量子化學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

密封線第2頁共7頁XX大學(xué)碩士研究生《量子化學(xué)基礎(chǔ)》課程文獻(xiàn)綜述考核論文院（系、部）：化學(xué)化工學(xué)院年級：2015級專業(yè)：無機(jī)化學(xué)姓名：學(xué)號：2015070000密封線第4頁共7頁任課教師：一、命題部分量子化學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域（或與各專業(yè)學(xué)生研究方向相關(guān)的領(lǐng)域）的應(yīng)用。二、評分標(biāo)準(zhǔn)1、題目及撰寫內(nèi)容與命題要求一致性評價；格式符合要求評價及論文內(nèi)容完整性、條理性、嚴(yán)謹(jǐn)性評價。（20%）2、檢索、引用論文的篇數(shù)、技術(shù)相關(guān)性；綜述是否調(diào)理清晰，觀點(diǎn)明確和內(nèi)容豐富，且有足夠的數(shù)據(jù)支撐及研究關(guān)聯(lián)性。（50%）3、對論文創(chuàng)新性、技術(shù)價值評價。（20%）4、結(jié)論明確、是否為有內(nèi)涵的評價；對論文原創(chuàng)性、獨(dú)立性評價。（10%）三、教師評語請根據(jù)您確定的評分標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)評分，給定成績，填入“成績”部分。閱卷教師評語成績評閱教師簽字：200年月日____________________________注1：本頁由學(xué)生填寫卷頭和“任課教師”部分，其余由教師填寫。其中藍(lán)色字體部分請教師在命題時刪除。提交試卷時含本頁。學(xué)生從第二頁開始寫作，要求見藍(lán)色字體部分。注2：“閱卷教師評語”部分請教師用紅色或黑色碳素筆填寫，不可用電子版。無“評語”視為不合規(guī)范。注3：試題、評分標(biāo)準(zhǔn)、評語盡量控制在本頁。注4：不符合規(guī)范試卷需修改規(guī)范后提交。量子化學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要量子化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。研究范圍包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定分子的結(jié)構(gòu)、性能及其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；分子與分子之間的相互作用；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應(yīng)等問題。而研究物質(zhì)的組成及結(jié)構(gòu)必須借助量子化學(xué)方法來計(jì)算化合物分子中的電子結(jié)構(gòu)，研究形成化學(xué)鍵的相互作用及其它有關(guān)的微觀信息。國內(nèi)外都有許多化學(xué)工作者從事這方面的研究，近年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和理論上的突破，量子化學(xué)在研究化合物結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了量子化學(xué)的發(fā)展，計(jì)算方法以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞量子化學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算1.量子化學(xué)的發(fā)展及歷史自從現(xiàn)代化學(xué)成立以來，人們一直認(rèn)為化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，因?yàn)橹叭祟愓J(rèn)識化學(xué)通過兩種科學(xué)方法，一種是培根創(chuàng)造的實(shí)驗(yàn)科學(xué)歸納法，而另一種是笛卡爾創(chuàng)造的演繹法。但由于化學(xué)界的沒能形成統(tǒng)一理論，使演繹法難以在化學(xué)研究中得到根本上的廣泛應(yīng)用，即化學(xué)研究無法像物理那樣通過計(jì)算來邏輯地預(yù)言和解釋化學(xué)行為。但是，20世紀(jì)30年代量子力學(xué)的出現(xiàn)，卻給理論化學(xué)家?guī)砹艘痪€曙光。19世紀(jì)三十年代，奧地利物理學(xué)家薛定諤總結(jié)出了實(shí)物微粒運(yùn)動規(guī)律的薛定愕方程[1]。之后，德國革丁根大學(xué)的兩位年青人海特勒和隆多首次借用量子力學(xué)處理化學(xué)問題，建立和求解了氫分子薛定愕方程，開辟了用量子理論方法研究分子中電子行為的廣闊領(lǐng)域，導(dǎo)致了量子化學(xué)的產(chǎn)生。薛定愕方程是一個關(guān)于波函數(shù)的線性偏微分方程。對于一般的分子體系，應(yīng)用時必須考慮各個微粒的運(yùn)動狀態(tài)。由于分子由原子組成，原子又由核和電子組成，德國物理學(xué)家M.Born和美國物理學(xué)家奧本海默考慮到核質(zhì)量比電子質(zhì)量大幾千倍，繞核作高速運(yùn)動，首先提出“定核近似”，將薛定愕方程分解為核運(yùn)動方程和電子運(yùn)動方程，而化學(xué)研究只關(guān)心電子狀態(tài)的薛定愕方程[2]。