运用量子化学程序改进高中化学的教与学

王文勇 潘家永

摘 要：以量子化学程序为依托，将中学化学抽象的知识和概念形象、生动、立体的呈现出来，像科研工作者一样着眼于化学本质和规律的研究，让师生在教与学的情景中感受获取知识的快乐，提高科学探究与创新的能力，探索培养学生化学核心素养的途径。

關键词：量子化学;化学核心素养;中学教学

一、研究背景

量子化学[1]，简单说来，就是利用量子力学基本原理研究原子、分子内的电子运动状况，从而为研究化学的本性以及化学反应中的变化提供理论和定量的依据。质量极小的分子、原子、电子等微观粒子的能量变化常常不像宏观物理量那样连续变化的，而是以某一最小的单位作跳跃式的增减，我们就称它为“量子化”。“不连续性”或“量子化”是这些微观粒子的重要特征。

量子化学软件能够很好的辅助科学研究，却不能服务于中学师生，不能推动中学化学教育的发展是一种巨大的浪费。今年伊始，新型冠状病毒来袭，给我国带来了巨大灾难。在这次抗击新冠肺炎的战斗中，我们更可以看到化学的重要作用，化学核心素养更是不可或缺[2，3]。化学是一门理论性很强的学科，确又是一门非常实用的学科。中学化学又常常涉及很多抽象的化学知识和概念，比如原子、分子、离子、分子结构、分子轨道、共价键、离子键、晶体构型等等，都无法通过肉眼进行直接观测，而且微观结构难以用宏观模型进行科学的描述。这些都会极大的增加学生负担，他们无法形成宏观辨识与微观探析的能力，不能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。这些枯燥、深奥、抽象的知识会使学生很快失去学习化学的兴趣。对中学而言，化学的教与学不仅仅是知识的传授与学习，更应该是师生在教与学的情景中感受获取知识的快乐，感受知识背后更深层次的学科意义。

如果我们通过量子化学程序以及计算机的模拟，将抽象的化学知识和概念以一种形象、生动、立体的形式呈现出来[4]，使学生能运用模型解释化学现象，揭示化学现象的本质和规律，形成证据推理与模型认知的能力。教师和学生像科研工作者一样不停地琢磨这些直观的量子化学程序，激发了极大的探究热情，从而提高了科学探究与创新能力。结合量子化学软件，我们有理由相信，学生的化学核心素养和教师的职业能力会显著的提升，将取得良好的教育教学效果。本文列举了利用量子化学“Gaussian”程序及其图形用户界面“GaussView”形象、逼真的分析学生经常糊涂的几个化学知识点。

二、研究案列

1.分子结构

中学化学教学中，经常演示许多有机分子，如醇、酚、醚、羧酸和氨基酸等。以往的教学中，化学式或结构简式往往难以在学生头脑中留下深刻的印象，“GaussView”通过显示三维结构清晰的描绘出这些有机分子。“GaussView”中分子模型的默认形式是球棍和键线式的混合模型，既然已经建立苯的分子模型，就顺便解决一个一直困扰在学生心中的问题。即，苯分子的6个C-C键键长相等？这里需要知道一些基本的物质结构知识，也就是苯分子为D6h点群。建好苯的分子模型后，要设置它的点群为D6h。所有的计算方法采用密度泛函理论下杂化密度泛函B3LYP方法和6-31G基组。优化分子时，加入的命令是“#PB3LYP/6-31Gopt”。“Gaussian”程序计算完成后得到能量最低的苯分子结构。分别量取6个C-C键和C-H键，每个C-C键和C-H键的键长分别为1.40043Å和1.08574Å（碳碳单键一般为1.50Å，碳碳双键一般为1.35Å之间），很明显，苯的每个碳碳键相等且是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的一种特殊的键。以上证实，苯分子中6个碳碳键为同一种键，至于苯分子的碳碳单键为什么会是同一种特殊的键（因为形成了6中心6电子大π键），教师可以待到学生学习分子杂化轨道理论时给予扩展。

2. 同分异构现象和构象异构现象

同分异构现象是高一必修二教材中非常重要的知识点。高一学生学习化学时间不长，空间想象能力欠缺，有些学生理解同分异构现象较为困难。图3为乙醇和二甲醚的球棍模型，通过三维模型学生清楚的理解同分异构现象就是化学式相同结构不同的现象。

