绪连彩，张智强

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州450002)

常用化学软件在结构化学教学中的应用

绪连彩，张智强

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州450002)

为化工专业的工科学生开设结构化学课，有利于培养兼具研发能力的复合型人才。但是结构化学极强的数理性对教师的授课方式提出了很高的要求。将常用的化学专业软件应用到结构化学的教学中，可以克服传统教学方法可视性差、不够直观的缺点，将抽象的概念和复杂的空间结构形象地展现给学生，从而提高教学效果，激发学生的学习兴趣。

Chemoffice;Gaussian09;Molden;结构化学教学

在工科类本科生培养方案中加入部分理科的课程，是培养具有技术研发能力的工科综合人才的有益尝试，如轻工业学院材料化工学院近年来为化工类专业学生开设结构化学等化学基础理论课程。目前，化学领域的许多学科已经深入到了物质结构层次的研究，如在材料化学、高分子化学等学科中，人们在研究材料以及化合物宏观性质的同时，更重视物质结构与性质之间的关系，特别是希望从分子层面揭示材料的理化性质。所以，掌握一定的结构化学的基础知识，对于培养兼具研发能力的复合型工科人才是十分重要的。因为，结构化学是运用现代量子力学和物理学的实验方法，从微观角度研究原子、分子、晶体等的微观结构以及微观结构与性质关系的科学，它具有极强的数理抽象性，需要学生具备扎实的数学和物理基础，同时还要掌握相当的无机、有机化学知识，以及很多量子力学的新概念、新方法、新原理。对化工专业的学生来说，学好这门课程难度很大，许多学生在学习过程中产生了畏惧心理，这也增加了教师的授课难度，特别是对于教学经验还不丰富的青年教师，结构化学课程难于讲授的特点就更加明显。传统的教学模式仅仅是借助一些球棍模型帮助学生理解，但是由于模型有限，而且模型也很难表示抽象、复杂的空间结构，学生学习起来普遍感到困难，学生的学习兴趣被抑制，教师的授课效果也不理想。结构化学课程的特点给教师教学方式提出了很高的要求，如何将抽象的概念较为直观地展现在学生面前，从而激发学生的学习兴趣，是提高授课质量和教学效果的关键所在。

随着计算机软硬件技术的发展，特别是专业化学软件的产生，为解决上述难题提供了方便。如Chemoffice等化学图形及办公软件的应用逐渐普及，而量子化学计算软件Gaussian为结构化学的理论研究提供了方便［1］。笔者在此简单的介绍一下几个常用化学软件的特点以及在结构化学教学中的应用。

1 常用化学软件的特点

1.1 Chem3D(v11.0)

Chem3D(v11.0)是由剑桥公司(CambridgeSoft Corporation)出品的Chemoffice2008软件包中的一个组成部分，它具有界面友好，便于操作的特点。既能够显示分子的立体结构、键长、键角、分子轨道形状等，同时还拥有简单的计算功能，可以对化合物进行能量计算、结构优化、电荷布局分析、振动频率分析等，另外，Chem3D还可以通过接口调用其他量子化学计算软件对分子的属性进行更为精确的计算。作为一款专业的化学图形软件，Chem3D为结构化学的教学带来了很多的便利，特别是，该软件提供了嵌入对象的功能，可以轻松地将分子模型拷贝到PPT中，而其在授课过程中可以进行交互式操作。

1.2 Gaussian09

Gaussian09是目前国际上最为流行的量子化学计算软件，具有计算精度高、适用范围广及容易操作等特点。Gaussian09计算项目主要包括计算分子的能量、反应过渡态的能量和几何结构、振动频率分析、键能与化学反应能、化学反应途径、电荷分布，分子轨道分布等。Gaussian09的计算结果可以通过Chem3D等可视化软件直观地显示出来，为结构化学抽象概念的教学提供了便利。

1.3 Molden

Molden是一款免费的化学图形软件，能够安装在多种作系统中，具有多个量子化学计算软件的接口，如Gaussian、GAMESS、Mopac等。Molden可以直接将打开Gaussian等的输出文件，将计算信息可视化，如分子能量、电荷分布、振动频率和振动模式、分子轨道分布等。特别适用于Gaussian计算结果中红外和拉曼光谱的分析。