這樣，三維空間中N個電子的分子體系，其薛定愕方程就變成含有3N個變量的偏微分方程。另一方面，英國物理學(xué)家哈特D.R.Hartree和VFock將每個電子近似看作在核和其余N-1個電子構(gòu)成的平均勢場中運(yùn)動，再次對其作出“單電子近似”，將3N個變量的偏相關(guān)能效應(yīng)，則將試探波函數(shù)取一組行列式的線性組合歸一[12]。一個體系的不同組態(tài)Slater行列式表示，這樣選定的波函數(shù)和求得組態(tài)對總體系波函數(shù)貢獻(xiàn)被稱為組態(tài)相互作用(CI)方法。CI不但允許電子在基態(tài)組態(tài)的位置運(yùn)動，也考慮了構(gòu)成激發(fā)態(tài)的貢獻(xiàn)，這個貢獻(xiàn)即為用CI方法計(jì)算出的相關(guān)能。3量子化學(xué)的應(yīng)用3.1在離子液體中的應(yīng)用離子液體主要是指由有機(jī)正離子和無機(jī)負(fù)離子或者有機(jī)負(fù)離子構(gòu)成的，在室溫或者接近室溫的溫度下呈液態(tài)的鹽類。離子液體具有很多獨(dú)特的理化性質(zhì)，具有良好的溶解性和熱穩(wěn)定性，其溶解性可與大多數(shù)的化合物混溶，幾乎沒有蒸汽壓，具有較寬的電化學(xué)窗口。將離子液體作為反應(yīng)介質(zhì)，同時還可以起到催化的作用。采用量子化學(xué)從頭算方法對離子液體的陽離子和陰離子進(jìn)行全優(yōu)化計(jì)算，可以得到陽離子和陰離子的平衡幾何構(gòu)型和凈電荷，進(jìn)而通過陽離子環(huán)上的電子數(shù)來判斷其陽離子是否具有芳香性。還可以通過計(jì)算得出其LUMO軌道上的兀鍵分子軌道。通過計(jì)算得出的電荷分布可算出其烷基鏈對其結(jié)構(gòu)的影響。還可以解釋水以及氫鍵對離子液體性質(zhì)的影響。3.2在材料化學(xué)中的應(yīng)用水泥一直以來是建筑業(yè)的必備品，而量子力學(xué)的計(jì)算可以解決很多水泥凝固之后一些不良的性質(zhì)，解決了很多實(shí)際問題。鈣礬石是市場上水泥主要產(chǎn)物之一，對混凝土起著粘結(jié)的作用。而通過量子化學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，大部分金屬在其化合物內(nèi)的鍵級基本一致，通過計(jì)算鍵級改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來增加凝膠強(qiáng)度。量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑。3.3在能源研究中的應(yīng)用化石燃料是當(dāng)今世界主要的能源來源之一。而量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)可以探索化石燃料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)變其性質(zhì)，使之利用率大大提高。量子化學(xué)計(jì)算在研究化石燃料的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子，如低級芳香烴作為碳-碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義。3.4在電化學(xué)中的應(yīng)用鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。埋離子電池的發(fā)展強(qiáng)烈地依賴于相關(guān)材料的性能，因此對材料進(jìn)行理論設(shè)計(jì)以尋找具有特定性能的材料以及對電池充放電過程中有關(guān)現(xiàn)象的理論解釋已經(jīng)成為材料研究的迫切要求.量子化學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，已基本上能滿足這一要求.量子化學(xué)可以應(yīng)用于鋰離子電池電極材料平均插埋電壓的預(yù)測、埋的嵌入一脫嵌機(jī)理研究、埋離子電池正極材料，格畸變的研究以及其它物理化學(xué)性質(zhì)的理論計(jì)算中。4.展望量子化學(xué)的基本原理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)是密不可分的，量子化學(xué)的誕生可以全面的解決分子結(jié)構(gòu)問題，量子化學(xué)已經(jīng)滲透到無機(jī)化學(xué)，有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域，可以為其提供理論支撐，推動了化學(xué)各個學(xué)科的發(fā)展，同時也推動了計(jì)算化學(xué)等新型化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。能夠合理、定量而有效地解釋隱藏在現(xiàn)象背后的原因，從而揭示其本質(zhì)，在總結(jié)規(guī)律的基礎(chǔ)上做出預(yù)示甚至設(shè)計(jì)新的分子或功能材料。對當(dāng)代化學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

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