量子化学研究（精选12篇）
量子化学研究 篇1
因为人们一般认为量子力学是一门属于物理学研究范畴的学科, 所以我们可以将量子化学看作一门物理与化学性结合的交叉研究领域。因此, 量子化学, 顾名思义就是一门借助量子力学的基本原理与方法研究一些化学领域内的问题的学科。在上世纪初旧量子力理论出现后, 随着科学家对这一理论的不断完善, 量子理论基本原理和方法开始被其他学科领域借鉴, 应用范围越来越广。到上世纪三十年代, 量子力学开始被应用于化学领域, 标志量子化学理论的诞生, 后来, 随着人类文明的不断进步, 各种量子化学计算方法被科学家提出来。
1 量子化学计算方法
1.1 密度泛函法
密度泛函法是一种计算速度快且结果准确的量子化学计算方法, 是上世纪六十年代提出来的一种在物理和化学领域内都有广泛应用的理论。这一理论是根据Hohen-berg-Kohn定理, 研究多电子体系电子结构的量子力学方法, 根据这一理论我们可以知道分子的性质是由电子密度所决定的, 体系的能量就是电子密度的泛函。这一理论是研究凝聚态物理和计算化学时最常用的一种方法。
1.2 从头算法
量子化学的从头算法是根据独立电子、Born-Oppenheimer, 利用电量、电子质量与plank常数三个原子系数与基本物理量, 在完全不借助经验参数的前提下, 来对分子的所有积分进行严格的计算求解薛定谔方程的计算方法。由于这一算法的严格性, 其计算结果的可靠性和准确性是一大优势, 是量子化学计算时经常用到的一种方法。
2 几种化学反应原理的量子化学计算
2.1 一氧化碳与甲醇反产生甲酸的反应机理
一氧化碳与甲醇的反应不能够直接得到甲酸, 但可以得到生产甲酸的基本起始物质, 也就是甲酸甲脂, 得到甲酸甲酯后我们便比较容易得到我们想要的甲酸了。另外, 甲醇和一氧化碳反应需要在特定的条件下才能够发生, 具体条件是需要在催化剂甲醇钠催化作用下, 一氧化碳和甲醇的反应物不能含有水分, 还需要4MPA、80C的反应环境。通过这个反应制取甲酸虽不会造成环境污染, 但其正常反应的条件比较苛刻, 如果对催化剂、温度、压力的控制稍有差错就会影响反应的正常进行, 所以如果可以深入了解这个反应的反应机理, 将使工业制取甲酸更加经济、便捷。
要想深入了解一氧化碳与甲醇反应制取甲酸反应的反应机理, 可以借助量子化学理论和计算方法研究反应的微观过程及反应特征, 从而掌握反应途径和机理。对于该反应, 我们可以采取量子化学理论中的密度泛函计算法在B3LXP/6311++G (d, p) 的计算水平上对反应过程中的过渡态、产物结构和两种反应物进行优化, 同时对反应的频率和振动进行计算和分析, 从而可以确定优化后的几何模型是处于过渡态还是处于势能上的稳定点。在找到过渡态后, 在上述计算水平上计算出所有驻点的频率, 找到过渡态的虚频;之后利用内禀反应坐标进一步精确过渡态的范围, 验证产物和过渡态、反应物之间的关系。最后根据经典过渡态理论计算出该反应的反应速率常数。这个过程就是甲醇与一氧化碳反应制取甲酸反应的量子化学计算过程, 根据这个过程, 我们可以深入认识理解该反应的反应机理, 找到更优的反应过程。
2.2 氨三乙酸分子内脱水的量子化学计算
氨三乙酸是一种含有三个活泼羧基的有机小分子, 因为含有三个羧基, 所以是一种三元酸。氨三乙酸作为一种重要的化工原料, 在金属制备方面有广泛的应用。如果能够解决氨三乙酸的溶解性问题, 其对有机合成的发展将起到巨大的推动作用。借助量子化学理论研究氨三乙酸的分子内脱水问题, 对于深入了解氨三乙酸的脱水反应的微观过程和反应机理有重要意义。
为了深入认识该反应的反应机理, 需要借助量子化学理论对其进行分析计算。对于该反应的量子化学计算采取的同样是密度泛函理论, 也是在密度泛函理论的B3LXP/6-31++G (d, p) 的计算水平上进行计算的, 所以这个反应的量子化学计算过程和一氧化碳与甲醇反应制甲酸反应的有相似性。首先是对过渡态、产物及氨三乙酸进行优化, 得到氨氮乙酸的稳定结构, 在对其频率和振动进行计算和分析, 确定优化后各点的构型是否处于稳定态;再计算出过渡态的虚频, 验证产物与反应物、过渡态的关系, 最后进行零点校正, 根据经典过渡态理论计算出该反应的反应速率常数。
2.3 氨三乙酸分子间脱水的量子化学计算
在简单介绍了上面两个化学反应的量子化学反应机理的大致计算过程后, 我们可以初步的了解化学反应的量子化学计算的基本步骤。下面简单地探讨一下氨三乙酸的分子间脱水反应的量子化学计算过程。与上面两种反应不同, 氨三乙酸的分子间脱水反应的量子化学计算是在密度泛函的DFT/6-311G** (d, p) 计算水平上进行的。其具体的计算过程与上面两种化学反应是一样的。
摘要：化学在我们的日常生活中随处可见, 与我们的生活密切相关, 且极大地丰富和提高了我们的生活内容和生活质量。本文介绍了几种化学反应机理的量子化学计算方法, 包括一氧化碳与甲醇反应生成甲酸的反应的量子化学计算方法, 氨三乙酸的分子间和分子内脱水的反应量子化学计算方法。
关键词：化学反应,量子化学,反应机理
参考文献
[1]李来才, 田安民, 丁二酸脱水制备丁二酸醉的微观反应机理研究化学学报, 201025 (02) .
[2]范晓雷, 周志杰, 王辅臣等热解条件对煤焦气化活性影响的研究进展煤炭转化2009, 28 (3) :74一79.
[3]曹章铁, 孙卓, 郭平生等.碳源流量对碳纳米管厚膜形貌和结构的影响.无机材料学报, 2006}21 (1) :75一80.
量子化学研究 篇2
计庆国
本文修改后刊载于 《新课程学习》（刊号CN14-1353/01，国际刊号ISSN1674-697X，邮发代号：22-402。国家二级期刊）2010年11期22面，引用请注明出处。
弗·培根说:“学习历史可以使人明智”[1]。而关于化学史在化学教学中的作用，我国著名化学教育家傅鹰说过这样一句话，被广泛引用：“一种科学的历史，是那门学科最宝贵的一部分，科学只能给我们知识，而历史却能给我们智
[2]慧。” 可见，化学史是一种非常重要的教育资源，利用化学史进行教育，有利于激发兴趣，理解知识，有利于培养科学精神，有利于陶冶情操，有利于学生认识化学的建设性，有利于学生理解STS等。
1、当前中学化学史教育现状
1.1中学生对化学史普遍不了解
在对学生的调查中发现，中学生对教材中出现的著名化学家，不能较完整地讲述某一化学家优秀事迹，更不能客观的去认识与评价化学家的某一研究成果的作用和贡献。这表明目前中学生对化学史料普遍不了解。再如，我今年用过一个关于化学史的题目：
意大利化学家阿伏伽德罗（A.Avogadro）在化学上的重大贡献是
A.提出了科学的原子学说 B.测出了阿伏伽德罗常数的近似值
C.创立了分子学说D.制定了物质的量的单位——摩尔
结果高三（包括复读班，共1260人）的同学答题情况是：
A：1.5%，B ：85% C：2% D：11.5%
学生普遍认为题目很简单，公布答案以后，他们认为答案错了。同样的问题，放到实施新课程改革的高一去练，结果答题情况是：
A：1.5%，B ：2% C：95%D： 1.5%
情况悬殊很大，和同事就此问题进行了探讨，差别原因在于学生所用教材的不同，高三同学老教材关于阿伏伽德罗常数的有关解释，仅仅说明了阿伏伽德罗的国籍，生卒年，其他没有介绍，老师也没有讲，仅仅说是为了纪念阿伏伽德罗所以命名为阿伏伽德罗常数，学生当然会产生阿伏伽德罗的贡献是测出了阿伏伽德罗常数的近似值的结论了；人教版新课程标准教材的注解里，增加了“ 创立了分子学说”，那么同样一个题目，出现两个截然不同的答题情况，就不难理解了。
1.2中学化学教师的化学史教育的意识和素养也急需提高
1.2.1中学化学教师缺乏化学史教育的意识
中学化学教师总是自觉不自觉地把学生的科学素质与学生获得的化学知识、化学理论划等号。认为只要传授了化学知识，讲清了化学原理就等于提高了学生的科学素质，学生只要在化学学科考试中成绩优秀，就能证明教师的教学水平高。所以虽然都知道化学史的教育作用，但中学教学中化学史教育得不到足够的重视，化学课程学时设置太少，把书本的知识和一些演示实验部分讲完，其实很少有时间再给学生讲述额外的东西了。虽然现在倡导提高学生的科学素养，但高考
