基于密度泛函理論的化學(xué)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

［摘 要］ 以“蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)測定實(shí)驗(yàn)”為例，對密度泛函理論（DFT）應(yīng)用于“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的可行性進(jìn)行了研究?；贕aussian16軟件包進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模和構(gòu)型優(yōu)化，采用B3lyp/6-31G*方法優(yōu)化了蔗糖的結(jié)構(gòu)，預(yù)測反應(yīng)的活性中心，為蔗糖水解反應(yīng)的作用機(jī)理提供了理論依據(jù)。同時(shí)根據(jù)開展實(shí)驗(yàn)具體的課時(shí)要求，介紹了實(shí)驗(yàn)開展的思路和細(xì)節(jié)。在“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程中加入理論化學(xué)計(jì)算內(nèi)容，有助于學(xué)生全面認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)過程的微觀作用機(jī)理，豐富化學(xué)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］ 密度泛函理論；化學(xué)動力學(xué)；物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)探索

［基金項(xiàng)目］ 2022年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“混合式教學(xué)融入思想政治教育在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的探索和實(shí)踐”（2022JGB100）；2020年度廣西壯族自治區(qū)教育廳“‘新工科’背景下本科生導(dǎo)師制的CDIO培養(yǎng)模式構(gòu)建與研究”（2020JGZ105）；2022年度廣西學(xué)位與研究生教育改革專項(xiàng)課題“‘工程倫理’線上線下混合式課程建設(shè)”（JGY202205）

［作者簡介］ 周利琴（1987—），女，四川瀘州人，化學(xué)工藝專業(yè)博士，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)員，高級工程師，主要從事綠色化工及可再生資源研究；趙鐘興（1979—），男，天津人，化學(xué)工藝專業(yè)博士，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，主要從事特色生物質(zhì)資源高值轉(zhuǎn)化與利用研究；趙禎霞（1981—），女，山東青島人，能源環(huán)境材料及技術(shù)專業(yè)博士，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授（通信作者），主要從事小分子辨識吸附分離研究。

［中國分類號］ O643.12；G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）09-0103-05 ［收稿日期］ 2023-07-20

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是化學(xué)、化工、材料、制藥等專業(yè)必修的實(shí)驗(yàn)課程，一般為本科大三學(xué)生開設(shè)［1］。不同于大一、大二開設(shè)的無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作能力和對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的科學(xué)記錄表達(dá)能力，“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)更注重?cái)?shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，促進(jìn)大學(xué)生進(jìn)一步深化理解物理化學(xué)抽象知識，對其學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程、培養(yǎng)和提高科研素養(yǎng)有著至關(guān)重要的作用［2-3］。

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、膠體與表面化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等五部分內(nèi)容。其中化學(xué)動力學(xué)，也稱化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，是研究化學(xué)過程進(jìn)行的速率和反應(yīng)機(jī)理的學(xué)科，其研究對象是性質(zhì)隨時(shí)間而變化的非平衡的動態(tài)體系。以蔗糖水解為例，蔗糖在水中轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖，體系中蔗糖的含量隨著反應(yīng)時(shí)間增加而減少，葡萄糖和果糖的含量則相應(yīng)增加。蔗糖、葡萄糖、果糖都具有旋光性，但是旋光能力不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用體系在反應(yīng)過程中旋光度的變化來衡量反應(yīng)的進(jìn)程。

然而，在查閱文獻(xiàn)及與學(xué)生交流中發(fā)現(xiàn)，對于化學(xué)過程中的蔗糖水解過程，大多是對其反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行研究，且學(xué)生對分子的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的性質(zhì)了解不足，如對蔗糖、葡萄糖、果糖的分子結(jié)構(gòu)和蔗糖分子在水解過程中化學(xué)鍵的斷裂位置，學(xué)生的認(rèn)知模糊不清。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升，近幾年，分子模擬技術(shù)迅速發(fā)展，在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。通過計(jì)算機(jī)程序模擬物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，與實(shí)驗(yàn)研究互補(bǔ)，幫助科研人員預(yù)測化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，以提高實(shí)驗(yàn)研究的效率，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解釋反應(yīng)機(jī)理。

