量子化學(xué)的應(yīng)用精選(九篇)

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第1篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點(diǎn)來認(rèn)識(shí)微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對(duì)材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級(jí)問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見運(yùn)用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報(bào),1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報(bào),1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報(bào),1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

第2篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

在傳統(tǒng)的證券投資學(xué)中，投資組合理論、資本資產(chǎn)定價(jià)模型、套利定價(jià)理論和期權(quán)定價(jià)理論是現(xiàn)代金融理論的四塊基石。前兩者主要依靠均值-方差組合優(yōu)化的思想，后兩者則主要依靠市場(chǎng)的無套利條件。傳統(tǒng)的投資方法主要是基本面分析和技術(shù)分析兩大類，而量化投資則是“利用計(jì)算機(jī)科技并采用一定的數(shù)學(xué)模型去實(shí)現(xiàn)投資理念、實(shí)現(xiàn)投資策略的過程”[3]。從概念看，量化投資既不是基本面分析，也不是技術(shù)分析，但它可以采用基本面分析，也可以采用技術(shù)分析，關(guān)鍵在于依靠模型來實(shí)現(xiàn)投資理念與投資策略。為了分析量化投資對(duì)證券投資學(xué)的啟示，本文從量化投資“黑箱”的各個(gè)構(gòu)成來探討量化投資與證券投資學(xué)中思路和觀點(diǎn)的差異。

（一）資產(chǎn)定價(jià)與收益的預(yù)測(cè)

根據(jù)組合優(yōu)化理論，投資者將持有無風(fēng)險(xiǎn)組合與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)資產(chǎn)組合，獲得無風(fēng)險(xiǎn)利率與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)溢價(jià)。資本資產(chǎn)定價(jià)模型則將此應(yīng)用到單一證券或組合，認(rèn)為證券的風(fēng)險(xiǎn)溢價(jià)等于無風(fēng)險(xiǎn)利率加上與風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)比率一致的風(fēng)險(xiǎn)溢價(jià)，超過的部分就是超額收益，即投資組合管理所追求的阿爾法值[4]。追求顯著正的阿爾法是資產(chǎn)定價(jià)理論給實(shí)務(wù)投資的一大貢獻(xiàn)?；谝蛩啬Ｐ偷奶桌▋r(jià)理論則從共同風(fēng)險(xiǎn)因素的角度提供了追求阿爾法的新思路。其中，法瑪和佛倫齊的三因素定價(jià)模型為這一類量化投資提供了統(tǒng)一的參考?？梢哉f，在因素定價(jià)方面，量化投資繼承了資產(chǎn)定價(jià)理論的基本思想。對(duì)于因素定價(jià)中因素的選擇，證券投資學(xué)認(rèn)為，對(duì)資產(chǎn)價(jià)格的影響，長(zhǎng)期應(yīng)主要關(guān)注基本面因素，而短期應(yīng)主要關(guān)注市場(chǎng)的交易行為，即采用技術(shù)分析。在量化投資中，主要強(qiáng)調(diào)按照事先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行投資，這在一定程度上與技術(shù)分析類似。但是，在技術(shù)分析中，不同的人會(huì)有不同的結(jié)論，而量化投資則強(qiáng)調(diào)投資的規(guī)則化和固定化，不會(huì)因人的差異而有較大的不同。另外，量化交易更強(qiáng)調(diào)從統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)模型方面尋找資產(chǎn)的錯(cuò)誤定價(jià)或者進(jìn)行收益的預(yù)測(cè)。

（二）無套利條件與交易成本

在證券投資學(xué)里，流動(dòng)性是證券的生命力。組合投資理論、資本資產(chǎn)定價(jià)模型以及套利定價(jià)理論等都認(rèn)為市場(chǎng)中存在大量可交易的證券，投資者可以自由買賣證券。這主要是為了保證各種交易都能實(shí)現(xiàn)，如套利交易。根據(jù)套利定價(jià)理論，一旦市場(chǎng)出現(xiàn)無風(fēng)險(xiǎn)的套利機(jī)會(huì)，理性投資者會(huì)立即進(jìn)行套利交易，當(dāng)市場(chǎng)均衡時(shí)就不存在套利機(jī)會(huì)?，F(xiàn)實(shí)市場(chǎng)中往往存在套利限制。一是因?yàn)閯P恩斯說的“市場(chǎng)的非理性維持的時(shí)間可能會(huì)長(zhǎng)到你失去償付能力”。二是因?yàn)槭袌?chǎng)總是存在交易費(fèi)用等成本。但證券投資學(xué)中，對(duì)市場(chǎng)中套利限制與非流動(dòng)性的關(guān)注較少，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)金融理論中簡(jiǎn)化了市場(chǎng)結(jié)構(gòu)。市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)理論研究在既定的交易規(guī)則下，金融資產(chǎn)交易的過程及其結(jié)果，旨在揭示金融資產(chǎn)交易價(jià)格形成的過程及其原因。在市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)理論中，不同的市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)流動(dòng)性的沖擊是不同的。因而，從量化投資的角度看，為了降低交易帶來的價(jià)格沖擊，能實(shí)施量化投資策略的證券往往都應(yīng)有較好的流動(dòng)性，因?yàn)榻灰讜r(shí)非流動(dòng)性直接影響投資策略的實(shí)施。從這個(gè)意義上講，量化投資時(shí)的交易成本不僅包括交易費(fèi)用，更主要的是要考慮市場(chǎng)交易沖擊的流動(dòng)性成本。

（三）風(fēng)險(xiǎn)控制與市場(chǎng)情緒

在證券市場(chǎng)中，高收益與高風(fēng)險(xiǎn)相匹配。量化投資在追求高收益的同時(shí)，不可避免地承擔(dān)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。在證券投資學(xué)中，系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)主要源于宏觀經(jīng)濟(jì)因素，非系統(tǒng)性因素則主要源于行業(yè)、公司因素，并且不考慮市場(chǎng)交易行為的影響。在量化投資中，較多地使用因素定價(jià)模型，不僅會(huì)考慮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)因素，而且會(huì)考慮交易行為等因素，只是不同的模型有不同的側(cè)重點(diǎn)，在多模型的量化投資系統(tǒng)中自然包括了這兩方面的因素。除了各種基本面和市場(chǎng)交易的因素風(fēng)險(xiǎn)外，量化投資還有自身不可忽視的風(fēng)險(xiǎn)源。一方面，量化交易中，部分交易是采用保證交易的期貨、期權(quán)等衍生品交易，這種杠桿交易具有放大作用，隱藏著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，市場(chǎng)沖擊的流動(dòng)性成本也是量化投資的風(fēng)險(xiǎn)控制因素，理所當(dāng)然地在圖1的風(fēng)險(xiǎn)控制模型中體現(xiàn)出來。另外，在一般的投資過程中，市場(chǎng)情緒或多或少會(huì)成為風(fēng)險(xiǎn)控制的一個(gè)對(duì)象。然而，在量化投資中，更多的交易都是通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，如程序交易等，這樣以來，投資者情緒等因素對(duì)投資決策的影響相對(duì)較小。所以，在量化投資的風(fēng)險(xiǎn)控制模型中較少地考慮市場(chǎng)情緒以及投資者自身的情緒，主要是通過承擔(dān)適度的風(fēng)險(xiǎn)來獲得超額回報(bào)，因?yàn)楫吘箿p少風(fēng)險(xiǎn)也減少了超額回報(bào)。

（四）執(zhí)行高頻交易與算法交易

在對(duì)未來收益、風(fēng)險(xiǎn)和成本的綜合權(quán)衡下，實(shí)現(xiàn)投資策略成為量化投資的重要執(zhí)行步驟。為了達(dá)到投資目標(biāo)，量化投資不斷追求更快的速度來執(zhí)行投資策略，這就推動(dòng)了采用高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序化交易的誕生。在證券投資學(xué)里，技術(shù)分析認(rèn)為股價(jià)趨勢(shì)有長(zhǎng)期、中期和短期趨勢(shì)，其中，長(zhǎng)期和中期趨勢(shì)有參考作用，短期趨勢(shì)的意義不大。然而，隨著計(jì)算機(jī)信息科技的創(chuàng)新，量化投資策略之間的競(jìng)爭(zhēng)越來越大，誰能運(yùn)作更快的量化模型，誰就能最先找到并利用市場(chǎng)錯(cuò)誤定價(jià)的瞬間，從而賺取高額利潤(rùn)。于是，就誕生了高頻交易：利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行量化分析，快速做出交易決策，并且隔夜持倉(cāng)。高頻交易的基本特點(diǎn)有：處理分筆交易數(shù)據(jù)、高資金周轉(zhuǎn)率、日內(nèi)開平倉(cāng)和算法交易。[5]高頻交易有4類流行的策略：自動(dòng)提供流動(dòng)性、市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)交易、事件交易和偏差套利。成功實(shí)施高頻交易同時(shí)需要兩種算法：產(chǎn)生高頻交易信號(hào)的算法和優(yōu)化交易執(zhí)行過程的算法。為了優(yōu)化交易執(zhí)行，目前“算法交易”比較流行。算法交易優(yōu)化買賣指令的執(zhí)行方式，決定在給定市場(chǎng)環(huán)境下如何處理交易指令：是主動(dòng)的執(zhí)行還是被動(dòng)的執(zhí)行，是一次易還是分割成小的交易單。算法交易一般不涉及投資組合的資產(chǎn)配置和證券選擇問題。

二、對(duì)量化投資在證券投資教學(xué)中應(yīng)用的思考

從上述分析可以知道，量化投資的“黑箱”構(gòu)造與證券投資學(xué)之間存在一定的差異，因此，在證券投資的教學(xué)中應(yīng)當(dāng)考慮量化投資發(fā)展的要求。

（一）市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)與流動(dòng)性沖擊

在理性預(yù)期和市場(chǎng)有效假說下，市場(chǎng)價(jià)格會(huì)在相關(guān)信息披露后立即調(diào)整，在信息披露前后市場(chǎng)有著截然不同的表現(xiàn)。在證券投資學(xué)里，一般認(rèn)為價(jià)格的調(diào)整是及時(shí)準(zhǔn)確的，然而，現(xiàn)實(shí)的世界里，價(jià)格調(diào)整需要一個(gè)過程。在不同的頻率下，這種價(jià)格形成過程的作用是不同的。在長(zhǎng)期的投資中，短期的價(jià)格調(diào)整是瞬間的，影響不大。然而，在高頻交易中，這種價(jià)格調(diào)整過程影響很大。市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)就是研究這種價(jià)格形成過程。市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)理論中有兩種基本的模型：存貨模型和信息模型。存貨模型關(guān)注商委托單簿不平衡對(duì)訂單流的影響，解釋沒有消息公布時(shí)價(jià)格短暫波動(dòng)的原因。信息模型關(guān)注信息公布后信息反映到價(jià)格中的這一過程，認(rèn)為含有信息的訂單流是導(dǎo)致價(jià)格波動(dòng)的原因。無論是關(guān)注委托訂單的存貨模型還是關(guān)注市場(chǎng)參與者信息類型的信息模型，這些市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)的研究加強(qiáng)了流動(dòng)性與資產(chǎn)價(jià)格之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)流動(dòng)性在量化投資決策中的重要作用。一般的證券投資學(xué)中基本沒有市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，因而，為了加強(qiáng)證券投資學(xué)的實(shí)用性，應(yīng)關(guān)注市場(chǎng)微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容與發(fā)展。