这根“指挥棒”没有变，对1995-2008年的高考试卷进行分析也发现，无论是课改区还是非课改区，试卷中几乎都没有涉及化学史的内容。既然高考都不涉及化学史，那么一线教师又怎么会重视化学史教育呢?所以在教学中未引起足够的重视就不足为奇了。
1.2.2中学化学教师缺乏化学史教育的素养
也有教师将化学史教育纳入课堂教学的范畴，但仅仅是一种口头层面，仍属于较低层次的，偏重于强调科学家的精神态度在科学发展中所起的作用，反映在教学结果上，学生对化学史的印象仅仅是一个个听起来生动有趣的小故事，教师近乎说教式的精神宣扬以及散乱的陈旧的化学知识。[16]
巧妇难为无米之炊，教师如果对化学史背景知识缺乏细致了解，利用化学史进行教育就不好展开了。并非所有师范类大学把化学史设为必修课，这些教师在自己学习期间没学过化学史，或即使学过，也只是粗略了解，未从化学史教材中得到相关的启发，一旦成为教师后，也不会想到用化学史来教学，或缺乏化学史内容和教学过程糅合的经验或能力，也不知道如何用化学史来教学。
1.3理论界对利用化学史进行教育的研究仍然较少
在1994年至2008年中国知网上关于化学史的论文有二百多篇文章中,基本上是关于化学史教育的教育价值的。如通过化学史培养学生爱国主义、辩证唯物主义和历史唯物主义、科学精神和科学态度等,较少涉及化学课堂教学中如何有效地进行化学史教育及进行相关性评价,如何提高教师化学史教育的意识与素养,及如何有效地开发化学史校本课程等，对中学化学史的教育价值及地位未进行全方位的论证和定位。
4.借助新课程改革，实现利用化学史进行教育的新突破
4.1增强中学化学教师的化学史教育的意识和素养
“教育者先受教育”,化学教师首先要充分重视“化学史”及科学史教育, 通过再次学习化学史的教育功能，克服“学了也没有用，反正高考不考”错误思想，充分认识到化学史教育对学生发展的影响，从而激发利用化学史为载体的教学研究兴趣,开展关于化学课堂教学中如何有效地进行化学史教育及进行相关性评价的研究。
建立完整的化学史知识储备，提高自身素养，然后采取多种形式,利用各种手段将化学史教育与科学素养教育有机结合,既要给学生以知识,又要给学生以智慧，领会和落实新课程标准的精神,积极开发化学史校本课程,全方位地、高效地提高学生科学史素养。
4.2借助新课程改革，实现中学化学史教育的新突破
新课程标准对化学史教育非常重视，教育部《中学新课程资源库--化学卷》共388页，而“化学史简读”篇幅是55-159页,约占全书的1/3。且放在第二篇课程必备资料的第一章，突出了重要性。
在新课程标准化学教科书中体现很明显。首先，历史人物数量增多，初、高中10本教材出现了92位化学家；图文并茂，出现了23位化学家的图像，另外还有部分实验室的仪器画面，可读性增强，易引起学生兴趣；其次，呈现方式多，有故事有叙述，正文部分有14个，其他出现在不同栏目里，如阅读“资料”里有普利斯特里、卡文迪许、张青莲、候德榜等，“科学视野”有罗朗、范德华等，“科学史话”里有舍勒、戴维、丁达尔、法拉第、米希尔里希、日拉尔、凯库勒等；再次，详略得当，在教学中可挖掘的内容很多。92位化学家中仅仅12位科学家详细介绍，适合学生自主学习，绝大部分科学家是简单介绍的，甚至有些科
学家是一笔带过的，为老师的课堂发挥提供了空间，即教材告诉学生科学结论是谁发现的，教师引导学生发现科学结论的发现过程等
量子化学研究 篇3
【关键词】初中化学 绿色视角 课堂教学
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）32-0174-02
将绿色化学教学理念融入到现代初中化学教学工作的实践中是现代素质教育对初中化学教学提出的要求，也是现代初中化学教学提升教学质量的必然选择。绿色化学教学要求教师在教学的过程中有意识的对学生宣传环保的理念，让学生认识到环保是什么、为什么要进行环保。但是现代初中教师对于绿色化学教学工作的开展还缺乏足够的经验，在实际教学的过程中经常会出现一些问题，因此以绿色化学视角开展化学教学工作还需要教师进行一定的优化，找出当前教学工作中存在的问题，采取有针对性的办法解决好这些问题。
1.为什么要将绿色化学视角引入到现代初中化学教学工作
1.1绿色化学视角的发展
随着社会的不断的发展，人们也越来越认识到，人类和环境有着重要的联系。中国在改革开放后几十年的发展过程中也逐渐发现，经济的发展不能够以过分的牺牲环境作为代价。只有在保护环境的基础上，现代经济发展才能够实现可持续。这是绿色经济对我们的要求。而具体到个人身上，我们就可以发现绿色化学和人的身体的健康有着直接的关系。绿色化学其实就是要求我们尽可能的降低部分化学物质对人体的危害性。以此来保护人的健康。因此，在生产和处理的过程中，我们都需要尽可能的降低部分化学物质的危害，这样才能够保证人们的身体健康。
1.2初中化学教学中的绿色化学视角
初中化学教学是学生第一次接触正规的化学学习，而且因为化学现象比较奇特，因此学生对于化学学习的兴趣是比较大的。但是因为学生在以往的学习中没有正式的学习过化学，因此学生关于化学的了解是比较少的，这就给教师的教学留出了更多的可以发挥的空间和余地。在初中化学教学的过程中，教师首先要帮助学生形成科学的关于化学的理念，也就是要让学生正确的认识化学。现代化学最重要的一个理念就是绿色化学。绿色化学要求我们要和环境友好相处，因此，帮助学生形成绿色化学的视角不仅能够帮助学生形成正确的思维观念，同时更加重要的是能够让学生认识到保护环境的重要性。
2.如何以绿色化学的视角开展课堂教学工作
2.1将绿色化学的视角融入到课程教学中
将绿色化学的视角融入到课堂教学中来开展课程教学工作能够更好的培养学生的绿色视角。在实际教学的过程中，教师要将绿色思想和传统的化学教学的思想结合起来，帮助学生形成更加科学的思想体系。举个例子来讲，教师可以利用化学实验，让学生参与化学实验，通过动手操作，使学生体会到化学污染带来的危害，加深学生对绿色化学的认识与理解，使学生了解到环境保护的重要性。例如：教师在指导学生使用滴管进行液体药品的取用时，可以让学生阅读课本中有关液体药品的滴管取用方法及注意事项。在学生了解了有关药品取用的注意事项后，教师应让学生思考，为什么药品会腐蚀橡胶胶帽？如果将没有用完的化学药品直接丢弃会有什么危害？应怎样正确处理没有用完的化学药品？利用化学实验，培养学生爱护环境的意识与行为，从而接受绿色化学理念。这样一来，在潜移默化中学生就会主动的用绿色化学的视角来看待和处理问题。
2.2运用多种多样的手段进行教学
在教学的时候，教师可以积极的利用现代化的、多种多样的教学手段进行教学，这对于提升学生的学习质量可以起到巨大的促进作用。比如说，现代信息技术的发展使得人们的沟通越来越方便，学生和教师之间的沟通不仅可以通过面对面的方式，还可以通过电话、微信、QQ等多重方式。因此，教师的教学工作也可以积极的利用这些方式。举个例子来讲，节约纸张对保护环境也能够起到积极的促进作用。传统的教学模式习惯于布置纸质作业。而以绿色化学的视角来看，教师在教学的时候可以将纸质作业变成电子的。教师可以利用微信群、QQ群等和学生以及学生家长进行沟通，而后用网络文档的方式布置作业。这样不仅可以提升交流的效率，还能够起到监督学生的作用。
现代初中教学工作的开展应该积极的引入绿色化学视角，培养学生的绿色化学视角。这是现代素质教育对我们的要求，也是教师提升课堂教学质量的一个有效的选择。虽然当前实际教学过程中还存在有一些问题，但是相信通过合适的方式我们一定能够解决好这些问题。
参考文献：
量子化学在缓蚀剂研究中的应用 篇4
量子化学已成为现代化学研究的一个主要方向,广泛涉及到化学的各个分支,生物、医药、材料、环境等多个领域,并已取得了丰富的成果。缓蚀剂从作用机理上可分为吸附型、沉积型、钝化型3种,对其常规的研究是采用电化学测试、微观观察等手段,已取得了一定成果[1~3]。自1971年以来,量子化学已经成为研究缓蚀剂分子结构和缓蚀性能关系的有效方法,用量子化学计算得到的电荷分布特征可以深入研究缓蚀剂的作用机理,使缓蚀机理的认识达到了分子结构和微观层面[4]。本文对缓蚀剂研究中的量子化学计算方法、研究状况及存在的不足等进行了综述。