有些学生化学兴趣特别强烈，参加化学竞赛的学生经常问到构象异构现象。通过“GaussView”程序查看环己烷的椅式和船式构型，学生直观的掌握构象异构现象，有助于学生更深入的理解化学的本质。

3. 成键方式

部分高中学生学习离子键和共价键时非常混乱。化学键本来就是人为定义的抽象概念，从实验上也没法直接观测到“键”，这极大的加大了教学难度。如果通过一些方法图形化“键”这个概念，非常有利于教学，电子定域化函数（Electron Localization Function）解决了这个问题。我们可以简单的告诉学生电子定域化函数与电子密度分布类似。计算了NaCl离子（计算的为理想状态，真实情况下NaCl为离子晶体，不可能只有一个Na+离子和Cl-离子）和Cl2分子的电子定域化函数。图中的Cl原子周围电子密度非常明显（红色和黄色区域），解释了Cl原子周围存在6个没有成共价键的电子。在Cl2分子中，两个Cl原子之间的电子密度非常明显（黄色区域），证明Cl原子之间形成共价键，而Cl原子和Na原子之间的电子密度却是缺失的，也就是说，Cl原子和Na原子之间形成离子键。学生如果掌握了这样的方法，可以逐个验证教科书上出现的离子和共价化合物，加强了学生学习化学的兴趣，提高了研究化学的科学素养。

4.极性

在化学中，极性是指净电荷分布的不均匀性。如果净电荷分布得不均匀，则称该分子为极性，如果均匀，则称该分子为非极性。物质的一些物理性质（如溶解性、熔沸点等）与分子的极性相关。极性可以通过偶极矩衡量，因为偶极矩本质上体现体系正电荷中心和负电荷中心的分离情况，数学表达式为μ=qd，q为正、负电荷中心间所带的电荷量，d为正、负电荷中心的距离，它是一个矢量，方向规定为从正电中心指向负电中心。传统上，偶极矩的单位一般用是D（德拜）表示。计算了8种分子的偶极矩，Cl2、CH3CH3、CH2=CH2、CO2偶极矩都为0D，都为非极性分子。分析CO2，氧原子的电负性比较强，共用电子对偏向氧原子，但两个氧原子以碳原子中心对称，两个C=O极性共价键相互抵消，于是CO2分子为非极性分子。CH3OCH3、CH3CH2OH、HCl、NaCl偶极矩不为0，是极性分子。NaCl的偶极矩非常离谱，说明NaCl的正、负电荷中心分离明显，进一步证实NaCl原子间形成的是离子键。

三、结语

与传统的实验化学比较，量子化学越来越体现出它的优势，它无毒、便宜、操作简单、结果可靠、不受实验场地限制，最重要的是它能够从微观角度去理解和预测宏观化学现象。对于中学师生而言，只要有一台计算机并且装载相关的量子化学计算程序，就可以根据需求设计教学或者根据教学问题设计一系列研究课题，这样的硬件要求任何一所中学都可以达到。文中列出了几种问题探究，每一个问题都能轻松解决，计算速度快，几分钟便可输出结果。总之，师生根据量子化学程序研究生活中遇到的化学问题，像科研工作者一样着眼于化学的本质和规律，这样的教与学便不再是传统意义上知识的传授与获取，而是一种培养学生化学核心素养重要的途径。

参考文献

[1] EnricoClementi，GiorginaCorongiu.从原子到大分子体系的计算机模拟--计算化学50年[J].帅志刚，马忠云，张天，等，译.化学进展，2011（9）：1795-1830.

[2] 吴星.高中化学核心素养的建构视角[J].化学教学，2017（2）：3-7.

[3] 胡先锦，胡天保.基于发展学科核心素养的高中化学教学实践与思考[J].中学化学教学参考，2016（4）：4-7.

[4] 高修库，赵浏，杨晓琳，郑克强.计算量子化学手段辅助高中化学素养教学——从“结构”视角浅析乙醇的化学性质[J].中学化学教学参考，2019（11）：23-25.

本文为江苏省教育科学“十三五”规划2020年度课题阶段性成果，立项编号：B-b/2020/02/36，课题状态：重点自筹。