（二）業(yè)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)與高杠桿

對(duì)于證券組合而言，不僅要分析其超額收益和成本，還要考慮其風(fēng)險(xiǎn)與業(yè)績(jī)。在組合業(yè)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)中，一方面要考慮風(fēng)險(xiǎn)的衡量，另一方面則要分析業(yè)績(jī)的來源。在證券投資學(xué)中，組合業(yè)績(jī)來自于市場(chǎng)表現(xiàn)以及管理者的配置與選股能力。對(duì)于量化投資而言，市場(chǎng)時(shí)機(jī)和管理者的能力依然重要，然而，量化投資的業(yè)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)還應(yīng)考慮另一個(gè)因素：高杠桿。量化交易中，部分交易是采用保證交易的期貨、期權(quán)等衍生品交易，這種杠桿交易具有放大作用，在市場(chǎng)好的時(shí)候擴(kuò)大收益，但在市場(chǎng)不好的時(shí)候會(huì)加速虧損，這些與傳統(tǒng)的業(yè)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)就不太一樣。在一般的證券投資學(xué)里，業(yè)績(jī)?cè)u(píng)價(jià)主要考慮經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整的收益，很少考慮其杠桿的作用，這不僅忽略了杠桿的貢獻(xiàn)，而且有可能夸大了投資者的技能水平。

（三）人為因素與模型風(fēng)險(xiǎn)

在量化投資中，非常注重計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)和模型的分析，這突出了量化投資的規(guī)則性和固定性。然而，實(shí)際中，別看量化采用了各種數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)模型，但策略設(shè)計(jì)、策略檢測(cè)和策略更新等過程都離不開人的決策。量化交易策略與判斷型交易策略的主要差別在于策略如何生成以及如何實(shí)施。量化投資運(yùn)用模型對(duì)策略進(jìn)行了細(xì)致研究，并借助計(jì)算機(jī)實(shí)施策略，能夠消除很多認(rèn)為的隨意性。但是，量化策略畢竟體現(xiàn)投資者的交易理念，這一部分依賴于投資者的經(jīng)驗(yàn)，一部分依賴于投資者對(duì)市場(chǎng)的不斷觀察與更新。實(shí)際上，人始終處于交易之中，對(duì)于市場(chǎng)拐點(diǎn)以及趨勢(shì)反轉(zhuǎn)的判斷主要還是依賴投資者的經(jīng)驗(yàn)。光大的烏龍指事件充分表明了人為因素在量化投資中的兩面性：決策實(shí)施依賴于人的設(shè)定，而人的設(shè)定不僅依賴于經(jīng)驗(yàn)，而且人還會(huì)犯錯(cuò)。人之所以會(huì)犯錯(cuò)，一方面是因?yàn)槿藗儗?duì)市場(chǎng)的認(rèn)知是不完全的，另一方面則是人們使用了錯(cuò)誤的模型。經(jīng)典的證券投資理論中，股票價(jià)格的變動(dòng)被認(rèn)為是隨機(jī)的，小概率事件出現(xiàn)的機(jī)會(huì)比較小，但是經(jīng)驗(yàn)研究表明股票收益率具有肥尾現(xiàn)象，小概率事件發(fā)生的機(jī)會(huì)超出了人們?cè)鹊恼J(rèn)識(shí)，即市場(chǎng)還會(huì)出現(xiàn)“黑天鵝”。更為關(guān)鍵的是，量化投資更依賴數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)模型，這就使得量化投資存在較大的模型風(fēng)險(xiǎn)，即使用了錯(cuò)誤的模型。為了防范模型風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用更為穩(wěn)健的模型，即模型的參數(shù)和函數(shù)應(yīng)該適應(yīng)多種市場(chǎng)環(huán)境。近年來，研究表明，證券收益及其與風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系存在較大的非線性，同時(shí)，市場(chǎng)中存在一定的“噪聲”，采用隱馬爾科夫鏈等隨機(jī)過程和機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行信息處理成為量化投資的重要技術(shù)支持。

（四）2013年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)的啟示

第3篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

一直以來，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有著重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的優(yōu)良傳統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末，由復(fù)旦大學(xué)等14所學(xué)校合作編寫的《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材在國(guó)內(nèi)廣受好評(píng)，影響深遠(yuǎn)。20世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系對(duì)大學(xué)本科的化學(xué)課程體系進(jìn)行了改革，逐步形成以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以技術(shù)要素為主線的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及相應(yīng)管理機(jī)制[1，2]。2000年前后，復(fù)旦化學(xué)系根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，本著“統(tǒng)籌管理、優(yōu)化資源、避免重復(fù)和遺漏”的原則，將涉及儀器操作類的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程“儀器分析實(shí)驗(yàn)”和“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”融合為“儀器分析和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，那時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在世行貸款和學(xué)校配套資金支持下，購(gòu)置了一批在當(dāng)時(shí)屬于先進(jìn)的儀器用于教學(xué)，使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件得到大幅度改善，教學(xué)質(zhì)量和水平因此得到保障和提高。

隨著時(shí)代和學(xué)科的發(fā)展，我系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸暴露出一些不足。一方面大部分實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相對(duì)落后，如電化學(xué)分析工作站、氣相色譜儀、原子發(fā)射光譜儀等設(shè)備都已使用了10～15年。這些儀器性能不夠穩(wěn)定，測(cè)量出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大，得不到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣直接削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的積極性。另一方面是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新速度慢，滯后于科學(xué)研究發(fā)展的步伐。物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也使得一些原本屬于專門化或綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的高級(jí)技術(shù)和儀器成為基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的常規(guī)技術(shù)和設(shè)備，在當(dāng)前科研中發(fā)揮重要作用的常規(guī)表征手段至今沒有相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)，而且復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)早在1999年就開設(shè)了以結(jié)構(gòu)分析和表征為主線，集原理、儀器使用和解譜為一體的“譜學(xué)導(dǎo)論”理論課，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有較大的脫節(jié)。同時(shí)本系科研實(shí)力的快速提高、學(xué)科建設(shè)、師資優(yōu)化和研究生生源的增長(zhǎng)需求對(duì)本科學(xué)生的科研素質(zhì)提出了新要求，一些操作簡(jiǎn)單、內(nèi)容單薄的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)顯然不能滿足這些要求。在這樣的形勢(shì)下，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如何設(shè)置，成為我們面臨的又一重要課題。經(jīng)過多次調(diào)研和討論，我們對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置有了一些初步實(shí)踐與設(shè)想，希望能與國(guó)內(nèi)同行共同探討。

二、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的總體設(shè)計(jì)

本課程內(nèi)容的設(shè)置將充分依托本系學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在“銜接前沿、兼顧基礎(chǔ)”的原則下，更新、升級(jí)、完善和補(bǔ)充大型儀器類實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在完成經(jīng)典傳承的基礎(chǔ)上，加大綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的比例，以求拓寬學(xué)生專業(yè)面、增強(qiáng)適應(yīng)性。更希望通過本課程教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施和開展，讓學(xué)生了解和掌握一定的前沿技術(shù)、技能以及思考、解決問題的方法，促進(jìn)學(xué)生探索能力、科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合能力。

在上述思想的指導(dǎo)下，我們經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)部分高校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比，并結(jié)合本系的實(shí)際情況，進(jìn)行如下改革。

1.更新儀器設(shè)備，推動(dòng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新優(yōu)化

對(duì)目前開設(shè)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)的老舊設(shè)備進(jìn)行更新，取得了明顯的效果。

比如，差熱分析實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的研究物質(zhì)在受熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生的物理和化學(xué)的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質(zhì)量變化的熱分析實(shí)驗(yàn)。本系原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是20世紀(jì)70年代老師們自己動(dòng)手搭建的，從冰水浴、自制熱偶、加熱爐到記錄筆、溫控儀的連接，都需要學(xué)生動(dòng)手完成，由于各配件年代久遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性、分辨率都不理想，而且經(jīng)常出現(xiàn)某一部件“罷工”的尷尬局面，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利進(jìn)行。近年來，熱分析技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，使得熱分析的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，研究對(duì)象不斷增加，在無機(jī)、有機(jī)、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、塑料、橡膠、能源、建筑、生物及空間技術(shù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。開展熱分析類的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅具有課堂理論意義，也具有非常強(qiáng)的應(yīng)用背景，國(guó)內(nèi)許多高校開設(shè)熱分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)，但具體實(shí)施的方案各不相同。經(jīng)過考察，我們購(gòu)置了性能較好的熱重天平，此儀器采用較先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和精密的機(jī)械制造工藝，將機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)電控制和氣氛控制集于一體，一定程度上改善了傳統(tǒng)熱分析儀器笨重外形。性能優(yōu)良的溫度控制軟件和界面，全面的熱動(dòng)力參數(shù)分析功能，將熱重分析TG、微商熱重法DTG與差熱分析DTA結(jié)合為一體，在同一次測(cè)量中利用同一樣品可同步得到熱重、微商熱重與差熱數(shù)據(jù)。這樣一來，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便快捷，而且數(shù)據(jù)可靠直觀。為克服實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單薄的問題，我們重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生除了驗(yàn)證已知樣品受熱過程中的吸放熱情況，還可以觀測(cè)不同升溫速率下吸放熱情況的變化，進(jìn)而研究樣品受熱過程中相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如根據(jù)不同升溫速率下五水硫酸銅失水峰的峰頂溫度與升溫速率進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，便可以計(jì)算熱分解的活化能。在問題與思考環(huán)節(jié)中，啟發(fā)學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱，對(duì)熱分析方法進(jìn)行更全面的了解，有了這樣的技術(shù)和知識(shí)儲(chǔ)備，將來需要分析其他樣品受熱過程中物相變化、吸放熱等問題時(shí)，很容易找到解決方案。

此外，對(duì)氣液色譜法測(cè)定非電解質(zhì)溶液熱力學(xué)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)也更換了最新型號(hào)的氣相色譜儀。所有的溫度、壓力、流量以及其他參數(shù)的設(shè)定和顯示均可以在電腦軟件界面上進(jìn)行，大大方便了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，而且對(duì)了解目前的主流色譜有了感官認(rèn)識(shí)。最為關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)重復(fù)性得到了極大的提高，以前需要重復(fù)進(jìn)樣近10次才能得到3次相對(duì)誤差較小的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在只需進(jìn)樣3次就可滿足要求，對(duì)操作難度的要求大大降低，數(shù)據(jù)也與文獻(xiàn)值吻合較好，得到了同學(xué)們的認(rèn)可。

