第五章群论在量子化学中的应用
第五章 群论在量子化学中的应用
群论应用于物理和化学问题上，能把分子在外形上具有对称性这一表面现象，与分子的各种内在性质联系起来。 这里起桥梁作用的是群的表示理论。在量子力学中，讨论问题时离不开算符、波因数和矩阵元。从群表示理论的角度看，波函数、算符以及矩阵元的被积函数都具有一定的变换性质，或者说按某种表示变换，因而可以分解为若干不可约表示的基函数。 群的不可约表示反映群的性质，在分子对称群的情况下，也就是反映了分子的对称性质。 把分子体系的波函数用作为不可约表示的基，再研究它所届的不可约表示的性质就能得出分子由对称性决定的那一部分性质。
群沦在量子化学中的应用很广，不可能在这里作详尽的介绍。比较常遇到的是态的分类，能级简并情况，光谱选律的确定，矩阵元的计算，不可约表示基函数的构成和久期行列式的劈因子等几个方面。
§5.1 态的分类和谱项
一、教学目标
1．明确能级和不可约表示，波函数和不可约表示的基之间的关系 二、教学内容
1．能级和不可约表示，波函数和不可约表示的基之M 的关系．
我们首先来阐明，能级和不可约表示，波函数和不可约表示的基之间的关系． 可以证明，如果考虑了分于的所有对称操作并且不存在偶然简并，则对于同—能级的本征函数一定构成分子所属对称群的一组不可约表示基，而分子所属对称群的一组不可约表示基，如果是分子体系的本征函数，则必属于同一能级；分于的能级与分子所属对称群的不可约表示之间满足一定的对应关系．
设ψ是分子的一个本征函数
?H
?ε?= （1） 在分子所属对称群的任意对称操作作用下，Hamilton 量不变，因此
?()()()
R H H R R ??ε?=
= （2） 亦即对称操作R 作用于?得到的函数R ?也是分子的一个本征函数。如果能级是非简并的，则?与R ?最多只能差一个相因子，i R e α??=，α为实数，这说明?必须是分子对称群的一个一维不可约表示的基。如果?属于简并态，即有一组{}i ?属于同一本征能量，则i R ?只可能
是这组波函数的线性组合，因为只有对应于同一个能量的本征函数的线性组合，才是属于该能量的本征函数。
()(1,2....,)i j ji j
R D R j l l n ??==≤∑ （3）
对于群中另一个对称操作S ，同样有
()k l lk l
S D S ??=∑ （4）
RS 也是群中的一个对称操作。
()()()
()()
k j jk l lk j
l
l jl lk jl
RS D RS R D S D R D S ????===∑∑∑ （5）
()()()lk jl lk l
D RS D R D S =∑ （6）
所以{}j ?中一定包含有分子对称群的一组不可约表示基函数。
反过来，设{}i ?是分子对称群的一组不可约表示基函数，如果知道一个i ?是H 的本征函数，则每个都是H 的本征函数，而且属于同一能量本征值。因为，若
?l l l
H ?ε?= 则
()()l l l H R R ?ε?= （7）
l R ?也是本征函数，而
()l j jl j
R D R ??=∑
同样
()l j jl j
S D R ??=∑ （8）
也是本征函数，通过所有对称操作的作用，得到一组方程，把
l ?与其它函数联系起来
（否则就不是同一组不可约表示的基），由此可将{}j ?表示成l R ?，l S ?等的线性组合，从而证明它们都是?H 的本征函数，且对应于同一能量l
ε。
2、不可约表示与本征能量之间的对应
剩下来要弄清楚的问题是，不可约表示与本征能量之间是否完全的对应，即属于同一本征能量的波函数的全体是否一定属于一个不可约表示呢？属于不同不可约表示的基函数，能量是否一定不相同？答案是肯定的，只要不发生以下两种情况，一种情况是没有把分子的对称操作完全考虑进去，就是把分子所属的对称群看低了，本来属于同一个不可约表示的波函数误看成分属两个不可约表示，这两个不可约表示自然有相同的能量。例如，分子本属于O 群，
,,x y z φφφ属于它的1T 表示，若看成是4D 群，则z φ属于2A ,x y φφ属于E ，似乎能量应该不相同，
实际上自然是相同的。只要确实把所有的对称操作都找齐了，属于不同不可约表示的波函数能量不应该相同，因为没有对称性质能使它们相互间产生联系，也就没有理由希望它们的能量相同
经验证明是这样的，如果不同不可约表示的波函数属于同一能量本征值，而且证明不是偶然简并，则必有对称因素尚未找到。另一种情况是偶然简并。所谓偶然简并，是指不是由于对称性导致的简并。这种简并，从对称性考虑自然不能预见到。例如，在外磁场存在下，对应于两个不可约表示的能量随磁场强度而变化，可能在某一场强下发生交叉，在交叉点就产生能级的偶然简并。根据以上讨论，就可以说，只要把对称操作找齐了，属于一个能级的波函数，按一个不可约表示变换，不同的不可约表示，对应于不同的能级，除非碰上偶然简并，因为对称操作既已找齐，所有可能 由对称性导致的简并都考虑到了，再有新的简并，自然非由对称性引起，也就是偶然简并了。
应当指出，属于同一个不可约表示的几组波函数，属于不同的能级。因为这几组波函数虽然具有相同的变换性质，但并没有对称操作能使它们彼此之间产生联系，也就没有理由希望它们的能级相同，偶然简并除外。这样，我们就可以把分子的全部波函数按对称性进行系统分类，分子的状态和能级用它所属的不可约表示来标记，通常叫做谱项。这种标记法能反映出状态的对称特征。
在量子力学中，体系的波函数构成一个完备算符集合的完全本征函数系，用一套本征值（量子数）来标志一个状态。在群论中用不可约表示来标志状态，这两者之间有什么关系？事实上这两者是完全一致的。
