)的三維立體構(gòu)型。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)固體的表面特點(diǎn)時(shí)，只能通過(guò)憑空想象和死記硬背去掌握知識(shí)內(nèi)容。很難達(dá)到學(xué)習(xí)應(yīng)有的效果。利用計(jì)算化學(xué)軟件可以有效直觀地展示出固體的三維模型，從而幫助學(xué)生對(duì)固體表面特點(diǎn)的理解。 例如，在教師可以利用VMD軟件向?qū)W生演示二氧化鈦-水溶液界面(圖2)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化軌跡。可以看到，在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中固體二氧化鈦的Ti原子和O原子間的相對(duì)位置基本保持不變，但溶液中的水分子會(huì)發(fā)生明顯的移動(dòng)。這主要是因?yàn)槎趸伆雽?dǎo)體中原子間形成的化學(xué)鍵(離子鍵和共價(jià)鍵)比較牢固，從而原子移動(dòng)困難。而溶液中水分子間形成的是氫鍵網(wǎng)格，氫鍵的相互作用力弱于固體中的離子鍵和共價(jià)鍵。這種結(jié)合計(jì)算化學(xué)軟件的教學(xué)方法打破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的單一性和沉悶性，給學(xué)生帶來(lái)了新鮮感，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖2 二氧化鈦—水溶液界面模型

2.3 分析化學(xué)吸附與催化反應(yīng)的關(guān)系

在氣-固相多相催化反應(yīng)中，催化劑的催化活性與固體表面吸附物的強(qiáng)弱有著密切關(guān)系。一種高效的催化劑對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物的吸附能力須處于一個(gè)合適的狀態(tài)。例如，對(duì)反應(yīng)物的吸附不能太弱，否則達(dá)不到活化的效果。但對(duì)產(chǎn)物的吸附不能太強(qiáng)，否則產(chǎn)物不易解吸，會(huì)毒化催化劑。另外，反應(yīng)物在催化劑表面的吸附能力會(huì)影響催化反應(yīng)的機(jī)理，進(jìn)而生成不同的產(chǎn)物。單純的理論講述很難讓學(xué)生真正領(lǐng)會(huì)到化學(xué)吸附和催化反應(yīng)之間的緊密關(guān)系。理論模擬可以定量地計(jì)算出吸附物的吸附能，并能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出催化機(jī)理。通過(guò)真實(shí)的數(shù)據(jù)可以把枯燥無(wú)味的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)例展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生更易理解和接受。

3 結(jié)論

理論性強(qiáng)、概念多且抽象是物理化學(xué)課程的顯著特點(diǎn)。在物理化學(xué)教學(xué)過(guò)程中融入計(jì)算化學(xué)的可視化軟件，不但適應(yīng)教育創(chuàng)新性改革的發(fā)展方向，而且有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。實(shí)踐表明，將計(jì)算化學(xué)軟件與物理化學(xué)教學(xué)相結(jié)合，可將冗雜的課程內(nèi)容明晰化、將抽象的概念原理具體化、將枯燥的推導(dǎo)過(guò)程生動(dòng)化。這種創(chuàng)新性的教學(xué)模式在激發(fā)學(xué)生聽(tīng)課興趣的同時(shí)，提高了教師的教學(xué)質(zhì)量。