計算化學實驗

前言

北京師范大學化學學院從1998年成立化學實驗教學中心開始，對實驗教學體系進行全面改革，在一級學科平臺上建立了實驗教學的新體系。本著“厚基礎、寬口徑、求創(chuàng)新”的原則，按照“一體化、三層次”的實驗教學模式，對實驗課程獨立設課，將原來依附于四大化學理論課的實驗，融合貫通，設為三個層次的實驗課程。第一層次為“化學基礎實驗”，以基本操作訓練為主；第二層次為“化學合成實驗”和“化學測量與計算實驗”，是在第一層次基礎上的提高；第三層次為“化學綜合設計實驗”，以研究性和設計性實驗為主，教學重點進入到初步了解化學研究前沿領域以及與化學密切相關(guān)學科交叉領域，學習科學研究的基本思路和方法，熟練掌握各種實驗技能，應用多種大型儀器進行實驗結(jié)果測試分析，全面提高學生的綜合素質(zhì)。新的實驗教學體系為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力搭建了一個廣闊的平臺，經(jīng)過近十年的教學實踐，已經(jīng)取得了豐碩的成果。    實驗教學改革過程中，教材建設是不可缺少的重要組成部分。北京師范大學化學實驗教學中心在參編了普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材《化學基礎實驗》和《化學合成實驗》之后，又組織編寫了北京師范大學化學專業(yè)實驗系列教材：《化學綜合實驗》《基礎化學實驗操作規(guī)范》《計算化學實驗》《化學測量實驗》《新編化學合成實驗》《有機波譜分析及實驗》《化學工程基礎實驗》。    該化學專業(yè)實驗系列教材由北京師范大學化學學院一批長期承擔化學實驗教學的教師積多年實驗教學經(jīng)驗編寫而成，較全面地涵蓋了化學專業(yè)的學生在大學四年學習期間所必須掌握的化學實驗相關(guān)知識和實驗技能，同時還涉及部分當今化學研究的前沿領域和與化學密切相關(guān)的交叉學科的內(nèi)容。這套系列教材不僅適合于綜合性大學和高等師范院校類的化學專業(yè)本科生和研究生使用，也可供從事化學科學研究的人員以及與化學密切相關(guān)的交叉學科的研究人員參考。    該化學實驗系列教材是實驗教學改革的成果，改革是一個不斷完善的過程。希望通過實驗教學的改革、實驗教材的建設，進一步提高高等院校的實驗教學水平，培養(yǎng)更多的綜合素質(zhì)好、實驗技能高的化學專業(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世紀教學內(nèi)容和課程體系改革”精神而設計的針對大學本科生的一門全新課程。試圖推廣通過計算機程序求解分子波動方程，從而進行理論預測和科學研究新手段的應用。    全書由實驗、理論和計算工具3個部分及1個附錄——“自洽場過程的數(shù)學方法”組成。實驗部分含10個獨立的計算設計，從基本的分子構(gòu)型優(yōu)化與過渡態(tài)計算技術(shù)出發(fā)（前2個實驗），本著使用不同的量子化學方法，涉及不同專業(yè)的研究思路設計而成，希望成為利用計算化學手段進行化學信息的理論預測和科學研究的示范。從初學者角度，各實驗除對相關(guān)計算技術(shù)詳細介紹外（以Gaussian的使用為主），對涉及的計算原理也進行了定性的描述。理論部分則是系統(tǒng)地對量子化學計算的理論方法進行定量描述，以滿足閱讀者進一步求知的愿望。計算工具部分主要是對計算機程序使用的介紹，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)分子坐標輸入的功能等。附錄是對HF（Hartree Fock方法，計算化學理論框架的基礎）求解的數(shù)學過程介紹，還強調(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。    本書可作為化學專業(yè)以及相關(guān)的生命科學、環(huán)境科學、材料學、藥學、農(nóng)學和林學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 實驗部分 　實驗一 GAUSSIAN程序使用：分子結(jié)構(gòu)計算的輸入 　實驗二 GAUSSIAN程序使用：過渡態(tài)計算 　實驗三 2-亞氨基丁烷的穩(wěn)定構(gòu)象及其異構(gòu)化反應的理論研究 　實驗四 3-亞氨基戊烷穩(wěn)定構(gòu)象及其異構(gòu)化反應的理論研究 　實驗五 N-3-丁烯基硝酮分子內(nèi)環(huán)加成反應產(chǎn)物轉(zhuǎn)移性的理論研究 　實驗六 乙烯酮亞氨衍生物扭曲失共軛本質(zhì)的理論研究 　實驗七 氯代環(huán)丙烷振動光譜和簡振模分析的理論研究 　實驗八 卟吩內(nèi)氫遷移反應機理的理論研究 　實驗九 磷原子團簇P5穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的理論計算 　實驗十 激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)及光化學反應的理論研究 　參考文獻第二部分 理論部分 　第一章 量子化學從頭算（AB INITIO）方法 　第二章 半經(jīng)驗分子軌道法 　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） 　參考文獻第三部分 計算工具部分 　第一章 G03W使用簡介 　第二章 GAMESS使用簡介 　第三章 SPARTAN使用簡介 　參考文獻附錄 自洽場過程的數(shù)學方法 參考文獻

章節(jié)摘錄

實驗一 Gaussian程序使用：分子結(jié)構(gòu)計算的輸入　　1.1 實驗目的作為一門實驗課程，主要目的是從實際操作出發(fā)，掌握程序的使用，以便得到預期的結(jié)果。對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。本實驗作為開始，如標題所言，其涉及的程序操作技術(shù)如下：（1）程序的控制性文件設置，通過一個叫Link 0的子程序完成。（2）作業(yè)類型設定，即通過一個或一組關(guān)鍵詞指定程序要做的作業(yè)。其中最重要的關(guān)鍵詞，是本實驗要用到的HF（Hartree-Fokk自洽場分子軌道）方法和一些簡單的基組。本實驗的后面將會對其予以定性描述，更為詳細的介紹參見理論部分，供有興趣的同學進一步學習參考。（3）分子輸入，即用內(nèi)坐標（用鍵長、鍵角、二面角這3個變量定義分子中原子核的位置）方法為目標分子設定計算的坐標。（4）計算結(jié)果的解讀，包括兩方面的內(nèi)容：其一是對計算過程的正確理解，我們在本實驗后附了一個水分子優(yōu)化算例輸出的要點提示，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)，我們將在實驗報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算化學的程序，Gaussian（www.gaussian.com）程序是一個最普及的程序，它最早的版本是1970年的Gaussian 70，最新的版本是Gaussian 03。它可以進行各種類型的從頭算、半經(jīng)驗和密度泛函（DFT）計算，而且有PC機的版本，很容易使用。    此外，GAMESS（www.msg.ameslab.gov/GAMESS）是另一個被普遍使用的程序，而且是免費的非商業(yè)軟件。Spartan（www.wavefun.com）是一個很便利的程序，被有機和有機金屬化學家廣泛使用。Q-Chem（www.q-chem.com）和Spartan，多用于超出HF水平的計算。MOPAC（www.schrodinger.com）和AMPAC（www.semichem.com）是兩個主要進行半經(jīng)驗計算的軟件。

編輯推薦

《計算化學實驗》可作為化學專業(yè)以及相關(guān)的生命科學、環(huán)境科學、材料學、藥學、農(nóng)學和林學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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