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Gaussview在化学教学中的一些应用
第２ｌ卷第５期大学化学２００６年１０月
Ｇａｕｓｓｖｉｅｗ在化学教学中的一些应用
刘晓东胡宗球
（华中师范大学化学学院武汉４３００７９）
Ｇａｕｓｓｉａｎ量子化学计算程序包是美国Ｇａｕｓｓｉａｎ公司开发的一个功能强大的量子化学综合软件包。可执行各类不同精度的分子轨道计算（包括Ｈａｒｔｒｅｅ—Ｆｏｃｋ水平从头算（ＨＦ）、Ｐｏｓｔ－ＨＦ从头算、密度泛函理论（Ｄ坩）以及多种半经验量子化学方法），进行分子和化学反应性质的理论预测。目前已成为国际上公认的最优秀的化学计算软件。
Ｇａｕｓｓｖｉｅｗ是Ｇａｕｓｓｉａｎ公司为Ｇａｕｓｓｉａｎ程序包开发的一个附带软件，它不但使输入文件的建立较为方便快捷，而且输出结果中有用信息的提取更快捷；优化的结构，分子轨道，原子电荷，光谱等可视化表示，使研究人员能把更多的注意力放在化学问题上；另外，把Ｇａｕｓｓｉａｎ程序精确的计算能力与Ｇａｕｓｓｖｉｅｗ的显示能力运用于教学，有助于学生直观形象地了解物质的微观结构和化学问题处理方法，从而加深对教材内容的理解，为学生进行探究式学习提供一种有用的工具。
１计算方法
本文所举例子的计算均采用“＃Ｂ３ＬＹＰ／６—３１Ｇｏｐｔｆｒｅｑ”作为作业控制段。其中，Ｂ３ＬＹＰ为密度泛函理论（Ｄ盯）的计算方法，６－３１Ｇ为基组，ｏｐｔ为优化结构的关键字，ｆｒｅｑ为频率计算关键字。下面的结果显示功能都在Ｇａｕｓｓｖｉｅｗ的ｒｅｓｕｌｔｓ下拉菜单中。
２优化结果显示在教学中的应用
利用优化结果显示物质的微观结构比直接在Ｇａｕｓｓｖｉｅｗ中建立微观结构更精确，可以了解键长、键角、二面角等微观参数，是学生直观地认识分子结构的有力手段。学生可通过它做出自己想要的分子结构，教师也可以把这些图形粘贴到Ｐｏｗｅｒ】Ｐｏｉｎｔ上，用于课堂演示。３原子电荷显示在教学中的应用
在讲授极性分子和非极性分子以及有机化学过程中，常常提到原子电荷分布情况及对物质化学性质的影响。以前这些只能靠教师定性地讲授，没有定量的展示过程，学生不易理解。Ｇａｕｓｓｖｉｅｗ中原子电荷显示功能有准确的电荷数值提供，使电荷分布一目了然。图１与图２分别是Ｎ：和ｃＨ，ｃＨ０的原子电荷分布图。
从图１可看出：Ｎ：的两个Ｎ原子电荷分布数值均为Ｏ．０００，为非极性分子。３４
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第2 卷第5 1期、 ?.. ? ..? _01.._.___? -??...Gaussian98和Gaussview在中学化学教学中的简单应用_教学案例/设计_教学研究_教育专区。今日推荐 88份文档 2014年全国注册造价工程师 ...15 105 二、 建立并显示分子的结构在结构化学教学中 ,涉及到许多分子的结构及构 型 ,用 GaussianView 来显示一些化合物的分子结构 可使课堂变得生动...Gaussian和GaussView在结构化学教学中的应用_专业资料。结构化学是一门理论性较强的基础课程。本文结合环戊二烯分子和环戊二烯负离子的分子构型,HF分子的分子轨道和...采用生成文件小但功能强大的GaussView图形软件对中学化学中一些典型的分子、晶体等...目前,已经有许多图形软件应用于中学化学 教学中,如GaussView、Chemoffice、...Gaussian03GaussView在红外光谱教学中的应用_教学案例/设计_教学研究_教育专区。...Gaussian03 GaussV iew 软件在 《分析化学》 中红外光谱教学中的具体应用, ...越来越 多的计算软件和绘图软件应用于化学教学中, 例如 Photoshop 、 ChemDraw 、 GaussView 和 Gaussian 程序等[1 - 6] 1 价键法解 H 2 分子的结构因为 H...GaussView_化学_自然科学_专业资料。gaussview中文使用说明 GaussView使用简介 ...Gview中只有常用的一些环状分子和链状分子, 远不能满足研究特定体系的特殊需要。...Gaussian软件在环境化学教学中的应用_专业资料。结合环境化学的学科特点和学生的实际情况,探讨Gaussian软件(包括Gaussian03和GaussView)在环境化学教学中的应用。实践表明...　　【摘 要】本文介绍了Chem 3D Ultra和Gaussian软件的基本功能，并着重展示了Chem 3D Ultra" />