考虑群G 的类算符?k Q
111
k k k k R K
S G
k
Q R SR S g g -??=
=
∑
∑ （9）
式中对k R 求和遍及第K 类元素，对S 的求和遍及群G ，k g 和g 分别为类K 和群G 的阶数。
类算符?k
Q 与群中任意的T 对易 111111
1
()()k k k S S
k k S
TQ T SR S TSR S T T g g TS R TS T Q T g ----=
===∑∑∑ （10）
如果把方程（9）作用在n μ维不可约表示()D G μ的第r 组基{}()r r μφ上，就得到相应的矩阵方程。根据Schur 引理，()k D Q μ必为纯量矩阵
()()()
1
()()()k
k k k
R k
D Q D
E D R g μμμλ==
∑
（11）
两边取对角和，得
k k n μμμλχ=
即
/k k n μμμλχ=
式中k μχ是不可约表示()()D G μ中第K 类元素的特征标，因此，不可约表示基函数()r i μφ是?k Q 的本征函数，本征值/k k n μμμλχ=，两上不同的类算符可对易，而如果群G 的元素与Hamilton
量对易，类算符亦与之对易，因此，?k Q 是量子力学意义下的运动常量，由1,,.....q H Q Q （q 是群G 中类的数目）组成一个互相对易的算符集合，波函数()r i μφ就是它们的共同本征函数，本征值就是能量()r με和一组/k k n μμμλχ=，显然，用这套本征值标志分子状态就是用一套不可约表示的特征标标志分子状态，当同一个不可约表示出现多次时，由能量值()r με加以区分，对于同一不可约表示的同一组基中的各函数，这套算符不能区分它们，所以不是完备集合，但只要进一步引入子群的类算符，就可以构成完备算符集合。在原子量子理论中，原子状态用角量子数和磁量子数来标志就是用了旋转群的不可约表示来标志。
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信息技术在化学教学中的应用 初中化学是基础教育的重要组成部分，信息技术通过各种表现手法将内在的、重要的、本质的东西凸出来，如抽象的概念，难以观察清楚的现象，不易实现的实验等，进行信息处理和图象输出，在屏幕上实施微观放大、宏观缩小、动静结合。这样，在短时间内调动学生多种感觉器官参与活动，使学生获取动态信息，从而形成鲜明的感性认识，为进一步形成概念、上升为理性认识奠定基础。既激发了学生的学习兴趣，又调动了学生的积极性，优化了教学过程，提高了课堂效率。 （一）课前研究 课前研究是教学的准备。利用计算机强化课前研究，辅助备课是一个很好的途径。计算机备课便于随时修改教案，当然这并非计算机辅助备课的主要目的。我们应利用计算机收集整理化学教学内容和信息，譬如通过计算机网络系统查看省内外的化学教学信息，或者选用市场上出售的教学软件，从中选择或借鉴对教学有用的东西来充实化学教学。 （二）教学过程 学习新课，是教学中非常重要的部分。许多化学现象、化学概念、化学反应、化学规律都要求学生在学习新课时有一个正确的第一印象，这样可以避免学生在以后的学习中造成认识上、理解上的模糊或错误。在讲授新课时，利用信息技术技术，运用文字、声音、图象来刺激学生和调动学生多种感官，以多种方式，不同的表现手法对新授课的内容进行加工，使之生动、有趣地展现于学生面前，让学生充分认识化学现象、化学反应及其规律。实践证明，正确利用信息技术辅助教学使课堂生动形象，学生普遍感兴趣，让学生在活泼轻松的气氛中学习，知识接受快，课堂效益好。 1、情境创设 美国教育家布鲁纳说：“学习的最好刺激，乃是对所学材料的兴趣”。利用信息技术计算机的特点，通过创设意境、渲染气氛，将与教学有关的知识运用图像、动画、声音、文字信息等，在课堂上展示出来，以大量的视听信息、高科技手段刺激学生，多种感官参与教学活动，激发学生的学习兴趣，使学生由被动学习变为主动学习。如：在讲述二氧化碳的教学内容时，上课开始先播放一段二氧化碳在生活中的应用以及重要性，使学生对它们又有了新的认识，渴望知道它们是如何制取的，还有哪些性质，有自己想试一试的冲动，给新授知识创设了一个良好的心里氛围。 2、实验模拟 化学实验是化学教学中的重要部分，通过实验即可培养学生的动手能力和科学态度，又能使学生更好地掌握所学知识。但初中化学中有些实验的危险性较大，还有的实验无法实际操作。运用信息技术计算机技术，模拟实验就可以弥补这一不足。如模拟错误实验造成的后果：给装有碱式碳酸铜的试管加热时，试管口向上倾斜，加热后生成的水倒流回试管，使试管炸裂；制取氧气时先熄灭酒精灯，再移出导管会出现水倒流回试管使之炸裂的情况；浓硫酸稀释时将水倒入浓硫酸中产生的危害；还可以使用vcd播放一些与教学有关的录像片，如易燃易爆知识及危害等等。通过演示模拟实验，使学生对所学知识有了进一步的了解，达到了教育教学目的，同时也培养了学生严谨的工作作风和一丝不苟的科学精神。 3、演示整合 化学教学中经常要对不同时期学习的内容进行比较、归纳、概括、总结。信息技术能很好地展示相异反应类型、相似反应过程等。诸如氢气、氧气、二氧化碳的制取收集，氢气、碳、一氧化碳还原氧化铜等的比较、小结。以上内容，重做实验，既浪费时间，又无新鲜感，利用信息技术文字声音图象表格动态再现化学实验，唤起学生对旧知识的回忆，进一步得到同化，使学生的知识形成系统，更重要的是培养学生的思维能力。 （三）学习总结 在初中总复习时，运用计算机将课堂教学中的板书、例题、练习制成一个课件，即可增大课堂信息量、减少板书时间，又能达到较好的教学效果。也可制作化学实验常见的仪器素材库，根据每节教学内容的需