1 量子化学计算方法简介
1.1 半经验计算法
理论上,求解薛定谔方程可得到分子中任何一个原子、电子运动及它们之间相互作用的微观信息。半经验近似计算法主要是忽略某些积分减少计算量,为减少错误,以一些经验参数代替被忽略的积分。这种计算方法只能进行定性或者半定量计算,比较粗糙,正逐渐被更为精确的计算方法如从头算法代替[5]。半经验计算法应用较广泛,可以计算分子的平面几何构型、电荷分布、偶极矩、原子化热、生成热、反应热、激发能,电子自旋-核自旋相互作用、核自旋-核自旋相互作用等。根据采取近似方法的不同及选取经验参数的不同,目前主要的计算方法有AM1[6],PM3[7],MNDO[8],MINDO/3等,常用的计算软件是MOPAC。
1.2 从头算ab initio和密度泛函DFT法
从头计算法是一种严格的计算方法,其理论基础是Hartree-Fock(HF)方程。在HF计算中,通过自洽场(SCF)方法得到电子波函数和它的能量。但是,HF理论忽略大部分电子的相关能,并受不同基组的影响,结构优化的几何构型不稳定,与实验值存在一个较大的系统误差,而且处理大分子体系时,费用和资源需求非常大。因此,20世纪90年代改用微扰理论MllerPlesset(MP)方法,是ab initio中较实用的一种[9],目前常用的计算软件是高斯Gaussian03。
密度泛函理论(DFT)是20世纪60年代在Thomas-Fermi理论的基础上发展起来的量子理论的一种表述方式,主要是用电荷密度函数代替单电子波函数描述体系的状态,在解薛定谔方程时,用统计方法代替交换积分,计算时间缩短,精度高,特别适用于重原子、多原子体系。但是,DFT过多地考虑了电子之间的相关性,计算的能量值往往偏低。其主要的计算方法有多种,用于缓蚀剂研究的是B3LYP[10]。
严格来说,DFT不是从头计算方法,由于未引入经验参数,其介于从头计算和半经验量子化学之间,但更接近从头计算方法。这一方法常与从头算法结合,比单纯从头算计算的体系大,精度比半经验量化方法高,并考虑了电子相关性。因此将两者放在一起论述。
2 量子化学计算应用现状
2.1 半经验计算法
半经验计算法在缓蚀剂研究中得到了大量应用[11~15]。常用的量子化学参数有:EHOMO(分子最高占据轨道能量,反映分子供电子能力大小),EHOMO值越高,分子越容易将电子给予轨道能量较低或者有空轨道的分子;ELUMO(分子最低未占据轨道能量,反映分子接受电子能力大小),ELUMO值越低,电子进入该轨道后体系能量降低得越多,该分子接受电子的能力越强;△E=EHOMO-ELUMO(分子稳定性指标),△E值越大,分子稳定性越好,△E值越小,分子越不稳定,越易参与化学反应;偶极矩μ(用来描述分子的极性大小);原子电荷密度Q(N)(用来描述原子的活性大小)。
咪唑类衍生物在酸性溶液中对铁的缓蚀作用显示:其缓蚀率与缓蚀剂分子ELUMO,EHOMO,ΔE及分子总电荷Z有较好的相关性[16]。用失重法研究几种咪唑化合物在5%盐酸中对铜的酸洗缓蚀性能,以Hyperchem程序中的PM3半经验量子化学计算了这几种化合物的量子化学参数,并分别将它们的前线分子轨道能级、N原子上的净电荷以及咪唑环上的净电荷与各自的缓蚀率拟合,得到了很好的相关性,推测认为咪唑及其衍生物分子是以平卧的方式吸附在金属表面的。用所得的结果预测了2-羟基咪唑和4-羟基咪唑的缓蚀率,预测结果与试验结果能较好地吻合[17]。
对咪唑啉缓蚀剂的EHOMO和ELUMO,部分原子的净电荷及前线电荷密度等量化参数的计算结果表明[18]:硫脲基烷基咪唑啉的EHOMO高于烷基咪唑啉的,ELUMO和ΔE低于烷基咪唑啉的,缓蚀率高于烷基咪唑啉的,说明缓蚀率随着EHOMO的升高、ELUMO的降低而升高,验证了电化学测试的结果。由于分子中引入了硫脲基团,其中的N和S具有更强的供电子能力,更易于向Fe的3d空轨道提供电子,进一步证明了硫脲基烷基咪唑啉的缓蚀性能优于烷基咪唑啉。采用MNDO方法优化咪唑啉分子的平衡几何构型、净电荷(QA)分布和前线分子轨道(HOMO)系数等信息,以CNDO/2M方法逐点优化计算了咪唑啉环上氮与铁的配位键长,双原子作用能(ENFe)和重叠集居数(QNFe),结果显示[19]:具有p-π共轭体系的咪唑啉以及在环上引入供电子基团或取代芳烃,能增强氮与铁原子的化学吸附作用力和吸附膜的牢固程度。这为咪唑啉型缓蚀剂的分子设计提供了有用的信息。
计算氨基酸及其衍生物的EHOMO,ELUMO,μ,中心原子净电荷等量化参数,研究不同pH值条件下各类缓蚀剂对NaCl溶液中7075铝合金的缓蚀机理表明[20],羧基中带负电荷的O原子,带正电荷的N原子是氨基酸类缓蚀剂的吸附中心,缓蚀率与Q(O),Q(N),μ,EHOMO,ELUMO有良好的线性关系;在pH=8条件下,AM1计算方法能很好地解释氨基酸对7075铝合金的缓蚀机理,而在pH=5条件下,PM3方法对缓蚀机理的解释更合理。各种△E值表明羟基酸缓蚀剂主要提供电子,氨基酸类缓蚀剂主要接受电子。
希夫碱在酸性溶液中对铝的缓蚀率随着EHOMO的降低、N原子净电荷以及偶极矩的增大而增大[21]。EHOMO与缓蚀率之间的负相关性表明希夫碱在铝表面的吸附不是化学吸附,μ和Q(N)与缓蚀率之间的正相关性表明希夫碱在铝表面属于物理吸附;分子中的Br,Cl原子增加了电荷密度,成为吸附中心;二面角计算结果表明希夫碱分子共平面,缓蚀率与苯环之间没有直接的关系,吡啶环净电荷为正,表明吡啶环不能以平面形式吸附在带正电荷的铝表面;所有计算结果表明希夫碱是以Br,Cl,N为吸附中心,通过与带正电荷金属表面之间的静电引力吸附在铝表面。
4种有机膦缓蚀剂的缓蚀性能和分子结构的关系表明[22]:P原子的净电荷、电荷密度、亲电前线电荷密度与缓蚀性能有良好的相关性,缓蚀剂既能通过π电子供出电子与Fe吸附,又能通过P原子接受Fe原子3d轨道中的电子,其强弱主要由P原子上电荷密度高低决定;在双向作用下,缓蚀剂与Fe的吸附作用增强,缓蚀性能提高;(ELUMOinhib-EHOMOFe)差值接近,在6 eV以内,缓蚀剂与Fe可能发生化学吸附,Fe的HOMO轨道和缓蚀剂阳离子LUMO的相互作用有一定的离子化特征。
含硫缓蚀剂主要通过C-S键吸附在金属表面,苯基取代基比烷基取代基衍生物的ΔE值小,缓蚀率高。计算结果表明引入亲电基团可以提高硫原子的电荷密度和缓蚀效率[23]。
以上情况说明通过半经验计算法建立的QSAR模型可以推测缓蚀剂的缓蚀机理,对同一类型的缓蚀剂性能的预测结果与试验结果能较好地吻合。
2.2 从头算ab initio和密度泛函DFT法
用ab initio中的HF/LANL2DZ方法研究了3种含氮杂环化合物3,5-二甲基-1H-吡唑,嘧啶及2-(3-甲基-1H-吡唑-5-基)嘧啶,发现缓蚀率与EHOMO值相关;研究缓蚀剂分子与单个铁原子之间的相互作用发现,两者之间的结合能越低,形成的键越稳定,缓蚀率就越高[24]。对5种环状含氮化合物的缓蚀性能与分子结构及电子结构的关系进行了研究,用Fukui指数分析了分子中原子的反应活性,结果表明所研究的分子均为存在共轭体系的平面分子,缓蚀率与分子的EHOMO,ΔE有较好的相关性[25]。因此,可以认为,缓蚀剂分子在金属表面通过亲核作用与金属作用形成吸附膜,该类缓蚀剂分子是通过吡啶氮原子提供电子与金属发生作用的。对34种含氮有机化合物进行QSAR研究发现,缓蚀剂分子的缓蚀率随着EHOMO值、偶极矩的递增而递增[26]。
用电化学方法和ab initio法研究了硫代乙酰胺(TAcA)、硫脲(TU)、硫代苯甲酰胺(TBA)3种含硫化合物在0.1 mol/L H2SO4溶液中对碳钢的缓蚀行为,在6-31G(d)基组水平上计算了EHOMO,ELUMO,ΔE等量化参数,发现缓蚀率与EHOMO存在对应关系,3种化合物HOMO值高低顺序为TBA>TU>TAcA,与试验结果一致;同样采用ab initio中的RHF/6-31G(d)研究了硫脲(TU)、甲基硫脲(MTU)、苯基硫脲(PTU)3种化合物在相同环境下的缓蚀行为,发现PTU的EHOMO值最高,ELUMO,ΔE值最低,缓蚀率最高,缓蚀率的提高与苯环及化合物分子体积的增大有关,此结论可以指导此类新型缓蚀剂的合成[27,28]。
