计算机结构化学计算和化学过程模拟

苯酚物性的计算机模拟编写：齐冬冬、陈超、张庆麒审阅：韦美菊1. 实验目的1) 掌握Gaussian、GaussView和Multiwfn软件的基本使用方法。

2) 熟悉计算机模拟化学体系的过程。

3) 理解结构化学课程中的某些微观概念。

2. 实验原理霍亨伯格(Hohenberg)和科恩(Kohn)证明，基态电子能量完全可以用电子密度来描述。

以此为理论基础，人们致力于寻找电子密度和能量之间的数学关系，得到了密度泛函理论，科恩-沈吕九方程(Kohn-Sham equation)的提出标志着密度泛函理论的正式建立。

由贝克(Becke)、李(Lee)、杨(Yang)、帕尔(Parr)共同提出的BL YP方法和B3L YP方法都是密度泛函理论中的佼佼者，在化学体系的计算模拟工作中取得了巨大的成功。

计算化学实验的本质就是对分子体系进行计算机模拟，并尝试理解和预测化学实验现象。

随着计算化学理论，尤其是计算机的迅速发展，“计算化学实验”作为集理论与计算于一体的新型化学教学内容，其应运而生的时机已经成熟。

它不需要传统的化学实验仪器和药品试剂，是纯粹的电子计算机模拟，是建立在理论的、演绎的思维基础上，通过对涵盖若干公理的一组系统方程的求解，试图解决某些化学问题。

本实验中所使用的计算化学程序是Gaussian，它可以进行各种类型的量子化学计算。

首先它可以对分子的结构进行优化，得到分子的最优构型与最低能量值。

构型优化是计算化学的基础，只有在优化好的构型的基础上才可以进行其它化学性质的计算，若以未优化的分子构型进行化学性质的计算，则会得到不够准确的计算结果。

然后，Gaussian可以模拟分子的多种光谱学性质，如红外振动光谱和紫外-可见电子跃迁光谱。

红外振动光谱是分子吸收光谱的一种，它是红外光与分子振动的量子化能级共振产生吸收而产生的特征吸收光谱曲线。

红外光谱分析可用于研究分子的化学键和结构，也是一种表征和鉴别化学物种的方法。

ansys结构化学反应概述及解释说明1. 引言1.1 概述ANSYS是一种广泛应用于工程和科学领域的计算机辅助工程（CAE）软件。

它提供了强大的多物理场仿真功能，能够模拟和分析各种复杂的物理过程和系统行为。

其中，结构化学反应是ANSYS中非常重要且常见的应用之一。

本文将对ANSYS结构化学反应进行概述和解释说明。

1.2 文章结构本文共分为五个部分。

除了本引言部分外，还包括：2. ANSYS结构化学反应概述、3. 解释说明ANSYS结构化学反应模型、4. 结果与讨论以及5. 结论与未来研究方向。

在第二部分中，将介绍ANSYS软件的简介，并阐述结构化学反应的相关概念。

此外，还将探讨ANSYS在结构化学反应中的实际应用。

在第三部分中，我们将详细解释说明ANSYS中的结构化学反应模型。

主要包括对反应控制方程的介绍、网格生成和离散化方法以及物理特性建模与参数设置等方面内容。

第四部分将呈现一些模拟实例，并通过结果分析与解释来进一步说明ANSYS在结构化学反应中的作用。

同时，还将进行讨论，并展望未来研究方向。

最后，在第五部分中，将总结和归纳本文的研究成果，并提出关于结构化学反应发展前景及未来研究方向的建议。

1.3 目的本文旨在全面介绍和阐述ANSYS在结构化学反应中的应用。

通过详细解释ANSYS结构化学反应模型，我们希望读者能够对该软件在处理结构化学反应问题时的原理和方法有一个清晰的认识。

同时，通过对模拟实例结果的分析和讨论，我们也希望能够探索该领域未来的研究方向，并对相关技术发展做出一定预测。

2. ANSYS结构化学反应概述：2.1 ANSYS简介：ANSYS是一种强大的工程仿真软件套件，广泛应用于多个领域，包括机械、电子、材料和流体力学等。

该软件提供了各种建模和分析工具，旨在帮助工程师解决复杂的物理问题。

2.2 结构化学反应概念：结构化学反应是指两个或多个化学物质之间发生的化学变化，同时影响着系统的结构和性能。

计算化学学习指南计算化学学习基本要求：在学习了化学系列基础课程之后，通过本课程的学习，掌握化学中常用的数值计算方法，并能利用计算方法来解决化学中和部分工程实践中的实际问题，学习中坚持理论与实践相结合，才能更深刻的理解与运用理论，并在解决实际问题中，掌握理论和方法，培养学习能力、实践能力和创新能力。