计算机在化学化工中的应用
化学化工中计算机的发展及应用 摘要：化学由于自身具有的特殊性，使它与计算机技术的结合尤为紧密。近几十年在我国发展迅速，尤其是各种化学专用软件不断应用。这些软件的功能包括化学反应式书写、图形绘制、数据处理、计算与测试等。化学软件是化学工作者的得力助手，掌握相关软件的应用，将会极大地提高工作效率。 关键词：化学Chemsketch Origin Office Visio The computer in chemical development and application Wangmaocan (Anhui University of Science and Technology Huainan 232001) Abstract:The particularity of chemical because of itself, making it with the combination of computer technology particularly close. In recent decades, especially in the rapid development of various chemical special software constantly applications. These software features include chemical reactive writing, graphics, data processing, calculation and test, etc. Chemical software is chemical worker's right-hand man, to master relevant software application, will greatly improve the work efficiency. Key words:chemical Chemsketch Origin Office Visio
基础量子化学练习定稿版
基础量子化学练习精编 W O R D版 IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】
2010基础量子化学练习（1） 一、 判断正误 （ ）1、 一个态函数总是等于时间的函数乘以坐标的函数。 （ ）2、 态函数总是Hamiltonian 算符的本征函数。 （ ）3、 Hamiltonian 算符的本征函数的任意线性组合是Hamiltonian 算符的本征函 数。 （ ）4、 如果态函数不是算符?A 的本征函数，则性质A 的一次测量可给出一个不是?A 的本征值的值。 （ ）5、 几率密度与时间无关。 （ ）6、 如果两个算符具有共同的本征函数，那么这两个算符可对易。 （ ）7、 算符?x 与d i dx -可对易。 （ ）8、 氢原子Hamiltonian 算符的束缚态的本征函数构成完备集。 （ ）9、 厄米算符的本征函数是正交的。 （ ）10、 描述电子轨道运动的波函数必须是奇函数。 二、已知：2???,A d dx B x ==，计算2????,()A B A B ??+?? 及 三、已知：11223344 ????,,,,A a A b A a A d ????????====如果任意状态可以表示为12343253,ψ????=+++那么当我们对该状态进行测量时，获得a 和d 的几率各是多少？求任意状态 的性质A 的平均值。
2010基础量子化学练习（2） 一、 判断正误 （ ）11、 算符???,,A B C 满足????,0,,0 A B A C ????==????，则三个算符存在共同的本征函数集。 （ ）12、 不能对易的算符不可能具有共同的本征函数。 （ ）13、 当对本征态的性质A 进行测量时，能够得到的唯一仅有的值是算符?A 的本征值。 （ ）14、 如果一个算符的平方等于单位算符，那么这个算符的本征值等于＋1或者－1。 （ ）15、 所有品优的奇函数和偶函数都是宇称算符的本征函数。 （ ）16、 满足[]1212 ???()()()()A c f x c g x c Af x c Ag x +=+的算符称为线性算符。 （ ）17、 所有的量子力学算符都可以通过经典力学中对应的关系式，并代入动量和坐标 的量子力学算符而获得。 （ ）18、 一维势箱中，由于箱壁上势能的无限跳跃，粒子的波函数在箱壁上是不连续 的。 （ ）19、 氢原子的波函数以及自由粒子的波函数不是平方可积的。 二、边长分别为a 、b 、c 的三维势箱，当三个量子数取值分别是1、2、3时，能量的简并 度为 ，如果三个量子数分别为2、2、3，则能量的简并度是 ； 若势箱边长分别为a 、2a 、a ，当三个量子数取值分别是1、2、1时，能量的简并度 为 ，如果三个量子数分别为4、2、4，则能量的简并度是 。
量子化学习题及答案
量子化学习题及答案