采用DFT中的B3LYP方法,在6-31(G)d基组水平上,计算了部分原子的净电荷、前线轨道能量以及Fukui指数等量化参数[1],结果表明,咪唑啉环及杂原子是缓蚀剂中的活性吸附点,杂原子可以向金属的空轨道提供电子,并接受Fe原子3d轨道的电子,形成化学键。计算相同的量化参数,并采用分子模拟动力学法研究了2种缓蚀剂分子在Fe(001)表面的吸附行为,结果表明缓蚀剂与金属表面结合能越高,缓蚀率越高;咪唑啉环与金属表面共平面,十一烷基长链几乎垂直于咪唑啉环,偶极矩越大,分子越容易吸附在金属表面,Fukui指数显示缓蚀剂主要通过咪唑啉环与杂原子吸附在金属表面[29]。
Rodríguez-Valdez LM等利用量子化学密度泛函理论,在B3LYP/STO-3G*水平上,计算了杂环化合物1,3,4-噻二唑及其衍生物的分子、电子结构和缓蚀剂分子在气相与液相中的各种量子化学参数,如分子的总能量,EHOMO,ELUMO,μ等,结果表明,该类缓蚀剂分子在气相和液相中的分子结构基本一致[30]。用DFT法在B3LYP/6-311++G(2d)(5D,7F)理论水平上计算了2-氨基-5-巯基-1,3,4噻二唑(简称AMT)4种互变异构体的平衡几何构型、能量和电荷分布,证实了4种互变异构体的所有原子处于同一个平面,且有一种异构体最稳定;AMT与Cu形成的缓蚀膜层是Cu(Ⅰ)与AMT的7N和2S原子分别形成共价键和配位键相互交错沉积而成[31]。
Roque J M等用量子化学中的DFT法和电化学方法研究了3-(苯并咪唑-2-基甲基)胺(TBMA)对碳钢的缓蚀性能,结果表明,TBMA中N1=C2=N3官能团的最高占据轨道中的π电子与金属的最低空轨道之间成键,在金属表面形成一层吸附膜;质子化的分子与Fe13表层原子簇相互作用,质子化的分子在金属表面的吸附力大于未质子化的分子[32]。
目前,ab initio和DFT法在缓蚀剂机理研究中发挥了重要作用,通过对缓蚀剂分子结构进行模拟、计算,得到各种量化参数,根据电荷分布特征推断缓蚀剂分子的活性点,建立金属-缓蚀剂分子体系,进而研究缓蚀剂的缓蚀机理。由于金属表面的不均匀性及腐蚀过程的复杂性,建立更加接近金属表面实际情况的原子簇,综合考虑溶剂效应以及缓蚀剂粒子间的相互作用,对加深缓蚀机理的认识有重要意义。
3 结语
量子化学研究 篇5
用量子化学 UMP2方法,在 6-311++G**基组水平上研究了 CH3(2A′ )自由基与臭氧反应机理,全参数优化了反应过程中反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,在 UQCISD(T)/6-311++G水平上计算了它们的能量;并对它们进行了振动分析,以确定中间体和过渡态的真实性;同时应用经典过渡态理论计算了反应的`速率常数,并与实验值进行了比较,CH3自由基与臭氧反应速率常数的理论计算结果为: 4.73× 10- 14 cm3@ molecule- 1@ s- 1,与实验报导的结果(k=2.52× 10- 14 cm3@ molecule- 1@ s- 1)很接近,同时发现 CH3(2A′ )自由基与 O3的反应是强放热反应.
作 者：李来才 田安民 作者单位：李来才(四川师范大学化学系,成都,610066)
田安民(四川大学化学系,成都,610065)
量子化学研究 篇6
一、实验探究
在文化课教学中，化学是要求学生借助于实物动手操作比较多的学科。除信息技术外，化学课对学生动手操作的要求也比较多。化学实验是化学教学不可缺少的部分，化学实验比其他学科更容易调动学生学习的积极性。新鲜的事物能够给人以比较强的刺激，而强烈刺激能够使人兴奋，对该事物产生兴趣。数学作业，学生可能一周要做五六次，而化学实验一周可能做一两次，或者一次也不做。做化学实验对学生来说那就是新鲜事，能够使他们产生激情。另外，化学实验常常有奇迹发生，出乎意料的实验结果往往能使他们兴奋不已。例如，教学硝酸的氧化性。让学生在两支试管里各放一小块铜片，分别加入少量的浓硝酸和稀硝酸，立即用带导管的胶塞塞住试管口，并将导管插入另一个盛有NaOH溶液的试管里。反应片刻后，将加稀硝酸的试管上的胶塞拔掉，使空气进入试管，再塞好胶塞。学生会看到，加入浓硝酸的试管有红棕色气体产生。加入稀硝酸的试管，反应并不明显，按照常理思考，拔掉胶塞后，试管里进入无色的空气后，反应应该更加缓慢，结果反而有红棕色气体出现。像这样出人意料的迷团，常常能够激发学生的求知欲望，使他们对化学产生浓厚的兴趣。
对于化学实验，老师要放开手脚让学生独立操作，自主探究化学的奥秘。因为实验是学生自己独立完成的，他们在发现新知识后，会有一种成就感，这种胜利的感觉，会驱使他们更加喜欢化学。
二、设扣激趣
设扣就是人为地制造出其不意的结果。在一些文学作品中经常可以看到这种表现手段。从心理学的角度讲，人的情绪与心理落差有关，心理落差越大，人的情绪变化就越大，心理落差越小，人的情绪变化就越小。人们在接受事物的时候，总会根据当时的情况，结合自己的经验，对事物做出自认为合情合理的推测，如果事情的发展果然不出所料，就会产生自豪感；如果事情的发展出乎自己的预料，就会造成比较大的心理反差，使人为之一振，产生一个兴奋的高峰。设扣的目的就是误导人，故意把人的思想引向歧途，制造出较大的心理反差。所以，设扣能够激发人的兴趣。
化学知识有很多地方可以设扣。就拿金属来说，在人们的心目中金属是固体的，可是，偏偏汞是液体的；多数人认为，金属元素以化合物状态存在于自然界的理由是金属比较活泼，然而，黄金偏偏是以单质的形态存在于自然界的；一般人认为，铁是坚硬的，掺进杂质会降低它的硬度，事实却恰恰相反，在铁里加入适量的碳，铁将更加坚硬。水银的物理性质，黄金的自然存在形式，铁的属性，都有超乎常理的情况。正因为它们超出人们的常规认识，才容易造成心理反差。也就是说，比较容易设扣。设扣的前提是所教学的知识与人们的常规认识之间存在差异。如果所教学的化学知识与人们的常规认识是一致的话，那么设扣是非常困难的，甚至是不可能的。老师的任务就是设法加大这个差异，在学生的心里造成更大的心理反差，以此激发他们的学习热情。
三、联系实际
化学课的教学不能够照本宣科，老是让学生观察实物，认识物质的物理性质，做实验归纳物质的化学性质，而应该结合学生的生活实际、生产实际和科学研究的实际进行教学，使学生感受到学习化学的重要性。
学生对化学感兴趣的因素是多方面的，有外界的强烈刺激激发他们对化学的兴趣，有比较大的心理反差激发他们对化学的兴趣，有对化学认识水平的提高而产生学习化学的动力，在这种动力的推动下诱发了他们学习化学的兴趣，还有其他一些因素。在这些因素中，认识到学习化学的重要意义，是产生学习化学兴趣的不竭动力。
追求有效劳动是人的本能，也就是说，人们都希望自己的劳动是有用的。如果人能够感受到自己付出的劳动对自己、对他人、对社会是有用的，他就会积极投入到这项活动中。如果他不知道自己的劳动有什么用处，当然不会热情地去干这些事情。学习化学也一样，学生知道自己学习化学的用处，就会喜欢化学，积极投入到化学学习中；如果他们不知道自己学习化学的意义，就不愿意为此而付出无谓的劳动。反映在学习上，就是对化学不感兴趣。化学教学，联系学生的实际，学生会感到学习化学对自己有用；联系生活实际，学生会感到学习化学对自己未来的生活有用；联系生产和科学研究的实际，学生会感到，学习化学对自己将来的工作有用。这些都会成为学生学习化学的动力。
结合实际教学，化学能够使学生获得强烈的荣誉感。化学充满整个世界，我们都生活、工作在化学的包围中，但是很少有人去研究自己周围的化学物质、化学现象以及物质生产的化学过程。我们的学生研究了自己周围的化学，并有所收获，他们对生活的理解就比别人更透彻、更深刻，就能产生优异的感觉。这种感觉会使他们对化学表现出比较高的兴趣。
参考文献：
丁成闯.高中化学实验教学创新[J].新课程：中学，2012（4）.