2 常用化学软件在结构化学教学中的应用

2.1 分子的对称性和对称操作

对称操作和对称元素是结构化学教学中的一个难点［2］，对学生的空间想象能力要求特别高。利用Chem3D可以简单形象地将分子的立体结构展现出来，并且利用嵌入对象，还能够对分子的立体结构进行交互式的操作，如平移、旋转等。比如，甲烷分子属于Td点群，其中有4个C3轴，3个I4轴和6个σd。在具体的教学实践中，笔者在Chem3D中构建甲烷分子的立体结构，选中所有结构，在Edit菜单中选择“Copy as”，“Embedded object”，直接粘贴到PPT课件中。在教学时，按下鼠标左键拖动鼠标，可以实现对甲烷分子的旋转操作，将C(1)－H(2)旋转至与X轴平行的位置，并且H(3)、H(4)、H(5)三个氢原子处于YZ平面上，此时，左击Chem3D对象下方的控制图标，使分子绕X轴旋转，当旋转120度之后，分子结构重合，此时可以点击停止旋转的图标。以上是一个旋转操作的演示。通过交互式的操作分子结构，可以将C(1)－H(3)旋转至与X轴平行，且其余H原子处于YZ平面，此时再让分子绕X轴旋转，当分子转动120度之后再次重合，这是另一个旋转操作的演示。与此类似，通过交互式操作演示对称元素I4和σd［3］。

2.2 丁二烯的分子轨道分析

通过对前线分子轨道的分析，预测化合物的反应性质，是结构化学的重要应用之一。但是对于分子轨道的分析需要解薛定谔方程，其过程非常复杂，在教学中并不要求学生掌握解薛定谔方程的方法，而通过直观地展示量子化学计算的结果，让学生了解预测化合物属性的方法是非常重要的。以丁二烯HOMO、LUMO的轨道图形为例，笔者首先在Chem3D中构建(顺)－1，3－丁二烯的结构，然后调用Gaussian09软件在B3LYP/6－31G理论水平上对丁二烯的结构进行优化，接下来将计算过程中保存的.chk文件转换成标准格式.fchk，用Chem3D打开.fchk文件，选择“Surface”菜单，“Choose surface”，“Molecular orbitals”，通过选择HOMO和LUMO轨道，分别显示出前线轨道的形状，分别将这两个轨道拷贝为嵌入对象，粘贴到PPT课件中。在教学演示时，通过旋转、平移丁二烯的结构，全方位的展示HOMO和LUMO轨道的形状，另外，还可以通过测量C—C之间的键长，分析成键的信息，通过分析C原子的部分核电荷数，预测亲电加成的反应活性。

2.3 CO2振动模式的分析

线性多原子分子(如CO2)的振动光谱是结构化学教学的难点之一，通过量子化学计算软件Gaussian和可视化软件Molden的配合，可以轻松地将CO2的振动模式和振动频率直观的展现给学生，使学生能够从分子层面认识红外光谱［4］。具体的方法是，首先，使用Chem3D构建CO2的分子结构，生成Gaussian09的输入文件，然后运行Gaussian09对CO2分子进行结构优化并进行振动频率分析，接下来用Molden读出Gaussian09的计算结果文件，选择相应的振动频率，观测对应的分子振动模式，使用屏幕录像软件将各个频率对应的分子振动模式录制成avi格式的文件，在PPT课件中插入windows mediaplayer对象，修改对象的属性，将视频指定为avi格式的文件，这样在教学中，通过插件控制播放CO2分子的振动模式。这样的动画模式在没有安装Molden软件的系统中也能够运行。

3 体会

上面提到的化学软件教学应用实例，是将图形和图像信息整合到多媒体教学课件中，整合后的课件不依赖于计算机系统的软件环境，具有相对独立性。这样的整合降低了对教学计算机软件系统的要求，同时又克服了实物模型教具的一些缺点。特别是大班授课时，使用实物模型教学，一是制作和携带不方便，二是坐在后排的学生很难看清楚，势必会影响教学效果。通过将化学软件应用到结构化学的教学过程中，将抽象的概念和复杂的空间结构直观地展现给学生，使教学达到事半功倍的效果，并激发学生的学习兴趣。另外，将化学软件产生的图形和图像整合到多媒体课件中的做法还可以推广到相关学科的教学中去，如有机化学和无机化学等。因此，这种方法值得进一步的探讨和研究。

［1］顾云兰.CS Chem3D和Gaussian 98在结构化学教学中的应用［J］.临沂师范学院学报，2005，27(6):102－104.

［2］周公度，殷连运.结构化学基础.第3版.北京:北京大学出版社，2002.

［3］陈兰美.Chem3D在有机化学教学中的应用［J］.广东医学院学报，2009，27(6):712－714.

［4］刘江燕，吕银华，韩德艳.常用化学软件在中级无机化学教学中的应用［J］.大学化学，2006，21(2):38－41.

G642

B

1003－3467(2012)15－0060－02

2012－07－21

绪连彩(1976－)，女，博士，从事物理化学、结构化学教学及计算化学科研工作，电话:15939015539。