计算化学学习的难点：学生学习计算化学时由于受原有化学、数学、计算机基础的制约，感到课程涉及知识面广，入门较慢。

尤其是对各种化学、化工知识的综合应用及编程需要有一个熟悉的过程。

计算化学的研究方法：传统意义上的计算化学要完成的任务一般包括以下几个方面：1．量子结构计算，分子从头计算（Schrodinger方程的精确解）、半经验计算（Schrodinger方程的估计解）和分子力学计算（根据分子参数计算），属于量子化学和结构化学范畴；2．物理化学参数的计算，包括反应焓、偶极矩、振动频率、反应自由能、反应速率等的理论计算，一般属于统计热力学范畴；3．化学过程模拟和化工过程计算等。

但是随着科学的发展，要界定计算化学的范围是很困难的，因为它是化学学科现代化过程中新的生长点，它与迅速崛起的高科技关系密切，深受当今计算机及其网络技术飞速发展的影响，正处在迅速发展和不断演变之中，研究的侧重点也因研究者及其所处的学术环境、原有基础和人员的知识背景而异。

在今后的一段时期内，计算机辅助结构解析、分子设计和合成路线设计将是计算化学的主题。

尽管实际上计算化学覆盖的面还要广得多，比较公认的研究领域至少有：1．化学数据挖掘(Data mining)；2．化学结构与化学反应的计算机处理技术；3．计算机辅助分子设计；4．计算机辅助合成路线设计；5．计算机辅助化学过程综合与开发；6．化学中的人工智能方法等。

无论计算化学涉及的内容多么广泛，其核心依然是数值计算问题。

本课程主要学习利用用计算机解化学中的数值计算问题，一般包括以下几个步骤：1．对所要解决的问题进行分析，将化学问题转变为数学模型，选择所需的计算方法；问题分析是完成计算任务的基础，包括对问题所含物理化学意义的清楚认识。

结构化学模拟结构化学⾃测题结构化学⾃测题⾃测题1⼀、填空题（每空2分，共18分） 1能量为100eV的⾃由电⼦的德布罗依波波长为、 cm.2、氢原⼦的⼀个主量⼦数为n=3的状态有个简并态。

3、He 原⼦的哈密顿算符为4、氢原⼦的3Px 状态的能量为 eV 。

⾓动量为⾓动量在磁场⽅向的分量为；它有个径向节⾯，个⾓度节⾯。

5、氟原⼦的基态光谱项为6、与氢原⼦的基态能量相同的Li 2+的状态为⼆、计算（共14分）⼀维势箱基态lxl πψsin 2=，计算在2l 附近和势箱左端1/4区域内粒⼦出现的⼏率。

三、（共14分）计算环烯丙基⾃由基的HMO 轨道能量。

写出HMO ⾏列式；求出轨道能级和离域能；⽐较它的阴离⼦和阳离⼦哪个键能⼤。

四、（共12分）求六⽔合钴（钴2价）离⼦的磁矩（以玻尔磁⼦表⽰）、CFSE ，预测离⼦颜⾊，已知其紫外可见光谱在1075纳⽶有最⼤吸收，求分裂能（以波数表⽰）。

五、（共10分）⾦属镍为A1型结构，原⼦间最近接触间距为2.482m 1010-?，计算它的晶胞参数和理论密度。

六、（共14分）3CaTiO 结晶是pm a 380=的⽴⽅单位晶胞，结晶密度4.103/cm g ，相对分⼦质量为135.98，求单位晶胞所含分⼦数，若设钛在⽴⽅单位晶胞的中⼼，写出各原⼦的分数坐标。

七、简答题（每空3分，共18分）1、原⼦轨道；分⼦轨道；杂化轨道；2、电⼦填充三原则；杂化轨道三原则；LCAO-MO 三原则⾃测题1参考答案⼀、1．810225.1-?； 2．9; 3．()122221222212222?r e r e r e m H +--?+?-= 。

