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量子化學和量子力學的關(guān)系范文第1篇

論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應(yīng)用到化學中而產(chǎn)生的一門學科，經(jīng)過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應(yīng)用于化學的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。

一、 在材料科學中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強度起著關(guān)鍵作用。程新等[1 ，2]在假設(shè)材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，含Ca 鈣礬石、含Ba 鈣礬石和含Sr 鈣礬石的Al -O鍵級基本一致，而含Sr 鈣礬石、含Ba 鈣礬石中的Sr，Ba 原子鍵級與Sr-O，Ba -O共價鍵級都分別大于含Ca 鈣礬石中的Ca 原子鍵級和Ca -O共價鍵級，由此認為，含Sr 、Ba 硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。

（二） 在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe 、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應(yīng)用于材料科學中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學在材料科學中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機理和動力學性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發(fā)展和量子化學計算方法以及計算技術(shù)的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子， 如低級芳香烴作為碳/ 碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經(jīng)驗方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學變量和表觀活化能等結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。 轉(zhuǎn)貼于

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li + 離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago 等[8] 用半經(jīng)驗分子軌道法以C32 H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li - C 和具有共價性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進一步認識和計算機水平的更高發(fā)展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、 在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學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秘， 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，可見運用量子化學的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發(fā)展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新. [ 學位論文] .武漢:武漢工業(yè)大學材料科學與工程學院，1994

[2]程新，馮修吉.武漢工業(yè)大學學報，1995，17 (4) :12

[3]李北星，程新.建筑材料學報，1999，2(2):147

[4]閔新民，沈爾忠， 江元生等.化學學報，1990，48(10): 973

[5]程新，陳亞明.山東建材學院學報，1994，8(2):1

[6]閔新民.化學學報，1992，50(5):449

[7]王寶俊，張玉貴，秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化，2003，26(1):1

[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717

[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262

量子化學和量子力學的關(guān)系范文第2篇

1什么叫“原子軌道”原子軌道，這是量子化學、結(jié)構(gòu)化學中一個非常重要的概念，在研究微觀粒子運動時經(jīng)常要與其打交道?！斑@里所說的原子軌道與宏觀物體的運動軌跡不同，它是指量子力學描述電子在原子核外空間運動的主要區(qū)域?！保?］這是一個明顯的錯誤解釋，原子軌道怎么會是一個運動區(qū)域呢？這正是想用經(jīng)典力學的觀點解釋量子力學（量子化學）的現(xiàn)象，顯然不行。那什么叫原子軌道呢？在量子化學中，處理一個多電子體系（包括多電子原子或多原子分子），我們往往采取的近似解法是軌道近似方法（或稱單電子近似和電子獨立運動模型）。在運用這種方法時，我們需要求解任意一個單電子的波函數(shù)ψi，即求解它的Schrdinger方程：此時，我們把原子中單電子的波函數(shù)ψi稱為原子軌道。同理我們可以把分子中單電子的波函數(shù)ψj稱為分子軌道［2～4］。因此即使對中學生，我們也應(yīng)該把原子軌道粗略地解釋為描述原子中電子運動狀態(tài)的函數(shù)（波函數(shù)），它可用來描述電子在核外空間一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率，而不能解釋成電子活動的區(qū)域。

