毛维博，侯芹芹，张漩卓一

(西安建筑科技大学华清学院，陕西 西安 710043)



Gaussian软件在无机化学教学中的作用

毛维博，侯芹芹，张漩卓一

(西安建筑科技大学华清学院，陕西 西安 710043)

无机化学教学中物质结构部分的内容抽象，难于理解，是当前无机化学教学中比较难于理解的内容。而且随着学生构成成分的变化以及学习方式的变化传统的教学形式已经很难满足当前化学教学的客观需求。本文对Gaussian软件的基本功能进行了简要介绍，利用Gaussian软件解决目前《无机化学》中结构化学难于理解、抽象晦涩的客观难题，将抽象的化学概念形象化，将微观结构宏观化，将计算机引入到当前教学过程中，实现计算机科学与化学科学的有效结合。

Gaussian 软件；无机化学；教学

无机化学是研究无机物质组成、结构、性质和变化规律的科学[1]。化学及相关专业的学生在学习该门课程的过程中应该首先对物质组成、结构、性质有比较清晰的理解，在物质结构开篇就提到了量子力学，即：能量量子化、波粒二象性和统计学规律。该部分内容存在着微观、非可视化、概率统计的特点，目前学生所学到的物质结构部分的内容相对比较枯燥和晦涩，缺乏对复杂物质结构的深刻理解。为了把复杂问题简单化把抽象理论形象化，在物质结构教学中引入Gaussian计算软件，将大大提高学生的学习效率。

1 Gaussian软件基本功能介绍

Gaussian软件是一个功能强大的量子化学计算软件包, Gaussian 09是Gaussian系列电子结构程序的最新版本。该软件本身只有计算功能且其计算结果以矩阵的形式输出，因此该软件要与相应的图形图像软件结合使用。主要功能有对分子结构和能量、过渡态的能量和结构、化学键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱等的计算功能。Gauss View 是Gaussian的图形用户界面, 是设计与Gaussian配套使用的软件, 主要用于观察分子、设置和提交Gaussian 计算任务、显示Gaussian 计算结果。因此, 在Gauss View的辅助下, Gaussian可应用于化学、化工、生物化学、物理化学、环境工程等化学相关领域[2]。

2 Gaussian软件计算实例

2.1 简单分的构型设计

应用Gauss View软件中分子构图功能，以软件自身提供的模型为基础设定分子的基本构型，作者以常见的甲烷分子为例进行了分子构型绘制，如图1所示。

图1 甲烷分子的立体构型

通过Gauss View软件可以清晰的看出其中的碳原子，氢原子以及原子之间位置的相互关系，对于初学者而言，上述构型能够使量子力学中提到的微观不可见的知识形象的呈现在学生的视野中，增加了学生的理解效果，增强了该部分内容的可操作性[3]。

2.2 简单分子电子云的模拟

在化学反应过程最为重要的问题就是电子得失，以及伴随着电子得失而产生的旧键断裂和新键形成。因此了解分子电子云的构型有利于对电子云的概念和电子云运动的统计学规律给出合理解释。作者从头算起以6-31G为基本算法，对甲烷分子进行了量子化学计算，具体计算结果如图2和图3。

图2 甲烷分子轨道电子云分布图

图3 甲烷分子HUMO轨道电子云分布图

物质在参与化学反应过程中，总会伴随着旧键断裂和新键形成。在解释物质发生化学反应的理论中目前主流的两种理论为：碰撞理论和过渡态理论。其中过渡态理论认强调在化学反应过程中存在着旧键即将断裂和新键即将形成的一种中间过程。同时该理论还认为任意分子都存在着最低空轨道和最高占据轨道。通过计算的方法可以形象的模拟出甲烷分子的最低空轨道和最高占据轨道的电子云分布的模拟图。比较图2和图3明显看出最高占据轨道的电子离核比较远，最低空轨道的电子离核比较近，二者之间的最大区别在于有没有受到能量激发。通过Gaussian软件对上述两种情况进行模拟的结果能清楚的呈现出这两种情况的不同；也能更加直观的为学生呈现出为什么当分子受到激发以后电子发生跃迁由最低空轨道跃迁至最高占据轨道而已于从基态跃迁至激发态而发生反应的原因[4]。

2.3 通过模拟光谱分析物质结构

在量子化学中物质结构部分作者主要关注了物质的内部组成与性质之间的关系，无机化学课程中有这样一个概念：热力学能或者称为内能，这一概念明确指出分子及构成分子的原子存在着平动、转动和振动。对于不同的物质因为各种化学键的运动频率存在区别所以可以通过这一特点来判断位置物质内部的官能团[5]。

但是在实际应用中红外光谱和拉曼光谱操作复杂技术要求较高，而且设备昂贵维护不便。因此，用计算机初步模拟来替代实验在节约实验成本，节省时间方面存在着很大的应用前景，笔者以甲烷为例进行了甲烷吸收峰的模拟优化结果如图4和图5所示。

图4 甲烷分子模拟红外光谱

图4中3000～2850 cm-1为C-H伸缩振动，1465～1340 cm-1为C-H弯曲振动模拟结果基本符合甲烷分子的结构特征。

图5 甲烷分子模拟拉曼光谱

通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况，从而可以鉴别物质，分析物质的性质[6]。入射光导致分子旋转和振动发生光散射，散射光的频率因入射光和受作用的分子不同而异，分析该散射光的频率和强度的光谱图以推测某些生物大分子(如病毒、核酸、蛋白质和糖类)在溶液中的行为的方法。图5中出现的四个振动峰符合该物质结构的基本性质。

3 结 论

在无机化学物质结构部分教学中存在着理解难度大，抽象性强的特点。针对上述问题作者提出了将Gaussian软件引入无机化学教学的建议，能解决物质结构内容教学中诸多的问题。通过上述软件的引入能够在教学过程中给学生提供更为形象的教学内容，另一方面也可以使学生将传统的化学教学与计算软件结合，拓展学生知识面，提升学生的学习兴趣。

[1] 大连理工大学无机化学教研室. 无机化学.5版[M]. 北京:高等教育出版社，2006:300-306.

[2] 刘晓东,胡宗球,潘文慧. 计算机在化学探究性学习中的应用[J]. 化学教学, 2006(4):45-46

[3] 韩选利,张思敬,张凤云. 大学化学[M]. 北京：高等教育出版社，2005:37-52.

[4] 李善君,纪才圭,李橦,等.光分子光化学原理与应用.2版[M].上海:复旦大学出版社，2003:52-64.

[5] Senthilkumaar S, Varadarajan P R, Porkodi K,et al. Adsorption of methylene blue onto jute fiber carbon: Kinetics and equilibrium studies[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005,284(1): 78-82.

[6] 曾昭琼. 有机化学. 4版[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004:83-94.

Function of Gaussian Software in Inorganic Chemistry Teaching Process

MAOWei-bo,HOUQin-qin,ZHANGXuan-zhuo-yi

(Huaqing College, Xi’an University of Architecture and Technology, Shaanxi Xi’an 710043, China)

In the teaching process of Inorganic Chemistry, the material structure content is difficult, which is the hardest part of the whole teaching process. At the time, there are various challenges in the education. Owing to the transformation of students and study methods, the traditional instructional mode is difficult to satisfy the requirement of teaching and learning. The basic function of Gaussian software carried out the brief introduction. The problems were solved by Gaussian, which was hard to understand, the abstract chemical concepts were visualized to make the structure macroscopic. The computer was used in the teaching process to realize the combination of the computer science and Inorganic Chemistry.

Gaussian software; Inorganic Chemistry; teaching

O611.2

A

1001-9677(2016)020-0187-02