計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)

前言

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院從1998年成立化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開始，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行全面改革，在一級(jí)學(xué)科平臺(tái)上建立了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新體系。本著“厚基礎(chǔ)、寬口徑、求創(chuàng)新”的原則，按照“一體化、三層次”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程獨(dú)立設(shè)課，將原來依附于四大化學(xué)理論課的實(shí)驗(yàn)，融合貫通，設(shè)為三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)課程。第一層次為“化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”，以基本操作訓(xùn)練為主；第二層次為“化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)”和“化學(xué)測量與計(jì)算實(shí)驗(yàn)”，是在第一層次基礎(chǔ)上的提高；第三層次為“化學(xué)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，以研究性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)入到初步了解化學(xué)研究前沿領(lǐng)域以及與化學(xué)密切相關(guān)學(xué)科交叉領(lǐng)域，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本思路和方法，熟練掌握各種實(shí)驗(yàn)技能，應(yīng)用多種大型儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試分析，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力搭建了一個(gè)廣闊的平臺(tái)，經(jīng)過近十年的教學(xué)實(shí)踐，已經(jīng)取得了豐碩的成果。    實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過程中，教材建設(shè)是不可缺少的重要組成部分。北京師范大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在參編了普通高等教育“十五”國家級(jí)規(guī)劃教材《化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》和《化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)》之后，又組織編寫了北京師范大學(xué)化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)系列教材：《化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范》《計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)》《化學(xué)測量實(shí)驗(yàn)》《新編化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)》《有機(jī)波譜分析及實(shí)驗(yàn)》《化學(xué)工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》。    該化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)系列教材由北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院一批長期承擔(dān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師積多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)編寫而成，較全面地涵蓋了化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)四年學(xué)習(xí)期間所必須掌握的化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)還涉及部分當(dāng)今化學(xué)研究的前沿領(lǐng)域和與化學(xué)密切相關(guān)的交叉學(xué)科的內(nèi)容。這套系列教材不僅適合于綜合性大學(xué)和高等師范院校類的化學(xué)專業(yè)本科生和研究生使用，也可供從事化學(xué)科學(xué)研究的人員以及與化學(xué)密切相關(guān)的交叉學(xué)科的研究人員參考。    該化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成果，改革是一個(gè)不斷完善的過程。希望通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革、實(shí)驗(yàn)教材的建設(shè)，進(jìn)一步提高高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，培養(yǎng)更多的綜合素質(zhì)好、實(shí)驗(yàn)技能高的化學(xué)專業(yè)人才。

內(nèi)容概要

本書是根據(jù)教育部關(guān)于“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革”精神而設(shè)計(jì)的針對(duì)大學(xué)本科生的一門全新課程。試圖推廣通過計(jì)算機(jī)程序求解分子波動(dòng)方程，從而進(jìn)行理論預(yù)測和科學(xué)研究新手段的應(yīng)用。    全書由實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算工具3個(gè)部分及1個(gè)附錄——“自洽場過程的數(shù)學(xué)方法”組成。實(shí)驗(yàn)部分含10個(gè)獨(dú)立的計(jì)算設(shè)計(jì)，從基本的分子構(gòu)型優(yōu)化與過渡態(tài)計(jì)算技術(shù)出發(fā)（前2個(gè)實(shí)驗(yàn)），本著使用不同的量子化學(xué)方法，涉及不同專業(yè)的研究思路設(shè)計(jì)而成，希望成為利用計(jì)算化學(xué)手段進(jìn)行化學(xué)信息的理論預(yù)測和科學(xué)研究的示范。從初學(xué)者角度，各實(shí)驗(yàn)除對(duì)相關(guān)計(jì)算技術(shù)詳細(xì)介紹外（以Gaussian的使用為主），對(duì)涉及的計(jì)算原理也進(jìn)行了定性的描述。理論部分則是系統(tǒng)地對(duì)量子化學(xué)計(jì)算的理論方法進(jìn)行定量描述，以滿足閱讀者進(jìn)一步求知的愿望。計(jì)算工具部分主要是對(duì)計(jì)算機(jī)程序使用的介紹，除Gaussian程序外，還介紹了GAMESS、Spartan等重要程序以及一些輔助程序如GaussView和Chem3D等用圖形界面建構(gòu)分子坐標(biāo)輸入的功能等。附錄是對(duì)HF（Hartree Fock方法，計(jì)算化學(xué)理論框架的基礎(chǔ)）求解的數(shù)學(xué)過程介紹，還強(qiáng)調(diào)了其中的原子軌道線性組合（LCAO）近似中由原子軌道展開系數(shù)構(gòu)成的密度矩陣的重要的物理意義——分子中電荷分布及其變化情況的揭示，正是分子性質(zhì)及其變化的本質(zhì)原因。    本書可作為化學(xué)專業(yè)以及相關(guān)的生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)學(xué)和林學(xué)等的本科生和研究生教材，也可供相關(guān)專業(yè)的科研人員參考。

