時(shí)間：2023-06-25 16:22:15
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子化學(xué)基礎(chǔ)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：燃燒學(xué)；量子化學(xué)；Gaussian軟件；多媒體
中圖分類號(hào)：G642?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）19-0041-02
“燃燒學(xué)”是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)以及熱化學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)，是一門典型的交叉學(xué)科。由于“傳熱學(xué)”、“熱力學(xué)”以及“流體力學(xué)”是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，通過前期的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容較為熟悉。但由于專業(yè)的限制，本專業(yè)學(xué)生在大學(xué)期間很少有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)化學(xué)專業(yè)知識(shí)，因而對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱化學(xué)等內(nèi)容相對(duì)陌生，不少學(xué)生在課后反映該部分內(nèi)容抽象難懂。燃燒過程實(shí)質(zhì)上是耦合了流動(dòng)、傳熱以及熱力相變的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程。因此，掌握好化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱化學(xué)等知識(shí)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)具有重要意義。筆者根據(jù)在科研與教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，將量子化學(xué)Gaussian軟件應(yīng)用到燃燒學(xué)課程的教學(xué)中，取得了良好的效果。
一、量子化學(xué)Gaussian軟件介紹
量子化學(xué)是應(yīng)用量子力學(xué)的規(guī)律和方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)Gaussian軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，是化學(xué)領(lǐng)域最著名的軟件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系統(tǒng)中運(yùn)行，目前最新版本為Gaussian 03。該軟件由量子化學(xué)家約翰波普的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，可以應(yīng)用從頭計(jì)算方法、半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法模擬和計(jì)算分子和過渡態(tài)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(shì)、振動(dòng)頻率、紅外和拉曼光譜、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)以及反應(yīng)路徑等內(nèi)容，是目前應(yīng)用最廣泛的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算量子化學(xué)計(jì)算軟件。量子化學(xué)Gaussian軟件在教學(xué)中可以輕松搭建直觀的分子和原子模型，并且從分子動(dòng)力學(xué)層面展現(xiàn)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在變化和重組過程。因此，學(xué)生可以直觀地了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)內(nèi)在規(guī)律，從而強(qiáng)化對(duì)相關(guān)知識(shí)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)與掌握。
二、量子化學(xué)Gaussian軟件在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例
量子化學(xué)Gaussian軟件的功能非常強(qiáng)大，但本文僅選擇個(gè)別功能，并且通過列舉“燃燒學(xué)”中最常見的兩個(gè)簡(jiǎn)單基元反應(yīng)實(shí)例來介紹其在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用。
1.實(shí)例一
CO和·OH的反應(yīng)是燃燒過程以及燃燒大氣污染控制化學(xué)中的一個(gè)重要基元反應(yīng)。根據(jù)分子碰撞理論，兩種物質(zhì)是通過相互碰撞發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但這種說法對(duì)于非化學(xué)專業(yè)的同學(xué)來說非常抽象，不易理解。比如兩者是如何發(fā)生碰撞的，碰撞后又是如何發(fā)生反應(yīng)的，這些問題都很模糊，通過簡(jiǎn)單的文字描述很難講清楚。而通過簡(jiǎn)單直觀的圖形講解則可能取得意想不到的效果。圖1顯示的是采用Gaussian軟件中的密度泛函理論（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基組水平下全參數(shù)優(yōu)化和模擬反應(yīng)過程中的各反應(yīng)物、中間體（IM）、過渡態(tài)（TS）以及反應(yīng)產(chǎn)物的幾何構(gòu)型示意圖。
圖2顯示的是CO和·OH之間的反應(yīng)能級(jí)示意圖。從圖中結(jié)果可以看出，CO和·OH之間的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是·OH對(duì)CO發(fā)動(dòng)進(jìn)攻，即·OH的O原子去進(jìn)攻CO中的C原子，得到反應(yīng)中間體IM1。從中間體IM1出發(fā)有兩種裂解方式：一種是經(jīng)過渡態(tài)TS1斷裂其H-O鍵；另一種方式是IM1首先經(jīng)過一個(gè)異構(gòu)化過渡態(tài)TS2異構(gòu)為另一順式中間體IM2，然后IM2又經(jīng)過渡態(tài)TS3斷裂其H-O鍵生成產(chǎn)物CO2和H。基于以上能級(jí)分析，反應(yīng)存在兩條可能的通道。但通過計(jì)算的活化能可知，第一條反應(yīng)路徑需要的活化能為197.41 kJ/mol，而第二條需要的活化能僅為33.22 kJ/ mol。化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行必須先要克服一定的能量障礙，即活化能才可以發(fā)生。從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二個(gè)通道需要克服的能量障礙更小，即更容易發(fā)生，是該反應(yīng)的主要通道（主要反應(yīng)路徑）。
2.實(shí)例2
（曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，云南 曲靖 655011）
【摘要】采用量子化B3LYP（6-311G**基組水平）對(duì)乙腈及其衍生物的反應(yīng)物，過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，通過振動(dòng)分析對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物進(jìn)行了確認(rèn)，證實(shí)了乙腈異構(gòu)化的機(jī)理。
關(guān)鍵詞 乙腈及其衍生物；異構(gòu)化；量子化學(xué)
過渡態(tài)理論指出．任何化學(xué)反應(yīng)不只是反應(yīng)物通過簡(jiǎn)單的碰撞就能變成產(chǎn)物，而是要經(jīng)過一個(gè)中間過渡態(tài)(活化絡(luò)合物)，然后才能變成產(chǎn)物。由于過渡態(tài)的壽命極短，實(shí)驗(yàn)方法難以捕捉，因此運(yùn)用量子化學(xué)方法進(jìn)行研究，無疑是一種適宜的方法。Hammond曾把過渡態(tài)與反應(yīng)物和產(chǎn)物關(guān)聯(lián)起來。
提出了對(duì)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)作近似估計(jì)的Hammond原理，但在許多反應(yīng)中不能用它來作近似的估計(jì)。
我們用MNDO方法算得了乙腈異構(gòu)化的反應(yīng)途徑曲線和過渡態(tài)。為了克服MINDO方法所遇到的一些問題，我們采甩了D~war等人提出的MNDO方法，它是在NDDO近似基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 。采用能量梯渡法優(yōu)化了反應(yīng)物和產(chǎn)物的平衡幾何構(gòu)型用線性內(nèi)坐標(biāo)法找到了最小能量途徑，再以它的能量投大值時(shí)的構(gòu)型作為過渡態(tài)的初始值用Powell方法優(yōu)化得到過渡態(tài)的精細(xì)構(gòu)型參數(shù)，并通過力常數(shù)計(jì)算和振動(dòng)分析予以確證。
乙腈又名甲基腈，無色透明液體，極易揮發(fā)，有優(yōu)良的溶劑性能，能溶解多種有機(jī)、無機(jī)和氣體物質(zhì)，與水和醇能無限互溶。乙腈能發(fā)生典型的腈類反應(yīng)，并被用于制備許多典型的含氮化合物，是一個(gè)重要的有機(jī)中間體[1]。當(dāng)乙腈作為中間體參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)，研究乙腈及乙腈衍生物的異構(gòu)化對(duì)化學(xué)反應(yīng)的途徑及產(chǎn)物的制備具有重要意義[2]。
1計(jì)算方法
本文在使用Gaussian 03量子化學(xué)程序包[3]，采用B3LYP/6-311G**量子化學(xué)方法，對(duì)乙腈互變異構(gòu)機(jī)理的反應(yīng)物、過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，并在優(yōu)化的幾何構(gòu)型基礎(chǔ)進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析，得到分子的幾何構(gòu)型、能量、電荷分布等，全部計(jì)算在PIV-1G微機(jī)上完成。
1.1異構(gòu)化反應(yīng)機(jī)理
當(dāng)R為H原子時(shí)，即把乙腈作為反應(yīng)體系的模型反應(yīng)物，當(dāng)R先后被1號(hào)取代基甲基(Me)，2號(hào)叔丁基(t-Bu)，3號(hào)苯基(Ph)取代時(shí)為乙腈三種不同取代基的異構(gòu)化反應(yīng)物。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)互變異構(gòu)進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)物的原子H4從原子C3上遷移到原子C2上，并且N1和C3成鍵。C3-H4鍵的鍵長(zhǎng)逐漸拉長(zhǎng)，而C2-H4的鍵長(zhǎng)和C3-N1鍵均逐漸被縮短，最終C2與H4成鍵，C3與N1成鍵，最終形成一個(gè)比較穩(wěn)定的碳氮碳三元環(huán)，通過各駐點(diǎn)的振動(dòng)分析計(jì)算表明，過渡態(tài)都具有唯一的虛頻。在模型反應(yīng)的基礎(chǔ)上，換取代基進(jìn)行計(jì)算其過渡態(tài)的形式與模型反應(yīng)相似。
1.2反應(yīng)物、過渡態(tài)及產(chǎn)物的能量
乙腈的過渡態(tài)ts的相對(duì)能為417.8kJ/mol，當(dāng)H原子被Me和t-Bu取代時(shí)，支鏈烷烴取代基隨著供電子基團(tuán)的增加，它們的過渡態(tài)的相對(duì)能略有減小，分別為402.6kJ/mol和389.21kJ/mol；而當(dāng)用Ph取代H原子時(shí)，其過渡態(tài)的相對(duì)能下降的比較明顯，過渡態(tài)的相對(duì)能為330.8kJ/mol。由此說明了支鏈烷烴取代基隨著碳原子的增加，增大了空間阻礙效應(yīng)，使其過渡態(tài)的相對(duì)能略有降低，但是為什么被苯環(huán)取代的乙腈的過渡態(tài)的相對(duì)能要更偏低一點(diǎn)，這是由于苯環(huán)的六個(gè)碳原子處于同一個(gè)平面上，有一定的共軛效應(yīng)，但苯基取代的相對(duì)能量與支鏈烷烴取代的相對(duì)能相差不大。反應(yīng)物r進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，C3-H4鍵斷裂，H4原子遷移，經(jīng)過一個(gè)相對(duì)能量較高的過渡態(tài)ts，再經(jīng)過H4原子的遷移形成最后的異構(gòu)產(chǎn)物p。
1.3分子的前線軌道
根據(jù)分子軌道理論，前線軌道及其附近的分子軌道對(duì)反應(yīng)活性影響最大，因此研究前線軌道可以確定反應(yīng)部位以及為探討作用機(jī)制等提供重要信息，HOMO具有優(yōu)先提供電子的重要作用，LUMO具有接受電子的重要作用。分子的最高占據(jù)軌道 (HOMO) 能級(jí)和最低空軌道(LUMO)能級(jí)之差ΔE反映出分子的穩(wěn)定性和反應(yīng)的活性。
2結(jié)論
本文采用B3LYP方法對(duì)乙腈模型進(jìn)行了異構(gòu)化的計(jì)算研究，從直線性轉(zhuǎn)變?yōu)槿h(huán)，獲得了乙腈及其取代基異構(gòu)化反應(yīng)機(jī)理的一些重要信息，說明乙腈及其取代基異構(gòu)化的一些特征。在模型反應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同烷烴取代基形成乙腈衍生物的計(jì)算，從各種參數(shù)分析，不同的取代基有相同的反應(yīng)機(jī)理，有一個(gè)過渡態(tài)(ts)，過渡態(tài)的相對(duì)能量變化不是很大，產(chǎn)物的相對(duì)能變化也不大。
參考文獻(xiàn)
［1］張會(huì)琴,梁國(guó)明．HNC-HCN反應(yīng)機(jī)理的密度泛函理論研究[J]．自然科學(xué)學(xué)報(bào),2005，22(3):100~104．
［2］林雪飛,孫成科．氮雜炔正離子與環(huán)烯反應(yīng)的機(jī)理及取代基效應(yīng)[J]．化學(xué)研究與應(yīng)用,2007,19(8):872~876.
