计算机在材料学中的应用.ppt

计算机在材料化学中的应用技术,赵文元,为什么要选择学习本课程?Why? 提高工作效率和质量,开拓探索未知领域. 在本课程学习过程中想要获得那些知识?What? 计算机知识+化学知识=计算机在化学中的应用 准备如何学习?How? 实践+探索=成功 在本课程中使用的主要参考书? 计算机在化学化工中的应用技术,Internet上的化学化工资源,计算机在材料化学中应用技术的内涵和外延,什么是计算机科学 什么是计算机技术 计算机硬件技术与软件技术 计算机的应用技术 计算机的通用应用技术和专业应用技术 计算机在化学和材料学领域的应用技术 获得计算机在本专业领域应用技术的途径和意义,第一章：概述,计算机在材料化学中的主要应用领域 计算机技术在化学化工中的应用现状和发展趋势 掌握计算机在材料化学中的应用技术的目的和意义 本课程将要介绍的计算机应用技术,2019/7/27,赵文元 2001,5,计算机的主要功能特征,强大的计算功能每秒能够进行数十亿次运算. 强大的远程通讯功能数字通讯快速,可靠,成本低. 强大的存储与管理功能能够有效组织存储数以千亿字节的复杂信息. 强大的逻辑分析与控制功能能够准确无误地遵照预定程序进行操作控制. 强大的图形化仿真功能数学表达式复杂图形转换与即时显示,计算机在化学化工中的主要应用领域,以计算机网络技术为代表的应用：化学信息收集、管理、检索、交换，计算机的远程登录使用，远程计算机教学等 化学计算、模拟、仿真应用：化学数值计算，量子化学计算、化学机理推导、数据分析处理等 分子和原子三维结构模拟和分子的图形化表达：绘制分子的平面、立体结构式，建立分子的三维模型，演示分子结构信息等 化学数据库应用：化学商品数据库，化学参数数据库，分子和原子光谱数据库，化合物应用性质数据库等 计算机化学过程自动控制应用：化学仪器设备的自动控制，化工生产过程的自动化控制，复杂危险化学过程的自动化控制等 化学专家系统应用：咨询专家系统，科学决策专家系统，分析诊断专家系统等,计算机技术在化学化工中的应用现状和发展趋势,计算化学的发展：量子化学计算（分子数数百、数万到生物大分子），复杂化学动力学计算，热力学计算，构效关系计算，化学过程计算。 计算机网络化学应用：网上化学信息处理STN, DIALOG, STI，超级计算机的远程登录，网上化学电子出版物、网上化学会议等 计算机化学图形化技术的发展：分子结构的绘制、分子模型的建立、分子结构信息的测定和显示、化学和化工过程图形化显示、化学CAD技术等 计算机模拟仿真技术的发展：高温、高压、高风险、高成本、高难度的化学过程模拟仿真，大型仪器设备操作使用仿真训练等 人工智能化技术在化学中应用：智能色谱专家系统，复合材料配方专家系统，复杂分子结构自动分析系统等,本课程将要介绍的计算机应用技术,计算机网络技术在化学中的应用 使用编程技术解决简单化学问题 绘制分子结构和建立分子模型 分子结构参数计算 简单化学过程模拟 计算机在化学教学中的应用技术 复杂数据分析处理和科学实验设计 计算机自动化控制技术简介* 计算机化学专家系统简介*,2019/7/27,赵文元 2001,9,分子结构绘制实践部分,用ISISDraw绘制,第一章思考题,指出计算机在化学化工中应用的主要领域，并指出计算机在其中所起的作用和意义。 计算机技术的特点包括那些方面？设想如何利用这些特点解决化学化工中存在的问题。 化学工作者为什么要掌握计算机应用技术？如何学好计算机应用技术？ 计算机技术在历史上解决了那些化学难题？ 到目前为止，计算机网络技术在化学中有那些实际应用？ 举例说明计算机图形化技术在化学中的应用具有那些实际意义，可以解决那些实际问题？ 根据你自己的设想，计算机技术还可以在化学和化工的那些领域获得应用？,第二章:计算机网络技术在化学化工中的应用,计算机网络技术的基本常识 Internet上的主要化学信息资源 网上化学信息资源的搜索方法 网上主要化学化工信息库 网上计算资源的利用 计算机远程化学化工教学资源,第一节:计算机网络技术的基本常识,计算机网络的发展历史和主要类型:Lab Network, Local Network, Metropolitan Network, Professional network, Internet, Intranet. 计算机网络的基本功能: 通讯功能、数据和信息源功能、出版发行功能、远程登录功能、远程教学功能、商务功能、多媒体功能、交互控制功能等 计算机网络的基本结构： 终端设备、主机设备、接口转换设备、通讯设备、交换设备、外围设备等 计算机网络的连接和使用： 连接、授权、设定参数、登录、浏览查询、下载上传等,计算机网络在化学化工领域的主要应用,化学化工信息的收集、处理、传输与存储 计算化学的远程登陆计算 化学化工领域的电子商务活动 化学化工专业期刊和书籍的电子化出版 化学化工领域的远程过程控制 化学化工远程网络交互教学 通讯功能等,第二节Internet上的主要化学信息资源,化学化工相关文献资源 化学化工相关数据资源 化学原料、试剂和产品信息资源 化学化工相关软件资源 化学化工教育资源 其他化学化工信息资源 网上化学化工数据库：文献数据库、结构信息库、参数数据库、产品与原料信息库、其他信息库 网上化学化工专业网站：行业网站、学术网站、学校网站、商业网站等,第三节：网上化学信息资源的搜索方法,通过搜索引擎查找：Yahoo (， ), ChemGuid (http:/www.fiz-chemie.de/en/online_/index.html.en) 通过专业化学网站上的超级链接和友情链接查找： 美国化学会的CAS网站() ，ChemCenter (http:/www.ChemC): ，ISINet网站() ，Engineering Information Village () ，英国皇家化学会ChemSoc (/, /chemsoc) ，化学网Chem Web (http:/ ) ，国际化学信息网ChIN () ，中国科技信息网STI () 通过电子图书馆提供的光盘数据库、网上数据库和链接网站 通过专业指导性书籍查找：如Internet上的化学化工资源,第四节：网上主要化学化工数据库,STN数据库：CAS, FIZ, JST) STN International(1986年), STN easy, http:/stneasy.fiz-karlsruhe.de （欧洲） （日本）， （北美） STN on the Web, /,DIALOG 数据库：1972年，总部设在英国，900多数据库。