將分子模擬技術(shù)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的單一枯燥，完成了常規(guī)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，提高教學(xué)效率，而且使學(xué)生獲得了接觸計(jì)算化學(xué)前沿領(lǐng)域的機(jī)會，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)［4-5］。因此，清華大學(xué)、廈門大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等部分高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了分子模擬技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容［6-9］。分子模擬包括量子力學(xué)模擬和經(jīng)典力學(xué)模擬，量子力學(xué)模擬主要包括從頭算方法、半經(jīng)驗(yàn)方法、密度泛函理論（density functional theory， DFT）方法，而經(jīng)典力學(xué)模擬包括分子力學(xué)、分子動力學(xué)、蒙特卡羅模擬、布朗動力學(xué)。量子力學(xué)利用波函數(shù)研究微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，其中，DFT是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的方法，用電子密度取代波函數(shù)作為研究的基本量，具有計(jì)算量小、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)。作為處理多粒子體系的近似方法，在物理化學(xué)、量子化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本文以蔗糖水解為例，通過DFT計(jì)算來獲取蔗糖水解過程的微觀信息，運(yùn)用量子理論分析這些信息的化學(xué)物理意義，討論蔗糖的反應(yīng)活性中心、糖苷鍵和氫鍵的特征，可以從微觀上充分理解相關(guān)化學(xué)知識［10］。DFT計(jì)算常用的軟件有Materials Studio（MS）、VASP、Guassian等［11］。其中，Gaussian是量子化學(xué)計(jì)算軟件，是目前物理、化學(xué)、材料領(lǐng)域研究中必不可少的工具，功能全面，一般的化學(xué)問題都能計(jì)算，且結(jié)構(gòu)和能量計(jì)算準(zhǔn)確，精度高。Guassian對于簡單的計(jì)算操作只要運(yùn)用幾個(gè)簡單的關(guān)鍵詞，將初始結(jié)構(gòu)和計(jì)算要求提交計(jì)算中心，即可進(jìn)行運(yùn)算。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)限制，我們先將建模過程和DFT的計(jì)算過程進(jìn)行講解并錄屏，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，將視頻內(nèi)容發(fā)送給學(xué)生自行預(yù)習(xí)，豐富學(xué)生的預(yù)習(xí)方式和內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入這些信息，提升學(xué)生對蔗糖水解過程的認(rèn)識和理解。同時(shí)，通過對蔗糖水解生產(chǎn)甘露醇、山梨醇等工業(yè)的引入，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的意識，通過對蔗糖產(chǎn)業(yè)的挖掘，可以探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程思政建設(shè)，發(fā)揮“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的育人作用，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量［12］。

一、研究基礎(chǔ)

（一）蔗糖水解反應(yīng)的作用機(jī)制

蔗糖在水中轉(zhuǎn)化為葡萄糖（α-D-吡喃葡萄糖）和果糖（β-D-呋喃果糖），水解反應(yīng)方程式為：

蔗糖是一種通過糖苷鍵（α-1-2-β糖苷鍵）相連的雙糖結(jié)構(gòu)分子，蔗糖的O-糖苷鍵為C-O-C，可以認(rèn)為是醚鍵，如圖1所示。醚鍵一般條件下不容易斷裂，但當(dāng)醚鍵中的氧原子有未共用電子對時(shí)，能接受酸中的質(zhì)子。首先，水分子中的氫攻擊蔗糖的O-糖苷鍵上的氧原子，形成羥基（-OH），并斷開了糖苷鍵（C-O），得到其中一個(gè)糖單元。另一個(gè)糖單元上的糖苷鍵上的碳則因失去相連的氧原子后形成碳正離子而具有親電性，與水分子失去一個(gè)氫原子后形成的-OH結(jié)合得到另一個(gè)單糖。水分子中的氫原子由于不帶正電，親電能力較差，蔗糖在水中的反應(yīng)速率很慢。因此，蔗糖水解反應(yīng)是在酸性條件催化下的水解反應(yīng)。氫離子（H+）是較強(qiáng)的親電試劑，更容易攻擊O-糖苷鍵中的氧原子，因此加速了蔗糖在水中的分解。水在反應(yīng)過程中是大量存在的，盡管有部分水分子參加了反應(yīng)，但仍可以近似地認(rèn)為整個(gè)反應(yīng)過程中水的濃度是恒定的，且催化劑（H+）的濃度也保持不變。