1碳－碳σ鍵和π鍵形成的圖示化
化學(xué)鍵是理解有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，有機(jī)化學(xué)中最常見的是σ鍵和π鍵，借助于GAMESS－US的計(jì)算結(jié)果可清楚地從三維空間立體顯示σ鍵和π鍵的形成過程。圖1是乙烷中的兩個(gè)碳原子在最小基基組下相距不同距離時(shí)所對(duì)應(yīng)的分子軌道的圖像，從圖中可明顯看出當(dāng)碳原子相距為3倍平衡鍵長(zhǎng)(3Re)時(shí)，兩個(gè)碳原子上的sp3雜化軌道不能有效重疊成鍵;當(dāng)碳原子間距離靠近為2Re時(shí)，兩個(gè)碳原子的sp3雜化軌道能夠部分重疊形成弱的σ鍵;當(dāng)碳原子間距離靠近到Re時(shí)，兩個(gè)sp3雜化軌道可最大重疊形成穩(wěn)定的沿鍵軸呈圓柱形對(duì)稱的σ鍵。圖2則顯示了乙烯中兩個(gè)碳原子上的2pz軌道從相距3Re逐漸靠近到Re按“肩并肩”方式形成成鍵π和反鍵π*軌道的過程。從圖2可明顯看出，π軌道在乙烯平面上的電子云密度為零，而通過兩個(gè)位相相反的2pz軌道組合形成的反鍵π*軌道，原子間電子云密度明顯降低。
2構(gòu)象的演示
構(gòu)象是有機(jī)化學(xué)中的一個(gè)基本概念，一般是在講述烷烴的時(shí)候引入。這里以正丁烷中C2－C3單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)為例來說明如何通過量子化學(xué)計(jì)算直觀解釋構(gòu)象以及構(gòu)象間的相互轉(zhuǎn)換這些概念。圖3是正丁烷在6－31G(d)基組下繞中心C2－C3旋轉(zhuǎn)不同角度并限制性優(yōu)化得到的不同構(gòu)象的能量曲線。圖中同時(shí)給出了各典型構(gòu)象的相對(duì)能量及其立體分子結(jié)構(gòu)。從圖中所標(biāo)示的分子結(jié)構(gòu)的球棍模型可以明顯看出，在二面角為180°(反交叉式)時(shí)，丁烷的兩個(gè)甲基相聚最遠(yuǎn)，整個(gè)分子能量最低;而在二面角為60°(順交叉式)時(shí)兩個(gè)甲基的相互排斥使能量升高大約4．2kJ/mol，兩者都處于勢(shì)能曲線上的極小值點(diǎn)，都是較穩(wěn)定的構(gòu)象。從反交叉式轉(zhuǎn)換到順交叉式需要越過15．3kJ/mol的勢(shì)壘。而另外的全重疊式和部分重疊式構(gòu)象由于甲基相距太近，排斥能較大使得它們處于能量曲線上的極大值點(diǎn)，因此是不穩(wěn)定構(gòu)象。我們還可以利用頻率計(jì)算得到的各構(gòu)象相對(duì)自由能根據(jù)玻爾茲曼公式近似計(jì)算室溫下各構(gòu)象所占的比例。
3反應(yīng)機(jī)理的演示
有機(jī)反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分，也可以說是理解和掌握基本有機(jī)反應(yīng)的基礎(chǔ)。但是有機(jī)反應(yīng)機(jī)理普遍較為抽象，對(duì)于剛接觸到有機(jī)反應(yīng)的學(xué)生而言顯得難以掌握。若能夠以動(dòng)畫的形式來直觀化整個(gè)反應(yīng)過程，顯然有助于學(xué)生對(duì)反應(yīng)機(jī)理的理解。這里我們以有機(jī)化學(xué)里常見的雙分子親核取代(SN2)反應(yīng)和(氫遷移反應(yīng)來說明如何通過計(jì)算化學(xué)來動(dòng)畫圖示整個(gè)反應(yīng)歷程。3．1SN2反應(yīng)圖4顯示的是6－31+G(d)基組下由內(nèi)稟內(nèi)坐標(biāo)(IRC)方法計(jì)算得到的SN2反應(yīng)F－+CH3ClCH3F+Cl－整個(gè)反應(yīng)歷程［6］。從IRC計(jì)算得到的反應(yīng)路徑可以很直觀地闡明整個(gè)反應(yīng)過程:F－從C－Cl鍵背面進(jìn)攻C原子，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)－和中心C原子的距離逐漸接近;與此同時(shí)，原來的C－Cl鍵的鍵長(zhǎng)逐漸拉長(zhǎng);在反應(yīng)的過渡態(tài)，C原子近似采用sp2雜化，和三個(gè)氫原子形成一個(gè)近似平面的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)－和Cl－分別位于這個(gè)平面的兩側(cè)，F(xiàn)和C以及C和Cl均是靠弱的σ鍵聯(lián)系在一起，隨后F－進(jìn)一步靠近和C形成F－C鍵，Cl－離去最后形成自由的Cl－。整個(gè)反應(yīng)過程可以制作成一個(gè)動(dòng)畫進(jìn)行直觀演示，活化能的數(shù)據(jù)也可直接從反應(yīng)混合物和過渡態(tài)的相對(duì)能量差得到。3．2σ遷移反應(yīng)σ遷移反應(yīng)屬于周環(huán)反應(yīng)的一種，和有機(jī)化學(xué)中大多數(shù)離子型或者自由基反應(yīng)機(jī)理不同，σ遷移反應(yīng)一般是通過環(huán)狀過渡態(tài)協(xié)同完成。這里我們以1，3－戊二烯的［1，5］σ氫遷移反應(yīng)為例，說明通過量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果所展示的整個(gè)協(xié)同反應(yīng)歷程(圖5)。從IRC計(jì)算得到的結(jié)果可以直觀重現(xiàn)整個(gè)反應(yīng)過程:甲基上的氫逐漸向端基的烯基碳原子靠近，形成一個(gè)六元環(huán)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，隨后舊的碳?xì)滏I逐漸斷裂、新碳?xì)滏I生成，最后形成產(chǎn)物。
4紅外光譜的指認(rèn)
紅外光譜是鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法，但紅外振動(dòng)模式較多，使得紅外譜的識(shí)別并不容易。量子化學(xué)計(jì)算可以動(dòng)態(tài)演示紅外光譜的各種振動(dòng)模式，從而可憑直觀直接理解。圖6是甲醛分子的紅外光譜以及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式［6］，各紅外吸收峰所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式均可在Avogadro［5］中以動(dòng)畫的形式予以展示。計(jì)算化學(xué)在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止上述所提到內(nèi)容，計(jì)算化學(xué)現(xiàn)今已經(jīng)滲透到有機(jī)化學(xué)的各個(gè)方面，在指導(dǎo)有機(jī)合成設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)反應(yīng)機(jī)理等方面都有諸多應(yīng)用［8］。本文只是挑選其在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的一小部分應(yīng)用示例加以說明，相信在今后的有機(jī)化學(xué)教學(xué)中計(jì)算化學(xué)的作用能更多地被挖掘和應(yīng)用，來輔助教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。
作者：唐敏 單位：南京中醫(yī)藥大學(xué)翰林學(xué)院
羥汞化-脫汞是由烯烴合成醇的有效途徑之一［1］。羥汞化反應(yīng)主要分為兩個(gè)階段:①烯烴在含水的四氫呋喃溶液中與乙酸汞發(fā)生羥汞化;②羥汞化產(chǎn)物不經(jīng)分離，直接加入NaBH4進(jìn)行還原脫汞。該反應(yīng)具有條件溫和(一般在室溫進(jìn)行)、速度快(一般第一階段只需要幾分鐘，第二階段需要1小時(shí))、中間產(chǎn)物不需分離、區(qū)域選擇性好(Markovnikov取向)、無重排產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)。因此，盡管汞是公認(rèn)最毒的金屬元素，但由于羥汞化反應(yīng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，該反應(yīng)仍被廣泛用于有機(jī)合成［2-3］。
以丙烯加乙酸汞為例，目前比較公認(rèn)的羥汞化反應(yīng)機(jī)理［4-5］見圖1。其中第二步和第三步最為關(guān)鍵，但是目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)有機(jī)化學(xué)教材都沒有明確指出反應(yīng)的速控步是哪一步［6-10］，部分教材甚至把羥汞化過程歸類為親電加成反應(yīng)［8-10］。我們對(duì)此產(chǎn)生疑問，整個(gè)反應(yīng)的速控步究竟是汞離子親電加成的第二步，還是水親核進(jìn)攻的第三步?下面根據(jù)軟硬酸堿理論、元素電負(fù)性等有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)各步反應(yīng)分析如下:(1)第一步，乙酸汞發(fā)生電離產(chǎn)生乙酰氧基汞正離子。我們認(rèn)為該帶有正電荷的汞離子的生成是必要的。最新的研究證明氯化汞能夠催化芳基烯基醚的羥汞化反應(yīng)。加入氯化鈉等含有氯離子的無機(jī)鹽能夠抑制上述反應(yīng)，而加入硝酸銀可以促進(jìn)上述反應(yīng)。因?yàn)槁入x子是軟堿，額外增加的氯離子能夠和汞離子絡(luò)合生成［HgCl4］2－，抑制了+HgCl的生成，進(jìn)而抑制了羥汞化。而加入硝酸銀，使銀離子和氯離子結(jié)合，則可以促進(jìn)+HgCl的生成，進(jìn)而促進(jìn)羥汞化反應(yīng)。對(duì)于不同的汞鹽，根據(jù)軟硬酸堿理論可以判斷其電離的難易。越容易電離的汞鹽，活性越高。不同汞化合物應(yīng)該具有如下的活性順序:Hg(OOCCF3)2＞Hg(OOCCH3)2＞HgCl2＞HgBr2＞HgI2。因?yàn)镠g2+是軟酸，CF3COO－是最硬的堿，I－是最軟的堿。所以Hg(OOCCF3)2最容易電離，HgI2則是“軟親軟”，不易電離，活性最低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Hg(OOCCF3)2對(duì)4-己烯-1-醇分子內(nèi)氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快，而且產(chǎn)物不同［12］。(2)第二步，乙酰氧基汞正離子與烯烴的碳碳雙鍵發(fā)生親電加成生成汞鎓離子。從軟硬酸堿理論分析，烯鍵的π電子為軟堿，汞離子為軟酸，“軟親軟”，該基元反應(yīng)應(yīng)該屬于快反應(yīng)。從電負(fù)性考慮，汞的電負(fù)性為1．9，略小于碳的2．55［13］，這使正電荷主要集中在汞上而不是碳上。這一點(diǎn)與溴鎓離子截然不同，后者正電荷主要集中在碳原子上。所以，相比溴鎓離子，汞鎓離子不易受到水的親核進(jìn)攻。我們用量子化學(xué)手段計(jì)算得出乙烯、丙烯、異丁烯與乙酰氧基汞正離子加成生成的汞鎓離子中間體以及乙烯的溴鎓離子的結(jié)構(gòu)與APT電荷(atomicpolartensor-basedcharges)［14］分布(圖2)(本文量化計(jì)算均采用Gaussian03軟件包，分子構(gòu)型在RB3LYP水平下進(jìn)行優(yōu)化，其中C、O使用6-31G*基組，H使用6-31G＊＊基組，Hg和Br使用贗勢(shì)基組(Lanl2DZ，其中對(duì)Br加上極化函數(shù)(極化參數(shù)為0．389);
對(duì)所有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率計(jì)算，以確認(rèn)所有結(jié)構(gòu)均是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(駐點(diǎn)是極小值，沒有虛頻))。從以上計(jì)算結(jié)果可得出結(jié)論:①上述汞鎓離子中，乙酰氧基與汞原子是雙齒配位的，兩個(gè)O—Hg鍵長(zhǎng)幾乎等長(zhǎng)，都在2．30左右。②汞原子上總是帶有最多的正電荷。③在丙烯等不對(duì)稱烯烴的汞鎓離子中，由于甲基的供電誘導(dǎo)效應(yīng)，C2上正電荷多于C1，在異丁烯的汞鎓離子中這一差異更加明顯。從乙烯到丙烯到異丁烯，Hg—C1鍵逐漸變短，從2．602變?yōu)?．478，再到2．419。而Hg—C2鍵逐漸變長(zhǎng)，在異丁烯的汞鎓離子中，Hg—C2鍵最長(zhǎng)，達(dá)到2．876。這都預(yù)示著第三步水親核進(jìn)攻的位置在C2上，即Markovnikov取向。④在異丁烯的汞鎓離子中，C2上帶有最多的正電荷，可以預(yù)期其與水的親核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓離子更快，這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致［15］:2-甲基-2-丁烯的羥汞化在10s內(nèi)完成，而環(huán)己烯需要55s。⑤與電負(fù)性分析結(jié)果一致，與乙烯的乙酸汞鎓離子不同，在乙烯的溴鎓離子中，正電荷主要集中在碳原子上，溴原子上正電荷很少，這表明汞鎓離子與溴鎓離子有著本質(zhì)的不同。眾所周知，羥汞化反應(yīng)通常不會(huì)發(fā)生重排，這正是由于汞鎓離子中間體的正電荷主要集中在汞上而不是碳上的具體體現(xiàn)。因?yàn)樯婕版f離子的碳上正電荷較少，臨近α位的烴基或氫原子不易發(fā)生遷移。