量子化学研究 篇7
离子液体是一类完全由离子组成的低熔点有机盐。研究发现,离子液体具有许多传统挥发性有机溶剂不可比拟的优良物理化学性能[1,2,3],如宽液程、高的热稳定性、良好的溶解性、不易燃、不易挥发、可循环使用等。因此离子液体在学术和工业领域被认为是环境友好的溶剂和反应介质。然而,随着离子液体研究的不断深入,离子液体的潜在毒性也逐渐被人们所认识。据文献报道[4],某些离子液体本身是有毒且难以生物降解的,并且用于制备常用离子液体的主要原料,如烷基咪唑、烷基吡啶等,大多具有挥发性。因此,离子液体的制备过程对生态环境也带来了潜在的危害。目前,人们急于寻找一种更加环保的新型离子液体。
近来,Abbott等人[5]发现,氯化胆碱与氢键给予体,如尿素,酰胺,醇,羧酸等,混合可形成共融物。这种化合物不仅具有同离子液体相同的物理化学性质,而且其本身不具有毒性,并能生物降解,其制备过程更简单,所用原料更经济、环保。为了将这种化合物同离子液体区分,人们将其称为低温共融溶剂(room-temperature deep eutectic solvents, DES),或氯化胆碱类离子液体。目前,DES已经在电化学、生命科学、材料科学等领域被广泛用作溶剂[6,7]。尽管DES的应用研究已经取得了很大进展,但有关其结构以及结构和性能关系的研究尚未见报道。从理论上研究氯化胆碱离子对的几何和电子结构是理解这种新型DES结构的基础。
现以氯化胆碱为模型,通过密度泛函理论计算,系统研究其离子对的几何与电子结构,分析阴、阳离子间相互作用的本质,为后面DES结构及物理化学性质的理解奠定一定的基础。
1 计算方法
全部计算在B3LYP/6—31G(d,p)理论水平上使用Gaussian 09 程序[8]完成。在结构优化过程中,对各种可能构型进行了全参数优化(未加对称性限制),并对所优化结构进行了振动频率分析,以确定其是否为真实的局域最小点,同时得到零点能(ZPE),文中所引能量均包含ZPE校正。为了详细地描述阳离子及其离子对的电子结构特征,在相同理论水平上又进行了自然键轨道(NBO)分析。
2 结果与讨论
2.1 几何结构
为了寻找可能的氯化胆碱离子对结构,如图1所示,结构优化时考虑了阴离子在阳离子周围的各种可能位置。以阳离子构型A为基础,在结构优化前,先将Cl-离子分别置于阳离子周围的P1、P2、P3、P4、P5和P6位。优化结束后,共得到4种可能的稳定离子对结构,如图2所示。结构观察发现,Cl-离子更倾向与阳离子形成多重稳定氢键。
ChoCl1离子对结构的能量最低。在CholCl1中,Cl-离子分别与O1、C3和C6原子上的H原子作用。与孤立的阳离子相比,CholCl1中的O1—H,C3—H和C6—H键都略有增长(表1),而形成的O1—H…Cl-,C3—H…Cl-, C6—H…Cl-距离分别为2.368, 2.333和2.377 Å,比H…Cl-间的范德华距离(2.900 Å)短。这些现象表明Cl-离子与O1—H,C3—H和C6—H形成了氢键。依据Steiner提出的氢键(X—H…Y)强度判断标准[9],当H…Y距离大于2.2 Å;X—H键长度的增量小于0.02 Å时,可粗略地认为此氢键属于弱氢键。在CholCl1中,所有氢键的长度都大于2.2 Å,并且O1—H,C3—H和C6—H键的长度只比孤立阳离子增加了0.019,0.001和0.010 Å,预示了CholCl1中的氢键都属于弱氢键,它们的键能大约在1—4 kcal·mol-1之间。然而,由表2可知,CholCl1中阳离子与Cl-离子的相互作用能为102.72 kcal·mol-1,远大于三个弱氢键的总键能(3—12 kcal·mol-1), 表明了阴阳离子间的相互作用能并不是单纯的氢键作用能,还包含阴阳离子间静电作用能的贡献,而且是主要贡献。同时,阳离子与Cl-离子间较大的相互作用能为氯化胆碱较高的熔点提供了解释。
ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4离子对结构的能量仅比ChoCl1高了3.25、5.10和5.14 kcal·mol-1。在ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中,Cl-离子分别与C5—H、C6—H、C7—H,C2—H、C6—H、C7—H,以及C3—H、C5—H、C7—H相互作用,形成了氢键。这些氢键的长度均大于2.2 Å,并且相应C—H键的增量均小于0.02 Å,预示着这些氢键都是弱氢键。由表2可知,ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中阳离子与Cl-离子的相互作用能分别为99.47, 97.62和97.58 kcal·mol-1,比ChoCl1中阴阳离子的相互作用能(102.72 kcal·mol-1)小,但远大于弱氢键的总键能,表明氯化胆碱离子对中阴阳离子间的相互作用由静电相互作用和氢键相互作用共同组成,并以静电相互作用为主。
总的来说,氯化胆碱的稳定离子对结构ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4的能量最大相差仅5 kcal·mol-1,室温下分子的热运动足以使各种构型快速达到平衡,因此这些构型均是可能存在的稳定结构。
2.2 电子结构
为了更加清楚地理解氯化胆碱离子对的电子结构以及阴阳离子间的相互作用本质,又对稳定离子对构型ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4进行了NBO分析,所得结果示于表3和表4中。
由表3中的原子电荷分布可见,在氯化胆碱离子对构型ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中,Cl-离子上的负电荷减少,而阳离子上的负电荷增加,表明Cl-离子的部分电荷转移到阳离子上,使阳离子上的多数原子带了更多负电荷,而与Cl-离子形成氢键的H原子则带了更多正电荷。
阴阳离子间相互作用的本质可通过观察阴阳离子轨道间的电子离域来获知。轨道间电子离域程度的大小(由电子给予体i→电子接受体j)来可由二价波动理论得出的二阶稳定化能E(2)来估计:E(2)值越大,离域程度越大。E(2)可表示为
其中qi为电子给与体的轨道占据,E(i), E(j)为轨道能量的对角元,而F(i,j)为Fock矩阵的非对角元。表4列出了氯化胆碱离子对稳定构型ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中阴阳离子间的主要轨道相互作用及其二阶稳定化能。由表4可知,Cl-离子与阳离子间的相互作用主要发生在Cl-离子的孤电子对轨道(LPCl)与阳离子的σ*C—H或σ*O—H轨道之间(即LPCl→σ*C—H或LPCl→σ*O—H),表明在ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中阴阳离子间的电荷转移主要通过这种σ相互作用完成,并且这种σ相互作用与Cl-…H氢键有关。在ChoCl1中,LPCl和σ*O1—H、σ*C3—H、σ*C6—H轨道间相互作用较强,而在ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中,LPCl分别与σ*C5—H、σ*C6—H、σ*C7—H、σ*C6—H、σ*C7—H,以及σ*C3—H、σ*C5—H、σ*C7—H轨道间的相互作用较强,表明Cl-离子与相应的O—H和C—H形成了氢键,与上面的结构分析一致。
2.3 前线分子轨道
氯化胆碱离子对的前线分子轨道可更好地揭示阴阳离子间相互作用的本质。图3出示了稳定离子对构型ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4的前线分子轨道(即HOMO、HOMO—1和HOMO—2)。如图所示,在ChoCl1、ChoCl2、ChoCl3和ChoCl4中,HOMO、HOMO—1和HOMO—2轨道能量相近,主要由Cl-离子的一个P轨道所贡献,同时这个PCl轨道还与阳离子的σ*C—H或σ*O—H轨道有弱相互作用,分别具有σ对称性,预示了O—H…Cl-或C—H…Cl-氢键的形成。所得结果与上面的结构分析和NBO分析一致。
3 结论
用量子化学方法在B3LYP/6—31G(d,p)理论水平上研究了氯化胆碱离子对的几何与电子结构,结果表明:
(1)共有四种可能的稳定离子对构型存在。在四种稳定离子对构型中,Cl-离子倾向与阳离子形成多重稳定氢键,且氢键强度较弱。阴阳离子间的相互作用由静电相互作用和氢键相互作用共同组成,并以静电相互作用为主。阴阳离子间较大的相互作用能为氯化胆碱的高熔点提供了解释;
(2)在稳定离子对构型中,Cl-离子的部分电荷向阳离子转移,使阳离子上的负电荷增加。阴阳离子间的电荷转移通过Cl-离子的LPCl轨道和阳离子的σ*C—H或σ*O—H轨道间的相互作用完成,并且以LPCl和σ*C—H轨道间的相互作用为主。然而这种σ相互作用的二阶稳定化能很小,表明H…Cl-间的共价性很小,氢键很弱;