（二）計(jì)算方法

本實(shí)驗(yàn)研究中的理論計(jì)算基于DFT方法，采用Guassian16軟件，采用B3lyp/6-31G*對蔗糖結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用Multiwfn對計(jì)算結(jié)果信息進(jìn)行提?。?3］。

二、結(jié)果處理與討論

（一）蔗糖的電子結(jié)構(gòu)、原子電荷和鍵級

原子電荷是對化學(xué)體系中電荷分布最為簡單的表示方式，可用于快速確定反應(yīng)過程中可能的活性位點(diǎn)。計(jì)算原子電荷有多種方法，如Mulliken、Hirshfeld、AIM等，其中Mulliken是一種計(jì)算原子局部電荷（partial charge）的方法，簡潔地描述了原子軌道對分子軌道的貢獻(xiàn)?；瘜W(xué)鍵鍵能的描述方法有很多，如Mayer鍵級、Wiberg鍵級、Mulliken鍵級、拉普拉斯鍵級（Laplacian bond order， 簡稱LBO）。其中拉普拉斯鍵級與化學(xué)鍵的強(qiáng)度相關(guān)性明顯比其他鍵級更好［14］。因此，通過Gaussian 16的DFT計(jì)算，我們對蔗糖分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，將得到的結(jié)果導(dǎo)入Multiwfn3.8進(jìn)行Mulliken原子電荷和拉普拉斯鍵級數(shù)據(jù)的提取分析。蔗糖主要原子電荷和化學(xué)鍵的鍵級如圖2所示。

圖2（a）是蔗糖分子結(jié)構(gòu)中碳原子和氧原子標(biāo)號及對應(yīng)原子的Mulliken電荷數(shù)。電荷越負(fù)的原子越有可能受到親電試劑的進(jìn)攻。蔗糖各個(gè)氧原子的原子電荷分布較均勻，但氧原子聚積的負(fù)電荷較多。其中，碳原子的羥基上氧原子帶有較多的負(fù)電荷（-0.6以上），氫原子全部帶正電荷，說明蔗糖分子上的羥基活性程度較相同。而醚鍵的氧原子的O1負(fù)電荷為-0.502，O15的負(fù)電荷為-0.521，糖苷鍵的氧原子O11的負(fù)電荷為-0.541。說明，糖苷鍵上的O比環(huán)上的O更容易受到親電試劑（H+）的攻擊。

與其他鍵級定義相比，拉普拉斯鍵級與化學(xué)鍵的強(qiáng)度相關(guān)性明顯比其他鍵級更好，可以從拉普拉斯鍵級中預(yù)測水解過程中蔗糖分子化學(xué)鍵的斷裂位置。蔗糖中的C—C鍵的鍵級差別不大，都在1以上，說明C—C鍵很穩(wěn)定，在反應(yīng)過程中不易斷裂。羥基相連接的C—O鍵的鍵級相對小一些，約在0.338—0.392之間，較為穩(wěn)定。醚鍵中的C—O鍵的鍵級相對更小，因此醚鍵中的C—O鍵容易斷裂。

O-糖苷鍵中C6—O11和C16—O11的鍵級分別是0.321和0.316，兩者相差不大。但是C6和C16的原子電荷分別是0.314和0.533，說明C16所帶正電荷更多，對O11的吸引力更強(qiáng)。因此，糖苷鍵C6—O11比C16—O11在反應(yīng)中更容易斷裂。對于六元環(huán)中的醚鍵，O1—C2和O1—C6的鍵級分別是0.292和0.387，O1—C2比O1—C6鍵級要小，且C2的原子電荷（0.116）比C6的（0.314）要小，所帶正電荷較少，對O1的吸引力較弱。因此，醚鍵O1—C2比O1—C6更容易斷裂。故α-D-吡喃葡萄糖可以在一定條件下斷裂O1—C2開環(huán)后形成D-型鏈狀葡萄糖。

（二）蔗糖前線分子軌道組成

前線分子軌道理論是日本理論化學(xué)家福井謙一提出的，將分子周圍分布的電子云根據(jù)能量細(xì)分為不同能級的分子軌道。在分子中，他認(rèn)為體系的最高占據(jù)軌道（HOMO）上的電子能量最高，所受束縛最小，所以最活潑，容易變動，和親電反應(yīng)有關(guān)；而體系的最低空軌道（LUMO）在所有未占軌道中能量最低，最容易接受電子，與親核反應(yīng)有關(guān)，由此可以判斷親電反應(yīng)或親核反應(yīng)的位點(diǎn)［15］。圖3給出了用Multiwfn3.8繪制的體系的HOMO和LUMO。

