微观世界的化学
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化学变化的本质微观解释
嘿,你知道吗,化学变化那可真是神奇得很呐!就好像一场微观世界里的盛大舞会。
咱就说铁生锈吧,好好的铁,放着放着就锈了,这就是一种化学变化呀!那这背后到底是咋回事呢?其实啊,在那小小的原子、分子层面,正发生着激烈的“战斗”呢!原子们就像是一个个调皮的小精灵,它们在不断地重新组合、排列。
比如说氢气和氧气反应生成水,这可不是简单的相加哦!氢原子和氧原子就像是找到了自己的最佳舞伴,欢快地跳起舞来,然后就变成了水这个新的“舞蹈组合”。
这多有意思呀!
再看看燃烧,木材燃烧变成灰烬和二氧化碳等,这简直就是微观世界里的一场大变革呀!那些组成木材的分子被彻底打乱、重组,释放出能量。
这不就像一场疯狂的派对,大家尽情地狂欢,最后留下不一样的“残局”嘛。
化学变化的本质微观解释,不就是这些小小的粒子们在玩闹嘛!它们有时很温柔,有时又很疯狂。
我们身边的一切物质,都在经历着这样的变化。
你想想,我们每天使用的物品,吃的食物,不都是经过了无数这样的微观变化才来到我们身边的吗?
这一切是多么神奇,多么让人着迷啊!化学变化的本质微观解释,就是微观世界里的一场永不停息的奇妙之旅。
我们应该好好去探索,去感受这其中的奥秘和乐趣呀!。
初三化学宏观与微观概念初三化学宏观与微观概念探究1. 引言化学是一门研究物质性质、组成和变化的科学,广泛应用于生活、工业和科学领域。
对于初中学生来说,学习化学往往是一个令人困惑的挑战,尤其是在理解宏观和微观概念方面。
在本文中,我们将深入探讨初三化学中宏观与微观概念的关系以及其在实际中的应用价值。
2. 宏观与微观概念的区别与联系宏观概念是指我们通过肉眼或简单的实验方法可以观察到的现象或性质,如颜色、形状、溶解度等。
而微观概念则是指我们不能直接观察到的,需要通过特殊的实验或模型来揭示的现象或性质,如分子结构、原子排列等。
宏观概念与微观概念并不是相互独立的,它们密切相关,互为因果。
只有通过了解微观概念,才能更好地理解和解释宏观现象。
而从宏观角度观察与实验,又可以验证和证实我们对微观世界的理解和模型的正确性。
3. 宏观与微观概念的实际应用宏观与微观概念在实际应用中起到了举足轻重的作用。
宏观概念帮助我们理解和解释我们所观察到的物质特性和现象,比如通过观察颜色的变化来判断物质发生了化学反应。
而微观概念则为我们提供了更深入的解释和预测物质性质和变化的依据,如通过分子之间的相互作用来解释溶解度的大小和溶解过程中的热效应。
宏观与微观之间的关系还可以应用于工业生产中,如根据物质的微观结构来设计新材料,改进生产工艺,提高产品质量和效率。
4. 对初三化学宏观与微观概念的个人观点与理解在初三学习化学的过程中,我深刻体会到宏观与微观概念的重要性。
通过理解宏观概念,我能够对物质性质和现象有一个直观的认识,这使我对化学产生浓厚的兴趣。
而当我开始学习微观概念时,我才真正意识到了化学的深度和广度。
微观世界中隐藏着无数微小的领域和精彩的现象,而宏观与微观概念的结合,让我能够更全面、深刻和灵活地理解化学知识。
总结与回顾:本文首先介绍了初三化学宏观与微观概念的区别与联系,强调了它们的密切关系和相互作用。
我们探讨了宏观与微观概念在实际应用中的重要性,特别是在解释和预测物质性质和变化方面的作用。
微观世界纪录片中的知识点微观世界是一个充满了奇妙和神秘的地方,它包含了各种各样的微小生物和微小物体。
通过纪录片,我们可以深入了解这个微观世界中的知识点。
在本文中,我们将以逐步思考的方式探索微观世界纪录片中的一些重要知识点。
第一步:什么是微观世界?微观世界是指我们无法肉眼观察到的微小尺度的世界。
在微观世界中,有许多微生物、微小颗粒和分子等等。
微观世界的研究对于我们理解自然界的运作和生命的起源非常重要。
第二步:微生物的多样性微观世界中最常见的生物是微生物。
微生物包括了细菌、病毒、真菌和原生动物等等。
纪录片中通常会介绍一些特殊的微生物,比如可以在极端环境中生存的古菌,或者是能够发光的荧光细菌。
通过对这些微生物的研究,科学家们可以揭示微观世界中生命的多样性和适应性。
第三步:微小颗粒的运动除了微生物,微观世界中还有许多微小颗粒,比如尘埃、花粉和细胞等等。
这些微小颗粒的运动也是微观世界纪录片中的一个重要知识点。
通过纪录片,我们可以观察到这些微小颗粒的运动方式,比如扩散、碰撞和旋转等等。