; 4．6.1391-； 2；不确定；1；1。

；． 5．2/32P ；．6．3S ；3P ；3d ；⼆、在2/l 的⼏率即⼏率密度=;22sin2222l l l l l =?=??πψππππ21412sin241sin 24/024/0-=??-=??? ??=?l L lxl l l dx l x l P 三、βα21+=Eβα-==32E Eβ-=离域E , βπ2-=阴，E , βπ4-=阳，E ，可见阳离⼦键能⼤。

重庆大学化学化工学院《结构化学》实验报告姓名学号：年级专业：指导老师：重庆大学化学化工学院2013年12月21日实验一利用量子化学计算软件验证分子轨道理论和判断分子点群一、主要仪器设备及软件1、仪器：用于计算的计算机。

2、软件：gviewA、建模软件(1) Chemoffice是一款广受化学学习、研究者好评的化学学习工具。

(2) GaussView 主要功能有创建三维分子模型，计算任务设置全面支持Gaussian 计算，和显示Gaussian计算结果等。

B、计算软件：(1) Gaussian:量子化学领域最著名和应用最广泛的软件之一，由量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法等进行分子能量和结构；过渡态能量和结构；化学键及反应能量；分子轨道；偶极矩；多极矩；红外光谱和拉曼光谱，核磁共振，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径等分子相关计算。

(2) Materials Studio：是ACCELRYS 公司专门为材料科学领域研究者所涉及的一款可运行在PC上的模拟软件。

(3) V ASP是使用赝势和平面波基组，进行第一定律分子动力学计算的软件包。

(4) Gamess-US: 由于免费与开放源码，成为除Gaussian以外，最广泛应用的量子化学软件，目前由Iowa State Uinversity的Mark Gorden 教授的研究组主理。

(5) CASTEP:是由密度泛函理论为基础的计算程式所组成，同时采用平面波(plane wave)为基底处理波函数，可针对具有周期性的固态材料表面进行化学模拟计算。

(6) ATK：是由丹麦公司QuantumWise A/S开发的一款通用的电子态结构计算软件。

其他量子化学计算软件目前，除了上面提到的几版著名量子化学计算软件之外，还有大量商业和免费的量子化学计算软件，其中绝大部分是从事量子化学或计算化学研究的实验室自行开发的，此外，一些著名的大型化学软件如HyperChem、Chem3D、Sybyl 等，也包含有量子化学计算包。

Gaussian 09和GaussView软件在结构化学教学中的应用作者：戴国梁钱蕙来源：《课程教育研究》2018年第33期【摘要】作为化学专业的基础课程，结构化学由于其抽象性及理论性强等特点，给教和学双方均带来了一定困难。

本文作者结合自己的专业研究方向，在结构化学讲授中应用Gaussian 09和GaussView等软件对分子轨道等相关知识点进行辅助教学，使抽象的化学理论变得形象、简单，这对培养学生的形象思维能力和学习兴趣，提高本课程的教学效果有很大的帮助。

【关键词】Gaussian 软件辅助教学结构化学教学方法【基金项目】江苏省高校自然科学基金，项目编号：14KJB150024。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）33-0156-011.课程特点和软件简介当今化学已进入纳米空间、皮秒时间时代，随着人们对物质微观结构认识的不断深入，结构化学的基本理论越来越广泛地应用于化学的各个领域，特别是在材料、信息、能源等领域。

结构化学是研究原子、分子、晶体的结构以及结构与性质之间关系的科学。

相比化学专业的其他基础课程，本课程的新概念多，数学推导多，系统性很强，故而要求学生在学习过程中既有严密的逻辑思维能力，还要有较好的空间想象力，特别是要具备有一定的数学、物理基础，才能获得较好的教学效果。