1.1998及2013年度诺贝尔化学奖分别授予了量子化学以及分子模拟领域的杰出贡献者，谈谈你的了解及认识。 答：1998年诺贝尔化学奖得主：瓦尔特·科恩和约翰·波普尔。1964-1965年瓦尔特·科恩提出：一个量子力学体系的能量仅由其电子密度所决定，这个量比薛定谔方程中复杂的波函数更容易处理得多。他同时还提供一种方法来建立方程，从其解可以得到体系的电子密度和能量，这种方法称为密度泛函理论，已经在化学中得到广泛应用，因为方法简单，可以应用于较大的分子。沃尔特·库恩的密度泛函理论对化学作出了巨大的贡献。约翰·波普尔发展了化学中的计算方法，这些方法是基于对薛定谔方程中的波函数作不同的描述。他创建了一个理论模型化学，其中用一系列越来越精确的近似值，系统地促进量子化学方程的正确解析，从而可以控制计算的精度，这些技术是通过高斯计算机程序向研究人员提供的。今天这个程序在所有化学领域中都用来作量子化学的计算。 2013年诺贝尔化学奖得主：马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特、阿里耶·瓦谢勒。他们为复杂化学系统创立了多尺度模型。为研发了解和预测化学过程的强有力的计算机程序奠定了基础。对于今天的化学家来说，计算机就像试管一样重要。模拟过程是如此的真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。多尺度复杂化学系统模型的出现无疑翻开了化学史的“新篇章”。化学反应发生的速度堪比光速。刹那间，电子就从一个原子核跳到另一个原子核，以前，对化学反应的每个步骤进行追踪几乎是不可能完成的任务。而在由这三位科学家研发出的多尺度模型的辅助下，化学家们让计算机做“做帮手”来揭示化学过程。20世纪70年代，这三位科学家设计出这种多尺度模型，让传统的化学实验走上了信息化的快车道。 2.谈谈你对量子化学中两种流派（VBT,MOT）的认识。 答：1926年，奥地利物理学家薛定谔（Schrodinger)建立了描述电子运动规律的波动方程。1927年，海尔特(Heilter)和伦敦(London)在处理氢分子结构时首次采用两个氢原子基态电子波函数的乘积表示电子对键，通过共振结构波函数的线性组合获得薛定谔方程的解，标志着价键理论的诞生。1931年，鲍林（Pauling）建立了较为完善的电子对键与杂化轨道理论模型，随后以电子配对形成定域化学键为核心思想的价键理论，凭借其既直观又能定量计算的优势，得以在化学领域迅速推广应用。他也因此获得了1954年的诺贝尔化学奖。但是VB理论做出的某些预言不正确。比如简单的VB模型错误地预言了环丁二烯(以及其它含四元环的)有较大的共振能。事实上是简单的休克尔MO(HMO)理论过分地强调了4n与(4n+2)环之间的区别。正确的共振能结果是MO和VB预言的中间值。此外，由于选用非正交的原子轨道为基函数，计算量大，曾一度停滞不前，但随着计算机的发展这种理论进入复兴期。 1932年美国化学家莫立肯（Mullikeen）和德国化学家洪特(Hund)从不同于价键理论的角度提出了分子轨道(MO)理论。并获得1966年诺贝尔化学奖。罗汤(Roothaan)和美国化学家哈尔(Hall)各自独立地为自洽场（SCF）计算方法学完成了原子轨道线型组合型(LCAO)数学框架。从此分子轨道的数学计算得以实现并得到了广泛的应用。此后，20世纪50年代日本化学家福井谦一的前线轨道理论和美国化学家杜瓦（Dewer)的微扰分子轨道理论(PMO)以及60年代中期美国化学家伍德沃德·霍夫曼（Woodward·Hoffman）的分子轨道对称守恒原理的提出，使该理论可以定性地对化学反应的结果做出预言。福井谦一和霍夫曼双双获得1981年诺贝尔化学奖。 在处理具体分子中，这两种理论所用的原始基函数——原子轨道是同样的，并且都是用变分法来处理。所不同的仅在于MOT先经过了一次基函数的组合，把它变为非定域的基函数；而VBT则直接使用原始基函数。严格计算，其结果是一样的。两种理论的结果差别完全是由于实际计算中引入了不同的近似所造成的。对一般分子的定性解释，两种理论的结果往往是一样的。 3.试了解中国量子化学发展状况。 答：解放前，在旧中国科学研究不受重视，因而量子化学这个领域几乎是个空白点。1949-1959：所研究的问题比较集中在分子的内旋转、杂化轨道理论、分子间作用力、小分子的分子轨道计算、多电子键函数等问题。六十年代中期：对配位场理论方法开展研究，获得了重要成果。1966年以后，“四人帮”的干扰，量子化学的研究被迫停止了一个时期。七十年代：课题主要集中在分自1978年科学大会以来，有了更大的发展。特别是结合电子计算机的应用，量子化学应用研究从无到有，由小到大，有了更为明显的发展。子轨道理论方面。在轨道对称守恒原理、分子轨道图形理论、几何剖析法课题
游戏在化学教学中的应用浅谈
游戏在化学教学中的应用浅谈 钟山中学 黄声琼 很多中学生对学习化学用语、化学方程式及化学理论知识，都认为枯燥难记，泛味没有兴趣，甚至产生畏惧，厌烦情绪。针对这种情况，教师应使学生明确学习化学用语、化学方程式及化学理论知识的重要性和必要性，转变教学方式激发学生的学习兴趣，这是学习化学用语、化学方程式及化学理论知识的首要条件。 美国教育心理学家华尔特·科勒斯涅克说过：“兴趣可以看成既是学习的原因，又是学习的结果。正像兴趣是过去学习的产物一样，兴趣也是今后学习的手段。”因此，对于好奇心强的青少年朋友来说，激发和培养学习兴趣，可以使自己发挥出最好的水平，增强注意力，活跃思维，激发灵感，增强自信心，取得理想的学习效果。孔子在《论语》中也提出：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。” 在课堂上开展各种形式的化学，使枯燥的化学知识转变为学生乐于接受、生动有趣的游戏形式，为学生创造良好的课堂氛围并丰富学生的语言交际情景，使学生能在玩中学、学中玩。