这些运动方式的研究对于理解物质的性质和相互作用非常重要。
第四步:分子和原子的行为微观世界中的另一个重要知识点是分子和原子的行为。
纪录片中可能会介绍一些关于分子和原子的实验,比如化学反应和核反应等等。
通过这些实验,科学家们可以揭示分子和原子的结构、性质和行为规律。
这对于我们理解化学和物理过程以及开发新的材料和技术非常重要。
第五步:微观世界的应用微观世界的研究不仅仅是为了满足我们对知识的好奇心,还可以应用于各个领域。
纪录片中可能会介绍一些与微观世界相关的应用,比如微观机器人、药物研发和材料科学等等。
通过这些应用,我们可以改善人类的生活质量和解决一些重大问题。
总结:微观世界纪录片中的知识点包括微生物的多样性、微小颗粒的运动、分子和原子的行为以及微观世界的应用等等。
通过纪录片的观看,我们可以深入了解微观世界的奇妙和神秘,以及这些知识点对于我们理解自然界和应用于各个领域的重要性。
用化学的视角看世界——与同学们谈学习化学的方法在学习化学的过程中,我们可以用化学的视角来看世界。
化学是一门探索物质的科学,通过研究元素、化合物及它们之间的相互作用来揭示物质的本质和变化规律。
化学的视角不仅可以帮助我们更好地理解化学知识,还可以让我们对周围的世界有更深入的认识。
首先,我们可以用化学的视角来观察微观世界。
化学家通过研究微观世界中的原子和分子来揭示物质的组成和性质。
比如,我们可以用化学的视角来观察水的分子结构和氢键的形成,从而理解水的特殊性质,如高比热容、高沸点和极性溶剂的特点。
此外,化学的视角还可以帮助我们解释宏观世界的现象。
例如,我们在学习酸碱中和反应时,可以通过化学方程式来描述反应过程,进而解释物质之间的转化和反应规律。
化学的视角使我们能够理解为什么一些物质具有酸性或碱性,以及如何进行中和反应。
除了观察和解释现象,化学的视角还可以用来设计和改进实际应用。
化学是一门实验科学,通过实验设计和进行化学反应来合成新的化合物或改善现有的物质。
例如,在制药工业中,化学家可以根据对药物分子结构的理解来设计出具有特定治疗效果的药物。
通过理解物质的性质,我们可以控制和改变物质,从而满足特定的需求。
那么,该如何学习化学并运用化学的视角来看世界呢?首先,我们需要打好化学的基础知识。
化学是一门理论与实践相结合的学科,理论知识是我们理解和运用化学的基础。
我们需要掌握元素周期表、化学键、化学方程式等基本概念,并学习各种反应和物质的性质。
在学习基础知识时,我们可以通过观察实验现象和反思实验结果来加深对化学知识的理解。
其次,化学实验是学习化学的重要环节。
通过亲自进行实验,我们可以更好地理解和体验化学原理和规律。
在进行实验时,我们要注意安全操作,并注重实验数据和观察结果的记录。
实验后,我们可以通过数据处理和结果分析来进一步思考实验现象背后的化学原理。
总之,化学的视角能够让我们以不同的视角来观察世界,并用化学的知识和方法来解释和改造世界。
化学微观世界导论化学是一门探究物质性质、组成和变化的科学。
其微观世界是指化学现象发生时,发生变化的原子和分子之间的微观作用。
本文将介绍微观世界中化学的基本概念和原理,并探讨在化学研究中如何观察和理解微观现象。
1. 原子结构与元素周期表化学微观世界的基本单位是原子。
原子由质子、中子和电子组成。
质子和中子位于原子核中,电子绕核运动。
原子的元素周期表是化学中最重要的概念之一。
元素周期表按照原子核中的质子数排列,从左到右和从上到下递增。
元素周期表可以用于预测原子的化学性质,例如反应性和氧化态。
2. 化学键和分子结构原子通过化学键结合在一起形成分子。
化学键可以是离子键、共价键或金属键。
在共价键中,原子共享它们的电子,而在离子键中,电子从一个原子转移到另一个原子。
分子的结构通常是由单个分子中的化学键相互连接而成的。
例如,水分子是由两个氢原子和一个氧原子通过共价键连接在一起形成的。
3. 反应性和化学反应化学反应是一种原子重组的过程,会导致化学键的形成和断裂,从而导致物质的组成发生变化。
反应性是描述化学元素、分子和离子在反应中表现出来的性质。
反应的速率通常是由反应中能量转移的速率决定的。
温度、光、化学催化剂等因素都会影响反应速率。
4. 阈值和量子理论在微观世界中,物质的性质通常是由原子和分子的行为决定的。
原子和分子的行为受到量子力学的影响。
量子理论是用于解释微观世界的基本原理,例如波粒二象性和量子化。