与其他化学基础课程如有机，无机，分析化学等不同，本课程的学习过程中缺少相关的实验演示和操作，而其他化学类课程在理论学习的同时，均开设同步的实验课程。

本课程的学习需要较多的数学、物理知识，而很多师范院校化学专业学生数理基础相对薄弱，教学过程中不得不给学生补充一些线性代数知识，造成实际讲授该课程的学时数偏少。

同时，学生在学习过程中往往对一些繁琐的数学公式及其推导过程有厌倦和抵触心理，故学生对结构化学学习的积极性不高。

很多同学在学习完本课程后，连一些基本的概念都无法搞清。

事实上，在全国范围内，《结构化学》依然是化学专业学生普遍认为最难学的课程 [1]。

化学发展史上的里程碑化学发展史上的里程碑可以追溯到古代，但让我们从20世纪开始，详细讲述一些化学领域的重要里程碑。

1903年，英国物理学家卢瑟福和化学家索迪提出了原子构造理论，这是对原子结构理解的重大突破。

这一理论为之后的核物理学和量子化学研究打下了基础。

1905年，爱因斯坦提出了光电效应的理论，这一理论为量子力学的发展开辟了道路。

爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

1911年，卢瑟福提出了行星原子模型，即原子中的电子围绕原子核旋转，就像行星围绕太阳旋转一样。

这个模型对理解原子结构和化学反应产生了深远影响。

1913年，丹麦物理学家玻尔进一步完善了行星原子模型，将量子理论引入其中，解释了原子光谱的现象。

1920年代，量子力学进一步发展，这为理解化学反应中的电子行为提供了基础。

其中，海森堡的测不准原理和薛定谔的波函数为化学反应的理论模型提供了基础。

1928年，德国化学家瓦尔特·海洛夫提出了电子转移理论，这一理论解释了氧化还原反应的机制。

1930年代，随着X射线晶体学的发展，英国物理学家布拉格和阿斯特伯里提出了分子结构的测定方法，这为现代结构化学奠定了基础。

1940年代，美国化学家鲍林和日本化学家西博格等人发展了原子序数和原子质量的精确测量方法，这为元素周期表的理解和扩展提供了重要依据。

1950年代，随着计算机技术的发展，计算机程序开始被广泛应用于化学计算和模拟。

这一时期也见证了量子化学的快速发展，为理解复杂化学反应的本质提供了重要工具。

1960年代，美国化学家罗伯特·伍德沃德和德国化学家汉斯·休斯提出了有机分子结构的立体化学理论。

这一理论为有机化学的发展产生了深远影响。

1970年代，随着激光技术的发展，激光光谱学开始应用于化学研究，这使得对化学反应的观察和操控达到了前所未有的精度。

1980年代，科学家们开始利用量子计算机模拟化学反应，这为理解复杂化学体系的性质提供了前所未有的能力。

先进的材料模拟与设计先进的材料模拟与设计是材料科学与工程中的重要领域，它旨在通过模拟与仿真等技术手段，对新型材料的性能进行评估、开发、优化和设计，以提高材料的性能和应用。

本文将从材料模拟的基本原理、材料模拟的方法、材料模拟的应用等方面进行详细介绍。

一、材料模拟的基本原理材料模拟是一种将实验数据、理论方法、计算机技术相结合的工程技术，它可以方便地进行预测和优化材料的性能和设计。

材料模拟的基本原理可以用偏微分方程组来描述，它通常具有如下的特征：1.材料被看作是由原子、分子、离子等基本构成单元组成的复杂系统。

2.材料的性能受结构密切影响，而结构的演化过程具有动力学特性，即原子、分子等之间的相互作用。

3.材料模拟是建立在统计力学、量子化学等基础上的，因此需要通过数值计算法求解。

二、材料模拟的方法材料模拟的方法在近年来得到了极大的发展和应用，其中包括了各种各样的计算方法和实验技术。

常用的方法包括：1.密度泛函理论方法：该方法通常考虑材料中的电子密度变化，通过解析的方法来计算材料的各种性质，如电子、光学性质等。

2.分子动力学模拟：该方法通过模拟材料的分子、原子、离子等的运动轨迹及反应过程，来预测材料的物理性质。

3.量子化学方法：该方法通常考虑材料分子中电子、配位离子等之间的相互作用，通过数值计算的方法来模拟材料的各种特性，如电磁场、结构、动力学等。

4.分子设计方法：该方法利用结构化学方法，可以人工设计出一些新的分子化合物，并通过计算机模拟技术对其作出性能和活性预测。

除了以上这些方法外，还有非常多的模拟方法可以用于材料设计和优化，其中包括Monte Carlo模拟、支持向量机、神经网络等。

三、材料模拟的应用材料模拟在材料科学和工程中已经得到了广泛的应用，涉及到许多领域，如材料优化、新材料设计、界面分析、软硬物质和材料热力学等。

下面我们通过以下三个方面来介绍材料模拟的应用：1. 功能材料的设计：正如材料的性能往往受材料的结构的影响，因此对于设计新的材料来说，必须考虑结构层次和性质层次两方面。