研究發(fā)現(xiàn)，HOMO軌道主要包括體系中六元環(huán)上的羥基基團(tuán)和醚鍵上的氧，親電試劑（H+）進(jìn)攻蔗糖六元環(huán)上電子集中的部位，氫離子可以從六元環(huán)上的基團(tuán)自由遷移至糖苷鍵所在的氧上，形成羥基，糖苷鍵（C6—O11）斷裂，形成果糖。而LUMO不包含六元環(huán)部分原子的軌道成分，主要由連在五元環(huán)上的原子基團(tuán)軌道組成，這部分不易與親電試劑（H+）反應(yīng)成鍵，進(jìn)一步證明了蔗糖水解的過程。

（三）DFT計(jì)算在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

如果應(yīng)用Guassian軟件，對蔗糖分子建模、計(jì)算和分析需要大量時(shí)間，但本校“蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率常數(shù)的測定”項(xiàng)目只有4學(xué)時(shí)。因此，為提高效率，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用DFT，DFT的計(jì)算模擬部分涉及Gaussian計(jì)算程序，以及GaussView、ChemDraw等建模軟件，還涉及運(yùn)用學(xué)校的超算平臺遠(yuǎn)程提交計(jì)算任務(wù)的Linux系統(tǒng)等［16］。大部分學(xué)生對Windows系統(tǒng)較為熟悉，對Linux系統(tǒng)需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容較多，耗時(shí)較長，給實(shí)驗(yàn)進(jìn)度造成較大困擾。不同學(xué)生對該系統(tǒng)的操作命令掌握程度不一樣，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度不一致［17］。基于此，可將此部分學(xué)習(xí)的相關(guān)資料和流程錄為視頻，進(jìn)行線上教學(xué)，學(xué)生亦可自主查閱資料，豐富他們對經(jīng)典反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)線上線下混合式教學(xué)的優(yōu)勢?；贒FT輔助教學(xué)的蔗糖水解化學(xué)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程大致可以分為如下三個(gè)階段。

1.實(shí)驗(yàn)開始前。教師為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)參考書及參考文獻(xiàn)，學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)。教師將DFT計(jì)算蔗糖水解過程進(jìn)行視頻錄制，視頻錄制內(nèi)容包括：ChemDraw畫出蔗糖分子結(jié)構(gòu)、果糖和葡萄糖分子結(jié)構(gòu)；通過ChemDraw 3D輸出適合Gaussian計(jì)算的輸入文件gif格式；在GaussView界面中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的檢查，在這個(gè)過程中，為學(xué)生演示GaussView的基本操作（如平移、刪除或增加原子、鍵長和鍵角的查詢等）；設(shè)置Gaussian計(jì)算的關(guān)鍵詞（如關(guān)鍵詞設(shè)置的格式、基本關(guān)鍵詞、計(jì)算的核數(shù)和內(nèi)存的設(shè)置等）；如何將輸入文件通過putty或xshell提交學(xué)校的超算平臺及提交過程中命令的使用；如何觀測計(jì)算是否正常運(yùn)行結(jié)束；如何提取計(jì)算結(jié)果信息；等等。還可以在視頻錄制中，結(jié)合相關(guān)內(nèi)容，融入思政元素，如對國家在人才培養(yǎng)中的投入、對我們大學(xué)本科教育的投入、學(xué)校在超算平臺的投入情況等進(jìn)行介紹，激發(fā)學(xué)生愛祖國、珍惜學(xué)校資源、充分利用學(xué)校資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，將專業(yè)教育與思政教育融為一體，實(shí)現(xiàn)立德樹人的目的。

2.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中。根據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在學(xué)生觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中，采集實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象及問題，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中對相關(guān)基礎(chǔ)知識理解通透，對于學(xué)生特別感興趣的點(diǎn)進(jìn)行記錄，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供經(jīng)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束。教師根據(jù)課堂所學(xué)內(nèi)容與學(xué)生進(jìn)行討論，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析化學(xué)反應(yīng)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教師根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，建立教學(xué)效果考核評價(jià)新模式。