量子应力场是定义原子间相互作用的一种模型。
阈值是指在反应中需要克服的最小能量障碍,以使反应正式开始。
由于分子和原子在吸收或散发能量时的能量只能以离散的状态存在,因此所有反应都是量子化的。
5. 化学测量技术许多化学测量技术本著名的测量原理基于微观物质的行为。
这些技术包括分光光度法、色谱法和电泳法等。
在这些技术中,对于分析的样品进行处理和测量其化学物质的量,如质量、密度、摩尔质量等。
这些测量技术也可以用于研究化学反应机制和材料行为。
微观世界的化学——量子化学的发展摘要:量子化学是理论化学的一个分支学科,它是从薛定谔波函数理论出发而建立、发展、完善起来的。
量子化学应用量子力学的原理,通过求解薛定谔方程,得到原子及分子中电子运动、核运动以及它们的相互作用的微观图象,从而总结基元反应的规律,预测分子的稳定性和反应活性。
本文将从量子化学的发展史及其研究内容入手,对量子化学作简单的讨论。
关键词:量子化学发展研究内容一、量子化学的诞生背景19世纪临近终结时,不少物理学家和化学家都相信科学的重大规律已被发现无遗。
当时一些有影响的物理学家曾经说过::“未来的物理学只是让数据精确到小数点后面第几位数的问题了。
”化学家则运用原子不可分割和元素固定不变的理论终于使炼金术踪迹荡然无存。
眼下,他们只要把大量时间用于制取新的化合物和研究它们的性能与反应就可以了。
但是,所有这一切都只是暴风雨前的暂时平静。
因为,化学家们并没有弄清元素周期表中存在的一些疑问,如在周期表中有几对元素的排列为什么不按原子量递增的顺序?周期律的科学依据究竟是什么?等等。
随着X射线、放射性和电子等一系列新发现,物理学上空乌云密布,危机四伏,终于酿成了一场空前的物理学大革命,并随之也在化学的世界掀起了一场风暴。
1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。
1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。
其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。
1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论;1923年,法国物理学家德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假说;1926年,薛定谔提出了描述微观粒子状态随时间变化的规律的波函数方程——薛定谔方程;1927年,海森伯得出了测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释;狄拉克、海森伯和泡利等人则发展了量子电动力学。
从微观角度认识物质及变化——基于微粒观构建“换个角度看世界”的主题复习如皋市外国语学校郭建虹【学材学情】《化学课程标准(2011版)》强调,义务教育阶段的化学教育“要引导学生认识物质世界的变化规律,形成化学的基本观念”。
微粒观是义务教育阶段要求学生构建的基本观念之一。
化学学习主要涉及三个领域:可观察的宏观世界,分子、原子等构成的微观世界,化学式、化学方程式和符号构成的符号世界。
微粒观的形成对学生在三个领域的学习都有重要意义:利于学生理解和解释宏观事实和现象,利于学生理解化学符号的意义,利于学生深化对微观知识的理解。
人教版九年级化学教材中,涉及物质微粒性的内容主要有:第三单元课题1“分子和原子”、课题2“原子的结构”,第四单元课题3“水的组成”,第五单元课题1“质量守恒定律”,第九单元课题1“溶液的形成”,第十单元课题2“酸和碱的中和反应”。
复习课中怎样把这些散落在教材中的“珍珠”串联起来,使之形成一个有机整体是本节课设计的难点。
本节课以教材中化学的定义‘化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组成、结构以及变化规律的科学”为明线,以不同表征的变换为暗线,对教材中相关知识进行整合。
本节课,从学生认知的角度设计教学内容,通过三个主题活动,应用宏观与微观结合、思维与实验结合的方法,引导学生变换认识化学世界的角度。
