电子结构计算在结构化学教学中的示范作用

李哲 黎永秀

摘 要： 本文结合实例分析，阐述量子化学计算软件（高斯）在结构化学教学中的示范作用。在多媒体课堂教学中，演示分子轨道、电子密度、原子电荷、静电势等电子结构的量子化学计算，理论联系实际，使课堂教学更有趣味性，对培养学生的学习兴趣，强化教学效果具有积极的促进作用。

关键词： 电子结构 结构化学教学 示范作用

结构化学是高等学校化学及相关专业的基础课程之一，主要研究原子、分子、固体的微观结构、运动规律及结构与性能间的关系[1]。结构化学是化学学科的理论基础，在本科教育和专业技能培养中具有不可替代的重要作用。但是该课程的理论性较强，概念抽象，需要利用数学和物理工具解决问题，学生感觉难度较高，不易掌握。知识本身理论性过强，导致课堂教学枯燥无味，不利于引发学习兴趣。为解决这一矛盾，笔者在教学实践过程中，利用多媒体课堂教学的优势，尝试利用现代量子化学计算工具，演示分子轨道、电子密度、原子电荷、静电势等电子结构的理论计算。结果发现，该方法有利于激发学生的学习兴趣，增强课堂教学的趣味性，对强化教学效果具有促进作用。同时，对培养学生理论联系实际，利用书本知识，解决实际问题的能力具有典型的示范作用。

高斯（Gaussian）软件是进行半经验和从头计算的专业量子化学计算工具，可以用来研究分子能量和结构、化学键及反应能量、分子轨道、原子电荷和静电势、振动频率、热力学性质、分子反应路径和机理；可以模拟在气相和溶液中的体系，模拟基态和激发态；还可以用于生物大分子的酶催化反应及对周期性边界体系的计算。本文以一氧化碳（CO）分子为例，利用专业量子化学计算软件——Gaussian 09[2]，探讨如何发挥电子结构计算在结构化学课堂教学中的作用，使用密度泛函理论B3LYP方法结合6-31G*基组，对CO分子进行几何结构优化和电子结构计算。利用三维图形可视化，解释分子轨道、电子密度、原子电荷等基本概念。

1.分子轨道

2.电子密度和原子电荷

3.静电势

空间某点的静电势是指从无穷远处移动单位正电荷至该点时所做的功。静电势实质上根源于静电的相互作用。在原子核与电子共同构成的分子体系中，核与电子共同决定了分子的静电势。在分子周围，与核距离不等的空间各点处的静电势是不同的。如图3所示，CO键轴上C端的静电势最负（-1.828e-2），有利于吸引正电荷；O端的静电势略显负值，所以O的配位能力比C较差。此外，静电势的正值区域位于C和O原子之间，说明CO很难与带正电荷的金属离子形成π型配位键。

4.结语

分子的电子结构可以通过量子化学计算方便地获得，计算结果通过软件可视化，可以提供形象直观的三维图形。将电子结构计算适当引入结构化学课堂教学，可以帮助学生理解和掌握波函数、电子密度、原子电荷等基本概念，了解结构化学研究微观分子结构的手段和方法。一方面有利于激发学生的学习兴趣，调动自主学习的主动性，克服对结构化学的畏难情绪，另一方面有利于锻炼空间想象力，培养学生理论联系实际的科学意识，提高教学质量。

参考文献：

[1]周公度，段连运编著.结构化学基础（第4版）[M].北京：北京大学出版社，2009.

[2]Frisch，M.J.，et al.Gaussian 09 rev.D01；Gaussian，Inc.，Wallingford CT，2009.

基金项目：中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金项目资助（CZY13005）。