2電子云圖

關(guān)于用小黑點描繪的電子云圖（圖1）?！坝眯『邳c代表電子在核外空間區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機會，小黑點的疏密與電子在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的機會大小成正比?！保?］這是一種很不準確的解釋。其關(guān)鍵問題是沒有分清楚幾率密度與幾率的概念。試問若區(qū)域A比區(qū)域B大，但區(qū)域B內(nèi)小黑點排列得緊密些，那電子在A區(qū)出現(xiàn)的機會大還是在B區(qū)出現(xiàn)的機會大呢？上述的解釋是沒有分清楚幾率密度和幾率這2個重要概念的含義和關(guān)系。在某一微體積內(nèi)，2者關(guān)系如下：其中｜ψ｜2代表幾率密度，｜ψ｜2dτ代表電子在體積元dτ內(nèi)出現(xiàn)的幾率。對中學生可以采取如下近似解釋：小黑點密度大的地方表示電子在那里出現(xiàn)的幾率密度大，稀則表示幾率密度?。?，6］。在電子云圖上取2個面積相等的區(qū)域A和B來觀察，若為立體圖形，則取2個體積相等的區(qū)域來觀察，則小黑點密度大的區(qū)域電子出現(xiàn)的幾率大。對電子云圖，這樣的解釋比較準確———單位體積內(nèi)小黑點的疏密程度表示電子在原子核外單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率的大小。點密集的地方，表示在那里電子在單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率大……［7］。

3關(guān)于Moeller記憶圖［8］在討論多電子原子結(jié)構(gòu)時，涉及到核外電子的填充順序，很多結(jié)構(gòu)化學的教科書都給出了圖2。國外教材稱之為Moeller記憶圖［9］，國內(nèi)教材一般稱為構(gòu)造原理圖［10，11］。而稱之為“原子核外電子排布的軌道能量順序”［1］，這是一個很不準確的稱呼。因為電子填充順序的經(jīng)驗表達式1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，……并不能真實地、準確地代表在各個原子中原子軌道的能量，它只能近似預(yù)測原子基態(tài)的電子構(gòu)型及定性地解釋周期表中原子的電子排布［12］。對不同的原子來說（其核電荷當然不同），原子軌道能量的順序不一定相同，比如原子軌道能量與原子序數(shù)的關(guān)系如圖3［13～15］：由圖3也可以看出，原子序數(shù)不同的原子，有的是E4s＞E3d，有的是E4s＜E3d。尤其是多電子體系，原子軌道能量次序還和電子填充情況有關(guān)。例如，同為第四周期元素的K和Ni，K無d電子填充，E3d＝－0．64eV，E4s＝－4．00eV，即E3d＞E4s；而Ni有d電子填充，E3d＝－18．7eV，E4s＝－7．53eV，即E3d＜E4s；類似情況在第五、六周期元素還有［16］。

4晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶化學是化學科學中內(nèi)容極其豐富的一門學科。但迄今為止，學術(shù)界對結(jié)晶化學中的某些基本概念，如晶胞、晶系，布拉威格子等都還存在著一些不同解釋和描述［17～20］，但對大多數(shù)基本概念、基礎(chǔ)知識，學術(shù)界還是有共識的。

4．1密堆積中空隙種類在等徑圓球的密堆積中把空隙分成2種類型［1］，如圖4［21］。這種分類法不準確。一般把晶體中的空隙分為三角形空隙、四面體空隙、八面體空隙、立方體空隙等［22～24］。在一個密置層中只有一種空隙———三角形空隙。只能說如考慮其空間取向，有2種情況。否則的話，怎么討論在立方ZnS中空隙的種類和個數(shù)呢？在立方ZnS（晶胞）中，可視S原子（或S2－）作立方最密堆積，形成2類空隙———四面體空隙（8個）和八面體空隙（4個），而Zn原子（或Zn2＋）填入其中4個四面體空隙（見圖5），另外4個四面體空隙（未填微粒）與前面4個四面體空隙空間取向不同，但這8個空隙只能算一類———四面體空隙，故才會得出空隙填充率等于50％的結(jié)論。

4．2關(guān)于小球堆積方式的概念在描述堆積方式時用了一個模糊概念———立方堆積［1］。與立方晶胞有關(guān)的堆積方式一般說有3種：立方最密堆積（可抽面心立方晶胞），立方密堆積（可抽體心立方晶胞），簡單立方堆積（可抽簡單立方晶胞）。教材的表述應(yīng)改為“簡單立方堆積?！?/p>