涉及電化學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，目前全部采用電化學(xué)工作站進(jìn)行。由于是軟件界面控制，重現(xiàn)性較好，出現(xiàn)故障也很容易判斷。這些改進(jìn)與以前的電壓、電流表顯示相比，優(yōu)勢(shì)明顯，而且對(duì)本科生繼續(xù)從事電化學(xué)相關(guān)研究起到了較好的鋪墊作用。

2.增開研究性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生技術(shù)技能的培養(yǎng)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容最欠缺的是科學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿成果在教學(xué)中的體現(xiàn)，而學(xué)生能力培養(yǎng)上較欠缺的是現(xiàn)代表征儀器的操作技術(shù)。因此，與前沿研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，是我們此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新的重點(diǎn)。

我們引入負(fù)載型催化劑的多相催化實(shí)驗(yàn)。隨著催化技術(shù)的發(fā)展，由于多相催化劑具有易回收利用、產(chǎn)物易分離等特點(diǎn)，在石油化工等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，讓學(xué)生了解和掌握一定的多相催化技術(shù)和知識(shí)顯得尤為重要，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)和南京大學(xué)化學(xué)系的本科生物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中都涉及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。我們開設(shè)了負(fù)載貴金屬催化劑液相催化苯甲醇氧化的實(shí)驗(yàn)，通過本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生理解多相催化操作中的基本要求、評(píng)價(jià)活性優(yōu)劣的基本方法、影響催化活性的外界因素、完成活性測(cè)試的定量分析手段等內(nèi)容，再通過數(shù)據(jù)處理與分析，了解更多的與催化相關(guān)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)知識(shí)與技術(shù)。

3.引入物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)表征方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)在科學(xué)研究中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的揭示，離不開大型儀器。自19世紀(jì)倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線以來，X射線衍射被迅速地應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，它可以用在研究體積很大的對(duì)象，譬如人體骨骼，還可以表征很小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，譬如蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)[4]。由于波長(zhǎng)短，X射線有很強(qiáng)的穿透性，在分子及原子級(jí)的材料結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中應(yīng)用尤為廣泛。現(xiàn)代X射線技術(shù)在研究未知結(jié)構(gòu)和新材料中已經(jīng)成為一個(gè)有力的工具，比如本系多個(gè)課題組制備的各種單晶新材料，其結(jié)構(gòu)解析就離不開X射線單晶衍射儀。作為重要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征手段，理論課堂上也做了深入的介紹，但由于硬件條件的限制，本系本科生一直沒有機(jī)會(huì)動(dòng)手操作X射線衍射儀。

多孔固體材料最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)90年代，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性而在催化、吸附、分離和儲(chǔ)能等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，表面狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)直接影響其性能，所以多孔固體材料的比表面積和孔徑分布是研究固體材料的必要數(shù)據(jù)。本系多個(gè)課題組在介孔、微孔材料的制備研究中，一直離不開比表面積測(cè)試儀對(duì)樣品基本性質(zhì)的測(cè)定，也正因如此，本系多套比表面積測(cè)試儀均難以勻出機(jī)時(shí)用于本科教學(xué)。

通過努力，現(xiàn)在我們購(gòu)置了4臺(tái)比表面積測(cè)試儀，并借用本系X射線粉末衍射儀科研機(jī)時(shí)，用于本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。先讓學(xué)生通過不同方法制備銅鋯復(fù)合氧化物材料，并對(duì)這些樣品進(jìn)行X射線粉末衍射和比表面積測(cè)定，最后通過數(shù)據(jù)處理，分析了解不同的制備因素對(duì)材料基本性質(zhì)的影響，了解BET多分子層吸附理論的基本假設(shè)和BET法測(cè)量固體比表面的基本原理，掌握X射線粉末衍射方法的基本原理、技術(shù)和物理吸附儀的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常規(guī)表征實(shí)驗(yàn)技能技巧。

三、未來設(shè)想

近年來，隨著世界環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，光催化在環(huán)境污染物降解中已成為研究熱點(diǎn)[5]。最近我們還將開設(shè)TiO2光催化廢水降解實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有效治理環(huán)境污染技術(shù)的典型代表。納米TiO2由于其化學(xué)性能穩(wěn)定、抗菌性能好以及在有機(jī)物降解過程中無二次污染等優(yōu)良性質(zhì)，成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的重要光催化劑，在光催化領(lǐng)域得到了廣泛研究。TiO2的結(jié)構(gòu)形貌對(duì)其光催化活性有很大的影響，通過本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生了解環(huán)境污染與防治的相關(guān)知識(shí)，并能從結(jié)構(gòu)形貌與光量子效率間的關(guān)系理解影響光催化活性的因素，同時(shí)理解光催化降解效率的衡量指標(biāo)等知識(shí)和技能。

從培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)技能的角度看，現(xiàn)代物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)表征方面涉及的內(nèi)容還遠(yuǎn)不夠，將來還計(jì)劃開設(shè)銅鋯復(fù)合氧化物或者負(fù)載貴金屬樣品表面的CO吸附紅外光譜測(cè)定、核磁共振測(cè)定液相反應(yīng)速率常數(shù)等相關(guān)內(nèi)容。希望通過系列動(dòng)力學(xué)活性測(cè)試以及相應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征方面實(shí)驗(yàn)的開展，讓學(xué)生對(duì)功能材料樣品制備技術(shù)、物質(zhì)基本性質(zhì)表征以及樣品性質(zhì)與性能之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)有所了解。更希望學(xué)生通過這一系列的訓(xùn)練，對(duì)科學(xué)研究過程有所了解，為他們開展系列校內(nèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目打下基礎(chǔ)，有利于他們今后的繼續(xù)深造或工作。

第4篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

[關(guān)鍵詞]滿山紅； 化學(xué)成分； DFT； 鍵離解能（BDE）； 抗氧化活性

滿山紅Rhododendri Daurici Folium為杜鵑花科杜鵑花屬植物興安杜鵑Rhododendron dauricum L的干燥葉，俗稱映山紅、迎山紅、靠山紅、達(dá)子香山崩子，其味苦、辛，性寒，具有祛痰、止咳的功效[1]，常用于治療哮喘病，急慢性支氣管炎等病癥；經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)滿山紅還具有抗氧化、鎮(zhèn)痛、抗癌抗菌、對(duì)心肌損傷的保護(hù)等功效[2]。滿山紅主要分布于吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古等地區(qū)。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)滿山紅的化學(xué)成分進(jìn)行了大量研究，并且分離鑒定出了10多種化合物，其化學(xué)成分主要有黃酮類、有機(jī)酸類、揮發(fā)油類和香豆素類[35]。其中黃酮化合物主要有：金絲桃苷、異金絲桃苷、槲皮素、杜鵑素、山柰酚、楊梅酮、8去甲杜鵑素；香豆素類主要有，莨菪亭（東莨菪素）和傘形酮（傘形花內(nèi)酯）； 酚酸類主要有，香草酸，對(duì)羥基苯甲酸，沒食子酸等；揮發(fā)油類主要有杜松腦。其中經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)杜鵑素具有止咳祛痰之功效[6]，可直接作用在呼吸道的粘膜上促進(jìn)纖毛的運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)支氣管機(jī)械清除異物的功能并使痰液黏度下降使痰變稀可易于咳出；金絲桃苷具有很強(qiáng)的抗氧化作用；槲皮素具有一定抗炎活性；楊梅素具有抗血栓、抗心肌缺血、改善微循環(huán)降血糖、抗氧化、保肝護(hù)肝等多方面的藥理作用；山柰酚是很好的天然抗氧化劑，具有抗癌、抑制生育、抗癲癇、抗炎、利膽利尿、降低血脂等作用，并具有抗菌和止咳的功效，能抑制黃色葡萄球菌及綠膿桿菌，也可用來治療支氣管炎和糖尿病白內(nèi)障[78]。

運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法研究黃酮類化合物抗氧化活性的影響因素及大小順序已經(jīng)成為中藥有效成分評(píng)價(jià)的重要手段，如趙繼紅等量子化學(xué)計(jì)算方法研究探討了幾種典型黃酮類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素，指出分子中的酚羥基的數(shù)目及可以形成氫鍵的數(shù)目與分子的抗氧化活性正相關(guān)，是黃酮類化合物具有強(qiáng)抗氧化活性的重要因素[9]； 齊婧敏運(yùn)用量子化學(xué)密度泛函理論方法對(duì)從黑沙蒿植物中分離得到的4種黃酮類化合物的抗氧化活性從分子幾何結(jié)構(gòu)、不同位置酚羥基解離能及分子軌道能級(jí)差大小等幾方面進(jìn)行了抗氧化活性的大小評(píng)估，為認(rèn)識(shí)黑沙蒿植物中黃酮類化合物抗氧化活性大小提供了理論方法上的指導(dǎo)[12]。本文選取中藥滿山紅中已分離得到的4個(gè)具有生物活性的黃酮類化合物杜鵑素、槲皮素、山柰酚、楊梅素作為研究對(duì)象，采用量子化學(xué)的密度泛函理論方法對(duì)4個(gè)活性有機(jī)化合物的電子結(jié)構(gòu)、鍵離解能（BDE）以及軌道能量分布進(jìn)行了研究，比較了各個(gè)參數(shù)的大小，初步評(píng)估出4個(gè)黃酮類化合物活性的大小，為該中藥的資源開發(fā)與藥理活性的研究提供理論上的指導(dǎo)。

1計(jì)算方法

本研究采用密度泛函理論DFT方法，在B3LYP/63.1.1++G（d，p）計(jì)算水平下對(duì)滿山紅中4種有效活性成分的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率分析、鍵離解能（BDE）及分子最高占有軌道HOMO和分子最低空軌道LUMO的能級(jí)及其能極差分析，初步研究了4個(gè)活性藥物分子的抗氧化活性大小。計(jì)算所用軟件為SPTAN 08與GAUSSIAN 09。

2結(jié)果與討論

2.1分子幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)[優(yōu)化得到的滿山紅中4種分子的主要參數(shù)鍵長(zhǎng)（）及其二面角（°）]

運(yùn)用B3LYP/63.1.1++G（d，p）方法對(duì)4種黃酮類化合物分子進(jìn)行優(yōu)化，分子結(jié)構(gòu)見圖1，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，從表中參數(shù)可知4種黃酮分子相同環(huán)上酚羥基的鍵長(zhǎng)基本相等，不同環(huán)上的酚羥基鍵長(zhǎng)稍有不同。4種分子中山柰酚、楊梅素、槲皮素3個(gè)分子幾乎共平面，杜鵑素B環(huán)與C環(huán)存在一定的二面角，這是因?yàn)槎霹N素2號(hào)位上的C元素是1個(gè)手性碳，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)中環(huán)與環(huán)之間存在空間立體差異；另外的3個(gè)黃酮化合物具有共軛平面結(jié)構(gòu)。