我們分別計(jì)算了叔丁基乙烯的汞鎓離子和溴鎓離子甲基重排前后的能量變化，結(jié)果如圖3所示。從量子化學(xué)計(jì)算的結(jié)果也可以看出，在叔丁基乙烯汞鎓離子中，C2上的正電荷僅為0．4858e，而且甲基重排后所得到的叔碳正離子中間體的吉布斯自由能比重排前升高了77．78kJ/mol;而叔丁基乙烯的溴鎓離子中C2上正電荷高達(dá)0．8574e，非常有利于甲基遷移，而且發(fā)生類似重排后產(chǎn)物的吉布斯自由能比重排前降低了45．19kJ/mol。因此叔丁基乙烯的汞鎓離子的重排在熱力學(xué)上是極其不利的，不易重排。而叔丁基乙烯與溴的親電加成生成的溴鎓離子容易重排。事實(shí)上，許多烯烴，如:莰烯［16］、降冰片烯［17］和苯并二環(huán)［2．2．2］-2，5-辛二烯［18］與溴的親電加成都發(fā)生了重排。(3)第三步，水作為親核試劑進(jìn)攻汞鎓離子。在該步中，水分子中的氧原子是硬堿，而帶有部分正電荷的碳原子是軟酸。由于碳上的正電荷較少，水的親核性又弱，此類弱親核試劑的親核進(jìn)攻就變得更加困難。由此推斷，該步基元反應(yīng)才應(yīng)該是整個(gè)反應(yīng)的慢步驟，即整個(gè)羥汞化反應(yīng)的速控步。通過查閱文獻(xiàn)［19］，這一結(jié)論得到了有力支持。例如:2-甲基-1-己烯的羥汞化反應(yīng)速度比1-己烯快10倍，比四甲基乙烯的羥汞化速度快833倍。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)汞鎓離子中C2上的正電荷多少有關(guān)(圖4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓離子中C2上的正電荷最大(0．6632e)，羥汞化最快;而四甲基乙烯的類似物相應(yīng)碳原子上的正電荷最少，羥汞化最慢。如果汞鎓離子生成的一步是速控步，含有4個(gè)供電甲基的四甲基乙烯與乙酸汞離子形成汞鎓離子進(jìn)而得到羥汞化中間體應(yīng)該是上述3個(gè)烯烴中最快的，然而實(shí)驗(yàn) 事實(shí)正好相反。這反過來證明汞鎓離子生成的一步不是整個(gè)羥汞化反應(yīng)的速控步。另外，對(duì)于含多個(gè)雙鍵的烯烴，羥汞化優(yōu)先發(fā)生在最不對(duì)稱的雙鍵上，即1，1-二取代優(yōu)于1，1，2-三取代，單取代優(yōu)于1，2-二取代［20］，反應(yīng)速度與汞鎓離子中取代最多的碳原子上的正電荷密度成正比，也進(jìn)一步說明水親核進(jìn)攻的一步是整個(gè)反應(yīng)的速控步。(4)第四步是中間產(chǎn)物Ⅱ快速失去質(zhì)子的過程，不再贅述。(5)關(guān)于烯烴和炔烴羥汞化產(chǎn)物的脫汞問題。在烯烴的羥汞化產(chǎn)物中，由于碳與汞的電負(fù)性差別太小，使得碳汞鍵的電荷分布比較均勻，碳汞鍵的極性較小。量子化學(xué)計(jì)算得出乙烯羥汞化產(chǎn)物中與汞原子相連的碳原子上負(fù)電荷密度均為－0．1300e，同樣說明碳汞鍵的極性很小，所以乙烯羥汞化產(chǎn)物HOCH2CH2HgOAc不像其他金屬有機(jī)試劑(例如Grignard試劑)那樣容易水解，而必須使用還原劑NaBH4進(jìn)行還原。
相反，乙炔在汞催化下的水合產(chǎn)物是互變異構(gòu)體(圖5):HOCHCHHg+和OHCCH2Hg+，前者與汞相連的碳原子是sp2雜化，比sp3雜化碳原子具有更大的電負(fù)性［21］和更強(qiáng)的吸引電子能力，會(huì)使碳汞鍵極性增大;后者甲酰基是強(qiáng)吸電基，而且在稀硫酸中，氧原子會(huì)發(fā)生質(zhì)子化，使碳汞鍵極性進(jìn)一步增大。因此，乙炔羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵更像一般金屬-碳鍵，在稀硫酸中容易水解。所以在炔烴羥汞化反應(yīng)中，汞離子是催化量的。為了便于比較，我們?cè)谝胰擦u汞化中間體的汞原子上螯合了一個(gè)乙酸根，量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果見圖6。從圖6能夠明顯地看出，乙炔羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵正負(fù)電荷差別明顯大于乙烯羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵電荷差，鍵的極性也明顯比后者強(qiáng)，即乙炔羥汞化產(chǎn)物中碳汞鍵容易直接水解變?yōu)樘細(xì)滏I。本文從有機(jī)化學(xué)基本概念、基本理論出發(fā)，結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果，對(duì)烯烴的羥汞化機(jī)理進(jìn)行了分析，得出該反應(yīng)的速控步是水分子親核進(jìn)攻汞鎓離子的一步，整個(gè)反應(yīng)屬親核加成。同時(shí)指出，烯烴羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵極性小，不能直接水解為碳?xì)滏I，故需要硼氫化鈉還原;而炔烴羥汞化產(chǎn)物中的碳汞鍵極性較大，在反應(yīng)過程中可以直接水解轉(zhuǎn)化為碳?xì)滏I。
關(guān)鍵詞： 肽鍵 光譜 生物分子
對(duì)于分子結(jié)構(gòu)，振動(dòng)光譜可以提供精確的信息，尤其是對(duì)于手性分子，其可以通過各種光學(xué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如振動(dòng)圓二色譜、拉曼光學(xué)活性譜等，這些都對(duì)分子的絕對(duì)構(gòu)型很敏感。截至目前，應(yīng)用領(lǐng)域最多的是生物分子，比如氨基酸、蛋白質(zhì)，核酸和糖類等[1]。為了探究更多生物分子的構(gòu)型和構(gòu)象，前人做了大量的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)光譜研究。例如，Bour等人[2]采用量子化學(xué)模擬研究了不同長(zhǎng)度生物分子的振動(dòng)光譜，進(jìn)而研究了各種分子振動(dòng)張量對(duì)分子性質(zhì)的影響。我們先前也通過實(shí)驗(yàn)表征和密度泛函計(jì)算研究了環(huán)氨基酸分子的立體構(gòu)型，通過實(shí)驗(yàn)和理論比較發(fā)現(xiàn)，B3LYP方法提供了精確的光譜預(yù)測(cè)[3]，這有助于提高生物分子光譜性質(zhì)的精確預(yù)測(cè)，并幫助實(shí)驗(yàn)光譜指派合理的分子構(gòu)型。本文利用密度泛函DFT方法對(duì)含兩個(gè)肽鍵甘氨酸三聚體的紅外光譜和拉曼光譜做系統(tǒng)研究，這些工作為以后實(shí)驗(yàn)光譜比較分析提供理論參考，并進(jìn)一步為可能的生命活動(dòng)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1.理論計(jì)算
我們采用密度泛函DFT-B3LYP方法[4]，對(duì)含有兩個(gè)肽鍵甘氨酸的光譜性質(zhì)做了系統(tǒng)研究，計(jì)算中采用了6-31++G**全電子基組形式。為了考慮結(jié)構(gòu)中的弱相互作用，所有計(jì)算都采納了D3色散校正[5]。整個(gè)計(jì)算任務(wù)都采用GAUSSIAN 09程序包[6]，在I7單機(jī)上完成。
2.結(jié)果和討論
2.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
我們通過量子化學(xué)模擬，對(duì)甘氨酸單體、二聚體和三聚體的電子親和能和電離勢(shì)做了理論計(jì)算。定義如下：電子親和能計(jì)算公式EA=E0-E-1；電離勢(shì)計(jì)算公式EA=E+1-E0。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)甘氨酸三聚體的電子親和能比單體和二聚體的分別小約0.42和0.19 eV，而其電離勢(shì)也比它們的分別小約0.22和0.17 eV，這些表明甘氨酸隨著聚合度的增加，其電子親和能和電離勢(shì)都降低，并進(jìn)一步說明其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)更易于接受/失掉一個(gè)電子而成為陰/陽離子。
2.2模擬的振動(dòng)光譜
基于優(yōu)化好的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在B3LYP/6-31++G**理論級(jí)別上，我們研究了三聚體的紅外振動(dòng)和拉曼光譜，振動(dòng)光譜圖見下圖。通過紅外振動(dòng)頻率分析，我們發(fā)現(xiàn)位于1759 cm-1的最強(qiáng)紅外振動(dòng)峰歸屬于結(jié)構(gòu)下面兩個(gè)C=O官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)，附近的1824 cm-1次強(qiáng)峰來自于上面一個(gè)C=O官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)；中等峰1541 cm-1歸咎于主鏈上N-H骨架內(nèi)搖擺振動(dòng)，而1184 cm-1歸屬于羧基中的C-O的伸縮振動(dòng)。
拉曼振動(dòng)光譜如圖1b所示，僅僅在高波段有三個(gè)峰，如位于3046和3081 cm-1的振動(dòng)峰歸屬于主鏈上CH2中對(duì)稱伸縮振動(dòng)，而3132 cm-1的弱峰來自于CH2中非對(duì)稱伸縮振動(dòng)；在小于3000 cm-1的波段，沒有明顯強(qiáng)峰存在。通過這些理論模擬，我們對(duì)甘氨酸三聚體的紅外和拉曼振動(dòng)峰做了歸屬，其結(jié)果有助于實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)一步比較分析。
圖 模擬甘氨酸三聚體的振動(dòng)光譜： （a）紅外， （b）拉曼
3.結(jié)語
本文采用密度泛函B3LYP方法對(duì)含兩個(gè)肽鍵甘氨酸三聚體的紅外和拉曼光譜做了理論預(yù)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：甘氨酸隨著聚合度的增加，其電子親和能和電離勢(shì)都降低，表明其化學(xué)穩(wěn)定性都減弱。我們對(duì)三聚體的紅外和拉曼光譜進(jìn)行了理論模擬，并對(duì)所有紅外振動(dòng)峰做了歸屬，發(fā)現(xiàn)紅外最強(qiáng)峰來自于C=O的伸縮振動(dòng)。這些研究結(jié)果對(duì)以后甘氨酸的各種實(shí)驗(yàn)表征和分析提供有價(jià)值的理論參考。
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關(guān)鍵詞：金屬—陶瓷；接觸角；化學(xué)反應(yīng)；潤(rùn)濕性
中圖分類號(hào)：TL25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：
1 引 言
金屬—陶瓷復(fù)合材料作為一種以一種或多種陶瓷相為基體，以金屬或合金為粘結(jié)相的復(fù)合材料[1]，如何發(fā)揮其中陶瓷相基體的優(yōu)良性能一直是科研人員研究的重點(diǎn)方向。其中陶瓷與金屬潤(rùn)濕性的好壞很大程度上決定了金屬—陶瓷復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮，因此金屬—陶瓷復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)在于開發(fā)新型金屬—陶瓷體系、改善金屬—陶瓷界面結(jié)合狀況以提高材料綜合性能，這一切都是建立在金屬對(duì)陶瓷具有良好的潤(rùn)濕性的基礎(chǔ)之上。研究金屬對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性對(duì)制備高性能金屬—陶瓷復(fù)合材料有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。金屬陶瓷復(fù)合材料的研究還處于初期階段。研究較多的有金剛石、石墨、SiC、Al2O3、ZrO2、TiC等陶瓷相和金屬合金所組成的體系。由于陶瓷和金屬的晶體類型及物理化學(xué)特性的差異，兩者的相容性很差，絕大部分液態(tài)金屬都不能潤(rùn)濕陶瓷，因此如何改善金屬與陶瓷的潤(rùn)濕性，從而改善材料的綜合性能性能成為當(dāng)前材料制備中的一個(gè)重要問題。
2 潤(rùn)濕性的分類
根據(jù)陶瓷—金屬的界面結(jié)合情況，金屬對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕過程可分為非反應(yīng)性潤(rùn)濕和反應(yīng)性潤(rùn)濕。