结构化学小结1500字结构化学是化学领域的一个重要分支，研究物质的结构与性质之间的关系。

随着科技的进步和人们对物质性质的深入认识，结构化学在物质科学研究中起着至关重要的作用。

本文将对结构化学的基本概念、研究方法以及在不同领域中的应用进行综述。

一、基本概念：结构化学是研究物质的分子结构与性质之间的关系的学科。

物质的分子结构决定了其化学特性和物理性质，并对其应用具有重要影响。

结构化学通过分子定量结构活性关系（QSAR）方法，揭示了物质分子结构、空间构型以及电子结构与其生物活性、化学活性、药理活性等之间的关联规律。

二、研究方法：1. 分子模拟方法：通过计算机模拟手段，对分子进行力场计算、构象搜索等，获得物质的立体构型信息。

常用的方法有分子力学方法、量子力学方法等。

2. 分子光谱学：利用分子吸收、散射、发射光谱，研究分子结构和光学性质之间的关系。

常用的方法有紫外-可见光谱、红外光谱、拉曼光谱等。

3. 表征技术：通过X射线衍射、核磁共振、质谱等技术，确定物质的分子结构和构型，分析物质的组成和结构等。

三、应用领域：1. 药物设计：结构化学在药物研发中具有重要应用，通过对药物分子结构进行定量分析和预测，设计出具有高活性和低毒性的化合物。

这对于加快药物研发过程、减少实验成本具有重要意义。

2. 材料科学：结构化学研究物质的原子或分子排列方式和相互作用规律，为材料的制备、性能改良提供理论指导。

例如，通过分析聚合物的结构和力学性能之间的关系，优化材料配方，改善材料性能。

3. 环境科学：结构化学可以用于研究环境中有害物质的结构和性质之间的关系，帮助解决环境污染和毒性评估等问题。

例如，通过对化学物质的结构和生物降解性之间的关系进行研究，指导环境治理和污染防治工作。

4. 生命科学：结构化学在生命科学领域中有着广泛的应用，可以研究生物分子的三维结构和功能之间的关系。

通过分析蛋白质的结构特征和活性位点，可以设计新型的药物靶点和药物分子。

《计算机化学》实验教学大纲实验名称：计算机化学实验实验目的：1.了解计算机在化学领域的应用；2. 学习常见的计算机程序和软件，如MOPAC、Gaussian等；3.掌握计算机辅助药物设计和分子模拟的基本原理和方法；4.增强计算机编程和数据处理的能力。

实验内容：1.计算机分子建模与计算步骤：b.分子的优化与力场计算；c.分子动力学模拟；d.分子性质计算与分析；e.结果的可视化与报告撰写。

c.利用软件进行分子几何优化和力场计算。

3.分子动力学模拟：a.介绍分子动力学模拟的基本原理；b.学习分子动力学模拟软件的使用，如GROMACS等；c.进行分子动力学模拟实验，分析分子的构象变化和能量变化。

4.分子性质计算与分析：a.学习计算分子性质的常用方法和算法；b.利用计算机程序进行溶解度、活度系数、分配系数等性质的计算；c.分子性质数据的可视化和比较分析。

5.计算机编程与数据处理：a.介绍计算机编程的基本概念和技巧；b.学习编写化学相关的脚本和程序；c.利用编程语言进行数据处理和结果分析。

实验要求：1.实验前需了解化学软件和计算机编程的基本概念；2.实验中需按照实验步骤进行实验操作，并记录相关数据和结果；3.实验后需完成实验报告，包括实验目的、步骤、结果分析等内容。

实验评分：1.实验操作和数据记录占总分的40%；2.实验报告占总分的40%；3.实验讨论和实验表现占总分的20%。

实验参考教材：1. Paula Bruice. 有机化学[M]. 北京：高等教育出版社。

2. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren. 有机化学教程（修订版）[M]. 北京：高等教育出版社。

3. Richard C. Baur. 分子模型和分子小组[M]. 北京：高等教育出版社。

实验设备与材料：1.计算机；3.实验文具。

备注：以上只是一个计算机化学实验的大纲，具体实验内容和细节仍需根据教学目标和教学资源的实际情况进行调整。