1 杜鵑素；2 山柰酚；3 槲皮素；4 楊梅素（表1，2同）。

黃酮類化合物抗氧化活性的影響因素主要是羥基化的位置和程度[9]，從4種化合物的分支結(jié)構(gòu)圖可以知道，4種化合物的羥基數(shù)目順序?yàn)椋簵蠲匪?槲皮素>山柰酚>杜鵑素。從圖1和表1可以看出，當(dāng)4個(gè)黃酮化合物的B環(huán)4′位酚羥基未與鄰位酚羥基形成分子內(nèi)氫鍵時(shí)鍵長(zhǎng)幾乎都相等（杜鵑素與山柰酚）；當(dāng)B環(huán)4′位酚羥基與鄰位酚羥基形成分子內(nèi)氫鍵時(shí)鍵長(zhǎng)發(fā)生了拉長(zhǎng)（槲皮素與楊梅素），說明黃酮類化合物抗氧化活性大小差異主要發(fā)生在B環(huán)上且分子內(nèi)氫鍵對(duì)其抗氧化活性影響較大。另一影響因素為分子內(nèi)形成的氫鍵的數(shù)目，內(nèi)氫鍵數(shù)目越多，形成的半醌式自由基越發(fā)的穩(wěn)定，抗氧化活性就越強(qiáng)。黃酮類抗氧化活性主要取決于B環(huán)上酚羥基的數(shù)目和位置，A環(huán)上酚羥基不是清除自由基的活性中心，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致[12]。對(duì)黃酮類化合物幾何結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明其自由基主要以半醌式結(jié)構(gòu)存在，這正是酚類化合物具較好抗氧化活性的結(jié)構(gòu)特征，半醌式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接和自由基的穩(wěn)定性相聯(lián)系，半醌式越穩(wěn)定，則自由基越穩(wěn)定，二者成正相關(guān)。其中有利于自由基上單電子分散的因素，就能使形成的自由基比較穩(wěn)定，抗氧化活性高，所以鄰、對(duì)位上的羥基能有效分散苯氧自由基上的單電子，從而穩(wěn)定了自由基?對(duì)黃酮類化合物2，3位雙鍵和4位羰基對(duì)分子的結(jié)構(gòu)有較大的影響； B環(huán)含有鄰位酚羥基，則活性較高，其主要原因是鄰位的酚羥基能形成分子內(nèi)氫鍵，有利于B環(huán)苯氧自由基的穩(wěn)定[12]。

滿山紅中的4種黃酮類化合物可形成的氫鍵數(shù)目：楊梅素（4個(gè)）>槲皮素（3個(gè)）>山柰酚（2個(gè)）>杜鵑素（1個(gè)）。其中，楊梅素與槲皮素結(jié)構(gòu)中的B環(huán)上都含有鄰位羥基從而容易形成B環(huán)上分子內(nèi)氫鍵，有利于分散苯氧自由基上的單電子，使自由基形成后更穩(wěn)定，且楊梅素B環(huán)上有3個(gè)酚羥基彼此可以形成2個(gè)分子內(nèi)氫鍵而槲皮素B環(huán)上只有2個(gè)酚羥基彼此只能形成1個(gè)分子內(nèi)氫鍵，從楊梅素與槲皮素2，3位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析：楊梅素C環(huán)的2，3位雙鍵的存在使得該分子形成自由基會(huì)更穩(wěn)定，因此楊梅素抗氧化活性應(yīng)該高于槲皮素；相反，山柰酚與杜鵑素的B環(huán)結(jié)構(gòu)中都只有1個(gè)酚羥基形成不了分子內(nèi)氫鍵，對(duì)自由基穩(wěn)定性起不了多大作用，相比楊梅素與槲皮素而言抗氧化活性要低一些，其中山柰酚分子的C環(huán)3位比杜鵑素多了1個(gè)酚羥基且2，3位存在雙鍵有利于半醌式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此抗氧化性活性要更強(qiáng)一些。綜上討論，4種化合物的抗氧化活性順序?yàn)槎霹N素

2.2.4種黃酮化合物不同位置酚羥基的BDE可以用抗氧化劑的OH鍵的解離焓（BDE）作為參數(shù)來表征不同位置酚羥基氫離域能力。在B3LYP/63.1.1++G（d，p）計(jì)算水平下，H原子的電子能量的精確值為-0502 2.5.7 0 hartree，化合物OH的鍵解離能（BDE）越低，抗氧化劑就越容易把它的羥基氫原子傳遞給活性氧自由基ROO?，清除自由基的活性越大。中藥滿山紅中4種黃酮類化合物不同位置酚羥基抽氫解離能BDE的計(jì)算，見表2。從表中，可以看出：4個(gè)黃酮化合物酚羥基抽氫解離能BDE的最小值幾乎都出現(xiàn)在B環(huán)上，說明這4個(gè)黃酮化合物的活性位點(diǎn)主要發(fā)生于B環(huán)。對(duì)于杜鵑素分子，B4的BDE最小為3.7805.1 3.68 9 kJ?mol-1，其次為A7達(dá)到3.81.4.2.6 1.80 4 kJ?mol-1，A5的BDE值最大為4.2072.4 4.83 6，說明杜鵑素分子結(jié)構(gòu)中B4的酚羥基最為活潑而A5的酚羥基由于與C環(huán)的4位羰基易形成分子內(nèi)的氫鍵而非常穩(wěn)定不容易失去氫原子；對(duì)于山柰酚分子，C3的BDE最小為3.6802.8 1.3.9 1 kJ?mol-1，其次為B4達(dá)到3.68901 2.94 2 kJ?mol-1，接著為A7達(dá)到3.93.75.7 881 4 kJ?mol-1，A5的BDE值最大為4.2072.4 4.83 6 kJ?mol-1，說明該分子的B環(huán)與C環(huán)上的酚羥基BDE解離能接近氫原子都很活潑容易失去，而A環(huán)上的2個(gè)酚羥基BDE值較大使得分子較為穩(wěn)定不容易發(fā)生抽氫反應(yīng)；對(duì)于槲皮素，最小的BDE值仍出現(xiàn)在B環(huán)上面，分別為B3 3.4.73.5.3 3.66 3 kJ?mol-1，B4 3.71.205 02.1 4 kJ?mol-1，最大的BDE仍然出現(xiàn)在A環(huán)，與杜鵑素分子與山柰酚2個(gè)分子相比，槲皮素分子B3位的BDE值更小，說明它比前2個(gè)分子更容易失去B環(huán)上的酚羥基原子；楊梅素分子的B環(huán)上連接有3個(gè)酚羥基，容易形成2個(gè)分子內(nèi)氫鍵，最小的BDE值出現(xiàn)在B4位為3.3.9885 03.1 kJ?mol-1，是4個(gè)黃酮化合物中BDE數(shù)值最小的，說明該分子的B環(huán)分子間氫鍵的作用，削弱了各酚羥基OH的鍵強(qiáng)度，使抽氫反應(yīng)相對(duì)變得容易，BDE降低最大，抗氧化活性應(yīng)該最強(qiáng)。從以上4個(gè)黃酮化合物的不同位置酚羥基的BDE數(shù)值分析可以看出，B環(huán)上面的酚羥基最為活潑，其次為C環(huán)，A環(huán)較為穩(wěn)定最不活潑，對(duì)4個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中的酚羥基的BDE數(shù)值排序后，發(fā)現(xiàn)4種化合物的抗氧化活性順序?yàn)椋憾霹N素

2.3 前線分子軌道前線分子軌道是指最高占據(jù)軌道HOMO和最低空軌道LUMO。根據(jù)前線分子軌道理論，能量越高的最高占據(jù)軌道中的電子越不穩(wěn)定，更容易失電子，能量越低的最低空軌道越易接收電子；并且，最高占據(jù)軌道與最低空軌道的能極差反映了分子形成反應(yīng)活化態(tài)所必須的能量大小，即其差值越小，所需能量越小，反應(yīng)的活性越高，分子越發(fā)活潑，抗氧化性越強(qiáng)[10]，見圖2，表3。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，對(duì)4種黃酮化合物的前線軌道能級(jí)進(jìn)行排序：楊梅素E（HOMO）>槲皮素E（HOMO）>山柰酚E（HOMO）>杜鵑素E（HOMO）； 槲皮素E（LUMO）>山柰酚E（LUMO） >杜鵑素E（LUMO） >楊梅素E（LUMO）； 杜鵑素SE（LUMO-HOMO）>山柰酚SE （LUMO-HOMO）>槲皮素SE （LUMO-HOMO） >楊梅素SE（LUMO-HOMO）。根據(jù)上述比較可知：楊梅素的最高占據(jù)軌道（HOMO）上的電子最不穩(wěn)定，容易失去電子，易接受外來電子，因此，楊梅素的活性最強(qiáng)。槲皮素的（HOMO）居于第2位，同樣具有較高的活性。再根據(jù)SE （LUMO-HOMO）的比較可知楊梅素的能極差最小，槲皮素次之。因此，綜上所述，無論從分子的前線軌道能級(jí)還是最高占據(jù)軌道與最低空軌道的能極差楊梅素和槲皮素都具有較高的抗氧化活性?？寡趸钚源笮槎霹N素

3 結(jié)論

本章采用量子化學(xué)密度泛函理論（DFT）的計(jì)算方法研究了滿山紅中4種黃酮類化合物分子結(jié)構(gòu)。從分子的幾何結(jié)構(gòu)、不同位置酚羥基的BDE、前線軌道等的理論參數(shù)得出杜鵑素的酚羥基個(gè)數(shù)最少，其抗氧化活性最弱；楊梅素的活性最強(qiáng)。再根據(jù)分子能級(jí)軌道分析結(jié)果，可知滿山紅中4種黃酮化合物的抗氧化活性大小為杜鵑素

[參考文獻(xiàn)]

[1]中國(guó)藥典 一部[S] 2010： 3.3.9.

[2]趙寶琴，高陸.滿山紅化學(xué)成分和藥理學(xué)研究進(jìn)展[J]人參研究， 201.5， 2.7（1）：4.2.