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Chem 3D Ultra和Gaussian View软件在结构化学教学中的应用
　　【摘 要】本文介绍了Chem 3D Ultra和Gaussian软件的基本功能，并着重展示了Chem 3D Ultra在前线轨道理论和Gaussian View在分子光谱教学中的应用，从而解决了结构化学传统教学中可视化较差、不够形象直观的缺点，使深奥、抽象的理论知识形象化，进而提高了教学效率.增加了教学质量。 中国论文网 /9/view-7083611.htm　　【关键词】结构化学 教学方法 计算机软件 　　【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】（3-02 　　结构化学是用现代物理化学实验方法和量子力学原理，在原子―分子水平上研究物质分子构型与组成的相互关系及其结构与性能之间关系的一门科学。由于这门课数理推导多、概念抽象，好多学生在学习本课程时都有畏难情绪，学习此课程的自信心不足。随着计算机技术及互联网的进步，将计算机软件用于辅助结构化学的教学日益受到老师们的重视。美国剑桥软件公司研制的Chem 3D Ultra11.0是当前结构化学教学中常用的编辑软件。Chem 3D Ultra11.0软件可编辑各类十分复杂的结构化学中的结构式、检查分子结构的合理性以及立体化学的空间表达，还可以精确表达有机物分子中指定官能团部分的多种光谱，并且还能绘制DNA的分子螺旋结构，预测分子的某些常见分子轨道。Gaussian是化学领域进行半经验计算和从头计算中使用最广泛的量子化学软件。Gaussian可用于研究分子能量和结构、化学键和反应能量、过渡态能量和结构、原子电荷和电势、红外和拉曼光谱、分子轨道、极化率和超极化率、振动频率、核磁性质、反应路径、热力学性质等，是研究取代反应、反应机理、势能面和激发态能量的有力工具。Gaussian View是专门为Gaussian用户开发的，帮助建立输入文件和查看输出结果而设计的图形用户界面程序。 　　一 Chem 3D Ultra在前线分子轨道理论教学中的应用 　　前线分子轨道理论是日本理论化学家福井谦一成名的理论，这一理论将分子中的单电子波函数根据能量细分为不同能级的分子轨道，该理论认为有电子排布的、能量最高的分子轨道（即最高占据轨道HOMO）和没有被电子占据的、能量最低的分子轨道（即最低未占轨道LUMO）是决定一个体系发生化学反应的关键。在以往的结构化学教学过程中，分子轨道主要由教师手绘，非常费时也不严谨。Chem 3D Ultra11.0经过计算模拟后可显示全部分子轨道图像，在教学中非常明了直观。例如，在Chem 3D中首先可以方便地绘出乙烯分子的结构图，从结构图中很容易看出乙烯分子的6个原子处在同一平面上，属于D2h分子点群。通过[Calculations]计算完以后，我们就可以通过[Surfaces]显示如图1的前线分子轨道图，其中HOMO是p成键轨道，LUMO是p反键轨道。用Chem 3D软件显示出的分子轨道，学生很容易理解。用同样的方法我们也可以方便地得到其他分子的轨道图。 　　二 Gaussian View在分子光谱教学中的应用 　　分子的红外光谱起源于分子的振动基态 与振动激发态 之间的跃迁。只有在跃迁的过程中有偶极矩变化 　　的跃迁，即 不为零的振动才会出现红外光谱， 　　这称为红外活性。