游戏在化学教学中的应用把化学用语、化学方程式及化学理论知识学习与化学知识技能的训练有机地结合在娱乐活动中，既可以转变化学用语、化学方程式及化学理论知识教学枯燥呆板满堂灌的局面，又可以培养学生学习化学的兴趣，激发学生求知欲，还可以发展学生的智力与非智力因素，起到“以趣激情、寓学于玩”的作用。 一、以游戏创设教学情景 化学教师要想在教学中很好地培养学生对化学的学习兴趣，激励学生在学习过各中处于最佳的学习状态之中，让他们乐学、善学、会学化学。关键在于转变教学方式，采用新的教学手段，想方设法以新颖、丰富多彩的教学方法激发学生兴趣，为化学用语、化学方程式及化学理论知识学习提供源源不断的动力。实践证明，丰富多彩的游戏能唤起学生的求知欲，所以，教师若能根据教学内容，巧妙设计一些有趣味性的可操作的游戏活动来创设教学情景引入新课的学习，可以培养学生学习的兴趣，调动学生参与学习的积极性和主动性，达到了预期的教学目标，很好地完成教学内容。 案例1：人教版高中化学必修一物质的分类 游戏功能：引入新课物质的分类 游戏玩法：
《计算机在化学中的应用》试卷及答案
2012级应用化学、化学专业 《计算机在化学中的应用》试题 答题内容要求截图 所做答案均为亲手制作，但是不保证答案正确性 一、数据处理：（每小题15分，共30分） 1、已知水在不同温度下的电导率数据如下： T/℃0 10 20 25 30 40 50 κ×106/(S?m-1) 1.2 2.3 4.2 5.5 7.1 11.3 17.1 利用Excel软件中的功能，求出5，15，28，35，45℃时的电导率κ值 答题要点：①做散点图②添加趋势线方程③选择合适的拟合形式 ④输出拟合方程⑤进行插值计算 2、在20℃，钢线中碳含量对电阻效应研究中，观测得数据如下： 碳含量x% 0.10 0.30 0.40 0.55 0.70 0.80 0.95
电阻y （10-5Ω） 15 18 19 21 22.6 23.8 26 利用Excel 软件中的功能，拟合为2321x a x a a y ++=的多项式。 答题要点：①做散点图 ②数据分析-多项式-二次 ③获得拟合参数或输出拟合方程 二、office 软件的应用技巧（每小题5分，共20分） 1、描述如何使用自动更正功能快速输入分子式 Fe 2(SO 4)3 答题要点：①使用自动更正的操作过程 ②选择带格式文本 Fe 2(SO 4)3 2 函数LINEST 的使用方法？ 自己百度 答题要点：描述函数的使用方法及适用范围 3、描述反应加热符号的制作，与输入法的链接及输出过程 答题要点：正确描述制作及链接过程
加热 4、描述获取下面图片中的文本信息的方法 答题要点：①转换图片格式为tiff ②使用OCR识别软件识别③粘贴文本 作者注所用软件office组件中Document Imaging （WPS中没有）因为没有软件必备组件本题没有做完 三、化学软件的应用技巧（共10分） 1、利用Chemsketch软件调用环己烷的椅式构象及立方烷的结构式。（2分） 答题要点：①正确描述调用过程②输出调用结果 模板------ 模板窗口 2、利用Chemsketch软件绘制下列化学结构式，并用软件中的命名功能命名。（8分） 结构式 O N H O O NH 2 COOH
化学史在中学化学教学中的运用
化学史在中学化学教学中的运用 陈颖 摘要：在中学化学教学中, 结合教材内容和学生的实际情况适当的介绍一些化学史的内容,不仅可以提高教学效果和学生的创新思维,而且可以达到寓政治思想教育 于教学之中。文章通过一系列理论与史实的结合论述了在化学教学中如何运用 化学史来引导学生走向成功的道路。 关键词：化学史中学化学化学教学 引言 现代的化学教学,强调要培养学生的观察力、想象力、思维力和创造才能,而不是单纯的传授知识；要发展学生健全的人格,而不是无视学生人文素质的培养。如何以化学知识为载体,去挖掘知识的内涵,体现化学知识价值的多元性；如何将科学价值与人文价值相整合,构建符合中学化学教育目的和任务的价值取向；如何引导学生学会学习、学会做事、学会合作、学会做人,已成为教师面临的日益严重的挑战。[2] 在化学教学中恰当运用化学史,可以使教学不只局限于现成知识的静态结论,还可以追溯到它的来源和动态演变；不只局限于知识本身, 还可以揭示出其中的科学思想和科学方法,使学生受到教益。这样,就可以把化学逻辑的推演同人们认识化学运动的过程联系起来，达到逻辑和历史的辩证统一 ,真正揭示出化学发展的科学精髓,展示化学家的人文精神风貌[3]。 1, 化学史在中学化学教学中的作用 化学史是在人与自然的依存中，人类不断认识和改造自然，与其他学科一起取得自身的进步和社会发展的历史。化学的历史，实际上是一种化学方法和化学智慧的历史。在化学课堂教学中，结合教学内容，适时地贯穿一些化学史的教学，能够活跃和调节课堂气氛，渲染课堂氛围；化学史的学习有利于学生了解人与自然，人与社会的关系，学生从化学史的教学中获得了严谨的化学科学学习和研究方法；同时化学史的教学能激发学生的教学动机和好奇心，调动学生学习的积极性和主动性，培养学生的创新精神，启迪学生的创新思维，培养学生一丝不苟的学习和实事求是的科研态度；培养学生民族自豪感和责任感，激励学生努力学好化学学科，为祖国和民族争光。[2] 1,1 利用化学史加深学生对基础知识的理解和掌握 元素概念既抽象,又难理解,如果教师在教学中简略地介绍古代的元素观把这些历史过程适时地有选择地配合有效的教学方法传授给学生,学生就会把握元素概念的演变过程,理解其丰富而完整的内容,知晓其实质。在学习元素周期表时,把门捷列夫建立元素周期律的思路和过程生动地描绘出来,加深学生对元素周期律更深刻的理解。在化学教学中,教师如能结