非反應(yīng)性潤(rùn)濕是指界面潤(rùn)濕過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，潤(rùn)濕過程的驅(qū)動(dòng)力僅僅是擴(kuò)散力及范德華力。其中液態(tài)金屬的表面張力是決定液態(tài)金屬是否能在固相陶瓷表面潤(rùn)濕的主要熱力學(xué)參數(shù)。一般此類潤(rùn)濕過程進(jìn)行得很快，在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到平衡；且溫度和保溫時(shí)間對(duì)潤(rùn)濕性影響不大。非反應(yīng)性潤(rùn)濕體現(xiàn)出對(duì)體系成分的不敏感性。添加合金元素對(duì)改善金屬—陶瓷潤(rùn)濕性有較大的影響，其機(jī)制為合金元素在液態(tài)金屬表面及固—液界面的吸附和富集，降低了液態(tài)金屬表面張力及固—液界面張力。如在Cu中添加Cr不但降低液態(tài)金屬表面張力，且Cr在金屬—陶瓷界面偏聚造成界面張力降低，從而有效地降低Cu對(duì)ZrO2的接觸角。
對(duì)于反應(yīng)性潤(rùn)濕金屬陶瓷的潤(rùn)濕性與時(shí)間、合金元素及溫度有很大關(guān)系。潤(rùn)濕性一般隨著時(shí)間的延長(zhǎng)、合金元素的加入及溫度的提高而增強(qiáng)粘結(jié)功、接觸角也增大。由于伴隨著不同程度的界面化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)性潤(rùn)濕過程中液態(tài)金屬的表面張力并不是影響液態(tài)金屬在陶瓷表面潤(rùn)濕性的主要參數(shù)，潤(rùn)濕作用主要是通過界面反應(yīng)形成界面反應(yīng)產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)。
3潤(rùn)濕性研究的方法
3.1 量子化學(xué)法
量子化學(xué)法通過研究金屬陶瓷界面電子結(jié)構(gòu)和結(jié)合，從理論上計(jì)算出界面能量。它研究金屬陶瓷界面結(jié)合是以分子軌道模型為基礎(chǔ)的〕。Li等人用此模型處理陶瓷分子，計(jì)算出了金屬陶瓷的界面能。
3.2 宏觀熱力學(xué)方法
熱力學(xué)是人們研究金屬陶瓷潤(rùn)濕問題的基礎(chǔ)。大部分測(cè)量和計(jì)算潤(rùn)濕性的原理都離不開熱力學(xué)。在潤(rùn)濕過程中，界面的熱力學(xué)基本特征在于界面自由能的變化。對(duì)于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的潤(rùn)濕過程，潤(rùn)濕能否進(jìn)行與化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能和表面附加吉布斯自由能有關(guān)。一般在活性金屬組成的休系中可發(fā)生。
3.3 統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法
統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)從微觀出發(fā)，以單組元一般為二元系合金為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)多組元的金屬陶瓷界面的潤(rùn)濕性變化規(guī)律。對(duì)于金屬陶瓷體系，可將陶瓷相看作單一種類的相。這樣金屬與陶瓷之間形成了偽二元共晶系。
3.4 動(dòng)力學(xué)法
動(dòng)力學(xué)方法潤(rùn)濕的動(dòng)力學(xué)在工程領(lǐng)域相當(dāng)重要。要縮短生產(chǎn)時(shí)間,就得加速潤(rùn)濕過程,此外，如果潤(rùn)濕進(jìn)行得慢，有可能金屬已經(jīng)凝固，卻未完全潤(rùn)濕，這對(duì)材料的性能是不利的。某些金屬表面易于氧化，影響了平衡的接觸角的測(cè)定，并且氧化層的存在，一也影響了金屬原子向陶瓷的擴(kuò)散,隨之影響潤(rùn)濕的動(dòng)力學(xué)。
4 改善潤(rùn)濕性的途徑
4.1合金化
合金化途徑是應(yīng)用最為廣泛的改善潤(rùn)濕性的手段，對(duì)合金元素對(duì)元素潤(rùn)濕性的作用機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，主要機(jī)制為：①合金元素在液態(tài)金屬表面及固—液界面吸附與富集，降低液態(tài)金屬表面張力及固—液界面張力；②合金元素在固ö液界面發(fā)生界面反應(yīng)，形成界面反應(yīng)產(chǎn)物。合金元素的選擇是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，特別對(duì)于活性金屬，由于界面反應(yīng)產(chǎn)物一般是脆性相，潤(rùn)濕性的提高并不等同于復(fù)合材料綜合性能也同步提高。Ti(C,N)基金屬陶瓷的環(huán)形相對(duì)改善金屬Ni對(duì)TiN的潤(rùn)濕發(fā)揮著重要作用，但是，在制備金屬陶瓷時(shí)卻并不希望環(huán)形相過分長(zhǎng)大，因?yàn)榇嘈原h(huán)形相過厚對(duì)材料性能的損傷也是很明顯的。
4.2 金屬合金化
金屬合金化是最有效和最廣泛的方法之一，金屬基通過添加合金元素來降低熔融金屬的表面張力及固—液界面能，甚至通過添加合金元素在固液界面參加界面反應(yīng)來降低接觸角。
4.3 表面涂層技術(shù)
改善陶瓷表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)以增大固相表面能可通過化學(xué)和物理的方法來實(shí)現(xiàn)，其中包括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理化學(xué)氣相沉積(PCVD)、溶膠—凝膠(Sol-gel)法、等離子體涂覆、電化學(xué)沉積等。表面涂層技術(shù)通過新的涂覆物質(zhì)取代金屬與陶瓷的直接接觸，從而提高體系的潤(rùn)濕性。
4.4提高潤(rùn)濕過程中的溫度
液態(tài)金屬的表面能像其它液體的一樣,在一定范圍內(nèi)，隨溫度升高而線性下降，使得金屬陶瓷的接觸角隨溫度升高而降低。這是因?yàn)榻档腿廴诮饘俚谋砻婺埽_(dá)到改善潤(rùn)濕性的目的。但溫度升高也有一定的局限性溫度升高，溫度過高會(huì)破壞金屬表面的氧化層，會(huì)使更多的金屬蒸發(fā)。
此外, 提高潤(rùn)濕溫度，使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣氛，提高液相壓力(壓力熔浸)，以及采用流體動(dòng)力學(xué)方法也能獲得良好的潤(rùn)濕性。
5 結(jié) 語
改善體系潤(rùn)濕性提供指導(dǎo)是研究金屬ö陶瓷潤(rùn)濕性永恒的目標(biāo)，隨著科學(xué)理論的發(fā)展和各種原始數(shù)據(jù)的積累，在一定范圍內(nèi)，理論預(yù)測(cè)和控制金屬陶瓷的潤(rùn)濕性、界面性質(zhì)、粘結(jié)功和界面強(qiáng)度的變化規(guī)律，已開始成為現(xiàn)實(shí)。這無疑將對(duì)金屬陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展起巨大的推動(dòng)作。
參考文獻(xiàn)
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經(jīng)過約200多年的努力，化學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代時(shí)期。總結(jié)起來說現(xiàn)代化學(xué)有五大特點(diǎn)和兩個(gè)發(fā)展方向。
五大特點(diǎn)是
（1）化學(xué)家對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和研究，從宏觀向微觀深入。20世紀(jì)以來，化學(xué)家已用實(shí)驗(yàn)打開原子大門，深入地了解原子內(nèi)部的情況，并且用量子理論探討原子內(nèi)的電子排布、能量變化等。就是對(duì)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)來說，也可以測(cè)量反應(yīng)機(jī)理，了解反應(yīng)過渡態(tài)的情況以及分子、原子間能量的交換。
（2）從定性和半定量化向高度定量化深入。雖然近代化學(xué)也曾廣泛地使用各種定量化工具，但是還只能說停留在定性和半定量化水平。本世紀(jì)60年代后，電子計(jì)算機(jī)大規(guī)模地引進(jìn)化學(xué)領(lǐng)域，用它來計(jì)算分子結(jié)構(gòu)已取得巨大的成功。如今任何化學(xué)論文如無詳盡的定量數(shù)據(jù)就難以發(fā)表，發(fā)表了也難取得公認(rèn)。而且如今化學(xué)實(shí)驗(yàn)的精密度愈來愈高，幾乎所有儀器都是定量化的，有的還用電子計(jì)算機(jī)來控制。
（3）對(duì)物質(zhì)的研究從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)伸展。近代化學(xué)對(duì)物質(zhì)的研究基本上停留在靜態(tài)的水平或從靜態(tài)出發(fā)，推出一些動(dòng)態(tài)情況。例如，從熱力學(xué)定律出發(fā)，通過狀態(tài)函數(shù)的變化，從始態(tài)及終態(tài)情況推斷反應(yīng)變化中一些可能情況。現(xiàn)代化學(xué)已擺脫這種間接研究推理，而采用直接的方法去了解或描述動(dòng)態(tài)情況，特別是激光技術(shù)、同位素技術(shù)、微微秒技術(shù)、分子束技術(shù)在現(xiàn)代化學(xué)里的大規(guī)模應(yīng)用。化學(xué)家目前已能了解皮秒內(nèi)微粒運(yùn)動(dòng)的情況，反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂以及能量交換等情況。特別值得一提的是有關(guān)動(dòng)態(tài)薛定諤方程的研究，一旦成功它將會(huì)為動(dòng)態(tài)研究開辟光輝前景。
（4）由描述向推理或設(shè)計(jì)深化。近代化學(xué)幾乎全憑經(jīng)驗(yàn)，主要通過實(shí)驗(yàn)來了解和闡述物質(zhì)。雖然也有一些理論如溶液理論、結(jié)構(gòu)理論等可以指示研究方向，但總體來說近代化學(xué)基本上是描述性的。原來化學(xué)中四大學(xué)科（無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)）彼此存在很大獨(dú)立性。然而現(xiàn)代化學(xué)已打破傳統(tǒng)的界限，化學(xué)不僅自身各學(xué)科相互滲透，而且跟物理、生物、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互交融和滲透。特別是近年量子化學(xué)的發(fā)展，已滲透到各學(xué)科，使化學(xué)擺脫歷史傳統(tǒng)，可以預(yù)先預(yù)測(cè)和推理，然后用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證或合成。例如，當(dāng)今許多高難度的合成工作都事先根據(jù)理論設(shè)計(jì)，然后決定合成路線。著名的維生素B12的合成工作就是一個(gè)典范，它標(biāo)志著化學(xué)已從描述向設(shè)計(jì)飛躍。
（5）向研究分子群深入。近代化學(xué)對(duì)化學(xué)的研究通常只停留在一個(gè)或幾個(gè)分子間的作用。即所謂0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)反應(yīng)，對(duì)多分子的反應(yīng)是無能為力的。但是近代化學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要了，特別是研究生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，就要研究多個(gè)分子甚至一大群分子間的反應(yīng)了。例如，一個(gè)活細(xì)胞內(nèi)往往需要幾十種酶作催化劑，同時(shí)催化許多化學(xué)反應(yīng)。因此研究分子群關(guān)系，已成為現(xiàn)代化學(xué)的一個(gè)特點(diǎn)。
現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展方向，一是化學(xué)向分子設(shè)計(jì)方向前進(jìn)。分子設(shè)計(jì)就是說化學(xué)家像建筑師造房子那樣設(shè)計(jì)好再建造。由于電子計(jì)算機(jī)、各種能譜技術(shù)、微微秒技術(shù)、激光技術(shù)、同位素技術(shù)等在化學(xué)上的應(yīng)用，使分子設(shè)計(jì)逐漸趨向現(xiàn)實(shí)。上面說過的著名有機(jī)合成大師伍德沃德合成難度極大的維生素B12，就是按他創(chuàng)立的前沿軌道理論出發(fā)，計(jì)算后設(shè)計(jì)出最佳合成路線和原料配比，一舉成功并傳為佳話。目前全世界每年合成幾千種抗癌藥，大都是先設(shè)計(jì)好合成路線，而后進(jìn)入生產(chǎn)的。