4．3密堆積和晶格型式（或晶胞類型）間的關(guān)系“在稱為干冰的二氧化碳分子晶體中，作為線型分子的二氧化碳在空間是以A1型密堆積方式形成晶體的”［7］。這段描述與其給出的干冰的晶胞的示意圖［7］是矛盾的。關(guān)于CO2（干冰）的晶格形式有2種表述：CO2為線型分子，若晶胞中4個CO2分子的空間取向相同，則晶格型式為面心立方。且可認為CO2是以立方最密堆積（A1型）方式形成晶體的。但是，若晶胞中4個CO2分子的空間取向不同，則4個CO2分子各屬于一套不同的等同點，故晶格型式應(yīng)為簡單立方晶胞，此時可認為CO2是以簡單立方堆積方式形成晶體的。正如金剛石晶胞中有8個C原子，但分屬于2套不同的等同點（因其空間環(huán)境不同），其中頂點和面心的4個碳屬于一套等同點，而晶胞體內(nèi)4個碳屬于另一套等同點。我們只需取某一套等同點（如頂點和面心那一套）就能確定金剛石中碳原子的堆積方式和晶格型式（晶胞類型）———立方最密堆積（A1型）和面心立方晶胞，見圖7。那么在不能確定干冰晶胞中，CO2空間取向是否相同時應(yīng)怎么描述呢？潘道皚等采取了這種說法“形成了以分子的中心作立方密堆積排列；同時，CO2分子的軸平行于立方體體對角線?！绷⒎襟w有4條對角線，即CO2分子屬于4套等同點。其實質(zhì)是在不考慮空間取向時，干冰可視為A1型密堆積，但實際上4個CO2分子的空間取向不同，只能視為簡單立方晶胞。

量子化學和量子力學的關(guān)系范文第3篇

一、物理化學課程在課程體系中的地位

物理化學在兩階段工科化學(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學原理(基礎(chǔ)物理化學)、無機化學、有機化學、分析化學等課程組成?；瘜W原理作為理論教學內(nèi)容,在對中學化學知識總結(jié)提煉上升到理性認識高度的基礎(chǔ)上,對后繼無機化學、有機化學作為應(yīng)用教學內(nèi)容提供理論基礎(chǔ)。第二階段由物理化學加后繼專業(yè)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程、選修課程組成。物理化學作為理論教學內(nèi)容,既將先前所學無機化學、有機化學等知識從理性上加以認識提高,又為后繼課程提供理論基礎(chǔ)。[2]在專業(yè)教育的范疇內(nèi),物理化學是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業(yè)必備的化學理論基礎(chǔ),它銜接基礎(chǔ)理論和相關(guān)的專業(yè)課程,是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。

二、物理化學課程的教學內(nèi)容

物理化學提供應(yīng)用于所有化學以及相關(guān)領(lǐng)域的基本概念和原理,嚴格和詳細地闡釋化學中普適的核心概念,以數(shù)學模型提供定量的預(yù)測。因此,物理化學是分析化學、無機化學、有機化學和生物化學課程,以及其他相關(guān)前沿課題的概念的理論基礎(chǔ)。總體而言,物理化學理論課程可能涉及的教學內(nèi)容如下:[3]

1.熱力學與平衡

標準熱力學函數(shù)(焓、熵、吉氏函數(shù)等)及其應(yīng)用。熵的微觀解釋?；瘜W勢在化學和相平衡中的應(yīng)用。非理想系統(tǒng)、標準狀態(tài)、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學池的熱力學。

2.氣體分子運動學說

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過程、擴散系數(shù)、黏度。

3.化學動力學

反應(yīng)速率的微分和積分表達式。弛豫過程。微觀可逆性。反應(yīng)機理與速率方程。穩(wěn)定態(tài)近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態(tài)理論。同位素效應(yīng)。分子反應(yīng)動力學含分子束、反應(yīng)軌跡和激光。

4.量子力學

薛定諤方程的假定和導出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉(zhuǎn)子、角動量。氫原子、類氫離子波函數(shù)。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計算化學。量子化學應(yīng)用。