计算机在化学中的应用
课程总结 ——计算机在化学中的应用 随着计算机技术的迅猛发展和日益普及,计算机的应用已渗透到各个领域,并且在学校教育中发挥着越来越大的作用.计算机技术的迅猛发展对各学科的发展给予了深刻的影响。随着各学科之间的交叉渗透和相互影响，计算机技术在其它学科领域中的应用也已经构成各具特点的独立学科。化学学科中复杂计算对强大计算能力的依赖性，海量化学信息对存储和管理能力的高要求，化学反应的复杂性和微观性对虚拟现实的需求，化工过程对自动化的需求等等都要求化学工作者掌握现代计算机技术，特别是计算机在化学中的特殊应用技术。在这种形势下，驾驭计算机的能力已经成为衡量包括化学工作者在内的科技人员能力的重要尺度之一。 这学期，我们主要学习了计算机文献检索、化学编辑排版、实验数据的图形化处理、绘制化学化工图形以及Office系列软件在化学化工及论文编辑中的应用。我从中学到了不少的实用性内容，在此衷心地感谢老师的耐心指导，下面我将对本课程所学的内容作一个简短的总结。 一、计算机文献检索 利用计算机检索化学文献主要有Internet搜索引擎的使用和化学化工文献数据库的检索，其中搜索引擎有谷歌、百度、搜狐、网易和新浪等，而文献数据库主要有中国期刊全文数据库、工程索引和科学引文索引等。 化学是一门专业性很强的学科，经过一个漫长的发展时期，已经积累了大量的化学信息。但是这些信息较为零散且难以查询，无法得到较好的应用，因此对这些零散的化学信息进行一定的整合与处理是十分必要的。最合理的办法就是建立一个化学数据库。 当前的化学信息和数据种类和数量繁多，通过书籍查找需要的文献将消耗大量的时间且难度较大。但随着计算机与信息技术和化学的发展与相互渗透，使得我们检索化学信息更加快捷方便，只要给出关键词、作者、期刊号、出版时间就可以进行检索，还可以利用逻辑关系进行二次检索或多次检索，使得范围大大缩小，效率倍增。最常用的几种检索工具有：化学化工网站、搜索引擎和专业数据库。随着网络化学数据库的使用，化学工作者查找信息将会变得更加方便，效率也会大大提高。 二、化学编辑排版 采用ACD/ChemSketch软件可以实现各种分子结构和化学反应式的绘制、分子三维模型的建立及实验装置图的绘制等,是一个功能十分强大的化学专业应用软件。 ACD/ChemSketch是一个免费软件，安装很简便。主要功能和特点:绘制平面和立体化学结构式、反应式和化学图形;其绘图功能十分强大，具有丰富的化学图形绘制工具，各种化学符号应有尽有;内置包括各种原子、有机物官能团等基本结构的模具工具栏，使得绘制复杂庞大的有机物结构式变得非常便捷，并且可以把绘制好的平面化学结构图直接转换为立体图形:能够预测分子结构的基本参数如分子量、摩尔体积、极性、密度、介电常数等;可对所绘制的分子结构自动命名，可提供有机物的同分异构体等等。 ChemSketch最新版本为12.0版，有两种相对独立的操作模式，即结构模式和绘图模式两种界面,结构模式用于绘制各种化学结构、反应式；而绘图模式则用于增加文本和绘制其他图形。两种模式可以相互切换，除具备化学绘图功能外,还能对分子结构式进行2D 优化和3D 优化,按系统命名法命名,以及计算分子各种性质等.
《量子化学基础》习题课
《量子化学基础》习题课 1. 波粒二象性: λh P =, 测不准关系x ?·x ?P ≧η 习题1.一粒微尘m=10-8kg,运动速度01.0=υm/s,若速度的不确定程度为810-=?υm/s 可谓很精确,试计算位 置的不确定程度.(h=6.626×10-34J.s) (答案:181063.6-?=?x m) 习题2.原子直径约为10A (10-10 m),核外电子运动速度大约是光速的1%,计算速度的不确定度. (答案:6107?=?υm) 例1.已知光学光栅窄缝宽度为10-4cm,电子动能为105eV,试用测不准关系证明:用光学光栅观测不到电子衍射. 解:单缝衍射如下图 αsin P =P =?P x x ① 按干涉原理,图中电子射向屏中第一暗区,说明物质波相互抵消,上下两束电子波的光程差应为d/2.
λαα=??=?=sin sin x d BC ② 这里410-=?=x d cm, meV h mE h h 22==P = λ (=m 9.11×10-31kg ；=e 1.602×10-19C) 510 25.1225.12==V λ=3.87×10-12m 661210101087.3sin ---=?==m m d λ α 0≈α 证毕. 习题3.计算动能为3000eV 的电子的de Brogle 波长 (1eV=1.602×10-19J, V 3000C 10602.1J 10602.130001919=???=--V ) (答案: 0A 2237.03000 25.1225.12===V λ.) 2 .一维势箱: 22 28ml h n E =,),2,1(Λ=n x l n C x πsin )(2=ψ 习题4.计算箱宽为5×10-10m 的一维势箱中粒子n=1、2时的能量.及粒子从n=2跃迁到n=1时辐射的波长. (答案:E 1=2.41×10-19J,E 2=9.64×10-19J 191023.7-?=?E J 71075.2-?=λm) 习题5.可将原子中的电子粗略的模拟为一维箱中粒子,箱的宽度为原子的尺度.计算在长度10 A 的箱中电子两个最低能级之差(eV)和在此两能级间跃迁的光子波 长(cm). (答案:21013.1?=?E eV , 8101.1-?=λm)