現(xiàn)代化學(xué)第二個(gè)發(fā)展方向是向分子群研究進(jìn)軍。在自然界中生物的活動(dòng)常常同時(shí)發(fā)生幾十個(gè)甚至幾百個(gè)化學(xué)反應(yīng)，才能使生物體生命延續(xù)。就是完成一項(xiàng)簡(jiǎn)單工作也必須是多個(gè)分子同時(shí)工作才能實(shí)現(xiàn)。例如，根瘤菌體內(nèi)的固氮酶，就有兩種蛋白質(zhì)分子，一種是含鐵的，另一種是含鉬的，這兩種分子必須同時(shí)工作才能把氮?dú)夤潭ㄏ聛怼Ｄ壳盎瘜W(xué)家已合成主要生命基礎(chǔ)物質(zhì)，并引進(jìn)酶技術(shù)、仿生技術(shù)、膜技術(shù)等，使研究分子群的情況成為可能。這也是為揭開生命秘密做好基礎(chǔ)工作。
總之，現(xiàn)代化學(xué)的特點(diǎn)決定現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展方向，反過來現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展方向也決定現(xiàn)代化學(xué)的五大特點(diǎn)，它們是相輔而成、相得益彰的。
說起氫彈的發(fā)明，人們一定會(huì)想到物理學(xué)家；可事實(shí)是：首先由于天文學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，才導(dǎo)致了氫彈的發(fā)明。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽上的物質(zhì)以氫為最多，其次是氦，氫在聚變成氦的過程中釋放出巨大的能量——太陽能。天文學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了物理學(xué)家，使他們聯(lián)想到能否通過模擬太陽上的熱核反應(yīng)來獲得巨大能量，于是一些物理學(xué)家著手研制氫彈，并獲得成功。所以，也有人說是天文學(xué)家發(fā)明了氫彈。
核酸的秘密是怎么揭開的？是誰首先發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)？這一發(fā)現(xiàn)，被視為達(dá)爾文學(xué)說誕生以來生物學(xué)上的第二個(gè)偉大里程碑。可是取得這一成果的，不是生物學(xué)家，而是物理學(xué)家。1944年，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一、物理學(xué)家薛定鍔，首先提出了生物遺傳密碼的理論。不久，青年物理學(xué)家克里克與兩位生物化學(xué)家合作，把物理學(xué)原理運(yùn)用于生物學(xué)，發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的秘密。“它山之石，可以攻玉。”這又是一個(gè)有說服力的例證。
控制論創(chuàng)始人維納說：“在科學(xué)發(fā)展上可以得到最大收獲的領(lǐng)域，是各種已經(jīng)建立起來的部門之間的被人忽視的無人區(qū)。”維納說的“部門之間”，就是我們現(xiàn)在經(jīng)常聽說的“科學(xué)的邊緣”。
有科學(xué)的邊緣，就有邊緣科學(xué)。那么，這個(gè)邊緣科學(xué)是怎樣產(chǎn)生的呢？一是“移植”，即把一種學(xué)科的研究方法移植到另一種學(xué)科中去。比如，把物理學(xué)中的電子技術(shù)、微波技術(shù)、光譜技術(shù)等用于天文學(xué)的研究，便出現(xiàn)了新學(xué)科——射電天文學(xué)及光譜天文學(xué)。把激光技術(shù)用于生物學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究中，便產(chǎn)生了激光生物學(xué)、激光化學(xué)及激光醫(yī)學(xué)等。二是“雜交”，將原來不相同的兩種學(xué)科融合成一種新學(xué)科。比如物理化學(xué)，生物化學(xué)，量子化學(xué)等。這種雜交產(chǎn)生的新學(xué)科，特別在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面有重大意義。
在具體的表現(xiàn)形式上，邊緣學(xué)科又分為幾種。例如“多邊緣復(fù)合式”，它突破了鄰近兩門學(xué)科結(jié)合的局限性，變成了多學(xué)科的邊緣科學(xué)。物理生物化學(xué)就是邊緣學(xué)科生物化學(xué)和生物物理學(xué)相互結(jié)合的產(chǎn)物。還有“大邊緣學(xué)科”，它橫跨學(xué)科上的幅度更大，是自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的互相滲透所成。如技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)，社會(huì)醫(yī)學(xué)，環(huán)境科學(xué)，宇航心理學(xué)等等。
現(xiàn)在，著名的哲學(xué)家卡爾·鮑波爾與著名的神經(jīng)生理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者艾克爾斯合作，寫出了《自我及其大腦》一書，這件事在全世界引為美談。它標(biāo)志著在科學(xué)的邊緣將會(huì)有更多的新成果誕生。不是嗎？電子計(jì)算機(jī)被用來研究莎士比亞的名著，美國(guó)也有人用電子計(jì)算機(jī)對(duì)我國(guó)古典名著《紅樓夢(mèng)》的前八十回和后四十回進(jìn)行分析。自然科學(xué)的一些新概念也被引進(jìn)了社會(huì)科學(xué)：不僅熱力學(xué)中“熵”的概念進(jìn)入了經(jīng)濟(jì)學(xué)，控制論中的“信息”、“反饋”等，也已經(jīng)變成自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)共同的名詞術(shù)語。這表明科學(xué)不斷走向綜合化，已是大勢(shì)所趨。
科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了由分到合，由合到分的過程，這反映出人們認(rèn)識(shí)的不斷深化。在科學(xué)史上，牛頓力學(xué)曾經(jīng)是科學(xué)知識(shí)的第一次大綜合，它把天上的物體與地上的物體運(yùn)用統(tǒng)一的理論來加以說明。到了法拉第——麥克斯韋理論，可以說是第二次大綜合，它把電的現(xiàn)象與磁的現(xiàn)象聯(lián)系了起來，并揭示了光的本質(zhì)。愛因斯坦的相對(duì)論，則把物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、空間、時(shí)間、質(zhì)和能、光和電等統(tǒng)一起來。而大量邊緣科學(xué)的誕生，也正是綜合化趨勢(shì)的一種表現(xiàn)。
為了適應(yīng)這種形勢(shì)，就需要廣博的“通才”，只有掌握了比較系統(tǒng)及全面的知識(shí)，才可能在這科學(xué)的邊緣游刃有余。我國(guó)古代科學(xué)家祖沖之提倡：“專攻數(shù)術(shù)，搜煉古今”；諾貝爾也鼓勵(lì)人們：“為了解決某一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的問題，應(yīng)該借助于其他有關(guān)的科學(xué)知識(shí)。”這，應(yīng)成為進(jìn)擊邊緣科學(xué)者的格言。 ，
【關(guān)鍵詞】Si和B原子 混合團(tuán)簇 輸運(yùn)特性 研究
一、引言
團(tuán)簇（Clasters）是指由幾個(gè)乃至上千個(gè)原子或分子構(gòu)成的尺寸在100 nm以下的相對(duì)穩(wěn)定的聚集體。按照?qǐng)F(tuán)簇尺度一般可以把團(tuán)簇分為：小團(tuán)簇（）、中等團(tuán)簇（）和大團(tuán)簇（）。中小尺寸的團(tuán)簇特別是小團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和特性敏感地依賴于其所含原分子個(gè)數(shù)。
由于量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而導(dǎo)致團(tuán)簇體系具有與常規(guī)宏觀體系和微觀體系不同的新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)，其很多特性既不同于單個(gè)分子，也不同于塊體材料。如：“幻數(shù)”個(gè)原子穩(wěn)定性或奇偶數(shù)穩(wěn)定性；氣、液、固態(tài)的并存與轉(zhuǎn)化；極大的表面/體積比；異常高的化學(xué)活性和催化活性；電子的原子殼層、原子簇殼層和能帶結(jié)構(gòu)的過渡和轉(zhuǎn)化；結(jié)構(gòu)的多樣性和排列的非周期性；光的量子尺寸效應(yīng)和非線性效應(yīng)；電導(dǎo)的幾何尺寸效應(yīng)等。納米團(tuán)簇還具有負(fù)熱容的特性，在融化時(shí)還存在預(yù)融現(xiàn)象。導(dǎo)致這些行為的主要原因之一在于其幾何結(jié)構(gòu)是獨(dú)特的，是由局域化學(xué)鍵決定的，而塊體結(jié)構(gòu)是由長(zhǎng)程鍵決定的。
團(tuán)簇還是一種能量不均衡的聚集體：表面原子和體內(nèi)原子間能量的不平衡；表面特定位置的原子和其它表面原子間的不平衡；由于表面收縮使內(nèi)部不同層的原子偏離平衡的趨勢(shì)以及特殊（有序）排列方式產(chǎn)生的不同位置序列間的能量不平衡。團(tuán)簇這些特性使其在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)、及新材料等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景，研究被看作是分子和宏觀材料的過渡態(tài)[1，2]的團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，將為理解物質(zhì)從微觀到宏觀的過渡提供有效工具，同時(shí)也將推動(dòng)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。
鑒于人們已意識(shí)到對(duì)這種物質(zhì)進(jìn)行研究的重要理論意義和廣泛誘人的技術(shù)應(yīng)用前景，因而甚至有人把團(tuán)簇稱為物質(zhì)存在的第五種狀態(tài)。
目前團(tuán)簇科學(xué)研究的幾個(gè)主要方向是：研究團(tuán)簇的組成及電子構(gòu)型的規(guī)律、幻數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的規(guī)律；研究金屬、半導(dǎo)體及非金屬和各種化合物團(tuán)簇的光、電、磁、力學(xué)、化學(xué)等性質(zhì)，它們與結(jié)構(gòu)和尺寸的關(guān)系，及向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的關(guān)節(jié)點(diǎn)；研究團(tuán)簇的成核和形成過程及機(jī)制，研究團(tuán)簇的制備方法、尤其是獲取尺寸均一與可控的團(tuán)簇束流；研究團(tuán)簇材料的合成和性質(zhì)；探索新的理論，不僅能解釋現(xiàn)有團(tuán)簇的效應(yīng)和現(xiàn)象，而且能解釋和預(yù)知團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)，模擬團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)；發(fā)展新的方法對(duì)團(tuán)簇表面進(jìn)行修飾和控制。
團(tuán)簇科學(xué)研究的基本問題是弄清團(tuán)簇如何由原子、分子一步一步演化而成，以及隨著這種演化，團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)如何變化，具體當(dāng)尺寸多大時(shí)，過渡成宏觀固體。團(tuán)簇科學(xué)處于多學(xué)科交叉的范疇。從原子分子物理、凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、表面科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的概念及方法交織在一起，形成了當(dāng)前團(tuán)簇研究的中心議題，并正在發(fā)展成為一門介于原子分子物理和固體物理之間的新型學(xué)科。
團(tuán)簇廣泛存在于自然界和人類實(shí)踐活動(dòng)中，涉及到許多許多物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程和現(xiàn)象，如催化、燃燒、晶體生長(zhǎng)、成核和凝固、相變、溶膠、薄膜形成和濺射等，構(gòu)成物理學(xué)和化學(xué)兩大學(xué)科的一個(gè)交叉點(diǎn)，成為材料科學(xué)新的生長(zhǎng)點(diǎn)[3，4]。
在太陽能電池材料研究中，一個(gè)重要研究課題就是電流的輸運(yùn)問題，因?yàn)殡娏鞯妮斶\(yùn)特性對(duì)太陽電池的運(yùn)行效率產(chǎn)生重要制約。本課題主要旨在探索新的納米系統(tǒng)的電子輸運(yùn)特性，為以后新的電子器件諸如光伏電池的研制提供重要的背景資料。