5.光譜

光-物質(zhì)相互作用、偶極選律。線型分子的轉(zhuǎn)動光譜。振動光譜。光譜項。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統(tǒng)計熱力學

系綜。配分函數(shù)表示的標準熱力學函數(shù)。原子、剛性轉(zhuǎn)子、諧振子的配分函數(shù)。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學科的應(yīng)用

生物物理化學、材料化學、環(huán)境化學、藥學、大氣化學等。物理化學實驗課程培養(yǎng)學生用物理化學原理聯(lián)系定量模型與觀察到的化學現(xiàn)象的能力,深化學生對模型定性假設(shè)和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預(yù)測化學現(xiàn)象的基本技能。

學生應(yīng)能記錄正確的測量值,估算原始數(shù)據(jù)的誤差。學生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現(xiàn)代儀器測量物理性質(zhì)和化學變化,積累用這些儀器解決實驗問題的經(jīng)驗。物理化學實驗應(yīng)含有結(jié)合若干實驗方法和理論概念的綜合實驗教學內(nèi)容。適用于工科化學(化工類)課程體系的物理化學實驗教學內(nèi)容大體如下:

1.熱化學實驗

計算機聯(lián)用測定無機鹽溶解熱。計算機聯(lián)用測定有機物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學平衡實驗

不同外壓下液體沸點的測定。環(huán)己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點下降法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。沸點升高法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)的測定。

3.表面化學實驗

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學動力學實驗

量氣法測定過氧化氫催化分解反應(yīng)速率系數(shù)。蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率系數(shù)測定。酯皂化反應(yīng)動力學。一氧化碳催化氧化反應(yīng)動力學。甲酸液相氧化反應(yīng)動力學方程式的建立?？扇細?氧氣-氮氣三元系爆炸極限的測定。計算機聯(lián)用研究BZ化學振蕩反應(yīng)。

5.電化學實驗

強電解質(zhì)溶液無限稀釋摩爾電導的測定。離子遷移數(shù)測定。原電池反應(yīng)電動勢及其溫度系數(shù)的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結(jié)構(gòu)化學實驗

磁化率測定。分子介電常數(shù)和偶極矩的測定。

三、面向?qū)I(yè)的物理化學教學內(nèi)容建設(shè)

當然,一個工科類專業(yè)的物理化學教學不可能也不必要包含上列的所有內(nèi)容。因此,各學科專業(yè)教學指導委員會根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標和規(guī)格,在已經(jīng)或即將公布的各學科專業(yè)的指導性專業(yè)規(guī)范中,制訂了包括物理化學在內(nèi)的化學課程教學基本內(nèi)容作為最低要求。如化學工程與工藝專業(yè)的規(guī)范(研究型)中規(guī)定:物理化學可分為兩部分,物理化學(I)主要內(nèi)容為化學熱力學和反應(yīng)動力學等,作為化工主干課的基礎(chǔ),應(yīng)注意與化工熱力學課程和化學反應(yīng)工程課程的銜接和分界(一些內(nèi)容可在化工熱力學課程和化學反應(yīng)工程課程中展開,以加強工程背景);物理化學(II)主要內(nèi)容為溶液理論、統(tǒng)計力學、量子力學等方面的概要以及近展等。各專業(yè)的物理化學教學基本內(nèi)容充分體現(xiàn)了本專業(yè)的學科特點,是在保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提下,兼顧國內(nèi)各相關(guān)學校的教學條件提出的基本要求。因此,它體現(xiàn)的是該專業(yè)人才的知識體系的共性。由于各校的學科背景和教學條件的優(yōu)勢不同,要培養(yǎng)具有特色的專業(yè)人才,需要在教學中研究如何在滿足各專業(yè)的教學基本內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上開展物理化學教學。我們認為在教學內(nèi)容建設(shè)中應(yīng)堅持貫徹下列原則,才能切實發(fā)揮物理化學這一門專業(yè)基礎(chǔ)課程的作用。[4]