从熟悉的教材插图出发,可视化的微观示意图将微观世界宏观化,利于微观表征和符号表征的转化;不同反应的机理比较,拟人化的粒子战争,将化学变化的本质展露无遗;学生亲历经典实验的探究,探究“电解水实验中,水在电极端所发生的变化”,在探究过程中发现问题、思考问题、分析问题、解决问题,从宏观探究出发,到微观世界的探秘,再到符号表征的解密,进一步构建微粒观,感悟“宏观•微观•符号”三者之间的有机结合。
【教学目标】1.通过对常见物质的微观模型再辨识,建立构成物质的粒子决定物质性质的思想。
2.通过对化学反应的微观模型再分析,从微观角度辨识不同化学变化的不同本质。
化学对微观粒子运动特点的描述1. 微观世界的奇妙之旅大家好,今天咱们要聊聊微观粒子的运动,这可是个神奇又有趣的话题。
想象一下,咱们身边的空气、水,甚至是你吃的每一口食物,里面都藏着无数微小的粒子。
这些粒子就像是舞台上的小演员,时刻在演绎着一出出精彩绝伦的戏码。
你知道吗?在化学的世界里,这些微观粒子的运动特点可真是五花八门,别说科学家们了,光是听起来就让人眼前一亮!1.1 粒子的“马达”首先,我们得知道,这些微观粒子可不是呆板的石头,它们可是活蹦乱跳的“小精灵”。
当温度升高的时候,粒子的运动速度就像是喝了红牛,嗖嗖往上窜。
想象一下,一个人在热舞的派对上,那种热烈的气氛,粒子们也在自己的“派对”上尽情舞动。
反之,当温度下降时,它们又像是被按了暂停键,慢慢收起了自己的舞姿,显得有些冷清。
这个过程,就像是“冬天来了,春天还会远吗”的道理一样。
1.2 粒子间的“社交”说到粒子们的社交,那也是一门学问。
不同的粒子在碰撞的时候,就像是打招呼一样。
有的粒子可能是“好朋友”,一碰就能产生化学反应,像是两个老友相聚,唠起了嗑。
而有的粒子则像是路人甲乙,碰了一下就各自散去。
通过这样的“社交网络”,微观粒子们不断地形成新的物质,真是让人眼花缭乱。
2. 分子的舞步在化学这个大舞台上,分子的运动特点也是相当值得一提的。
分子就像是一个个小团体,它们之间的关系千丝万缕,错综复杂。
有的分子走得快,有的慢;有的喜欢拉小手,有的则是独来独往。
2.1 运动的节奏分子的运动速度与它们的质量有直接关系,轻巧的分子就像是在疾走,而重的分子则显得沉稳,步伐稳健。
你可以想象一下,赛跑比赛中,轻快的小鹿和沉重的老象,那差别可大了!这就造成了在同样的温度下,轻分子会比重分子运动得快,这也是“物以类聚”的道理。
2.2 有趣的相互作用不仅如此,分子间的相互作用也是多种多样的。
它们之间的吸引力和排斥力就像是一场博弈,时而紧密相拥,时而相互抵抗。
正是这些相互作用让水变成了液态、气态和固态的不同形态。
化学探索化学世界的奥秘让你爱上这门科学化学是一门研究物质的性质、组成、结构、转化以及与能量的关系的科学。
它的应用广泛,涉及到生活的方方面面。
化学的世界充满了各种奥秘和挑战,让人着迷。
本文将带你探索化学世界的奥秘,相信这将让你爱上这门科学。
一、原子与分子:微观世界的基础化学世界的奥秘源于原子和分子。
我们知道,一切物质都由微小的原子构成。
而原子又由更细小的亚原子粒子组成。
化学家通过研究原子和分子的结构、性质以及它们之间的相互作用,揭示出物质变化的规律。
原子和分子在化学反应中扮演着重要的角色。
通过化学反应,原子和分子可以重新组合,形成新的物质。
通过分子间的相互作用,物质的性质也会发生巨大的变化。
例如,氧和氢分子结合形成水分子,这是一个常见的化学反应。
化学家通过对这样的反应进行研究,使我们对物质的组成和性质有了进一步的认识。
二、周期表:元素之谜的秘密在化学世界中,一个让人着迷的奥秘是周期表。
周期表按照元素的原子序数和元素性质的周期性排列,为我们展示了化学世界中元素的基本属性。
通过周期表,我们可以看到元素之间有着明显的相似性。
这是因为元素的原子结构和电子排布决定了它们的性质。
周期表的发现,让化学家们深入研究元素的共同特征,帮助他们理解元素之间的相互作用和反应规律。
周期表不仅帮助我们认识了已知元素,也为化学家发现新元素提供了指导。
当科学家通过实验合成了新的元素,他们会通过比较它们的性质和已知元素的性质,将其归入适当的位置。
通过周期表,我们可以更好地了解世界上存在的各种元素和它们的特性。
三、化学反应:物质转变的奥秘化学反应是化学世界的核心。
我们身处的世界充满了化学反应的示例,从日常生活中的燃烧、发酵,到工业生产中的合成反应等等。
化学反应发生时,物质的分子重新组合,形成新的物质。
这些反应可能伴随着能量的释放或吸收,以及各种形态上的改变。
例如,当我们将钠和氯气反应时,它们生成了氯化钠,同时释放了大量的能量。