本課題主要研究Si原子團(tuán)簇組成的系統(tǒng)，其電子特性以及輸運(yùn)特性，并且對(duì)比分析將其中摻入B原子之后組成的混合團(tuán)簇的性質(zhì)。
二、研究方法
（一）密泛含理論的基本定理是由Hohenberg、Kohn、Kohn和Sham建立的，它表明了系統(tǒng)的基態(tài)能量可以唯一的表示為一個(gè)基態(tài)電子密度函數(shù)。在密度泛含理論中，電子密度是所有可以計(jì)算的量子力學(xué)量中的基本量。
（二）式中括號(hào)中的部分被定義為KS哈密頓量。密度泛含理論的優(yōu)勢(shì)在于把多電子相互作用問題已經(jīng)減少到一組涉及非相互作用電子在其它電子有效電勢(shì)內(nèi)移動(dòng)的KS方程。
三、同種原子，不同數(shù)量
總的來說，所有的I―V曲線都是從圓點(diǎn)開始，也就是說只要加上電壓，就會(huì)產(chǎn)生電流，在電壓不是特別大的時(shí)候，上述團(tuán)簇均體現(xiàn)導(dǎo)體的性質(zhì)。
四、結(jié) 論
研究Si原子團(tuán)簇組成的系統(tǒng)，其電子特性以及輸運(yùn)特性，并且對(duì)比分析將其中摻入B原子之后組成的混合團(tuán)簇的一些性質(zhì)。在六個(gè)C原子組成的電極中，加入的團(tuán)簇系統(tǒng)如果不相同的話，系統(tǒng)體現(xiàn)的性質(zhì)也就不相同，本文主要研究了他們I―V曲線、零偏壓下的態(tài)密度和透射系數(shù)的區(qū)別。結(jié)合各個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可以發(fā)現(xiàn)他們的這些性質(zhì)不僅與原子的種類和數(shù)量有關(guān)，也跟原子的位置有密切的關(guān)系。
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關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)探索；普通高校
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）50-0212-02
一、概論
量子力學(xué)從建立伊始就得到了迅速的發(fā)展，并很快融合其他學(xué)科，發(fā)展建立了量子化學(xué)、分子生物學(xué)等眾多新興學(xué)科。曾謹(jǐn)言曾說過，量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，也許會(huì)對(duì)21世紀(jì)人類的物質(zhì)文明有更深遠(yuǎn)的影響[1]。
地處西部地區(qū)的貴州省，基礎(chǔ)教育水平相對(duì)落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分?jǐn)?shù)線，從中可知：自2009年起二本線已經(jīng)低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢(shì)。對(duì)于地方性新升本的普通本科學(xué)校來講，其生源質(zhì)量相對(duì)較低。同時(shí)，在物理學(xué)（師范）專業(yè)大部分學(xué)生畢業(yè)后的出路主要是中學(xué)教師、事業(yè)單位一般工作人員及公務(wù)員，對(duì)量子力學(xué)的直接需求并不急切。再加上量子力學(xué)的“曲高和寡”，學(xué)生長(zhǎng)期以來形成學(xué)之無用的觀念，學(xué)習(xí)意愿很低。在課時(shí)安排上，隨著近年教育改革的推進(jìn)，提倡重視實(shí)習(xí)實(shí)踐課程、注重學(xué)生能力培養(yǎng)的觀念的深入，各門課程的教學(xué)時(shí)數(shù)被壓縮，量子力學(xué)課程課時(shí)從72壓縮至54學(xué)時(shí)，課時(shí)被壓縮25%。
總之，在學(xué)校生源質(zhì)量逐年下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿逐年降低，且課時(shí)量大幅減少的情況下，教師的教學(xué)難度進(jìn)一步增大。以下本人結(jié)合從2005至10級(jí)《量子力學(xué)》的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，談一下教學(xué)方面的思考。
二、依據(jù)學(xué)生情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容
1.根據(jù)班級(jí)的基礎(chǔ)區(qū)別化對(duì)待，微調(diào)課程內(nèi)容。考慮到我校學(xué)生的實(shí)際情況和需要，教學(xué)難度應(yīng)與重點(diǎn)院校學(xué)生有差別。同時(shí)，通過前一屆的教學(xué)積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)教學(xué)應(yīng)有小的調(diào)整。在備課時(shí)，通過微調(diào)教學(xué)內(nèi)容來適應(yīng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力不同的學(xué)生。比如，通過課堂教學(xué)及作業(yè)的反饋，了解該班學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，再根據(jù)班級(jí)學(xué)習(xí)狀況的不同，進(jìn)行后續(xù)課程內(nèi)容的微調(diào)。教學(xué)中注重量子力學(xué)基本概念、規(guī)律和物理思想的展開，降低教學(xué)內(nèi)容的深度，注重面上的擴(kuò)展，進(jìn)行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)的畏難心理。
2.照顧班內(nèi)大多數(shù)，適當(dāng)降低數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度。對(duì)于教學(xué)過程中將要碰到的數(shù)學(xué)問題，可采取提前布置作業(yè)的方法，讓學(xué)生主動(dòng)去復(fù)習(xí)，再輔以教師課堂講解復(fù)習(xí)，以解決學(xué)生因?yàn)閿?shù)學(xué)基礎(chǔ)差而造成的理解困難。同時(shí)，可以通過補(bǔ)充相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，細(xì)化推導(dǎo)過程，降低推導(dǎo)難度來解決。比如：在講解態(tài)和力學(xué)量的表象時(shí)[2]，要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)線性代數(shù)中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學(xué)生掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，這對(duì)理解算符本征方程的本征值和本征函數(shù)起了很大的推動(dòng)作用。
3.注重量子論思想的培養(yǎng)。量子論的出現(xiàn)，推動(dòng)了哲學(xué)的發(fā)展，給傳統(tǒng)的時(shí)空觀、物質(zhì)觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學(xué)給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識(shí)格格不入，一切不再連續(xù)變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，不愿意動(dòng)手推導(dǎo)，學(xué)習(xí)興趣較低，量子力學(xué)的教學(xué)，對(duì)學(xué)生量子論思維方式的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為了完成從經(jīng)典理論到量子理論思維模式的轉(zhuǎn)變，概念的思維方式是基礎(chǔ)、是重中之重。通過教師的講解，使學(xué)生理解量子力學(xué)的思考方式，并把經(jīng)典物理中機(jī)械唯物主義的絕對(duì)的觀念和量子力學(xué)中的概率的觀念相聯(lián)系起來，在生活中能夠利用量子力學(xué)的思維方式思考問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。
4.跟蹤科學(xué)前沿，隨時(shí)更新科研進(jìn)展。科學(xué)是不斷向前發(fā)展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領(lǐng)域的最新研究成果，不能在教材中得到及時(shí)體現(xiàn)。而發(fā)生在眼下的事件，最新的東西才是學(xué)生感興趣的。因此，我們可以利用學(xué)生的這種心理，通過跟蹤科學(xué)前沿，及時(shí)補(bǔ)充量子力學(xué)進(jìn)展到教學(xué)內(nèi)容中的方式，來提高學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。教師利用量子力學(xué)基本原理解釋當(dāng)下最具轟動(dòng)性的科技新聞，提高量子力學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用基本原理解釋現(xiàn)實(shí)問題，從而培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。
三、更新教學(xué)手段，提高教學(xué)效率
1.拓展手段，量子力學(xué)可視化。早在上世紀(jì)90年代初，兩位德國(guó)人就編制完成了名為IQ的量子力學(xué)輔助教學(xué)軟件，并在此基礎(chǔ)上出版了《圖解量子力學(xué)》。該書采用二維網(wǎng)格圖形和動(dòng)畫技術(shù)，形象地表述量子力學(xué)的基本內(nèi)容，推動(dòng)了量子力學(xué)可視化的前進(jìn)。近幾年計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的迅速提高，將計(jì)算物理學(xué)方法和動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合，再輔以數(shù)學(xué)工具模擬，應(yīng)用到量子力學(xué)教學(xué)的輔助表述上，使量子力學(xué)可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學(xué)生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會(huì)得到提高。
2.適當(dāng)引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學(xué)生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系時(shí)，初學(xué)者往往覺得它很難理解。由于這個(gè)原理和已經(jīng)深入人心經(jīng)典物理概念格格不入，因此初學(xué)者往往缺乏全面、正確的認(rèn)識(shí)。有學(xué)生根據(jù)漢語的字面意思認(rèn)為，測(cè)量了才有不確定度，不測(cè)量就不存在不確定。這時(shí)教師引入英文“Uncertainty principle”可使學(xué)生通過英文原意“不確定原理”知道，這個(gè)原理與“測(cè)量”這個(gè)動(dòng)作的實(shí)施與否并沒有絕對(duì)關(guān)系，也就是說并不是測(cè)量了力學(xué)量之間才有不確定度，不測(cè)量就不存在，而是源于量子力學(xué)中物質(zhì)的波粒二象性的基本原理。
3.提出問題，引導(dǎo)學(xué)生探究。對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，適當(dāng)引入思考題，并指導(dǎo)他們解決問題，從而使學(xué)生得到基本的科研訓(xùn)練。比如，在講解氫原子一級(jí)斯塔克效應(yīng)時(shí)，提到“通常的外電場(chǎng)強(qiáng)度比起原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度來說是很小的”[2]。這時(shí)引入思考題：當(dāng)氫原子能級(jí)主量子數(shù)n增大時(shí)，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當(dāng)確定精度要求后，微擾論在討論較高激發(fā)態(tài)時(shí)，這個(gè)n能達(dá)到多少？學(xué)生通過對(duì)問題的主動(dòng)探索解決，將進(jìn)一步熟悉微擾論這個(gè)近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，還可以得到基本的科研訓(xùn)練，從而引導(dǎo)學(xué)生走上科研的道路。