1.承前啟后,發(fā)揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學的聯(lián)系,深化化學原理課程中的物理化學理論,介紹其在后繼專業(yè)課程中的應(yīng)用,以開闊視野并兼顧系統(tǒng)性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容要突出重點,講深講透,體現(xiàn)學科框架;選擇介紹相關(guān)前沿的內(nèi)容以擴大知識面。

3.提倡內(nèi)容側(cè)重的多樣化。針對不同專業(yè)時要不拘一格,倡導內(nèi)容側(cè)重的多樣化;即便面對同一專業(yè),內(nèi)容側(cè)重亦應(yīng)有寬松的選擇余地。

4.體現(xiàn)工科特色,強調(diào)應(yīng)用性和實踐性。引入研究型實踐項目,使學生加深對理論的理解,提高應(yīng)用水平。

四、建設(shè)物理化學教學內(nèi)容的措施

華東理工大學物理化學教研室在國家精品課程和國家級教學團隊建設(shè)過程中,以提高專業(yè)人才的教育質(zhì)量為目標,采取了一系列措施,提高物理化學課程的教學水平和質(zhì)量,促進相關(guān)專業(yè)的課程體系建設(shè)。

1.根據(jù)授課專業(yè)的先修、后繼課程,研讀相關(guān)教材,如化學工程與工藝專業(yè)的現(xiàn)代基礎(chǔ)化學、化工熱力學、化工原理、化學反應(yīng)工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動向和內(nèi)容變革,并且請有關(guān)學科的學術(shù)帶頭人做物理化學在學科領(lǐng)域應(yīng)用介紹的報告,提出教學內(nèi)容改革建議。這樣做的結(jié)果一方面可以避免教學內(nèi)容上不必要的重復(fù),另一方面可以合理地選擇教學內(nèi)容側(cè)重,實現(xiàn)化學基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學參考書,保障教學基本內(nèi)容的教學質(zhì)量,介紹物理化學學科發(fā)展、在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用;介紹溶液模型、線性自由能關(guān)系等半經(jīng)驗方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學參考》、《物理化學》(第五版)、《物理化學導讀》、《物理化學釋疑》、《物理化學教學與學習指南》。開展教學研討,提高教師隊伍的學識水平和在教學中貫徹少而精、博而通教學思想的能力。

3.制作相關(guān)前沿課題和理論應(yīng)用實例,如“正、負離子混合表面活性劑雙水相系統(tǒng)及其微觀結(jié)構(gòu)”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術(shù)”、“復(fù)雜材料的微相平衡和結(jié)構(gòu)演化的數(shù)學模擬”、“離子液體的合成、性質(zhì)和應(yīng)用”等教學素材,進行教學資源的儲備。

4.由科學研究項目提煉研究型教學實驗,如“界面上聚乳酸PLA膜的結(jié)構(gòu)特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測”、“Gem-ini表面活性劑連接基團對合成硅基介孔材料結(jié)構(gòu)的影響”等。

量子化學和量子力學的關(guān)系范文第4篇

    一、化合價概念的歷史演變

    化合價概念從提出到現(xiàn)在,已經(jīng)一個半世紀,隨著人們對分子及分子結(jié)構(gòu)的認識越來越深入,早期那種認為可用整數(shù)定量量度化學元素性質(zhì)的化合價概念已經(jīng)過時,化學家的注意力已轉(zhuǎn)向用分子軌道理論來討論化學鍵的本質(zhì)。從歷史發(fā)展的角度來看,化合價概念的演變與發(fā)展經(jīng)歷了四個重要階段:化合價的提出、化合價概念的發(fā)展、化合價的電子理論階段和分子軌道理論階段。