理论计算清楚地了氯化胆碱离子对的几何与电子结构,揭示了阴阳离子间相互作用的本质,为氯化胆碱的物理化学性质提供了一定的理论解释,并为以后的DES结构及物理化学性质的研究奠定一定的基础。
摘要：采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6—31G(d,p)水平上研究氯化胆碱离子对的几何与电子结构。共有四种稳定离子对构型被发现。在稳定离子对结构中,Cl-离子倾向与阳离子形成多重稳定氢键。阴阳离子间的氢键相互作用主要通过Cl-离子的LPCl轨道和阳离子的σ*C-H,或σ*O-H轨道间的相互作用完成。研究发现这种σ相互作用很弱,由此判断阴阳离子间大的相互作用能并不是单纯的氢键作用能,还包含阴阳离子间静电作用能的贡献;而且是主要贡献。阴阳离子间大的相互作用能还为氯化胆碱的高熔点提供了解释。
关键词：氯化胆碱,密度泛函理论,几何结构,电子结构
参考文献
[1] Seddon K R.Ionic liquids for clean technology.J.Chem Tech Bio-technol,1997;68:351—356
[2] Chiappe C,Pieraccini D.Ionic liquids:solvent properties and organ-ic reactivity.J Phys Org Chem,2005;18:275—297
[3] Wasserscheid P,Welton T.(eds.)Ionic Liquids in Synthesis.Wi-ley-VCH:Weinheim,2003
[4]柯明,周爱国,宋昭峥,等.离子液体的毒性.化学进展,2007;19(5):671—679
[5] Abbott A P,Capper G,Davies D L,et al.Novel solvent properties ofcholine chloride/urea mixtures.Chem.Commun,2003;1:70—71
[6] Jhong H R,Wong D S H,Wan C C,et al.A novel deep eutecticsolvent-based ionic liquid used as electrolyte for dye-sensitized solarcells.Electrochemistry Communications,2009;11:209—211
[7] Lindberg D,Revenga M F,Widersten M.Deep eutectic solvents(DESs)are viable cosolvents for enzyme-catalyzed epoxide hydroly-sis.Journal of Biotechnology,2010;147:169—171
[8] Frisch M J,Trucks G W,Schlegel H B,et al.Gaussian 03,Revi-sion D.01;Gaussian,Inc.:Wallingford CT,2004
量子化学研究 篇8
化学素养是一个相对抽象和广泛的概念,目前在学术界没有统一的含义,但是不同的学者都从不同的侧面进行了界定,主要表现为四个方面。一是,能够正确表示化学的基本概念。概念的学习是化学知识学习中最基础的部分,作为学生要能够明确化学学习中最核心的概念是什么,能够对化学产生总观性的影响;二是,具备运用化学知识的能力。新课程背景下提出能力为重的教育理念,教学不仅向学生传递知识,而且注重学生思考问题的过程,学生运用化学知识的灵活性;三是,了解化学作为一门基础学科所包含的基本研究方法。化学知识的学习绝不仅仅是要学生了解基本的化学知识内涵,进行最基本的化学知识运用,而是要开启学生更加广泛地自主学习,这就需要掌握化学学习和研究的基本方法;四是,汲取化学中的科学精神和正确的化学观。化学研究和探索中包含着求真务实、勇于探索、怀疑与批判等精神,教师在实验中要逐渐渗透,发展学生的道德品质。化学观是人们对化学的认识,在教学中教师要引导学生树立绿色化学观。
二、初中化学教学中培养学生化学素养的研究
(一)引导学生总结学法,构建化学基本概念
在初中化学课堂教学中,注重化学知识的传递,关注教师传递的知识是否足够的丰富,而不关注学生的学习,不关注学生的学习过程和学习效率。在化学学习中,学生的习惯、态度、认识、方法等的教育直接关系着学生的学习热情、学习方式和学习结果,在教学中需要逐渐改变关注学习结果,关注教师的教的单一方式,转向关注学生的学习,关注对学生学习方法和学习能力的培养。例如,在课堂中记笔记是一种学习方法,教师的引导不是将注意力集中笔记的内容是否完整,是否重现了黑板上的内容,而是关注学生通过记笔记是否明确了自己学习的重点和难点,是否具有个性化,是否对学生的自主学习有帮助。再如,在学质量守恒定律的学习过程中,不能孤立地谈定律,谈结论和习题,还应该结合实验、实例,质量守恒定律的发生发现过程以及与生产生活之间的关系,根据不同学生的身心发展特点组织不同的学习方式和学习方法,逐渐发展学生的独立学习能力,掌握基本的概念。概念的学习绝不是能够熟练地背诵就是掌握,需要学生不断地进行琢磨,在更多知识的学习中进行内化,最终提炼出一些核心概念,引领学生把握初中化学的精髓。
(二)密切联系生活实际,提高学生实际解决问题的能力
化学知识是与生活实际密切联系的,生活中包含着丰富的化学教育资源,生活中也包含着问题出现的情境,生活也是学生进行知识运用的重要基地。但是,目前初中化学课堂大多数封闭的课堂,教师化学知识的讲解时按照教材的案例和分析,学生的学习依靠的是机械的记忆和模仿,学生知识的巩固主要通过习题的练习。在教学中,教师要密切联系学生的生活经验,创设问题情境,激发学生的思考和主动探索。例如,在氧气助燃性的学习过程中,教师通过知识的学习已经知识氧气更集中,可燃材料接触面越大,燃烧越旺,但是一个学生集合生活经验提出的一个问题使同伴陷入了思考,为什么蜡烛的火焰很容易熄灭,学生经过思考找到了影响燃烧的另一个因素着火点。再如,在溶质的学习过程中,教师结合人们常反应的全自动洗衣机冲洗不干净的问题,引导学生思考是少量清水多次漂洗的干净还是大量清水一次漂洗的干净,这个问题激发了学生的探索欲,想要用新学到的知识解释这种现象,用新知识来解决这个问题,这是知识探索和创新的动力,也是学生不断进行新尝试的动力,提高学生实际解决问题的能力。在课下,教师引导学生了解全自动洗衣机的工作原理,并了解不同时间和方式的洗衣存在哪些差异。促进知识的运用的灵活性。
(三)注重化学实验教学,培养科学探究能力
化学实验是化学知识形象化的一个重要方式,在教学中激发学生积极地参与实验,在实验中学生进行自主探索、观察,感受化学魅力,获得科学探究的方法。在初中化学教材中,每一个单元都配有必要的化学实验,但是在教学过程中很多教师要么是用演示实验代替操作实验,要么是用不进行实验观看教材的结果。例如,在燃烧的条件的学习过程中,教师没有直接给学生传递知识,进行系统的讲解,而是安排了两组学生进行实验,一组是将白磷直接放在热水中,观看白磷是否燃烧,另一种是将白磷放在事先准备好的金属铜片上,观察白磷是否燃烧,引导学生发现白磷燃烧的条件,通过实验对比,学生能够明确然后不仅需要氧气而且需要着火点。同时,化学实验也不只局限课堂和实验室中,而且要引导在生活中创作条件进行各种不同的实验。例如,在Ca CO3的各种实验中,教师引导学生在生活中运用鸡蛋壳来进行实验,在二氧化碳的实验中,教师引导学生运用食用醋和小苏打来制备氧气并了解其中的性质。这样的学习更加直观,将知识形成的过程形象化,将知识学习的过程详细化,不仅提高了学生的学习能力,而且发展了学生的探究能力和知识发展能力,使知识的学习充满乐趣和趣味,也使课堂内容更加丰富和灵活。
综上所述,化学素养包括化学概念、化学知识、化学研究方法和化学科学精神等的全面发展。在教学过程中,教师要引导学生总结学法,构建化学基本概念;密切联系生活实际,提高学生实际解决问题的能力;注重化学实验教学,培养科学探究能力,增加学生的课堂参与度,激发学生的自主探究,提高能力。
摘要：化学素养是一个综合性概念,是新时代背景下新课程对化学教学提出的更加全面更加系统的素质要求,以突破单一的知识性人才,实现多元发展。本文在分析化学素养内涵构成的基础上,探究初中化学教学中培养学生化学素养的有效策略。
关键词：初中化学,化学素养,学生主体,自主研究
参考文献
[1]陈克现.初中化学学习中,科学素养的获得途径浅析——基于后现代知识观的视角[J].新课程研究(基础教育),2009,09:166-168.
[2]杨秀杰.浅谈初中化学教学中科学素养的培养[J].黑龙江科技信息,2012,14:204.
[3]贾友军.在初中化学教学中培养学生科学素养的方法分析[J].今日科苑,2008,22:236.