数学在量子化学中的应用
需数学在量子化学中的应用 2010年入学，从大二选择专业、开始专业课程学习至今差不多已经有一年了。回顾这一年的专业学习，印象最深也让人觉得最为神奇的莫过于数学与化学的紧密联系。小到实验数据的处理，大到经典公式推导，数学无不起着极其重要的作用。为了缩小论述范围，我主要谈一谈数学在量子化学中的应用。 量子化学经常被称作结构化学，谈起结构化学，首先想到的便是分子结构：正四面体的甲烷分子，直线型二氧化碳分子，正八面体的六氟化硫，还有非常神奇的C60足球烯……可以发现这些分子都具有一定的对称性的：轴对称、面对称以及中心对称。首先我们定义： （1）如果将图形中每一点绕某一轴线旋转一定的角度α后图形复原，那么称此轴为C n 轴，n 代表旋转360°后复原次数。 （2）将图形式中每一点移动到某一平面相反方向并与此平面等距离处（即做镜面对称）的操作称为反映，记为σ。 （3）将图形中每一点移动到某点相反方向等距离处（即做中心对称）的操作称为反演，记为i 。 联系数学中的矩阵思想，我们可以这样设想：将一个分子置于空间直角坐标系中，并使分子的质量中心与原点重合，分子中的每个原子都有自己的坐标，这样上述操作便可以以成原坐标乘一个矩阵实现。上述三个操作便可以转化为： 上述单个操作对有的分子无法复原，这时我们可以把不同操作联合起来，如下图的分子，无论是旋转还是反演都无法复原，我们可以先旋转一次，再进行反演。反映在矩阵上此次操作便表示为两矩阵相乘：iC 4。 因此，用不同的操作相乘我们便可以得到一系列乘法表。让我们以水分子为例。可以看见水分子为V 型分子，因此有一个C 2轴，有两个σ轴。我们再定义单位矩阵为E ，则可得水分子的乘法表： 将H 2O 所具有的对称操作的集合称为一个群，我们可以很容易的得出一个群的性质： （1） 集合中任意两个元素的积，必为集合中的某一元素。 （2） 集合G 中的各元素之间的运算满足乘法结合律，即三个元素相乘其结果和乘的 顺序无关，即乘法结合律:(AB)C=A(BC)。 （3） 有单位元素：集合G 中有一元素E ，称为单位元素，它使群中任一元素满足: ER=RE=R 。 （4） 有逆元素：集合G 中任一元素R 均有其逆元素，并且E R R RR ==--11。 仔细观察，这不就是线性代数中线性空间的定义么！从这里我们找到了抽象的线性空间在实际中的真实含义。类比水分子，SO 2分子等等的V 型分子都具有相同的操作群。我们将具有相同操作群的分子划归为一类，如以水分子为代表的C 2v 群，每个群里所有的分子都有相同的对称性。这样，我们便可以将繁杂的分子抽象为不同的数学模型，并进一步研究其分子偶极矩，色散力及旋光性。 在化学的发展历史当中，数学常常起着关键的作用。许多化学现象及规律在人们明了其原理之前，便已经有数学家总结规律并给出正确公式了。这些公式建立在大量实验数据基础上，数学家从繁杂的实验数据中总结规律并给予前瞻性的建议，以此为方向化学家进行研究，往往能得出与实验结果符合良好的理论。
现代教育技术在化学教学中的应用
2015-2016第二学期《现代教育技术应用》学期考核论文题目：论现代教育技术在化学教学的应用
现在教育技术在化学教学中的应用 张巧珍 化学与材料科学学院2014级化学 [ 摘要 ] 技术： 工艺和手工技巧 《辞海》： ①泛指根据实践经验和自然科学原理而发展成的各 种工艺操作方法与技能，如电工技术，焊接技术，木工技术， 激光技术，作物栽培技术，育种技术等； ②除操作技能外，广义的还包括相应的生产工具和其 他物质设备，以及生产的过程或作业程序，方法； 所谓技术就是人类为了，满足自己生存发展的需要，利用自己的智慧 和自然规律所产生的一切物质手段，经验方法和技能的总和。 -------马克思 [关键词]定义，分类，化学教学中的应用 一、引言 随着现代信息技术的快速发展，在教育过程中无论是学生学习还是老师教育，都成为必不可少的手段，通过多媒体，电脑，模型的教学，使学生多方面学习，大容量浏览知识，尤其在化学教学中，抽象的微观世界，理解分子与原子的概念，掌握摩尔，物质的量等知识，这些多媒体弥补教学自身的不足，激发学生对学生的兴趣。 一、认识教育技术 教育技术就是人类在教育活动中所应用的各种技术的总和，分为有形技术和无形技术。有形教育技术，即物质化形态的教育技术，只要是指在教育教学活动过程中所运用的物质工具，传统教具有黑板，粉笔，标本，书本，模型，随着科学技术的发展，教学技术逐渐更新，简洁高效，现代的幻想，投影，广播，电影，计算机，网络，卫星等通讯，以及相应的教学软件。在现代教育教学中，一节45分钟的课，老师运用PPT展示，