[3]趙璽，李連闖，車文實(shí)，等 滿山紅研究進(jìn)展[J]黑龍江醫(yī)藥， 201.2， 2.5（5）：690

[4]付曉麗，張立偉，林文瀚，等 滿山紅化學(xué)成分的研究[J]中草藥， 2010， 4.1（5）：704

[5]劉永V，傅豐永，謝晶曦，等 滿山紅化學(xué)成分的研究（第Ⅰ報(bào)）[J]. 化學(xué)學(xué)報(bào)， 1.976， 3.4（3）：2.1.3

[6]周媛媛，王棟，關(guān)楓 滿山紅止咳平喘有效成分的研究[J]. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2007， 1.8（10）：2.1.4

[7]林小聰，劉新光，陳小文，等 山柰酚抑制蛋白激酶 CK2 活性[J]中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)， 2006， 2.2（1.1）： 891

[8]劉冬英，?；劬?，鄭一凡，等 山柰酚調(diào)節(jié)細(xì)胞色素 P4.50 3A4 轉(zhuǎn)錄表達(dá)的研究[J]浙江大學(xué)學(xué)報(bào)： 醫(yī)學(xué)版，2006， 3.5（1）：1.4

[9]趙繼紅，梁宇，顏達(dá)予 黃酮類化合物抗氧化活性的結(jié)構(gòu)因素[J]北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001， 1.3（1）： 3.6

[10]陳志行 有機(jī)分子軌道理論[M]濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社， 1.991：1.

[11]林夢(mèng)海 量子化學(xué)計(jì)算方法與應(yīng)用[M]北京：科學(xué)出版社， 2004

第5篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：燃燒學(xué)；量子化學(xué)；Gaussian軟件；多媒體

中圖分類號(hào)：G642?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）19-0041-02

“燃燒學(xué)”是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涉及化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)以及熱化學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)，是一門典型的交叉學(xué)科。由于“傳熱學(xué)”、“熱力學(xué)”以及“流體力學(xué)”是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，通過前期的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容較為熟悉。但由于專業(yè)的限制，本專業(yè)學(xué)生在大學(xué)期間很少有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)化學(xué)專業(yè)知識(shí)，因而對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱化學(xué)等內(nèi)容相對(duì)陌生，不少學(xué)生在課后反映該部分內(nèi)容抽象難懂。燃燒過程實(shí)質(zhì)上是耦合了流動(dòng)、傳熱以及熱力相變的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程。因此，掌握好化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱化學(xué)等知識(shí)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)具有重要意義。筆者根據(jù)在科研與教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，將量子化學(xué)Gaussian軟件應(yīng)用到燃燒學(xué)課程的教學(xué)中，取得了良好的效果。

一、量子化學(xué)Gaussian軟件介紹

量子化學(xué)是應(yīng)用量子力學(xué)的規(guī)律和方法來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科。量子化學(xué)Gaussian軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包，是化學(xué)領(lǐng)域最著名的軟件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系統(tǒng)中運(yùn)行，目前最新版本為Gaussian 03。該軟件由量子化學(xué)家約翰波普的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，可以應(yīng)用從頭計(jì)算方法、半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法模擬和計(jì)算分子和過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢(shì)、振動(dòng)頻率、紅外和拉曼光譜、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)以及反應(yīng)路徑等內(nèi)容，是目前應(yīng)用最廣泛的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和從頭計(jì)算量子化學(xué)計(jì)算軟件。量子化學(xué)Gaussian軟件在教學(xué)中可以輕松搭建直觀的分子和原子模型，并且從分子動(dòng)力學(xué)層面展現(xiàn)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在變化和重組過程。因此，學(xué)生可以直觀地了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)內(nèi)在規(guī)律，從而強(qiáng)化對(duì)相關(guān)知識(shí)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)與掌握。

二、量子化學(xué)Gaussian軟件在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

量子化學(xué)Gaussian軟件的功能非常強(qiáng)大，但本文僅選擇個(gè)別功能，并且通過列舉“燃燒學(xué)”中最常見的兩個(gè)簡(jiǎn)單基元反應(yīng)實(shí)例來介紹其在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用。

1.實(shí)例一

CO和·OH的反應(yīng)是燃燒過程以及燃燒大氣污染控制化學(xué)中的一個(gè)重要基元反應(yīng)。根據(jù)分子碰撞理論，兩種物質(zhì)是通過相互碰撞發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但這種說法對(duì)于非化學(xué)專業(yè)的同學(xué)來說非常抽象，不易理解。比如兩者是如何發(fā)生碰撞的，碰撞后又是如何發(fā)生反應(yīng)的，這些問題都很模糊，通過簡(jiǎn)單的文字描述很難講清楚。而通過簡(jiǎn)單直觀的圖形講解則可能取得意想不到的效果。圖1顯示的是采用Gaussian軟件中的密度泛函理論（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基組水平下全參數(shù)優(yōu)化和模擬反應(yīng)過程中的各反應(yīng)物、中間體（IM）、過渡態(tài)（TS）以及反應(yīng)產(chǎn)物的幾何構(gòu)型示意圖。

圖2顯示的是CO和·OH之間的反應(yīng)能級(jí)示意圖。從圖中結(jié)果可以看出，CO和·OH之間的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是·OH對(duì)CO發(fā)動(dòng)進(jìn)攻，即·OH的O原子去進(jìn)攻CO中的C原子，得到反應(yīng)中間體IM1。從中間體IM1出發(fā)有兩種裂解方式：一種是經(jīng)過渡態(tài)TS1斷裂其H-O鍵；另一種方式是IM1首先經(jīng)過一個(gè)異構(gòu)化過渡態(tài)TS2異構(gòu)為另一順式中間體IM2，然后IM2又經(jīng)過渡態(tài)TS3斷裂其H-O鍵生成產(chǎn)物CO2和H?；谝陨夏芗?jí)分析，反應(yīng)存在兩條可能的通道。但通過計(jì)算的活化能可知，第一條反應(yīng)路徑需要的活化能為197.41 kJ/mol，而第二條需要的活化能僅為33.22 kJ/ mol?；瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)行必須先要克服一定的能量障礙，即活化能才可以發(fā)生。從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二個(gè)通道需要克服的能量障礙更小，即更容易發(fā)生，是該反應(yīng)的主要通道（主要反應(yīng)路徑）。

2.實(shí)例2

第6篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各學(xué)科的每一個(gè)領(lǐng)域之中，各學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴程度越來越高，化學(xué)工程學(xué)科也不例外。目前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)深入應(yīng)用到化工模擬、計(jì)算化學(xué)和化工制圖等化學(xué)工程學(xué)科的各個(gè)層面之中，對(duì)化學(xué)工程的發(fā)展起著巨大的促進(jìn)推動(dòng)作用?；瘜W(xué)工作者應(yīng)該抓住機(jī)遇，在新時(shí)期努力學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)、熟練掌握運(yùn)用計(jì)算機(jī)，將其應(yīng)用到化工設(shè)計(jì)、化學(xué)本文由收集整理計(jì)算中去，使化工學(xué)科能夠更快地發(fā)展。

化學(xué)工程作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，長(zhǎng)期以來是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，是一門理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，化學(xué)工程的研究中又增加了計(jì)算與計(jì)算機(jī)模擬的方法，它已經(jīng)逐漸成為化學(xué)工程中最富有生命力的研究方法。隨著電子計(jì)算機(jī)在化學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的化學(xué)工程學(xué)科已逐漸成為一門集實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、理論于一體的綜合性學(xué)科。

從20世紀(jì)50年代開始，科研工作者就利用計(jì)算機(jī)解算化工過程的數(shù)學(xué)模型，使研究方法出現(xiàn)了一個(gè)革新。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，化工過程模擬已經(jīng)成為普遍采用的常規(guī)手段，被廣泛應(yīng)用于化工過程的研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化、操作培訓(xùn)和技術(shù)改造之中。

一、流程模擬

化工過程流程模擬或流程模擬是根據(jù)化工過程的數(shù)據(jù)，諸如物料的壓力、溫度、流量、組成和有關(guān)的工藝操作條件、工藝規(guī)定、產(chǎn)品規(guī)格以及一定的設(shè)備參數(shù)，如蒸餾塔的板數(shù)、進(jìn)料位置等，采用適當(dāng)?shù)哪M軟件，將一個(gè)有許多個(gè)單元過程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模擬描述，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際生產(chǎn)過程，并在計(jì)算機(jī)上通過改變各種有效條件得到所需要的結(jié)果，其中包括最受關(guān)心的原材料消耗、公用工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)。

流程模擬就是在計(jì)算機(jī)上“再現(xiàn)”實(shí)際生產(chǎn)過程，由于這一“再現(xiàn)”過程不涉及實(shí)際裝置的任何管線、設(shè)備以及能源的變動(dòng)，因此給化工模擬人員最大的自由度，可以在計(jì)算機(jī)上任意進(jìn)行不同方案和工藝條件的探討、分析。流程模擬式計(jì)算機(jī)技術(shù)是化工方面的最重要應(yīng)用之一。應(yīng)用流程模擬系統(tǒng)不僅可以節(jié)省時(shí)間，也可節(jié)省大量資金和操作費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低消耗。流程模擬系統(tǒng)還可以對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、過程優(yōu)化、環(huán)境評(píng)價(jià)進(jìn)行全面地分析和精確評(píng)估，并可以對(duì)化工過程的規(guī)劃、研究和開發(fā)及技術(shù)可靠性做出分析，并快速準(zhǔn)確地對(duì)多種流程方案進(jìn)行分析和對(duì)比。

二、單元模擬

化工工業(yè)處理的過程是以質(zhì)量、動(dòng)量和能量的連續(xù)流動(dòng)為特征，傳統(tǒng)手段對(duì)這一過程的處理很大程度上是依靠經(jīng)驗(yàn)以及一些宏觀參數(shù)表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。現(xiàn)代流程模擬技術(shù)中，絕大部分單元過程仍被處理為“黑箱”模型，對(duì)流動(dòng)、傳質(zhì)、熱、反應(yīng)比較敏感的單元過程的設(shè)計(jì)、放大，需要了解有關(guān)質(zhì)量、動(dòng)量、能量流更多微觀和深入的信息，單元模擬技術(shù)就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。

在單元模擬過程中，單元內(nèi)部的介質(zhì)基本是多組分或多相的，傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)過程相互耦合。單元模擬技術(shù)通過離散方法求解這一耦合體系，以獲得空間和時(shí)間的速度分布、溫度分布、壓力分布、濃度分布、相分?jǐn)?shù)分布等。單元模擬技術(shù)可以提供傳統(tǒng)手段難以獲得的大量信息，如單元過程內(nèi)部所有參數(shù)的空間分布和動(dòng)態(tài)變化，通過這些信息可以深入理解單元過程內(nèi)部的機(jī)理，在發(fā)生異常時(shí)亦有助于分析原因。因此，它是一種低成本的調(diào)優(yōu)手段，當(dāng)結(jié)構(gòu)形式或結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后，單元過程內(nèi)部隨工藝參數(shù)和操作參數(shù)而變化的過程，可以在計(jì)算機(jī)上很方便地進(jìn)行試驗(yàn)，直接用于優(yōu)化和改造手段，而且單元模擬的計(jì)算不是經(jīng)驗(yàn)性的，比較可靠，目前單元模擬主要用于化工生產(chǎn)的工程放大、優(yōu)化設(shè)計(jì)、診斷及擴(kuò)能改造、生產(chǎn)調(diào)優(yōu)及控制四個(gè)方面。

