基于计算化学的探究式共价键教学设计

针对共价键教学中存在的问题,探讨了将计算化学技术作为探究工具,引入到共价键探究教学过程中。通过共价键形成过程中轨道重叠程度、键长和体系能量变化等数据,深刻揭示共价键成键的本质,给学生专家级的探究体验。同时强调化学学科方法思想和知识准备的作用,使探究活动更具科学价值。     

CurTiPot软件在溶液酸度计算中的应用

介绍了CurTiPot软件的pH计算器功能。CurTiPot是近年来使用最为广泛的溶液酸度计算方面的软件。使用者既不需要掌握专门的计算机语言,也不需要在使用中掌握和录入很长的计算公式。CurTiPot软件的pH计算器功能可实现各种溶液体系pH的准确、快速计算,为溶液酸度计算的教学和学习提供了一个新的辅助工具。该软件可免费下载,不经安装就可在MS Excel环境下运行。     

纳米金催化一氧化碳氧化反应的理论研究

近年来,纳米金催化剂独特的催化性质,特别是其优异的低温催化氧化活性,引起了人们极大的研究热情.除低温选择氧化外,在精细化学品合成、大气污染物消除、氢能的转换和利用等领域也开发出了一系列有广泛应用前景的金催化反应.此外,体相金的化学惰性和纳米金的超高活性之间差异的“鸿沟”也引起了理论工作者浓厚兴趣,试图从原理上理解体相金和纳米金活性差异的根源. CO催化氧化是最具有代表性的研究金催化活性的化学反应,本文主要综述了近十多年来金催化 CO氧化反应理论计算方面的研究工作.一般认为, CO在纳米金表面的吸附是 CO氧化反应的初始步骤.密度泛函理论研究表明, CO在金表面的吸附强度主要与被吸附金原子的配位数有关：金配位数越低, CO的吸附能越强,部分研究结果表明两者之间存在近似的线性关系.我们研究发现, CO吸附强度也与被吸附金周围配位金原子的相对位置有关,其中位于正下方的配位金原子加强 CO吸附,而位于侧位的配位金原子则弱化 CO吸附,这显然削弱了 CO吸附与金配位数线性关系的可靠性.理论研究表明,在纯金表
　　面上 O2吸附强度一般很弱,只有在一些特殊结构的金团簇上才有较强的吸附,但在 Au/TiO2界面及 CeO2表面上 O2吸附较强.金表面原子氧的吸附和金的表面结构有关.我们发现,原子氧倾向于在金的表面形成一种线性的 O–Au–O结构以增加其稳定性.当金表面的氧覆盖度增大时,会形成一种金氧化物薄膜结构,其结构依赖于氧的化学势和金的表面结构.纳米金催化 CO氧化反应机理可能因体系、载体等的差异而不同.大部分理论计算结果表明,在纯金表面上 O2很难直接解离形成原子氧,因此反应机理可能是吸附的 CO先与 O2反应形成了一种 CO–O2中间体,然后解离形成 CO2.在 Au/TiO2和 Au/CeO2催化剂上 CO催化氧化机理争议很大,均有计算结果支持 LH机理和 M–vK机理.另外,根据实验上观察到了负载型纳米金能直接活化分子氧的结果,理论上也提出了分子氧先解离为原子氧再与 CO反应的氧解离机理.针对如何解离分子氧问题,人们分别提出了低配位金模型、正方形金结构模型、Ti5c模型及 Au/Ti5c模型等.我们也提出了一种独特的双直线 O–Au–O模型来理解 Au/TiO2或 Au/CeO2界面解离活化分子氧.理论计算结果表明,低配位的金,金和载体之间的电荷转移,以及金所表现出的强相对论效应对于纳米金的活性影响很大.需要特别指出的是,金的强相对论效应有助于理解金表面的 CO吸附与金配位的关系、金表面原子氧的吸附特性、金氧化物薄膜的结构和分子氧的活化等过程.我们认为,金的强相对论作用导致了体相金的化学惰性以及纳米金的活性,因此相对论效应的深入研究将有助于理解金催化 CO氧化反应机理,从而有助于深层次理解纳米金催化活性来源.     

光谱法鉴定手性化合物的绝对构型——从仪器表征到理论计算

手性化合物的结构确定,尤其是新型手性化合物的绝对构型测定一直是不对称研究的重要工作.除单晶测试外,光谱学方法近年来被广泛应用于手性分子结构鉴定,主要包括电子和振动圆二色谱、旋光光谱、旋光拉曼谱等.本文对上述测试方法的原理、应用范围和相关理论计算方法做了介绍.把谱学测试与理论计算相结合,将成为手性分子结构鉴定的重要发展方向.     