4.師生全面溝通，及時(shí)教學(xué)反饋。教學(xué)反饋是教學(xué)系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對(duì)教和學(xué)雙方都具有激發(fā)新動(dòng)機(jī)的作用。比如：通過課堂提問及觀察學(xué)生表情變化的方式老師能夠及時(shí)掌握學(xué)生是否理解教師所講的內(nèi)容，若不清楚可以當(dāng)堂糾正。由此建立起良好的師生互動(dòng)，改變單純的灌輸式教學(xué)，在動(dòng)態(tài)交流中建立良好的教學(xué)模式，及時(shí)調(diào)整自己的教學(xué)行為。利用好課程結(jié)束前5分鐘，進(jìn)行本次課程主要內(nèi)容的回顧，及時(shí)反饋總結(jié)。通過及時(shí)批改課后作業(yè)，了解整個(gè)班級(jí)相關(guān)知識(shí)及解題方法的掌握情況。依據(jù)反饋信息，對(duì)后續(xù)課程進(jìn)行修訂。
通過雙方的反饋信息，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)中的反饋信息分析、判定學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，學(xué)生也可以根據(jù)教師的反饋，分析自己的學(xué)習(xí)效率，檢測(cè)自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、水平和效果。同時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)行為活動(dòng)和結(jié)果的反饋是教師自我調(diào)控和對(duì)整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行有效調(diào)控的依據(jù)[6]。
四、結(jié)論
量子力學(xué)作為傳統(tǒng)的“難課”，一直是學(xué)生感到學(xué)起來很困難的課程。特別是高校大擴(kuò)招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質(zhì)量下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不高的現(xiàn)狀，造成了教師教學(xué)難度進(jìn)一步增大。要增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，教師不僅要遵循高等教育的教學(xué)規(guī)律，不斷加強(qiáng)自身的學(xué)術(shù)水平，講課技能，適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，采取與之相對(duì)應(yīng)的教學(xué)手段，還需要做好教學(xué)反饋，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流，了解學(xué)生的真實(shí)想法，并有針對(duì)性的引入與生活、現(xiàn)實(shí)相關(guān)的事例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。
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關(guān)鍵詞：環(huán)伸縮振動(dòng)頻率 芳香性 相關(guān)性
中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（a）-0081-03
早在20世紀(jì)90年代中期，Schleyer等在反復(fù)計(jì)算驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提出核獨(dú)立化學(xué)位移（Nucleus-Independent Chemical Shifts，NICS）可作為判別物質(zhì)芳香性大小的一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的探針和判別標(biāo)準(zhǔn)[1～2]。此標(biāo)準(zhǔn)不僅能用作有機(jī)物芳香性大小的判據(jù)[1]，而且能作為無機(jī)芳香物[2]、全金屬簇芳香合物體系[3～5]和三明治芳香配合物[6～9]芳香性大小的判據(jù)。但是，利用NICS的大小判別物質(zhì)芳香性的大小，目前僅僅停留在理論計(jì)算階段，在實(shí)驗(yàn)上至今還沒有找到測(cè)定物質(zhì)芳香性的有效辦法。研究發(fā)現(xiàn)環(huán)狀的芳香性有機(jī)分子具有高對(duì)稱的環(huán)伸縮振動(dòng)拉曼光譜[10]。研究也發(fā)現(xiàn)物質(zhì)芳香性與其共軛性（即環(huán)狀共軛π和σ鍵）有關(guān)，而這種共軛性也由其芳香性分子中各相鄰原子間的大小相等的共軛作用力大小所決定，相鄰原子間的大小相等的這種作用力在實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)為存在高對(duì)稱的環(huán)伸縮振動(dòng)的A1g/A1′拉曼光譜。那么我們完全有理由推測(cè)物質(zhì)的芳香性大小也一定與物質(zhì)的高對(duì)稱環(huán)伸縮振動(dòng)光譜拉曼光譜大小相關(guān)，完全可以通過測(cè)定芳香性物質(zhì)的環(huán)伸縮振A1g/A1′拉曼光譜頻率的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)其芳香性大小的實(shí)驗(yàn)定量測(cè)定，解決實(shí)驗(yàn)上無法測(cè)定物質(zhì)芳香性大小的這一難題。為了尋找芳香性分子的芳香性大小（NICS）與其高對(duì)稱的環(huán)伸縮振動(dòng)A1g/A1′光譜拉曼光譜頻率大小間的相關(guān)性，我們?cè)谇叭藢?duì)C6H6、C5H5-、C7H7+[11]、Si6H6、Ge6H6[2]等芳香性大小理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，用密度泛函理論（DFT）對(duì)LnHn（L=C、Si、Ge，n=3～8）系列芳香性分子的芳香性大小NICS、環(huán)伸縮振動(dòng)光譜拉曼光譜頻率大小及其二者間的相關(guān)性進(jìn)行理論計(jì)算，以期為實(shí)驗(yàn)尋求測(cè)試物質(zhì)芳香性大小有效辦法提供理論參考。
1 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法
利用Gaussian09[12]量子化學(xué)計(jì)算程序，用高精度的量子化學(xué)計(jì)算方法B3LYP/6-311+g（d，p）對(duì)芳香性分子―CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8）進(jìn)行幾何優(yōu)化、頻率和拉曼光譜的計(jì)算（如表1所示），并利用B3LYP-GIAO/6-311+g（d，p）方法對(duì)所研究系列分子的NICS值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。采用NBO3.1程序?qū)Ω骰鶓B(tài)結(jié)構(gòu)的鍵級(jí)進(jìn)行自然鍵軌道（NBO）分析[13]。文中所涉及的分子幾何結(jié)構(gòu)圖及分子軌道圖均采用Guassview5.0繪制而成。我們對(duì)苯的NICS（0.0）計(jì)算值與Schleyer等的計(jì)算結(jié)果完全一致[14]。同時(shí)，在常溫常壓下，用NX RFT-RAMAN MODULE的拉曼光譜儀，對(duì)測(cè)定了分析純苯的拉曼光譜值，實(shí)驗(yàn)測(cè)定環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g）頻率值993.1 cm-1與文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)驗(yàn)值996.7 cm-1相近[15]，理論計(jì)算的環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g）頻率值為1011.8 cm-1，與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的相對(duì)誤差在1.8%以內(nèi)，說明用我們的方法計(jì)算芳香性物質(zhì)拉曼光譜值是非常準(zhǔn)確的。
2 結(jié)果
為了尋找所研究系列分子（CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8））芳香性大小與其環(huán)伸縮振動(dòng)拉曼光譜的相關(guān)性，我們對(duì)其進(jìn)行幾何優(yōu)化、頻率、鍵級(jí)、NICS和拉曼光譜的計(jì)算（如表1所示）。
從表1可以看出我所計(jì)算的分子均為Dnh，NICS的絕對(duì)值、環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g/A1′）拉曼光譜與MBO鍵級(jí)均隨著n值的增大而減小。例如CnHn（n=3～8）的NICS（min）從|-28.6、|-13.6、|-12.6、|-10.5、|-9.5、-9.0依次減小，freq（A1g/A1′）從1664.3、1274.1、1143.7、1011.8、874.4、752.1依次減小，MBO鍵級(jí)從1.65、1.76、1.28、1.11、0.83、0.70依次減小。從表1還可以看出CnHn（n=3～8）除C4H42-有4個(gè)虛頻外，其余均為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)沒有虛頻，而從SinHn、GenHn（n=3，5～8）的NIF可以看出除Si3H3+、Ge3H3+沒有虛頻，其余均有大于或等于1個(gè)虛頻，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由此看出，這三個(gè)系列分子的NICS理論計(jì)算值與其環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g/A1′）拉曼光譜頻率理論計(jì)算值大小均呈高度正相關(guān)，分子的NICS絕對(duì)值越大，其環(huán)伸縮振動(dòng)頻率也越大，預(yù)測(cè)可通過測(cè)定芳香性物質(zhì)的環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g/A1′）拉曼光譜頻率的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)其芳香性大小的實(shí)驗(yàn)定量測(cè)定。
3 討論與分析
C6H6的環(huán)伸縮振動(dòng)A1g正則振動(dòng)形式如圖1所示，發(fā)現(xiàn)其為高對(duì)稱環(huán)伸縮振動(dòng)模式，該振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的拉曼光譜頻率值的大小與其各相鄰碳原子間的大小相等的作用力呈正相關(guān)，即C6H6的各相鄰碳原子間的作用力越大，則其A1g正則振動(dòng)方式大小的拉曼光譜頻率值也越大。苯的芳香性與碳原子間的共軛性（即存在環(huán)狀共軛π和σ鍵）有關(guān)，為說明苯的共軛性，我們用Guassview5.0繪制其基態(tài)構(gòu)型分子軌道中存在環(huán)電流的幾個(gè)重要特征的前線分子軌道圖，如圖2所示，從圖2看出C6H6的HOMO-4特征分子軌道形成π環(huán)流，使苯具有π芳香性，而HOMO-9、HOMO-14軌道形成σ環(huán)流，使苯具有σ芳香性，而這種共軛性大小也由苯分子中各相鄰碳原子間的大小相等的這種作用力大小（主要由MBO表示）所決定，在實(shí)驗(yàn)上必表現(xiàn)為其共軛性越大其高對(duì)稱的環(huán)伸縮振動(dòng)A1g拉曼光譜頻率越高，即苯的芳香性大小與其高對(duì)稱的環(huán)伸縮振動(dòng)A1g拉曼光譜頻率大小也呈正相關(guān)關(guān)系，即苯的芳香性越大，其環(huán)伸縮振動(dòng)頻率也越大。
因?yàn)镃、Si、Ge屬于同一主族，最外層都具有4個(gè)電子，形成化合物的性質(zhì)十分相似，我們經(jīng)過對(duì)三個(gè)系列分子的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8）符合C6H6所討論的結(jié)果，它們都具有環(huán)狀的共軛π和σ鍵，芳香性越大，鍵級(jí)越大，環(huán)伸縮頻率越大，如SinHn（n=3，5～8）從Si8H82+到Si3H3+，NICS（min）由-7.7增加到-20.9，MBO鍵級(jí)由0.72增加到1.56，環(huán)伸縮振動(dòng)頻率由277.9增加到604.7。說明我們找到了芳香性分子的芳香性大小（NICS）與其高對(duì)稱的環(huán)伸縮振動(dòng)A1g/A1′光譜拉曼光譜頻率大小間相關(guān)性的有力依據(jù)。
4 結(jié)論