書籍目錄

第一部分 實(shí)驗(yàn)部分 　實(shí)驗(yàn)一 GAUSSIAN程序使用：分子結(jié)構(gòu)計(jì)算的輸入 　實(shí)驗(yàn)二 GAUSSIAN程序使用：過渡態(tài)計(jì)算 　實(shí)驗(yàn)三 2-亞氨基丁烷的穩(wěn)定構(gòu)象及其異構(gòu)化反應(yīng)的理論研究 　實(shí)驗(yàn)四 3-亞氨基戊烷穩(wěn)定構(gòu)象及其異構(gòu)化反應(yīng)的理論研究 　實(shí)驗(yàn)五 N-3-丁烯基硝酮分子內(nèi)環(huán)加成反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移性的理論研究 　實(shí)驗(yàn)六 乙烯酮亞氨衍生物扭曲失共軛本質(zhì)的理論研究 　實(shí)驗(yàn)七 氯代環(huán)丙烷振動(dòng)光譜和簡振模分析的理論研究 　實(shí)驗(yàn)八 卟吩內(nèi)氫遷移反應(yīng)機(jī)理的理論研究 　實(shí)驗(yàn)九 磷原子團(tuán)簇P5穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算 　實(shí)驗(yàn)十 激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)及光化學(xué)反應(yīng)的理論研究 　參考文獻(xiàn)第二部分 理論部分 　第一章 量子化學(xué)從頭算（AB INITIO）方法 　第二章 半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法 　第三章 包含電子相關(guān)的分子軌道理論 　第四章 密度泛函理論（DFT） 　參考文獻(xiàn)第三部分 計(jì)算工具部分 　第一章 G03W使用簡介 　第二章 GAMESS使用簡介 　第三章 SPARTAN使用簡介 　參考文獻(xiàn)附錄 自洽場過程的數(shù)學(xué)方法 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

實(shí)驗(yàn)一 Gaussian程序使用：分子結(jié)構(gòu)計(jì)算的輸入　　1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖鳛橐婚T實(shí)驗(yàn)課程，主要目的是從實(shí)際操作出發(fā)，掌握程序的使用，以便得到預(yù)期的結(jié)果。對(duì)于所涉及的理論和方法，只要求結(jié)合程序的演算能夠定性予以理解。本實(shí)驗(yàn)作為開始，如標(biāo)題所言，其涉及的程序操作技術(shù)如下：（1）程序的控制性文件設(shè)置，通過一個(gè)叫Link 0的子程序完成。（2）作業(yè)類型設(shè)定，即通過一個(gè)或一組關(guān)鍵詞指定程序要做的作業(yè)。其中最重要的關(guān)鍵詞，是本實(shí)驗(yàn)要用到的HF（Hartree-Fokk自洽場分子軌道）方法和一些簡單的基組。本實(shí)驗(yàn)的后面將會(huì)對(duì)其予以定性描述，更為詳細(xì)的介紹參見理論部分，供有興趣的同學(xué)進(jìn)一步學(xué)習(xí)參考。（3）分子輸入，即用內(nèi)坐標(biāo)（用鍵長、鍵角、二面角這3個(gè)變量定義分子中原子核的位置）方法為目標(biāo)分子設(shè)定計(jì)算的坐標(biāo)。（4）計(jì)算結(jié)果的解讀，包括兩方面的內(nèi)容：其一是對(duì)計(jì)算過程的正確理解，我們在本實(shí)驗(yàn)后附了一個(gè)水分子優(yōu)化算例輸出的要點(diǎn)提示，可參照該算例的具體輸出加以理解；其二是正確采集有用的結(jié)果數(shù)據(jù)，我們將在實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求中給出具體的要求?！　?.2　關(guān)于Gaussian程序目前有許多很好的計(jì)算化學(xué)的程序，Gaussian（www.gaussian.com）程序是一個(gè)最普及的程序，它最早的版本是1970年的Gaussian 70，最新的版本是Gaussian 03。它可以進(jìn)行各種類型的從頭算、半經(jīng)驗(yàn)和密度泛函（DFT）計(jì)算，而且有PC機(jī)的版本，很容易使用。    此外，GAMESS（www.msg.ameslab.gov/GAMESS）是另一個(gè)被普遍使用的程序，而且是免費(fèi)的非商業(yè)軟件。Spartan（www.wavefun.com）是一個(gè)很便利的程序，被有機(jī)和有機(jī)金屬化學(xué)家廣泛使用。Q-Chem（www.q-chem.com）和Spartan，多用于超出HF水平的計(jì)算。MOPAC（www.schrodinger.com）和AMPAC（www.semichem.com）是兩個(gè)主要進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的軟件。

編輯推薦

《計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)》可作為化學(xué)專業(yè)以及相關(guān)的生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)學(xué)和林學(xué)等的本科生和研究生教材，也可供相關(guān)專業(yè)的科研人員參考。

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