三、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是一門研究各種因素對(duì)反應(yīng)速率的影響規(guī)律和反應(yīng)機(jī)理的科學(xué)，在根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)反應(yīng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上建立了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，它們對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、最優(yōu)化條件的選擇都是必不可少的理論基礎(chǔ)。

目前所采用的物理化學(xué)教材對(duì)一系列對(duì)峙、平行、連

續(xù)等復(fù)雜反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程僅給出分離變量法或消元法等單一的數(shù)學(xué)處理方法，這種方法對(duì)于非常簡(jiǎn)單的復(fù)雜反應(yīng)可以求出解析解，但大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，由于從反應(yīng)機(jī)理得到的微分方程組，非常不便求解，因此借助電子計(jì)算機(jī)用數(shù)值解法，可以方便地求解從反應(yīng)機(jī)理得到的微分方程組。

計(jì)算機(jī)模擬在復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算得到的結(jié)果可以預(yù)知反應(yīng)過程中各反應(yīng)物質(zhì)濃度的變化，通過對(duì)連續(xù)反應(yīng)最佳時(shí)間的計(jì)算可以控制反應(yīng)時(shí)間以得到所需要的物質(zhì)的最大濃度，通過計(jì)算平行反應(yīng)和對(duì)峙放熱反應(yīng)最佳溫度，可以控制反應(yīng)溫度，優(yōu)化反應(yīng)條件，使生成產(chǎn)物的速率達(dá)到最大值，這些計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的數(shù)值可以為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中工藝條件的控制以及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)。

四、分子模擬

從分子水平來研究化工過程及產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)，無疑是21 世紀(jì)化學(xué)工程的一個(gè)重要方向，計(jì)算機(jī)模擬研究已漸成為與實(shí)驗(yàn)研究及理論研究相平衡的認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的第三種重要方法?；崃W(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于化學(xué)工業(yè)過程的設(shè)計(jì)、操作以及優(yōu)化具有重要的作用。熱力學(xué)數(shù)據(jù)一般通過三個(gè)途徑取得：即實(shí)驗(yàn)測(cè)定、理論總結(jié)及計(jì)算機(jī)分子模擬。通過計(jì)算機(jī)分子模擬，可以較為嚴(yán)格地從流體的微觀相互作用出發(fā)，預(yù)測(cè)流體的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)。特別是在一些極端的條件（如高溫、高壓、劇毒）下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是很困難的，計(jì)算機(jī)模擬則較易實(shí)現(xiàn)，并且比較經(jīng)濟(jì)。采用計(jì)算機(jī)分子模擬方法，可以得到相當(dāng)可靠的熱力學(xué)體系的徑向分布函數(shù)、宏觀熱力學(xué)性質(zhì)以及輸運(yùn)性質(zhì)，這為我們建立與改進(jìn)各種描述實(shí)際現(xiàn)象的理論或模型提供可靠的依據(jù)。

化學(xué)是一門基礎(chǔ)性學(xué)科，是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)學(xué)科中的廣泛應(yīng)用，逐漸形成了應(yīng)用計(jì)算機(jī)研究化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)變化的獨(dú)立學(xué)科，它以計(jì)算機(jī)為技術(shù)手段，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)方面的數(shù)值計(jì)算，這就是計(jì)算化學(xué)。

計(jì)算化學(xué)是理論化學(xué)的重要分支，是利用電子計(jì)算機(jī)、通過數(shù)值計(jì)算解決化學(xué)問題的一門方法學(xué)。計(jì)算化學(xué)是一門新興的、多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，它運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行化學(xué)方面的理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)與信息處理、分類、分析和預(yù)測(cè)。隨著化學(xué)儀器對(duì)自動(dòng)化要求越來越高，許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程用人工進(jìn)行控制相當(dāng)困難，需要可靠的控制技術(shù)系統(tǒng)，因此計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬技術(shù)從根本上改變了化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

計(jì)算化學(xué)以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，用高級(jí)語(yǔ)言及其編程技術(shù)，解決化學(xué)中的數(shù)值計(jì)算問題，它將數(shù)學(xué)的計(jì)算方法通過計(jì)算機(jī)程序具體地應(yīng)用于化學(xué)過程中，通常用來研究化學(xué)中一些常用的、共同的、較為常見的計(jì)算方法，是化學(xué)計(jì)算的核心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)插、函數(shù)擬合、線性方程組求解、高階方程組求解、解微分方程組、求本征值與本征向量等，它們均與化學(xué)中量子化學(xué)、分析化學(xué)、化學(xué)平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等密切相關(guān)?，F(xiàn)代計(jì)算化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)⒏鞣N化學(xué)性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系定量地聯(lián)系起來，化學(xué)因此正從實(shí)驗(yàn)科學(xué)邁向?qū)嶒?yàn)、計(jì)算、理論相結(jié)合的綜合性學(xué)科，化學(xué)已經(jīng)由多實(shí)驗(yàn)少計(jì)算，演變?yōu)橄葘?shí)驗(yàn)再計(jì)算，也必將逐步演變?yōu)橄扔?jì)算再實(shí)驗(yàn)。

目前計(jì)算化學(xué)在無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)中都有廣泛地運(yùn)用，具體來說，計(jì)算化學(xué)要完成的任務(wù)主要有量子結(jié)構(gòu)計(jì)算、分子從頭計(jì)算、半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和分子力學(xué)計(jì)算等量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)范疇，以及物理化學(xué)參數(shù)計(jì)算，包括反應(yīng)焓、偶極距、振動(dòng)頻率、光譜熵、反應(yīng)自由能、反應(yīng)速率等理論計(jì)算，這些屬于化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)及統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)范疇。在計(jì)算化學(xué)中，數(shù)值計(jì)算是最根本的任務(wù)，其目的是將已知參數(shù)通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)計(jì)算得到一個(gè)預(yù)期的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果可以和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，也可以和前人的研究成果相比較，最終得出結(jié)論，用來指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。

化學(xué)工程設(shè)計(jì)具體的任務(wù)涉及物料衡算、能量衡算、廠區(qū)布置圖繪制、車間布置圖繪制、設(shè)備裝備圖繪制、管道布置圖繪制、帶控制點(diǎn)工藝流程圖繪制、設(shè)備選型及強(qiáng)度校核計(jì)算等許多工作，如此眾多繁雜的工作，如能引入計(jì)算機(jī)輔助，將大大減輕化工設(shè)計(jì)工作的強(qiáng)度。

過去那種利用普通紙筆繪制化工圖樣、利用計(jì)算尺和計(jì)算器進(jìn)行的各種計(jì)算將被計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用所取代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制圖和普通制圖相比不僅具有繪制精確、圖面整潔等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有隨意修改、重復(fù)利用、按需打印等普通手工繪制無法具備的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

進(jìn)行化工工程圖繪制已經(jīng)是21世紀(jì)的基本趨勢(shì)。

第7篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：計(jì)算化學(xué)軟件；有機(jī)化學(xué)；應(yīng)用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.119

近幾年來，計(jì)算化學(xué)軟件逐漸得到了人們的重視。在大學(xué)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，它能夠通過傳統(tǒng)的平面符號(hào)將深?yuàn)W的化學(xué)信息傳遞給學(xué)生，并加強(qiáng)他們對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的理解。另外，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不能夠滿足學(xué)生對(duì)知識(shí)的需求，只有結(jié)合現(xiàn)代化的輔助工具，才可以達(dá)到提升學(xué)習(xí)效率的目的。

1 計(jì)算化學(xué)軟件在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

（1）計(jì)算化學(xué)軟件在立體模型方面的分析方式。從本質(zhì)上來講，分子立體結(jié)構(gòu)的教學(xué)在有機(jī)化學(xué)中是必不可少的。但傳統(tǒng)的方式中，教師僅僅用單一的構(gòu)圖法對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃，來將其中的規(guī)律呈現(xiàn)在他們面前。這種方法不僅復(fù)雜，增加了教師的任務(wù)量，也無法使學(xué)生徹底的理解知識(shí)，并產(chǎn)生了負(fù)擔(dān)。同時(shí)，一些想象空間缺失的學(xué)生更無法將立體結(jié)構(gòu)展開，體現(xiàn)“具體問題具體分析”的合理性?？梢娫谟袡C(jī)化學(xué)中計(jì)算軟件的應(yīng)用是必不可少的。首先，大學(xué)化學(xué)中的重點(diǎn)就是有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)分析。它能夠從化學(xué)反應(yīng)的基本原理出發(fā)，構(gòu)建物質(zhì)之間的基本聯(lián)系，并體現(xiàn)其中的演變過程。因此，教師可以通過分子結(jié)構(gòu)的剖析，利用計(jì)算軟件將排列方式呈現(xiàn)出來，并在多媒體中進(jìn)行模擬教學(xué)，體現(xiàn)教學(xué)方法的靈活性。

例如：在甲烷分子的構(gòu)想過程中，教師則可以利用office中的3D處理功能，構(gòu)建一個(gè)立體結(jié)構(gòu)的演示過程，并將分子模型進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，為了能夠?qū)?dòng)態(tài)過程體現(xiàn)出來，教師也可以通過“Flash”動(dòng)畫模型的建立做出C-C的360度旋轉(zhuǎn)過程，改變分子形態(tài)中的二苗角，來完成計(jì)算軟件中的曲線剖析動(dòng)作。最后，教師要利用Gaussian03軟件實(shí)現(xiàn)分子關(guān)聯(lián)性講解。將每一分子作為一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，利用掃描功能對(duì)每一部分進(jìn)行分析，并將對(duì)應(yīng)的勢(shì)能曲線表達(dá)出來。這種教學(xué)方法的好處在于能夠使學(xué)生從全方位看出分子的構(gòu)象規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)曲線的交叉變換，令他們掌握乙烷的穩(wěn)定排列形態(tài)。