CnHn（n=3～8）、SinHn（n=3，5～8）、GenHn（n=3，5～8）三個(gè)系列分子的NICS理論計(jì)算值大小與其環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g/A1′）拉曼光譜頻率理論計(jì)算值大小間呈高度正相關(guān)，分子的芳香性越大，其環(huán)伸縮振動(dòng)頻率也越大，預(yù)測(cè)可通過測(cè)定芳香性物質(zhì)的環(huán)伸縮振動(dòng)（A1g/A1′）拉曼光譜頻率的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)其芳香性大小的實(shí)驗(yàn)定量測(cè)定。
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關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué) 教學(xué)方法 內(nèi)容體系 教學(xué)質(zhì)量
中圖分類號(hào)：O641-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（b）-0204-01
結(jié)構(gòu)化學(xué)是用量子力學(xué)原理和現(xiàn)代物理方法，從微觀的角度來研究原子、分子和晶體微觀結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的學(xué)科。結(jié)構(gòu)化學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)的一個(gè)重要分支，其基本理論和基本內(nèi)容是無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等基礎(chǔ)化學(xué)的重要理論基礎(chǔ)。所以，通過結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，不僅要讓學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)的具體知識(shí)，而且還要讓學(xué)生深刻理解“結(jié)構(gòu)決定物性”這一基本原理。
近幾年來，作者所在學(xué)校為貫徹“少而精、精而新”的原則，課程體系不斷調(diào)整，各類課程教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)不斷減少，在這種新形勢(shì)下如何提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量成為教學(xué)管理工作者和教師首要解決的問題。作者結(jié)合多年從事結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)積累的經(jīng)驗(yàn)，重新優(yōu)化了結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的課程體系和教學(xué)內(nèi)容、在此基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了改革，旨在要使學(xué)生不僅學(xué)會(huì)從微觀層次看問題，拓展思路，抓住問題本質(zhì)，而且還要提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，以利于素質(zhì)教育和人才培養(yǎng)，更好地順應(yīng)社會(huì)需要。
1 優(yōu)化課程內(nèi)容體系
依據(jù)系統(tǒng)論對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容體系進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化、重組和精練。首先，刪除原教材中陳舊落后的知識(shí)內(nèi)容，增加新知識(shí)的內(nèi)容。將原有的內(nèi)容體系向環(huán)境、生命、材料、能源等科學(xué)領(lǐng)域適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)代化學(xué)理論前沿的密切接軌。其次，建立新的知識(shí)系統(tǒng)，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，將知識(shí)點(diǎn)按物質(zhì)系統(tǒng)層次重新組織，將知識(shí)點(diǎn)組成知識(shí)鏈、構(gòu)成知識(shí)網(wǎng)。通過整合、精簡(jiǎn)、豐富、優(yōu)化課程內(nèi)容體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容更深刻的理解，建立更完善的理論體系。
通過內(nèi)容體系的優(yōu)化，使教師和學(xué)生更加明確電子構(gòu)型和幾何構(gòu)型是結(jié)構(gòu)化學(xué)的兩條主線；更加有利于結(jié)構(gòu)化學(xué)量子理論和原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論和分子結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣?yán)碚摵途w結(jié)構(gòu)三種理論和三類結(jié)構(gòu)的講授；更加有利于學(xué)生打好量子化學(xué)基礎(chǔ)、對(duì)稱性原理基礎(chǔ)和結(jié)晶化學(xué)基礎(chǔ)三方面的基礎(chǔ)。
2 改革教學(xué)方式、方法
2.1 重視多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)
掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)和原理不能脫離實(shí)驗(yàn)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，學(xué)生將能“走進(jìn)”原子、分子和固體內(nèi)部，探索微觀世界的奧妙。計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要作用之一，就是把真實(shí)的微觀世界中的抽象性在虛擬世界里具體化，顯著改進(jìn)教學(xué)效果，這也是結(jié)構(gòu)化學(xué)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的魅力。
在多媒體教學(xué)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，編寫出適合于現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的網(wǎng)絡(luò)課件，使結(jié)構(gòu)化學(xué)多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)走向更為完美的境界。在教學(xué)模式上，進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生為認(rèn)知主體的作用，有利于學(xué)生自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間和進(jìn)度，能使學(xué)生得到最好的指導(dǎo)，及時(shí)獲得最新知識(shí)。與此同時(shí)，我們進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，在教學(xué)平臺(tái)中開設(shè)精典試題庫(kù)、在線輔導(dǎo)答疑、仿真模擬實(shí)踐等項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化學(xué)習(xí)和自主、探索性學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。
2.2 設(shè)置課程論文撰寫環(huán)節(jié)
設(shè)置課程論文不僅可以讓學(xué)生在搜尋研究對(duì)象、研究范圍時(shí)，對(duì)以前的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行回顧和分析，還可以引發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)、原理和現(xiàn)象進(jìn)行思考。比如，我們?cè)O(shè)置的課程論文：三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)—— 黑體輻射、光電效應(yīng)與波爾原子光譜的思考。通過該課程論文的撰寫可以讓學(xué)生知道，既要掌握好傳統(tǒng)知識(shí)，又要不為它所束縛，要從反常現(xiàn)象中產(chǎn)生新思維，開創(chuàng)新領(lǐng)域。通過“晶體結(jié)構(gòu)”這部分傳統(tǒng)內(nèi)容的講解我們?cè)O(shè)置的課程論文：準(zhǔn)晶和非晶態(tài)材料的發(fā)展與應(yīng)用。該課程論文可以使學(xué)生接觸相關(guān)領(lǐng)域的最新知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和研究興趣。
課程論文撰寫環(huán)節(jié)的設(shè)置還可為學(xué)生畢業(yè)論文研究階段所需要的邏輯思維和論文寫作打下基礎(chǔ)。當(dāng)然，在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文研究時(shí)，不僅要講授一般論文的寫作格式，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，提高學(xué)生的書面表達(dá)能力，形成一般論文的寫作規(guī)范；還要注意講述一般科學(xué)研究的方法和步驟，科學(xué)工作者所應(yīng)具備的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
2.3 成立科研興趣小組
為了鼓勵(lì)學(xué)生在結(jié)構(gòu)護(hù)化學(xué)的學(xué)習(xí)過程中有一個(gè)思考與深化，接受與發(fā)展的時(shí)間流程。我們將有興趣的同學(xué)組織在一起，成立科研興趣小組，通過科學(xué)研究過程提高課堂教學(xué)的效果與質(zhì)量。這種做法可以突破課堂教學(xué)時(shí)間和空間的束縛，讓學(xué)生提出問題并設(shè)立課題進(jìn)行研究，或讓學(xué)生直接參與老師的科研課題（通常是將課題拆解成幾個(gè)子課題）研究。具體做法：一是讓學(xué)生就某一部分內(nèi)容，通過查閱文獻(xiàn)，嘗試提出問題，老師確定具有可行性后，以學(xué)生科研項(xiàng)目的形式進(jìn)行專門研究，教師適時(shí)給予專門性指導(dǎo)。二是將老師承擔(dān)的科研課題進(jìn)行拆解，拆分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子課題，針對(duì)學(xué)生的各自特長(zhǎng)分派給學(xué)生，在整個(gè)研究過程中，課題組的老師全程參與指導(dǎo)。這樣的模式不僅有利于學(xué)生將課堂中學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行延伸并拓展，而且有利于激發(fā)學(xué)生的探索熱情和求知的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作的素養(yǎng)，提升學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造能力。
2.4 教師科研成果引入課堂
大量的研究結(jié)果表明，教師的科研和教師的教學(xué)效果之間呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。作為一位高校教師，在開展教學(xué)活動(dòng)中，完全依照傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，無法將最新的知識(shí)和新技術(shù)傳授給學(xué)生，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，也不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提升。因此，教師要通過加強(qiáng)科研實(shí)踐，緊跟學(xué)科研究的最新動(dòng)態(tài)，將科研成果引入教學(xué)課堂，才能在教學(xué)中很自然地、潛移默化地用科研所必需的實(shí)踐精神和創(chuàng)造精神去感染學(xué)生，才能使學(xué)生受到鼓舞、得到啟迪，才能使自己的課堂內(nèi)容具有豐富性、代表性、創(chuàng)造性和啟發(fā)性。
3 結(jié)論
通過對(duì)課程內(nèi)容體系的優(yōu)化，使教師和學(xué)生更加明確了電子構(gòu)型和幾何構(gòu)型是結(jié)構(gòu)化學(xué)的兩條主線；通過對(duì)教學(xué)方式方法的改革，拓展了學(xué)生的思路、提升了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、提出問題和解決問題的能力，是培養(yǎng)出來的學(xué)生更加順應(yīng)社會(huì)的需要。
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