这种反应被称为化学合成反应。
什么是微观和宏观世界?当我们观察到周围的世界时,我们固然能看到一些物体和事物的表象,但是,这个世界其实有着更为深刻和微妙的另一层面,即微观和宏观。
下面将详细介绍微观和宏观的概念以及两者之间的关系。
一、微观世界微观世界指的是所有我们肉眼无法看到的东西和现象,主要包括原子、分子、原子核、电子等。
这些微观粒子虽然微小,但其行为和互动却对我们的日常生活产生着重要的影响。
1. 原子和分子原子是一切物质的基本单位,由原子核和电子构成。
而分子则是由两个以上原子组成的最小化合物。
由于原子和分子在空间上非常小,所以我们肉眼无法直接观测到它们的存在。
但是,它们却是化学反应和材料性能的基础。
2. 原子核和电子原子核包含质子和中子,其中质子带有正电荷,而中子则没有电荷。
电子则是带有负电荷的粒子,它绕着原子核旋转。
原子核和电子之间的互动是物质性质的一个决定性因素。
3. 基本粒子在更微观的层面上,还有一些基本粒子,包括夸克、轻子和玻色子等。
这些粒子的互动和组合形成了不同的物质。
二、宏观世界宏观世界是指我们平常能够看到和触摸到的物体和现象。
在这个层面上,物体的尺寸和互动规律就比微观世界更加明显和易于观察。
1. 物质状态物质的状态主要分为固体、液体和气体三种形态。
我们平常所接触到的物体都处于其中一种状态之下。
2. 能量转化在宏观层面上,能量的转化也是一个重要的现象。
能量可以从一种形式转化为另一种形式,比如化学能转化为热能,热能可以转化为运动能等。
3. 力的作用在宏观世界中,力是物体能够相互作用的关键要素。
力的大小和方向决定了物体在空间中的运动轨迹。
三、微观和宏观的关系微观和宏观世界之间密切相关,尽管我们肉眼无法看到微观层面的粒子,但是它们却决定着整个物质世界。
微观粒子不同的结构和互动方式决定了物质的基本性质和行为,这些性质和行为在宏观层面上变得更加明显和易于观测。
1. 原子和分子的互动物质的状态和性质是由原子和分子之间的互动决定的,这些互动方式包括化学键、核力等。
微观世界的化学——量子化学的发展摘要:量子化学是理论化学的一个分支学科,它是从薛定谔波函数理论出发而建立、发展、完善起来的。
量子化学应用量子力学的原理,通过求解薛定谔方程,得到原子及分子中电子运动、核运动以及它们的相互作用的微观图象,从而总结基元反应的规律,预测分子的稳定性和反应活性。
本文将从量子化学的发展史及其研究内容入手,对量子化学作简单的讨论。
关键词:量子化学发展研究内容一、量子化学的诞生背景19世纪临近终结时,不少物理学家和化学家都相信科学的重大规律已被发现无遗。
当时一些有影响的物理学家曾经说过::“未来的物理学只是让数据精确到小数点后面第几位数的问题了。
”化学家则运用原子不可分割和元素固定不变的理论终于使炼金术踪迹荡然无存。
眼下,他们只要把大量时间用于制取新的化合物和研究它们的性能与反应就可以了。
但是,所有这一切都只是暴风雨前的暂时平静。
因为,化学家们并没有弄清元素周期表中存在的一些疑问,如在周期表中有几对元素的排列为什么不按原子量递增的顺序?周期律的科学依据究竟是什么?等等。
随着X射线、放射性和电子等一系列新发现,物理学上空乌云密布,危机四伏,终于酿成了一场空前的物理学大革命,并随之也在化学的世界掀起了一场风暴。
1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。
1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。
其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。
1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论;1923年,法国物理学家德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假说;1926年,薛定谔提出了描述微观粒子状态随时间变化的规律的波函数方程——薛定谔方程;1927年,海森伯得出了测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释;狄拉克、海森伯和泡利等人则发展了量子电动力学。
20世纪30年代以后形成的描述各种粒子场的量子化理论——量子场论,构成了描述基本粒子现象的理论基础。