結(jié)語

本研究基于“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中“蔗糖水解過程動力學(xué)常數(shù)的測定”，通過分子模擬計(jì)算，得到蔗糖分子的原子電荷和鍵級大小，分析活性位點(diǎn)和分子內(nèi)化學(xué)鍵的性質(zhì)，加強(qiáng)學(xué)生對反應(yīng)過程的理解。將計(jì)算化學(xué)與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)開放性和拓展性，結(jié)合線上資源與線下實(shí)體教學(xué)，提高了教學(xué)質(zhì)量，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)動力學(xué)和計(jì)算化學(xué)方面知識的動力。

此外，分子模擬計(jì)算已成為科研工作中非常重要的一部分，在本科階段帶領(lǐng)學(xué)生熟悉并掌握一些分子模擬的知識和相關(guān)模擬軟件的基本操作，對于其后續(xù)進(jìn)入科研工作崗位是非常重要的，這對增強(qiáng)大學(xué)生在本專業(yè)中的創(chuàng)新能力和競爭力也是非常有意義的。

參考文獻(xiàn)

［1］高寧寧，龔升高.基于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)淺談高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革［J］.廣州化工，2020，48（2）：142-143.

［2］張丹，楊奇超，程治國.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究［J］.山東化工，2021，50（7）：205+208.

［3］田東亮.科研式物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（8）：205-209.

［4］吳騰，吳潤.基于創(chuàng)新項(xiàng)目探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（11）：183-185+203.

［5］鄧玲娟，張知俠.改革物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式 提升教學(xué)效果［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2022，25（4）：119-121.

［6］陳國博，李苓，高先池.DFT導(dǎo)向的物理化學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（4）：231-234+249.

［7］楊怡萌，李園園，吳婭，等.Gaussian軟件教學(xué)引入高?；瘜W(xué)專業(yè)第二課堂的探索與實(shí)踐［J］.廣州化工，2020，48（12）：134-136+180.

［8］王溢磊.甲醛分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的計(jì)算化學(xué)研究：介紹一個(gè)計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)［J］.大學(xué)化學(xué)，2014，29（5）：66-70.

［9］張茂林，李智敏，施建章，等.相對介電常數(shù)測試與模擬計(jì)算結(jié)合研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（1）：41-43.

［10］張紅，霍樹營，任淑霞，等.理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（5）：136-139+143.

［11］司聰慧，劉金華，盧啟芳，等.基于密度泛函理論的模擬電化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2022，41（2）：155-159+171.

［12］周曉榮，王又容，方華，等.《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程思政建設(shè)初探［J］.廣州化工，2022，50（18）：229-231.

［13］TIAN L， FEIWU C .Multiwfn： a multifunctional wavefunction analyzer［J］.Journal of computational chemistry，2012，33（5）：580-92.

［14］張晨.類煤模型化合物熱解過程中脫羧反應(yīng)和C-C/C-O斷鍵規(guī)律研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2020.

［15］付蓉，盧天，陳飛武.親電取代反應(yīng)中活性位點(diǎn)預(yù)測方法的比較［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，30（4）：628-639.

［16］袁汝明，傅強(qiáng)，傅鋼.研究型計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)施［J］.大學(xué)化學(xué)，2020，35（9）：141-147.

［17］李曄飛，劉智攀.本科物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中開展計(jì)算化學(xué)教學(xué)初探［J］.復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，62（1）：25-30.

Exploration of Chemical Kinetics Experiment Teaching Based on Density Functional Theory

ZHOU Li-qin， HUANG Yan-mei， ZHAO Zhong-xing， ZHAO Zhen-xia，

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Guangxi University， Nanning，"Guangxi 530004， China）

Abstract： The feasibility of density functional theory （DFT） in physical chemistry experimental teaching was studied by taking the determination of the rate constant of sucrose conversion reaction as an example. The structure modeling and configuration optimization were carried out based on Gaussian16 software. The B3LYP /6-31G* method was used to optimize the structure of sucrose， and the active center of the reaction was predicted， which provided a theoretical basis for the action mechanism of sucrose hydrolysis. According to the specific class period requirements of the experiment， we introduced the ideas and details of the experiment. Adding theoretical chemistry calculation content to the physical chemistry experimental course is helpful for students to fully understand the microscopic mechanism of chemical reaction process， enrich the teaching content of chemical kinetics experiment， and improve their learning interest and innovation ability.

Key words： density functional theory; chemical kinetics; physical chemistry experiment; experimental teaching