    1.化合價概念的提出

    1852年,英國化學家弗蘭克蘭在研究金屬有機化合物時提出了化合價的思想,認為金屬或其他元素的每一個原子在化合時具有一種特殊的性質(zhì)——化合力,即任何一個原子都有和一定數(shù)目的其他原子結(jié)合的性質(zhì)?！盎狭Α备拍畹奶岢鼋沂玖嗽鼗狭εc基團化合力之間的聯(lián)系,“化合力”后來被德國化學家凱庫勒翻譯為“價”,得到歐洲各國的普遍認可;我國早期使用的術(shù)語是“原子價”,1991年公布的《化學名詞》中譯為化合價,并給出定義:一定數(shù)目的一種元素的原子只能跟一定數(shù)目的其他元素的原子化合,這種性質(zhì)叫做化合價。

    2.“化合價”概念的發(fā)展

    化合價的概念提出后,在較長的時間內(nèi)并沒有相應(yīng)的理論去解釋原子間結(jié)合的原因,直到化學家們把研究重點從化合價的本質(zhì)轉(zhuǎn)移到原子結(jié)合的數(shù)量關(guān)系上。21世紀,原子結(jié)構(gòu)理論的建立為揭示化合價的本質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。1861年,俄國有機化學家特列洛夫首先提出“化學架構(gòu)”的概念,并指出物質(zhì)的化學性質(zhì)決定于它的化學結(jié)構(gòu),通過化學性質(zhì)的研究可以推測化學結(jié)構(gòu),反之,根據(jù)化學結(jié)構(gòu)又可預(yù)見物質(zhì)的化學性質(zhì)。隨著有關(guān)分子結(jié)構(gòu)理論的不斷充實,原子間結(jié)合為分子的空間取向等問題逐步被解釋了,但是人們無法回答分子間作用力的實質(zhì)問題,1916年美國化學家路易斯在《原子和分子》中闡釋了化合價的電子理論,解釋了分子間作用力的實質(zhì),提出:原子失去或獲得電子后形成穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu),金屬原子易失電子,非金屬原子易得電子形成負離子,正、負離子間的靜電庫倫力是離子間形成化合價的本質(zhì)。

    3.電子理論的發(fā)展

    1927年,英國化學家海特勒和德國化學家倫敦把量子力學理論應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)中來,后來又經(jīng)過美國化學家鮑林等人的發(fā)展,建立了現(xiàn)代價鍵理論(簡稱VB法,又叫電子配對法),1931年,由鮑林和斯萊托創(chuàng)立了雜化軌道理論。價鍵理論和雜化軌道理論都認為,原子的化合價與原子核外電子層中未配對的電子數(shù)目相等。因為有幾個未配對電子,就可以借電子對的形式來形成幾個共價鍵,從而生成具有一定穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子。例如:H、F、O、N、He、Ne基態(tài)時原子核外未配對電子數(shù)分別是1、1、2、3、0、O,所以它們的化合價也分別為1、1、2、3、0、0。

    4.分子軌道理論階段

    化合價的電子理論雖然對解釋化學鍵的本質(zhì)起了重要作用,但是它無法解釋后來逐步發(fā)現(xiàn)的缺電子分子、夾心面包型分子或分子片等實驗事實。

    1931年鮑林提出了雜化軌道理論和電價配鍵、共價鍵的配合物價鍵理論,1932年美國化學家密立根和德國化學家洪特等人創(chuàng)立了分子軌道理論(簡稱MO理論),以及隨后提出的單電子鍵、三電子鍵和缺電子鍵等概念,使化學家們對原子間相互化合的形式、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等的認識進一步深化和發(fā)展,同時也使化合價的傳統(tǒng)概念暴露出來這樣那樣的缺陷。1938年,鮑林出版了《化學鍵本質(zhì)》一書,宣告了用整數(shù)定量量度化學元素性質(zhì)的化合價的消亡,并引導化學家們將注意力轉(zhuǎn)到探索化學鍵的本質(zhì)上來。至此,人們開始清醒地認識到用化學鍵數(shù)目來計算原子的化合價的方法是行不通的,至少在有些類型的化合物中是無法應(yīng)用的。這類化合物中的化學鍵及化合價需要用量子化學理論來討論,在這些分子中原子的化合價不再是整數(shù),而可能是分數(shù)或小數(shù)。