物理学家在量子领域取得的伟大成就,为量子化学的发展奠定了基础。
量子化学作为理论化学的一个分支学科,是应用量子力学的基本原理和方法,研究化学问题的一门基础科学,它正是从薛定谔波函数理论出发而建立、发展、完善起来的。
1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题,说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因,并且利用相当近似的计算方法,算出其结合能。
由此,使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题,从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。
量子化学的发展历史可分两个阶段:第一个阶段是1927年到20世纪50年代末,为创建时期。
其主要标志是三种化学键理论的建立和发展,分子间相互作用的量子化学研究。
第二个阶段是20世纪60年代以后。
主要标志是量子化学计算方法的研究,其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现,扩大了量子化学的应用范围,提高了计算精度。
二、量子化学的研究内容量子化学可分基础研究和应用研究两大类,基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律,建立量子化学的多体方法(包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论,以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等)和计算方法等。
应用研究是利用量子化学方法处理化学问题,用量子化学的结果解释化学现象。
具体的研究范围可分为以下几部分:1、分子结构:通过计算不同分子结构的体系能量,量子化学方法可以找到分子势能面上的能量最低点,从而确定分子在某一电子态的稳定构型。
2、化学反应:化学反应的过程可以看做分子体系在势能面上滑动的过程,通过量子化学的计算,可以找到势能面上的“驻点”:处于最低点的反应物和产物以及处于鞍点的过渡态,对比所有可能的反应途径极其相对应的反应活化能,可以找到最有可能的反应途径。
3、分子性质:量子化学计算可以获得分子体系的电子波函数,通过这些电子波函数可以求算偶极矩、极化率等分子性质的计算,但是由于数学方法的局限,量子化学计算方法只能从上方逼近真实的分子体系能量,是一种近似计算,虽然能量的计算可以获得较好的结果,但是获得的电子波函数质量却很差,因而分子性质计算的精度远远不及分子体系能量的计算。
另一方面改进量子化学计算方法以获得质量更好的电子波函数也是量子化学家目前面临的挑战之一。
三、量子化学的核心理论1、多体理论多体理论中的三种化学键理论(价键理论、分子轨道理论和配位场理论)是量子化学中的重要内容。
价键理论是一种获得分子薛定谔方程近似解的处理方法,也称电子配对法,是历史上最早发展起来的化学键理论。
它主要描述分子中的共价键和共价键结合,其核心思想是电子配对形成定域化学键。
1927年德国物理学家W.H.海特勒和F.W.伦敦首次完成了氢分子中电子对键的量子力学近似处理,这是近代价键理论的基础。
美国理论化学家J.C.斯莱特和L.C.鲍林把它推广应用于较复杂的分子。
这个理论的特点在于强调分子中电子的定域性质,认为成键原子彼此靠近时,各自具有的反平行自旋的未成对电子,偶合配对达到电子对共用,使体系能量降低,而形成稳定的共价键。
分子轨道理论注重于分子轨道的了解,即认为分子中的电子围绕整个分子运动,分子轨道由原子轨道线性组合得到,分布在整个分子之中。
分子轨道仅仅是一个薛定谔轨道,包含数个(通常只有两个)原子核。
由此可衍生出成键、反键和非键轨道的概念:如果组合得到的分子轨道能量比组合前原子轨道能量之和低,换句话说,原子核间电子云密度增大,那么所得分子轨道称作成键轨道;如果组合得到的分子轨道能量比组合前原子轨道能量之和高,即原子核间电子云密度减小,则称作反键轨道;如果组合得到的分子轨道能量与组合前原子轨道能量之和相差不大,轨道上的电子对分子键合没有贡献,那么该分子轨道则称作非键轨道。