量子化学研究 篇9
1. 教学内容的延续与更新
生物化学可以说是主要用化学的原理和语言在分子水平解释生命现象的一门学科[2]。在教材上, 我们选用清华大学王希成教授主编的《生物化学》作为教科书。编者一直承担清华大学化学、化学工程与工艺和环境工程等专业本科生《生物化学》的授课任务, 该教材也是总结其多年教学工作经验和参考其他国内外优秀生物化学教材的基础上编写而成的。所以, 该教材在内容和语言上都比较符合化学专业本科生的学习要求。比如在静态生物化学部分, 对几类生物大分子如蛋白质、糖类、脂类和核酸的结构、重要官能团和参与的各种氧化还原反应等都有简洁而细致的概述, 学生听起来都比较熟悉, 也易于接受和掌握。
根据化学工艺和环境工程专业的培养目标、专业特色和学生将来的就业方向等因素, 我们课程讲解中在保留生物化学内容整体框架结构完整的情况下, 摈弃了核酸代谢 (DNA复制和RNA合成等) 、激素调控等章节, 重点选择了蛋白质和酶学部分作为讲授重点内容, 探讨了酶类参与的重要生化反应, 同时探讨其在化学工艺、环境保护及水污染控制等过程中可能的角色, 让学生感觉到学有所用, 也更符合专业要求。
同时, 我们在讲课过程中, 不断穿插一些跟授课内容有关的最新科学进展报告。尽管不要求学生都能清晰掌握, 目的只是增加同学学习生物化学的热情, 拓宽他们的视野, 启迪智慧并激发投身科学的信念。如在讲授D N A结构时, 除了C、N、H、O、P元素外, 我们举出上海交大邓子新教授领衔发现了DNA上的第六元素S, 解释科学都是不断进步的, 令同学耳目一新。在蛋白质功能一节中, 我们引用了华东师大的一篇最新研究报告, 显示蛋白质也能作为病毒遗传因子参与疯牛病病毒的复制。作为国际上最先阐明疯牛病致病机制科学问题的国家, 让学生感受到中国科学研究的光明前景, 展示了创新的价值和力量。
2. 教学方法的传承与进步
对化学专业学生来说, 其生物学基础相对薄弱, 学生在学习之前往往就产生畏惧和排斥情绪。我们在绪论中首先让学生放下思想包袱, 消除心理压力, 并列举了很多生化理论成果实际上都是获得了诺贝尔化学奖的例子来增强学生学好这门课程的动力和决心。
在不断的教学积累中, 我们发现除了认真备课、采用通俗易懂的语言、图文并茂的形式、多媒体立体教学等方式是达到更好教学效果的重要措施之外, 教师一定要注重将理论知识与实际生活相联系, 尽量使枯燥深奥的知识变得形象生动。比如在讲脂类时, 我们举出常见的广告含D H A和E P A的奶粉, 说明其相比于其他奶粉的优势, 让学生觉得很实际;在脂类代谢部分又联系高脂蛋白血症、动脉粥样硬化及冠心病等, 让学生感觉到生物化学就在我们身边, 就在日常生活中, 使冷冰冰的知识和现实生活联系在一起, 加深了学生对基本概念和代谢途径的理解, 开拓思维并强化了记忆。
此外, 鉴于生物化学知识点多, 代谢过程复杂等特点, 我们尝试采用启发式、对比式等多种教学方式, 尽可能地启发学生思考, 激起学习兴趣并参与到课堂中来[3]。我们还让学生就糖酵解等代谢途径画出思维导图, 便于学生加深印象。同时, 我们还利用口诀教学让学生更好更快的记忆一些重要生化知识点, 这种方式简明扼要, 学生接受容易并深受欢迎。如在记忆2 0种氨基酸时, 我们利用“甘丙缬亮异 (亮) 脯脂, 丝苏半蛋羟硫添, 天谷精赖组酸碱, 苯丙酪色芳香环, 天冬酰氨谷酰氨, 都有酰基属常见”这句顺口溜来讲解, 学生很快就记住了这些常见氨基酸, 并初步了解了氨基酸的分类和结构特点。而用“流苏鞋, 亮一亮, 显本色, 真不赖”来让学生掌握10种人体必需氨基酸, 也同样达到了目的。
3. 教育理念传授与渗透
教育的精髓在于育人。长期以来, 由于社会强烈的功利化取向, 大学教育越来越有变成工具性教育的倾向。学校注重专业知识和技能的培养, 专业课教师也无意中多关注学生想学的和急需要的知识进行讲授, 忽视了教育本该有的人文和道德等理念的传播[4]。我们在授课过程中, 更多的关注了学生这方面的需要。在开篇绪论时, 就生物化学发展史这一知识点, 回顾我国生物化学发展史, 教育学生树立民族自尊心和自豪感, 激发学生的爱国主义情感。适时引入生物化学先辈在探索真理过程中战胜苦难的毅力和获得成功的艰辛等方面的史实, 培养学生的吃苦耐劳精神和奉献精神。在讲高血糖和糖尿时, 教给学生具体问题具体分析的方法, 出现糖尿并不一定就是糖尿病, 而要看具体情况。在讲维生素一章时, 明确人体维生素的适量, 失度和超度都不可取, 对学生进行马列主义的基本常识教育。而在实验课时渗透给学生集体主义、劳动教育和社会公德理念, 培养学生的团队意识和协作精神、遵守公共秩序等良好品质。
生物化学课程知识范围广、授课难度大, 在有限的授课时间内, 让化学专业这些非生物专业学生对课程有比较系统全面的把握是个值得不断探讨的问题。我们结合教学内容和教学方式等方面进行了改革和实践, 并在教育理念上进行灌输和渗透, 使学生在知识的积累和思想素质的提升上都有了很大的收获, 坚定了我们继续进行这方面教学改革的信心。
参考文献
[1]宋国斌, 席国萍.住三个基本教学环节, 生物化学教学质量.山西医科大学学报.2010, 12 (8) :778-780
[2]王希成.生物化学 (第二版) [M].北京:清华大学出版社.2005, 10
[3]陈国林, 王文.改变教学方法, 提高教学质量.现代医药卫生.2005, 21 (22) :3194-3195
量子化学研究 篇10
关键词：教育问题,绿色化学,高职教育,环境保护
近些年我国经济飞速发展,工业化的发展也非常迅猛,同时为我国环境带来了不可避免的化学污染,最为常见的为臭氧层损耗、酸雨、白色污染等。这些污染不仅会破坏我国的环境,也会为我国人民的生活带来一定的困扰。而绿色化学是科学家提出的一种新式化学发展模式,主要就是通过运用一些无污染的化学试剂或者是污染小的化学试剂来替代原有的化学用品,这能够在很大程度上解决化学教育中的环境污染问题。[1]
一、高职化学教育中培养绿色化学意识
很多高职院校的化学教师认为化学污染是教学环节中必不可少的一项内容,实际上这种想法是错误的,化学污染是可以避免的,只要运用正确的教学方式和科学合理的化学原料,就可以有效避免一些不必要的化学污染。广大教师应该认识到化学污染的严重性,要树立正确的教学理念,通过培养学生具备一定的环保意识,来推动绿色化学的发展和建设。
二、设计和进行绿色化学实验
(一)选择对环境污染小的反应物
在同样的环境下,选择对环境污染小的化学物质是化学实验中需要注意的内容。化学试剂有很多,有些对于环境无污染,而有些对于环境则有着很大的危害,高职院校的教师应该在不影响化学实验的前提下选择对环境污染小的化学试剂进行实验,这样既不会影响实验效果,也不会对环境造成污染。例如在电解质的实验中,教师完全可以运用盐酸、醋酸、氢氧化钠等物质来替换其他的物质,这样能够达到减少环境污染的目的。[2]
(二)提倡进行微型实验
微型实验与传统的实验相比具有很多优势,首先传统的化学实验一般都会使用剂量较大的化学试剂,这样不仅会导致实验室内气味较浓,有些时候也会对人体产生很多危害,所以传统化学教学中所使用的方法并不具有可持续发展性。为了能够更好地推动绿色化学体系的发展,就应该注重微型实验的运用。微型实验主要是在实验剂量上减少化学药品的使用,不仅可以减少化学污染物的排放量,还能够在很大程度上降低环境污染,在实验结束后实验室内几乎无气味,不会对人体产生任何的危害,这种微型实验能够在很大程度上减少环境污染。
(三)对部分实验进行改革
化学实验很多都是具有污染性的,如果不及时进行废气处理,长期发展的话会对环境造成一定的污染。所以,适当的时候应该对部门实验进行必要的改革。例如铜与浓硝酸的反应试验中,会产生二氧化氮和一氧化氮等有毒气体,这些气体对人体有着很大的危害,如果不及时对其进行处理,也会对环境造成影响。对此可以进行一些改进,例如在一个洁净的针管中加入少许铜片,排出空气,另在一个小烧杯中注入稀硝酸并加热,这个环节可以有效地减少有害气体的产生,对于保护环境有着一定的促进作用。
(四)改进实验仪器
在原有的教学实验中,经常会遇到化学药剂浪费,产生有害物质的情况,对此笔者建议通过改进原有的实验仪器的方法,来降低化学实验对环境造成的污染。一般情况下改进的实验仪器都具有一定的密封性。比如用密封的成品化仪器来完成有毒的化学实验,碘升华的实验就可以通过试验仪器的改进来完成。在进行此项实验的时候,可以运用碘锤一头滴冷水,另一头在酒精灯上加热,冷水可以令酒精灯起到冷凝的作用,而加热的酒精灯可以令碘升华,这样就可以令碘升华试验反复进行。[3]由此可见,改进实验仪器对于绿色化学实验的发展具有很大的意义。
三、结语
综上所述,笔者简单论述了高职化学教学中绿色化学教育等内容,通过分析可以发现,绿色化学与传统的化学实验有着很大的区别,其中最主要的区别就是绿色化学实验能够在提升化学效率的同时,最大限度降低环境污染,为实现化学教学体系的长期发展奠定坚实的基础。实际上,在高职化学教学体系发展的过程中,化学污染是非常常见的一种现象,如果不及时制定出科学有效的方案,不仅会导致实验效率降低,还会产生大量的环境污染,而绿色化学恰好可以解决这一问题,为实现高职化学教学体系的可持续发展给予更有利的保障。
参考文献
[1]金漫漫.高职化学教学中的绿色化学教育[J].辽宁师专学报(自然科学版)》,2005,7(03):45-46.