    二、化合價的學習困難分析

    通過對化合價概念的演變與發(fā)展的歷史回顧,我們可以看到,在第一階段的化合價概念僅僅回答了原子間相互化合的數(shù)量關(guān)系。第二階段則將化合價的數(shù)值與共價鍵數(shù)目或原子中未配對電子數(shù)目畫上等號,從而使化合價這一起初比較抽象的概念變得具體起來。第三階段,化合價的分子軌道理論為揭示化學鍵的本質(zhì)提供了理論基礎(chǔ),同時說明用整數(shù)定量度量原子化合價的概念已經(jīng)過時,對于奇數(shù)電子的分子、缺電子分子和夾心面包型分子中原子的化合價,必須用分子軌道理論來闡述才能得到滿意的解釋。這不斷變化的含義,讓化合價披上了一層神秘的面紗,也導致了學生化合價學習的困難。

    首先,從化合價的發(fā)展歷程可以看出,化合價這一概念的含義不斷在發(fā)生變化,而并不是我們現(xiàn)在教材中給出的化合價的含義,所以這就導致了學生學習了化合價概念之后,按照所學的化合價知識去判斷其他物質(zhì)中元素的化合價時,常常會遇到解釋不通的時候,比如說四氧化三鐵中鐵的化合價、過氧化氫中氧的化合價。這樣就導致學生難以理解化合價這個概念。

    初三學生在學習化合價之前頭腦中沒有與“化合價”相連接的先行組織者,化合價知識很難與學生的已有知識經(jīng)驗相連接,學生只能靠死記硬背老師教給的口訣,這樣學到的知識在練習應(yīng)用中又頻頻出錯,這對學生來說更是雪上加霜,化合價的學習更加困難。

    其次,化合價如此復(fù)雜的發(fā)展史,對于很多的初中教師也是陌生的,教師在理解化合價時都不能給出其確切的含義,如果要傳授給學生,講到什么程度、怎樣講合適,這對教師來說本身就是一個挑戰(zhàn),所以很多教師則干脆不講,直接告訴學生一個“化合價記憶口訣”,學生們只會記住這些口訣,而對于化合價什么含義、怎么用,則是一塌糊涂。

    三、解決化合價學習困難的教學建議

    以上從化合價發(fā)展史的角度分析了初中化合價難學的主要原因,在教學中為幫助學生理解化合價的概念,教師要注意以下兩個方面:

    1.深入挖掘教材內(nèi)容,注重化合價本質(zhì)的理解

    化合價的內(nèi)容理論性較強,需要學生的邏輯思維和抽象思維能力強。魯教版初中化學教科書很好地利用了化合價發(fā)展史,教材中在化合價之前先安排原子的構(gòu)成、元素等章節(jié),讓學生先了解了原子的構(gòu)成、分子的形成以及原子的八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等知識,學生初步具有了從微觀的視角來分析問題的能力。然后在“物質(zhì)組成的表示”一節(jié)中提出了“化合價”概念。從教科書內(nèi)容來看,教科書給出的“化合價”的解釋處在了“化合價”歷史發(fā)展的第二個階段:在元素化合物中,元素的化合價是由這種元素的一個原子得到或失去電子的數(shù)目決定的。這樣的編寫順序便于學生理解。

    教師應(yīng)充分利用教科書,對于化合價的教學可以從原子結(jié)構(gòu)等微觀入手,利用學生已知的“原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是最外層八個電子”,而大部分的原子的最外層都沒有達到八個電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu),所以在相互化合時元素原子為了達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu),必然要得到或失去電子,所以元素的化合價與原子的最外層電子數(shù)有關(guān),是由原子的結(jié)構(gòu)決定的,是元素的一種屬性。學生在理解化合價本質(zhì)的基礎(chǔ)上可以更好的理解化合價的定義。