（2）計(jì)算化學(xué)軟件對(duì)分子光學(xué)模擬的分析。有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)目的是令學(xué)生能夠用更加全面、靈活的眼光來分析宏觀與微觀世界。因此，為了體現(xiàn)內(nèi)容的多樣化，教師可以將光譜理念引入到其中。首先，傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)方式主要是以引入儀器的方法來完成，但這些化學(xué)輔助工具卻無法將有機(jī)物分子展開。針對(duì)這種情況，教師要利用計(jì)算軟件進(jìn)行知識(shí)解析。首先，在操作過程中教師以Gaussian03軟件為主，以功能的設(shè)定為具體方向，對(duì)分子光譜進(jìn)行預(yù)測(cè)及模擬。例如：在有機(jī)分子紅外光譜的學(xué)習(xí)中，教師利用互動(dòng)模式將學(xué)生帶入到課堂學(xué)習(xí)中，將他們兩兩分為一組，并在建立好的模型上進(jìn)行演示。而學(xué)生要根據(jù)模型中的振動(dòng)頻率將關(guān)鍵詞Freq輸入進(jìn)去，在文件的處理界面中選擇“演示”字樣，系統(tǒng)則會(huì)選定一個(gè)基本頻率，以分子振動(dòng)節(jié)點(diǎn)為中心，制定相應(yīng)的光譜。學(xué)生只要點(diǎn)擊系統(tǒng)中的“開始”選項(xiàng)，多媒體就會(huì)將化合物分子中的伸縮振動(dòng)過程、光譜曲線、結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)方向逐一體現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的動(dòng)態(tài)化。

再如：在雙分子親和的教學(xué)中，教師要首先建立好相應(yīng)的計(jì)算模型。系統(tǒng)會(huì)依照分子之間的運(yùn)動(dòng)頻率確立核定方式，并將分析中所呈現(xiàn)出的關(guān)鍵詞運(yùn)用到其中。最后，計(jì)算軟件能夠進(jìn)行分子常態(tài)的設(shè)定，學(xué)生可以從中看出離子的分散過程以及試劑的投入順序。同時(shí)，教師要結(jié)合其中的重點(diǎn)內(nèi)容將相關(guān)的理論知識(shí)融入進(jìn)去，使學(xué)生根據(jù)總結(jié)出反應(yīng)中呈現(xiàn)的狀態(tài)，并以小組討論的方式整理好雙分子親和中的關(guān)鍵點(diǎn)。最后，教師以小組為單位進(jìn)行逐一評(píng)定，選取其中比較優(yōu)秀的一組進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。

2 計(jì)算化學(xué)軟件在計(jì)算化學(xué)軟件在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

（1）深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。有機(jī)物特性分子在化學(xué)教學(xué)中是必不可少的。但這部分內(nèi)容也是學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，如何將化學(xué)知識(shí)與其物理特征聯(lián)系在一起，并直觀的呈現(xiàn)在學(xué)生的面前是教育的關(guān)鍵。例如：以HOMO化學(xué)概念的學(xué)習(xí)為主，教師只有將分子組合或分裂的排序過程中展現(xiàn)出來，學(xué)生才能夠真正依照其運(yùn)行軌跡進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)。而以計(jì)算軟件為主的教學(xué)方式則可以滿足這一要求。教師可以在建立基本模型的前提下選擇一條分子排列軌道，將演示內(nèi)容直觀、清晰的呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

（2）促進(jìn)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。由于有機(jī)化學(xué)的難度逐漸加深，單一的繪圖方式已經(jīng)無法滿足學(xué)生的需求。因此，教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變是必然的，也是現(xiàn)代化教育的結(jié)果。計(jì)算軟件能夠?qū)⒎肿拥臉?gòu)成式逐一展現(xiàn)出來，并將平面圖像變?yōu)榱Ⅲw形狀。因此，如果教師想要適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，就要提升自身的教育水平，學(xué)習(xí)計(jì)算化學(xué)軟件，并令其在課堂中能夠得到良好的應(yīng)用。同時(shí)，這種方式也減輕了教師的課業(yè)任務(wù)，節(jié)省了繪圖與版面制作的時(shí)間。從學(xué)生的角度來講，這種教育模式可以為他們帶來新鮮感，激發(fā)起學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)自身能力的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要從兩方面入手。第一，以計(jì)算軟件的應(yīng)用作為切入點(diǎn)，對(duì)其在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。第二，探究了計(jì)算軟件在化學(xué)課程中的意義。從而得出：教師要改變?cè)械慕逃砟睿瑢F(xiàn)代化的多媒體技術(shù)應(yīng)用到其中，以達(dá)到教育創(chuàng)新的目的。同時(shí)，計(jì)算化學(xué)軟件能夠?qū)⒊橄蟮闹R(shí)結(jié)構(gòu)以直觀的方式呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，有利于學(xué)習(xí)效率的提升，也可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深化，為人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙麗嬌，鐘儒剛，甄巖.計(jì)算化學(xué)軟件在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2008（08）.

[2]王亮，張玉敏，彭望明，胡思前.微課在大學(xué)“有機(jī)化學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及探索[J].新課程研究（中旬刊），2016（02）.

[3]鄭燕，孫文新.計(jì)算機(jī)化學(xué)軟件在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].石家莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（03）.

第8篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：氫分子（H2）；能量―核間距曲線；結(jié)構(gòu)化學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章號(hào)：1674-9324（2017）10-0217-04

一、前言

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)（理科）專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要講解原子的電子結(jié)構(gòu)、分子的電子結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型以及晶體（包括離子晶體、分子晶體、原子晶體以及金屬晶體）的微觀幾何構(gòu)型和物理性質(zhì)。結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子化學(xué)。大多數(shù)的結(jié)構(gòu)化學(xué)教材（比如北京大學(xué)周公度、段連運(yùn)教授編著的《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第3、4版）》[1]、廈門大學(xué)化學(xué)系物構(gòu)組編寫的《結(jié)構(gòu)化學(xué)》[2]等）對(duì)于氫分子離子的能量核間距曲線都有涉及或詳細(xì)講解，學(xué)生可以很直觀地明白為什么氫分子離子的能量是與核間距相關(guān)的。另一方面，可能由于處理比較復(fù)雜的原因，大多數(shù)教材對(duì)于氫分子能量與核間距的關(guān)系都涉及很少或者沒有進(jìn)行詳細(xì)講解。學(xué)生只是知道二者之間是有關(guān)系的，但是并不十分清楚二者之間是怎樣的關(guān)系，怎樣根據(jù)已有的數(shù)據(jù)繪制出氫分子的能量核間距曲線。本文旨在詳細(xì)闡述這一問題。

二、氫分子能量核間距曲線的詳細(xì)繪制步驟

本文以有關(guān)教材中給出的氫分子能量表達(dá)式為出發(fā)點(diǎn)，首先參考有關(guān)文獻(xiàn)給出氫分子能量E與核間距R之間的函數(shù)關(guān)系式，然后以此函數(shù)關(guān)系式為基礎(chǔ)計(jì)算出E與R之間的數(shù)值關(guān)系，最后繪制出E-R關(guān)系曲線。

（一）氫分子能量E與核間距R之間的函數(shù)關(guān)系式

參見《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》教材[1]第90頁(yè)，當(dāng)用價(jià)鍵法和線性變分法處理氫分子時(shí)，描述氫分子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)波函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的能量為：

ψ■=■（ψ■+ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）+ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

ψ■=■（ψ■-ψ■）=■[ψ■（1）ψ■（2）-ψ■（1）ψ■（2）]

E■=■=2E■+■

這里ψ■、ψ■均為氫原子基態(tài)波函數(shù)，均已經(jīng)歸一化，均是實(shí)數(shù)；E■為基態(tài)氫原子的能量，S為交換積分，Q稱為庫(kù)倫積分，A稱為交換積分：

S=∫ψ■■1ψ■1dτ■=∫ψ■■2ψ■2dτ■

Q=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■1ψ■2dτ■dτ■

A=∫∫ψ■■1ψ■■2■'ψ■2ψ■1dτ■dτ■

參考Slater教授編著的《Quantum Theory of Molecules and Solids： Electronic structure of molecules》書[3]中第50―51頁(yè)，經(jīng)過一定的推導(dǎo)，可以得到：

Q=■+■J+■J+■J'=J+■J'+■

A=■+■SK+■SK+■K'=KS+■+■

其中：

J=-■+2+■×e■

J'=■-■+■+■+■×e■

K=-2+2R×e■

S=1+R+■×e■

S'=1-R+■×e■

-Ei（-x）=■■dt

K'=■×

-e■×-■+■R+3R■+■？搖+■×S2×0.57722+lnR？搖+S'2×Ei-4R？搖-2×S×S'×Ei-2R？搖？搖

（二）能量―核間距（E-R）之間的數(shù)值關(guān)系

在上面K'的表達(dá)式里面含有指數(shù)積分函數(shù)Ei（-4R）和Ei（-2R）。它雖然也是核間距R的函數(shù)，但并沒有解析形式，只有數(shù)值形式，因此無法得到E-R的解析表達(dá)式，只能得到分散的數(shù)值解形式。本文在計(jì)算的時(shí)候，核間距R的取值區(qū)間范圍為0.1―4.0a.u.，取值間隔（步長(zhǎng)）為0.1a.u.，因此共計(jì)40個(gè)點(diǎn)。本文主要采用Origin7.5對(duì)有關(guān)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和處理。

1.S值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（S）=（1+col（R）+col（R）^2/3）*exp（-col（R））

這里，“col（S）”表示S的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

2.J值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（J）=-2/Col（R）+（2+2/Col（R））*exp（-2*Col（R））

這里，“col（J）”表示J的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

3.K值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（K）=-（2+2*col（R））*exp（-col（R））

這里，“col（K）”表示K的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

4.S'值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（S'）=（1-col（R）+col（R）^2/3）*exp（col（R））

這里，“col（S'）”表示S'的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

5.J'值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（J'）=2/col（R）-（2/col（R）+11/4+3*col（R）/2+col（R）^2/3）*exp（-2*col（R））

這里，“col（J'）”表示J'的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值。

6.K'值的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

col（K'）=2/5*（-exp（-2*col（R））*（-25/8+23/4*col（R）+3*col（R）^2+col（R）^3/3）+6/col（R）*（col（S）^2*（0.57722+ln（col（R）））+col（S'）^2*col（Ei4R）-2*col（S）*col（S'）*col（Ei2R）））

這里，“col（K'）”表示K'的數(shù)值，“col（R）”表示核間距R的數(shù)值，“col（S）”表示S的數(shù)值，“col（S'）”表示S'的數(shù)值。另外，還有“col（Ei4R）”和“col（Ei2R）”的數(shù)值未知，它們分別表示指數(shù)積分函數(shù)“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數(shù)值。

7.“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數(shù)值。

根據(jù)上面指數(shù)積分函數(shù)的定義，可以得到：

Ei（-4R）=-■■dt Ei（-2R）=-■■dt

上述兩個(gè)指數(shù)積分可以從Miller和Hurst撰寫的“Simplified Calculation of the Exponential Integral”（指數(shù)積分的簡(jiǎn)便計(jì)算）論文[4]的表格中查找。比如，當(dāng)R=

0.1a.u.時(shí)，-2R=-0.2a.u.，-4R=-0.4a.u.。⒓該論文189頁(yè)的表格，最左邊x=0.2時(shí)，最右邊“-Ei（-x）=