在振动过程中，偶极矩改变大者，其红外吸收就强；偶极矩不改变者，就不出现红外吸收，为非红外活性。用Gaussian程序，在B3LYP/6-311++g（2d，2p）水平上优化得到H2O的最小能量结构，并且 　　* 榆林学院精品课程项目（编号：JP1302）、榆林学院发展专项资助项目（编号：HGY2015-3） 　　做FREQ频率分析，然后用Gaussian View程序显示，可得图3，即H2O的红外振动光谱图。为了显示H2O的3种红外振动模式的动画形式，首先用Gaussian View打开H2O的out文件，然后点击[Results]→[Vibrations]→[Start]，即可显示动画形式。从动画、图2及图3可以看出，对称伸缩偶极矩变化不大，所以它的振动强度（Intensity）就非常小，其他两个振动，振动强度比较大。非常直观明了，学生通过看动画很容易理解深奥的理论。 　　三 键级的计算 　　在结构化学教学中，我们常常通过对分子的结构进行分析来解释或预测化学反应的性质，这也是结构化学的重要应用之一。比如在结构化学教学中求解得到的电荷密度、键级、自由价和分子图等概念可以用来解释分子的活性位置、说明化学反应的过程和机理，也可以用来解释分子的动力学行为等。但如果我们要得到自由价、电荷密度和键级的值，首先要利用休克尔分子轨道理论法求解不饱和分子的薛定鄂方程，然后根据课本上的公式进行计算，整个过程非常复杂，也比较繁琐，一般在课堂上由于时间较短很难做到。而Gaussian提供了简易的计算程序，只要在优化好的分子上并加上关键词iop（6/80=1）即可得到分子的Mayer键级。如图4，就是在B3lyp/6 　　-311G*水平上优化好分子后得到的1，3-丁二烯的Mayer键级，从图中可以看出，C1和C2及C3和C4之间的键级较大，而C2和C3之间的键级较小，从而可以解释为什么1，3-丁二烯的加成反应发生在1，4位而不是2，3位；C1和C2的键长小于C2和C3的键长，等等。 　　四 总结 　　本文对Chem 3D Ultra在结构化学教学中的应用只做了部分介绍，其在教学中的应用远不止本文所讲，例如还可以利用该软件显示离域大π键；绘制实验室装置图；显示分子结构等等。Gaussian软件在结构化学教学中的应用也远不止以上所述，例如在讲物理化学反应机理时，可以通过计算IRC来显示反应历程，Gaussian View软件可以将整个反应过程动态地显示出来，非常直观。将计算化学软件Chem 3D Ultra、Gaussian和Gaussian view引入结构化学教学，改变了传统化学教学枯燥、单一的教学模式，将分子振动理论和轨道理论形象化，使抽象的化学知识变得容易掌握和较为直观，并且营造了一个有趣快乐、形象生动的现代化教学环境，有效提高了学生的学习兴趣和积极性，进而大大提高了课堂教学质量。同时还可以使学生较早地接触到专业的科研工具，培养其科研兴趣，能为接下来的毕业论文做一些基础的理论工作。 　　参考文献 　　[1]刘江燕、吕银华、韩德艳.常用化学软件在中级无机化学教学中的应用[J].大学化学，2006（2）：38～41 　　[2]陈志超.Chem Office 2000在化学多媒体教学中的应用[J].卫生职业教育，2001（1）：84～85、91 　　[3]陈兰美.Chem3D在有机化学教学中的应用[J].广东医学院学报，2009（6）：712～714 　　[4]顾云兰.CS Chem3D和Gaussian 98在结构化学教学中的应用[J].临沂师范学院学报，2005（27）：102～104 　　[5]钟增培、黄振立.计算机软件CS Chem3D的计算机基础及在有机化学中的应用[J].广州化工，2002（2）：20～22 　　[6]蔡开聪、杜芬芬、刘佳等.Gaussian软件在红外光谱学教学中的应用[J].化学教育，2014（8）：50～53 　　〔责任编辑：庞远燕〕
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