[2]张娴安.绿色化学在高职化学教育中的教学探讨[J].开封教育学院学报,2009,29(01):84-86.
量子化学研究 篇11
关键词: 中等化学教学; 期刊 ;化学史; 研究情报
文章编号：1005－6629(2009)01－0078－02中图分类号：G633.8文献标识码：B
化学史教育是化学教育的重要内容，它在培养学生的科学素养方面起着非常重要的作用。
笔者登陆河北师大期刊网，在检索词一栏中键入“化学史”以“题名”作为检索项进行“跨库检索”， 以中等化学教学类三大化学期刊《化学教育》[2]、《中学化学教学参考》[3]和《化学教学》[4]为研究对象,对这三种期刊中1998-2007年10年间发表的37篇关于化学史的文章进行情报分析，通过统计和分析我国基础教育中有关化学史的研究现状，从侧面看到对化学史的关注及挖掘程度，以及尚存的不足，以便更好地采取措施，顺利推进新课程改革，促使学生科学素养的提升。
1论文的统计分析
1.1论文年代分布
论文数量的多少，在一定程度上可反映人们对该方面的关注程度。表1列出了三种期刊从1998-2007发表的关于化学史的研究论文分布情况。
由表1可得出以下结论:
(1)三种期刊从1998-2007年10年间共发表有关化学史的论文37篇,总数量较少。其中《化学教育》29篇；《中学化学教学参考》5篇；《化学教学》有3篇。
(2)对化学史的研究呈上升的趋势。化学史的教育在我国基础教育体系中还处于起步阶段，但已经越来越受到广大教育者的重视，从2003年以后有了较大程度的提高，2003-2007年5年间共发表27篇，占总数的73%，尤其2005和2006年，每年的数量几乎与前五年的总量相当。说明随着新课改的推进，大家对化学史的关注程度在提高，逐渐意识到化学史对提高学生科学素养起着举足轻重的作用。
2论文作者的统计分析
2.1论文第一作者所在区域分布的统计分析
表2说明,3种期刊上发表有关化学史研究论文的作者分布在全国18个省、直辖市和自治区，作者覆盖我国56.3%的区域。其中江苏、安徽、浙江、北京、湖北5个省市的作者总数22人，占作者总数的59.4%，是化学史研究论文发表的核心地区。但从总体看出，作者所在省份的覆盖率较低，占全国总区域的一半刚过，说明对化学史关注程度还较低，对化学史的研究仍然不平衡，这将影响化学史教育功能的发挥，影响学生科学素养全面提高。
2.2论文第一作者所在系统单位分布分析
从表3可以看出,化学史研究主要集中在中学和高等院校，分别占45.9%和29.7%。另外，随着新课程的实施，其他单位对化学史的研究也逐渐增多，比如，教研室对化学史的研究占总数的10.8%。教育家、学科专家等参与研究，为一线教师在化学教学中进行化学史教学提供策略和方法，为化学教师提供理论指导，推动对化学史教育功能的挖掘，重视学生科学素养的培养。
从表4可以看出,3种期刊发表的有关化学史研究的37篇论文中，作者总人数为54人，其中2人及2人以上合著论文14篇，占总数的37.8%，值得一提的是，在2人合著11篇论文中，有4篇是中学教师和师范院校的学科专家合作，占2人合著总数的36.4%，这种合作有助于促进一线教师研究水平和能力的提高，为教师成为教育教学的研究者打下良好基础，适应新课程对教师的要求，促进教师专业化发展。
3论文内容的统计分析
论文内容直接反映研究趋势。以“化学史的教育形式、方法、途径”、“教育功能”、“调查报告”、“内容呈现方式”、“课程资源开发”、“案例教学”、“书评”、“编译”、“习题编制”、“图片解读”、“教学模式建构”、“化学史上的中国人”，将论文分为12类。
从表5可以看出：
（1）对中学化学史教育的研究重点有二：一是化学史教育的形式、途径与方法，二是化学史的教育功能研究。在发表的37篇论文中，有关化学史教育形式、途径与方法的论文共13篇，占总数的35.1%；有关化学史教育功能的论文共9篇，占总数的24.3%，两项研究共占总数的59.4%。
（2）化学史研究领域逐渐扩大。除对化学史教育形式、方法、途径、教育功能的研究以外，开始关注课程资源开发的途径，对有效指导化学史教学有重要意义；调查报告共有3篇，通过对化学史教学现状的调查与分析，反思教学缺失，为充分发挥化学史的教育功能，探讨化学史的教学形式提供可靠依据；有关化学史习题编制的论文1篇，数量虽少，但提供了以化学史为素材编制化学习题的方法以及注意事项，很有价值；还有2篇教学案例，为大家具体展示了结合化学史进行教学的详细运作过程，指导性很强；还有化学史内容呈现方式、教学模式建构、评《20世纪化学史》等几篇论文都从不同角度开阔了读者的视野。
4结论与评价
作为中等化学教育核心期刊的《化学教育》、《中学化学教学参考》和《化学教学》，其发表的论文在中等化学教育研究领域具有权威性，代表着该研究领域的前沿水平。从论文发表的年代分布可看出，化学史正逐步引起广大教育者的关注，化学史在培养学生科学素养方面独具的教育功能逐渐被挖掘。从3种期刊中得到的有关化学史研究信息，对我们的教学实践、新课改的推进都有参考价值。
4.1化学史课程资源的开发迫在眉睫
对化学史的研究涉及领域比较广泛，但研究的重点集中在化学史教育形式、途径、方法和化学史的教育功能两个方面，而课程资源的开发，或化学校本课程开发较少，有关中学化学史的校本课程开发研究还未检索到，此外,目前中学化学史教学的内容介绍笼统，缺乏系统性，所以积极研究和开发中学化学史校本课程是十分必要的。
4.2发展极不平衡
从表中的数据可看出，对化学史的关注、研究程度还很低，研究涉及的区域仅占全国区域的56.3%，还有近一半的地区未参与化学史的研究。传统的教学活动和研究活动是彼此分开的，研究被认为是专家们的“专利”，但教学具有很强的实践性和情景性，教师照搬现成的理论是不能有效解决所有的实际问题的，所以新课程要求教师应该成为教育教学的研究者，以研究者的心态置身于教学情景，不断积累经验，提升教师的教育科学的研究能力, 促进课程改革更好地进行。
参考文献:
[1]化学教育. 1998-2007．
[2] 中学化学教学参考.1998-2007．
量子化学研究 篇12
化学素养主要表现在三个方面: 第一, 学生对于核心的化学知识的认识。第二, 运用化学知识解决问题的能力。第三, 对于科学本质的认识。在高中化学知识的教学中可以将化学素养分成实践性和理论性两个方面的素养。
首先, 化学概念具有隐蔽性。虽然化学是无处不在的, 但化学概念和通过生活而得来的直觉概念差别是非常大的。可是人们在没有完全了解化学概念的同时, 也能通过直觉概念和生活经验解决化学问题, 比如人们不明白火的化学概念, 但对于火候和火色的掌握却非常熟悉。而这种经验性的认识很难从本质上认识火的化学概念, 具体原因就是因为化学概念具有隐蔽性。其次, 谈化学在众多学科中有着一个独特的地位, 它介于物理和生物之间, 能够帮助学生打破学科之间的壁垒, 并且在很多应用和研究当中有着不可取代的重要作用。最后, 化学区别于其他学科的标志性特点是, 化学的核心问题是合成物。
二、基于化学素养的高中化学知识教学探究
虽然在新课改的环境中高中化学应有所转变, 但由于应试教育是没有改变的, 所以在进行化学教学中还是比较注重考试的, 所以使用的教学模式也就不完全合理。例如对于二氧化碳和二氧化硫的鉴别问题, 大部分的学生对其的认识还是停留在试题中, 停留在表面。
要培养高中学生的化学素养就必须转变这种教学模式, 让学生通过提出和解决问题, 帮助其从化学角度认识世界和形成相应的化学观念。通过培养化学素养可以让学生形成正确的化学思维, 提高化学的应用能力。因此, 在化学教学中可以从以下两个方面进行。
1. 具备充分的化学意识
教师自身要先具备充分的化学意识, 只有这样教师在进行教学设计和具体的教学中才能不自觉地引导和培养学生的化学素养。只有教师先具有了化学意识, 才能够不断思考传统教学中的不科学不合理的地方, 并且进行逐渐的转变和改进。
2. 对相关化学知识进行内容重构
在化学素养的背景之下, 需要教师根据学生的具体情况, 并且选择到底哪一部分的教学内容更加适合培养学生的化学素养。在教学中不仅要考虑学生的学习情况, 还应充分考虑到其生活方面, 并且从观念、态度等方面出发进行化学素养的培养。
基于化学素养的高中化学知识教学, 能够有效的明确知识目标, 帮助学生灵活运用相关化学知识, 提高教学效果和学习效率。比如在化学反应原理的第一章“化学反应与能量”, 新课标对这个方面有四个教学目标的要求, 对于化学反应和能量教学甚至设立了七个目标, 而通过这诸多的教学目标却并不能直接变成明确的学习目标和内容。这就要求教师遵守以上的原则, 并对相关的化学知识进行内容重构, 并且寻找最适合的教学内容和方法。
三、结语