分子轨道法的基本原则包括:对称性匹配原则(原子轨道必须具有相同的对称性才能组合成分子轨道)、最大重叠原则(原子轨道重叠程度越大,形成的化学键也越强)、能量相近原则(能量相近的原子轨道才能组合成有效的分子轨道)。
配位场理论是由晶体场理论发展而成的,是晶体场理论和分子轨道理论的结合,用以解释配位化合物中的成键情况。
与晶体场理论不同的是,配位场理论考虑配体与中心原子之间一定程度的共价键合,可以解释晶体场理论无法解释的光谱化学序列等现象。
2、密度泛函理论密度泛函理论是指当分子体系各原子核空间位置确定后,电子密度在空间中的分布也确定,可以将体系的能量表示为电子密度的泛函,密度泛函分析变分法求出能量最低时的电子密度分布和体系能量。
3、碰撞理论碰撞理论是处理粒子之间相互作用动态问题的多体理论。
他与分子激发和化学反应研究有密切关系。
虽然早在量子力学建立的早期就已经提出了碰撞理论,但直到70年代碰撞问题的散射矩阵方法得到发展,碰撞理论才在形式上发展得更加完善。
四、量子化学的应用1、在建筑材料方面的应用水泥是重要的建筑材料之一。
1993年,计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中,解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一,它对水泥石的强度起着关键作用。
计算发现,含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致,而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr,Ba原子键级与Sr-O,Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级,由此认为,含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域,是一门前景广阔的研究课题,它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来,也为水泥材料的设计提供了一条新的途径。
2、在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用煤是重要的能源之一。
近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步,量子化学方法使深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。
3在生物史分子体系研究中的应用生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域,尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。
由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究,是其它理论研究方法所难以替代的。
因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等,都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。
毫无疑问,这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶;可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变,使之造福于人类;可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等,可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
五、量子化学的发展前景量子化学是研究化学键的科学,基于量子力学基本理论薛定谔方程,从理论上可以计算出分子结构和性质。
20世纪的量子化学是理论的构筑与完善时期,如今量子化学的理论体系已初具规模,量子化学的进一步发展则需要与化学实验相结合,只有这样量子化学的理论研究才能取得新的突破。
相信随着随着多学科的进一步交叉融合,今后在实验化学、生物领域、药物设计、材料研究等领域,量子化学也将大有可为。
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