氟化氢团簇(HF)_n(n=2～8)拓扑性区别氢键构型的图论列举法和量子化学计算法研究

利用提出的图论程序列举出氟化氢团簇(HF)_n(n=2~8)所有可能存在的拓扑性区别氢键构型,通过精密调查获得有可能存在的拓扑性区别构型,发现了满足HF团簇稳定性的若干条件,在这些条件的基础上编写FORTRAN程序和Python语言执行程序,再用画图软件包Graph Viz2.37自动画出对应的有向图或条件性有向图.以对应的有向图作理论框架,分别利用从头算法Moller-Plesset(MP2)二级微扰方法和密度泛函理论(DFT)方法 B3LYP计算水平的6-31G**(d,p)基组对氟化氢团簇(HF)_n(n=3~7)所有拓扑性区别条件性有向图对应的初始结构进行结构优化并作振动频率分析,获得氟化氢团簇(HF)_n(n=2~7)的最稳定构型,发现了氟化氢团簇的五聚体(HF)_5、六聚体(HF)_6和七聚体(HF)_7等一些新的稳定结构.     

胺基功能化的炭材料上二氧化碳吸附的密度泛函理论研究

本文利用色散作用校正的密度泛函理论研究了炭材料上含氮官能团对CO₂吸附的作用。通过计算比较了不同含氮官能团炭材料结构片段吸附二氧化碳后的结构参数和能量,由于较强的静电作用和形成弱氢键,含单个苯环的酰胺和吡啶类的吸附剂吸附二氧化碳的作用强于单个苯胺和吡咯类吸附剂。但当增加苯环数时,色散作用主导的吡咯型吸附剂的吸附能力显著增强。以上结果预示着酰胺和吡咯类将是大π体系中具有良好CO₂吸附性能的吸附剂。因而,色散作用在CO₂吸附过程中也占据着重要地位。计算得到的结果与我们之前的实验结果一致,并且将有利于筛选更有效的二氧化碳吸附剂。     

放射性碘分子在Cu2O表面的吸附:第一性原理密度泛函研究

采用第一性原理密度泛函计算方法和周期性平板模型系统研究了放射性碘分子在Cu₂O三个低指数表面的吸附行为。通过计算若干平衡吸附构型的结构参数和吸附能评估了不同特征吸附位的作用。构型优化计算表明所选晶面存在适度的结构弛豫。计算结果表明,与Cu₂O（110）表面相比,Cu₂O（100）和（111）晶面表现出更高的碘分子吸附反应活性。其中,表面氧原子位（O_S）和配位未饱和铜原子位（Cu_CUS）分别为Cu₂O（100）和（111）晶面的能量最优吸附位点。此外,针对几种典型吸附结构计算分析了其电子结构信息,以进一步阐明吸附体系之间的相互作用机理。     

环状芴基张力半导体拉曼光谱理论与实验研究

环状芴基张力半导体由于其特殊的分子结构，发射状排布的p轨道和纳米级空腔等诸多特点，引起了科学家广泛的关注.相对于直链型芴基半导体，环状芴基张力半导体展现出独特的光电性质.然而，迄今为止其振动性质没有被报道.对四元环芴的晶体与直链四聚芴粉末样品进行拉曼光谱表征和归一化处理，并结合理论计算.结果表明，与直链寡聚芴相比，环芴类似于碳纳米管的G峰发生了偏移，并且低频区域拉曼频移峰的峰强增加.其原因是由于张力的引入，改变了芴基主链的骨架和电子结构，加强芴骨架上π电子离域，同时使环芴中每个芴单元都参与到振动中.该研究结果为芴基张力半导体材料拉曼光谱的研究提供了一定的工作基础.     

将密度泛函理论计算纳入高等化学教学初探——对乙酸乙酯碱性水解机理的理论研究

使用Gaussian 09软件对乙酸乙酯碱性水解反应的机理进行了研究。本研究融合了本科教学中有机化学、物理化学和结构化学的相关知识,以乙酸乙酯水解机理为问题导向,阐述了研究和解决问题的思路和方法,探索了将第一性原理计算引入高等教育的方式。     

分子模拟实验课程建设的探索与实践

We put forward the idea of building a molecular simulation experiment course. After two-year teaching practice, we write the experiment textbook which not only covers the classic experimental projects, but also includes the frontier hot issues, and open exploration experiment. This article summarizes the teaching requirements, basic content, assessment methods, the initial achievements made so far and the prospects for the future.