为同学们提供大量的课内课外内容，电子白版，书写流利，可短时间内反复使用，减轻老师吸入粉尘，使师生在干净，美观，高效的教室学习。 无形的教育技术，即观念形态的教育技术，包括在解决教学问题的过程中运用的技巧，策略，方法，又包括其中所蕴含的教学理论，思想。以前老师之前的交流学习贫乏，仅限于本校，本班一个小范围内教学，对学生讲授的知识，学习方法，思想教育都过于陈旧，现在，随着教育技术的发展，老师通过教学比赛，观摩优质课堂，不断学习改进，在教育教学中运用，为学生提供新知识，新方法新理念，新思想。 教育技术促进学习，对学习资源和学习过程进行设计，开发，利用，管理和评价的理论与实践。在以往的教育技术上，加以与现代科技发展相适应的元素，成为教育技术新定义，即通过创新，使用，管理适当的技术应用性的过程和资源，以促进学习，提高效率。新定义注重创新，实践，这是教育技术发展的特点。 二、现代教育技术在化学学科中的运用 教学技术是教学内容的载体，是教学内容的表现形式，是师生之间传递信息的工具，教学媒体往往通过一定的物质手段而实现，如书本，板书，投影仪，录像机等。 化学是在原子，分子水平上研究物质的组成，结构，性质及其变化规律的科学，化学概念及原理（如分子，原子，气体摩尔体积等概念，化学平衡原理）等大多数较为抽象，物质的微观结构既看不见，又摸不着，且化学变化又是在原子基础行重新组成的结果。现代教育技术媒体可以通过动画模拟，把抽象的概念具体化，把微观的知识变的可见，把不容易观察的现象变的清晰，增强感性知识，把课堂内容具体，形象，生动展现见，学生面前，使学生更好的理解和掌握知识。中学化学实验中，有一些实验比较复杂，有危险（如石油炼制氨的催化氧化，等），要求高，难以操作，这些实验不合适或无法在课堂上演示，教师可利用现代教育媒介，把这些实验的操作过程形象具体的展示出来，使学生一目了然。在化学教学中，往往会有很多抽象，难易理解的知识，比如分子，原子的概念，化合价，结构的学习，摩尔量，物质的量的计算，都是在生活中看不到的微观现象，在以前地教学中，是老师为学生口述概念，学生看课本想象，理解，记忆。在现代教育技术发展的条件下，老师通过手工模型，PPT展示，实验操作等教学方法，让学生更深刻，直观地看到化学中的物质变化和物质组成及结构； 现代教育技术内容开放，与社会发展紧密联系，学习方法灵活多变。随着网络进入教育教学中，进入老师的备课，进入课堂，进入学生的课后学习，网络教育“资源”
计算机在化学中的应用学习心得
计算机在化学中的应用学习心得 这学期通过学习计算机在化学中的应用，在初步接触高分子化学的同时与当前日新月异的计算机领域相结合，从而对高分子化学，数据分析以及公式编辑等其他方面有了更深的认识，同时也掌握了一种新的学学习方法，使得在今后的学习、工作、生活中更方便。 通过对ChemSketch的学习，对很多课本上见到的复杂的结构式有了更进一步的认识，这在一定程度上也提高了学习兴趣，与此同时ChemSketch的强大分析能力如对异构体的全面准确分析使得自学一定程度上变得简单，对我们的学习很有帮助，同时在以后的毕业论文设计以及在更远的将来对论文的编辑工作中对ChemSketch的熟练应用是必不可少的，如绘制结构式，定性绘制一些相应的曲线。而且ChemSketch使得原本抽象的事物变得清晰直观，有助于对知识的理解，这是最重要的。 通过对公式编辑器的学习，现在可以编辑很多美观的公式，突破了之前只能依靠有限的数学符号只能写出不直观的公式，在今后论文的编写中非常重要。 通过对Origin的学习对数据分析有了更近一步的认识，对复杂的实验数据的处理再不是一件耗时又低效的事，用Origin对数据进行线性拟合求斜率和截距等参数都有能把误差降到最低，从而对实验的分析相对更容易一些。 在学习计算机在化学中的应用这门课的同时，不仅从这门课程本身学到了有用的知识，也明白了科技的飞速发展对我们的学习生活提
供了很多的便捷之处，因此要善于利用这些更好的服务于我们的学习生活，不断取得更好的成绩。 最后真心感谢一学期以来老师的谆谆教诲，在教给我们高分子化学知识的同时不辞辛苦的传授给我们其他课程对化学的促进和应用。
量子化学计算实验详解
量子化学计算方法及应用 吴景恒 实验目的： （1）掌握Gaussian03W的基本操作 （2）掌握 Gaussian03W进行小分子计算的方法，比较不同方法与基组对计算结果的影响，并比较同分异构体的稳定性（3）通过运用量子力学方法计算分子的总电子密度，自旋密度，分子轨道及静电势 实验注意： （1）穿实验服；实验记录用黑色，蓝色或蓝黑色钢笔或签字笔记录；实验数据记录不需要画表格 （2）实验前请先仔细阅读前面的软件使用介绍，然后逐步按照实验步骤所写内容进行操作 （3）截图方法：调整视角至分子大小适中，按下键盘上的PrintScreen按键截图，从“Windows开始菜单”打开“画图”工具，按Ctrl+v或“编辑-粘贴”，去掉四周多余部分只留下分子图形，保存图片 （4）所有保存的文件全部存在E盘或D盘根目录用自己学号命名的文件夹下，不要带中文命名，实验完毕全部删除，不得在计算用机上使用自己携带的U盘或其他便携存储设备！ （5）HyperChem里面截图时候可以用工具栏以下几个工具调整视图： Rotate out-of-plane：平面外旋转工具，转换视角用 Mgnify/Shrink：放大镜工具，转换视角用 Gaussian03W使用介绍：（注意，下面只是界面示意图，实验時切勿按下图设置） 输入文件：Gaussian输入文件，以GJF为文件后缀名 联系命令行：设定中间信息文件（以CHK为后缀名）存放的位置、计算所需的内存、CPU数量等 作业行：指定计算的方法，基组，工作类型，如：#P HF/6-31G(d) Scf=tight Opt Pop=full #作业行开始标记 P 计算结果显示方式为详细， 选择还有T（简单）和 N（常规，默认） HF/6-31G(d) 方法/基组 Opt对分子做几何优化 Pop=full进行轨道布居分析，详尽输出轨道信息和能量 电荷 多重态：分子总电荷及自旋多重态（2S+1, S=n/2, n为成单电子数） 分子结构的表示 1、直角坐标：元素符号X坐标Y坐标Z坐标（如上图所示） 2、Z矩阵（参考后附内容）：元素符号（原子一）原子二键长原子三键角原子四二面角