0.122265×101=1.22265”，因此“Ei（-0.2）=-1.22265”；最左邊x=0.4時(shí)，最右邊“-Ei（-x）=0.70238×100=

0.70238”，因此“Ei（-0.4）=-0.70238”。類似的，我們可以查到當(dāng)R取其他數(shù)值時(shí)“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”的數(shù)值。需要說明的是，這種查表方法僅僅是求“Ei（-4R）”和“Ei（-2R）”數(shù)值的一種可行方法，還有許多其他方法（比如可以使用MatLab軟件中的指數(shù)積分函數(shù)，x取任意正實(shí)數(shù)都可以得到相應(yīng)的“Ei（-x）”）。

8.數(shù)值列表。

知道了R、J、J'的數(shù)值，就可以求得Q的數(shù)值；知道了R、S、K、K'的數(shù)值，就可以求得A的數(shù)值；而知道了S、Q、A的數(shù)值，就可以求得E的數(shù)值。表1中給出了不同R值時(shí)，S、J、K、S'、J'、Ei（-4R）、Ei（-2R）、K'、Q、A以及E+、E-對(duì)應(yīng)的數(shù)值。這些物理量的單位均為原子單位。

（三）能量―核間距（E-R）曲線的計(jì)算機(jī)繪制

根據(jù)表1中的E+-R和E--R數(shù)據(jù)，可以繪制E-R曲線，如下圖所示。圖中能量和核間距的單位均為原子單位。對(duì)于能量，1a.u.=27.2eV=627.51kcal/mol=2625kJ/mol；對(duì)于核間距（長(zhǎng)度），1a.u.=0.529■=0.0529nm。

三、結(jié)論

本文以有關(guān)教材中給出的氫分子能量表達(dá)式為出發(fā)點(diǎn)，首先參考有關(guān)文獻(xiàn)給出氫分子能量E與核間距R之間的函數(shù)關(guān)系式，然后以此函數(shù)關(guān)系式為基礎(chǔ)計(jì)算出E與R之間的數(shù)值關(guān)系，最后繪制出E與R之間的關(guān)系曲線。這種詳細(xì)處理對(duì)于學(xué)生深刻理解量子力學(xué)處理化學(xué)問題的思路和方法，對(duì)于學(xué)生深刻理解分子構(gòu)型（核間距）對(duì)分子能量的影響，對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的興趣，都有著非常積極的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周公度，段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京大學(xué)出版社，2003.

[2]林夢(mèng)海，林銀鐘.結(jié)構(gòu)化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

第9篇：量子化學(xué)的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞 Schiff堿；金屬配位聚合物；現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法

中圖分類號(hào)TQ13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2014）113-0180-02

1 Schiff堿的簡(jiǎn)介

Schiff堿為包含甲亞胺基或者亞胺的有機(jī)化合物的統(tǒng)稱。根據(jù)Schiff堿不同的配體可將其分成縮胺類、腙類、縮酮類、縮胺基脲類、縮喹啉類、氨基酸類及氨基酸酯類、其他縮酯氮雜環(huán)類等幾類。合成Schiff堿的過程牽涉到重排、加成、消去等縮合反應(yīng)過程，在該反應(yīng)中有重要地位的是反應(yīng)物的電子效應(yīng)和立體結(jié)構(gòu)。

Schiff堿與其配合物憑著其比較容易合成、反應(yīng)時(shí)可以靈活選擇肼類或者胺類及其含有羰基的不同酮或醛等內(nèi)在要素，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都收到重視。有關(guān)Schiff堿及其配合物應(yīng)用的報(bào)道較多，主要有基于生物活性在藥物方面的應(yīng)用與藥物分子的設(shè)計(jì)和基于化學(xué)反應(yīng)在催化劑、穩(wěn)定劑等方面的應(yīng)用等。

R=2-Me及R=2-OH基的Schiff堿的活性非常強(qiáng)，可以使腫瘤的生長(zhǎng)變緩，這一點(diǎn)在很多活體實(shí)驗(yàn)研究中已經(jīng)得到證實(shí)。另外，實(shí)驗(yàn)證實(shí)醛取代基治療腫瘤的效果要比胺取代基好，病區(qū)Schiff堿中水楊酸類抗腫瘤的效果最好。Schiff堿中芳香類和芳香類的配合物能催化氧化、分解、聚合等化合反應(yīng)。此外，稀土與β-丙氨酸Schiff堿配合物也存在一些催化的能力，抗壞血酸及半胱氨酸氧化可被某些Schiff堿配合物催化。

2 Schiff堿的金屬配位聚合物

金屬配位聚合物的形成依靠過渡金屬和有機(jī)配體的自組裝，復(fù)合高分子與配位化合物的優(yōu)點(diǎn)它兼而有之，它內(nèi)含很多重金屬離子、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、理化性質(zhì)比較特殊，故其應(yīng)用前景非常好，尤其在超導(dǎo)材料及催化、磁性材料及非線性光學(xué)材料等方面的應(yīng)用有很大潛力。近年來，配位聚合物晶體工程學(xué)受到了廣泛的關(guān)注，特別是配位超分子晶體越來越得到重視，在多相催化、分子篩、磁學(xué)性質(zhì)以及非線性光學(xué)性質(zhì)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，其Schiff堿型聚合物則因?yàn)楸憩F(xiàn)出的光電子性質(zhì)、非線性光學(xué)性質(zhì)、液晶性質(zhì)而被材料科學(xué)界所矚目。合成Schiff 堿配合物的方法一般有溶劑熱法、水熱法、溶膠-凝膠法及溶液自組裝法等。

3 Schiff堿的重要配位離子―Cu(Ⅱ)

有關(guān)Schiff 堿與其配合物應(yīng)用的文獻(xiàn)很多，主要起源的因素有其含有基因的功能性、將要發(fā)生的反應(yīng)、中心離子的功能、成鍵和電子效應(yīng)等。Cu（Ⅱ）在人體的微量元素含量中居第三位，在鐵和鋅之后，銅離子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，并且有很好的配位功能，所以在合成配合物時(shí)經(jīng)常選用它。最近幾年，手性分子、以氫鍵連接形成的螺旋長(zhǎng)鏈分子、磁交換等為銅配合物的主要研究方向。配體與銅形成的許多配合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，有很好的磁性，一些銅配合物中的橋基結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于人們掌握Cu-Cu原子間的磁交換作用的機(jī)理起著重要作用，并且對(duì)研究磁學(xué)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系發(fā)揮著重要作用。

人們常用的各種油漆、涂料等的添加劑中就有Schiff堿銅離子配合物，當(dāng)人們使用含有Schiff堿銅離子配合物的油漆、涂料后，在外部環(huán)境的理化作用下，會(huì)析出螯合物里面的金屬離子，從而在物體表面覆蓋一層金屬離子組成的保護(hù)膜，增加了物業(yè)的耐腐蝕能力，使物體的使用壽命增加，相應(yīng)的也就加減少了設(shè)備損耗所增加的成本。

4 Shiff堿化合物現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法

在對(duì)Shiff堿化合物的合成、反應(yīng)和應(yīng)用的研究中，各種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法對(duì)其發(fā)展起著重要的作用。主要有：

1）紅外光譜法

該方法是一種光譜分析的方法，它建立的依據(jù)是物體對(duì)紅外線輻射的特征吸收。合成配體首先的判斷根據(jù)是Schiff 堿的C=N基團(tuán)對(duì)紅外線輻射的特征吸收。配體存在于聚合物與配合物里，因?yàn)榕湮坏年P(guān)系，它的紅外線吸收峰會(huì)表現(xiàn)的不用。用紅外光譜測(cè)試測(cè)試可以反應(yīng)的發(fā)生做初步的判斷。物品中的特征官能團(tuán)就可以用紅外光譜圖吸收峰的位置、數(shù)量和吸收的力度來判定，再分析產(chǎn)物的組分。

2）質(zhì)譜分析法

質(zhì)譜是用離子質(zhì)荷比來排序，所形成的圖表。質(zhì)譜法是用質(zhì)譜來定性定量分析以及研究分子結(jié)構(gòu)的方法。Schiff 堿配體的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能得出正確的分子量與分子式，把配合物、聚合物與配體的圖譜作一下對(duì)照，就能判斷出聚合物或配合物是否產(chǎn)生了，把圖譜作一下解析同樣也能得出其有關(guān)結(jié)構(gòu)。

3）X-射線光電子能譜（XPS）

對(duì)內(nèi)層電子的結(jié)合能和氧化態(tài)的變化的研究，X-射線光電子能譜（XPS）能鑒定元素價(jià)態(tài)、類別，元素的相對(duì)含量也可由XPS測(cè)出，X-射線光電子能譜能了解中心離子和配位原子的相互作用，還能對(duì)量子化學(xué)的理論作一下證實(shí)。X-射線光電子能譜已經(jīng)變成進(jìn)行配合物中配位位點(diǎn)、電荷分配與配合物的結(jié)構(gòu)研究的強(qiáng)力工具。許多的研究已經(jīng)證實(shí)，X-射線光電子能譜在表面研究、鑒定結(jié)構(gòu)及化學(xué)分析等方面有著廣闊的研究前景，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為其研究提供了巨大的推動(dòng)力。用X-射線光電子能譜對(duì)配合物進(jìn)行研究，可以對(duì)中心離子內(nèi)層電子狀態(tài)和與其相結(jié)合配體的電子狀態(tài)和配位情況做到清楚直接的了解，得到相關(guān)的電荷轉(zhuǎn)移方面的信息，這在配合物的電子結(jié)構(gòu)的研究、配位鍵的形成和配位鍵的性質(zhì)方面有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，對(duì)配合物的研究發(fā)揮著巨大的作用。

4）核磁共振光譜

此方面的研究能得到分子的幾何構(gòu)型、原子間的成鍵狀態(tài)和相互作用等的非常重要的結(jié)構(gòu)情報(bào)。所以，它在物理學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等方面的研究中應(yīng)用廣泛。完全解析核磁共振光譜時(shí)所工的兩個(gè)重要的參數(shù)是核自旋偶合常數(shù)和核磁屏蔽常數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)在理論研究上有著非常重要的意思，能在于金屬配合物的分子結(jié)構(gòu)解析方面發(fā)揮作用。

5 結(jié)論

一個(gè)多世紀(jì)以來，Schiff 堿化合物在生物化學(xué)、醫(yī)藥、分析化學(xué)、材料、催化等各方面都表現(xiàn)出一定研究和應(yīng)用價(jià)值。合成Schiff 堿化合物的方法在不斷創(chuàng)新，尤其是應(yīng)用的范圍在不斷擴(kuò)大，已經(jīng)進(jìn)入藥物和生物活性、催化及材料等許多領(lǐng)域，可以預(yù)見，其繼續(xù)發(fā)展的前景是非常廣闊的。

參考文獻(xiàn)