， Dialog Command Language检索命令系统。涵盖范围涉及科学、商业、生产、生活的方方面面。主要服务对象是商业和工业用户 DIALOG Web:1998年，450个数据库，涵盖范围和服务对象与前者相同。,美国科学信息研究所ISINET Web of Science: (/content/scientific/brand_overviews/ISI_Web_of_Science ) ,包括科学引文索引扩展（Science Citation Index Expanded）, 社会科学引文索引（Social Sciences Citation Index）和艺术人文类引文索引（ Arts & Humanities Citation Index），分别收录了全球有代表性的学术期刊5600、1750和1140余种。 Chemistry Server (/ics/) ,化学物质结构数据库，提供化学结构和亚结构、化学反应等化学家关心的信息。该数据库包括两个部分：化学反应资料中心(Reaction CenterSM)(汇集1985年以来超过40万种化学反应，2万多种专利反应)和化合物资料中心(Compound Center)(汇集了约自1991年以来65万种新化合物的信息资料，描述这些化合物的化学结构和相关性质)。 Index Chemicus：(/products/ indexchemicus/)用于查找新化合物的结构和相关性质。包含1991年以来在权威有机化学杂志上发表的化合物80余万个 Current Chemical Reactions (/products/ccr/)：提供化学反应信息的数据库，数据来源于发表在世界权威化学期刊上面的科技论文和专利,中国万方数据库：(/) 由中国情报研究所等主办，包括70余个数据库，部分免费。 文献信息类库，包括各专业和行业文摘、全文。特别重要的是网上电子期刊，有两千多种中外文期刊可供阅读。 标准和法规数据信息，包括中外各种产品和行业标准，如国际标准、国标、美国标准和西欧标准等重要标准信息。 企业和机构情况信息，包括高校、研究机构、工业企业等部门的一般信息。 工业产品和原料数信息，提供主要产品的市场信息 其他信息：奖励、专利、科研项目等信息。,第五节：利用网上电子图书馆收集化学化工信息,电子图书馆的定义：分成离线电子图书馆和网上电子图书馆两种 1.提供电子版图书、杂志、报纸等光、电、磁、微胶片等阅读资料 2.提供馆藏和馆际文献的电子检索功能 网上电子图书馆的功能： 提供上述电子图书馆上述功能的网上使用 提供网上借阅（下载）功能 提供24小时服务功能 网上电子图书馆的使用控制方法 IP地址控制方式 密码登陆控制方式,中国国家图书馆电子部分介绍,网址：/ 历史：1989年大型计算机综合管理系统启动，建立电子阅览室。从1995年开始网络建设，建立网络电子图书馆。 服务项目：网上检索功能，网上借阅功能，网上文献阅读功能，提供全球主要网上图书馆的网址链接功能。 特点：图书资料容量大，期刊杂志品种全，电子图书数量大（特别是历史资料）。,中国海洋大学电子图书馆介绍,提供的主要化学化工相关信息资源 文献数据库： 其中外文数据库： Elsevier SDOS ，CSA（剑桥科学文摘） ，北美学术论文，Springer Link ，EI Compendex，CA on CD，Catch Word ACM（美国计算机学会） ，kluwer online 中文数据库：维普中文期刊数据库，中国期刊全文数据库 ，万方数据库 ，人大复印资料和中国法律法规大典，方正电子图书，中国数字图书 电子图书：17万册各类电子图书供在线阅读,第六节：网上计算资源的概况,主要面向社会的网上计算资源： The Coalition for Academic Scientific Computation North Carolina Supercomputing Center, NCSC ，/ 当前该中心提供5种帐号，分别为 (Familiarization accounts)， (Classroom Accounts)， (Computational Science Faculty Accounts)， (Academic research accounts)， (Visualization Accounts)。而对那些商业用户需要另申请 (Commercial accounts)。 Sandia National Lab, Center for Computational Engineering），其量子化学主页地址为:/capabilities/QuantumChemistry/ /asc/index.html Pacific Northwest Laboratory NIH Molecular Modeling home page, 包括量子化学计算教程)主页地址: /modeling/,The simulations of the spiraling coalescence of two black holes, a problem of particular importance for interpreting the gravitational wave signatures. In this visualization, gravity draws together the gasses of the early universe. Eventually, these clouds grow dense enough and hot enough to ignite and become the first stars.,第七节：网上化学教育资源,教学课件的形式： 文本形式课件 声像形式课件 动画形式课件 交互问答式课件 智能化数据库查询课件 专家系统型课件,主要化学化工网上教育资源,美国化学会(ACS)网站化学教育资源 /portal/a/c/s/1/educatorsandstudents.html 美国加州伯克力网上多媒体化学学校（MultiChem） /MultiCHEM/ 加拿大Simon Fraser大学化学系 （/chemed/）（文本课件） 计算机模拟化学实验室 Model ChemLab v2.0 Pro， ,第二章思考题,1. 计算机、计算机网络和计算机互联网在概念和结构上有哪些不同？计算机通讯和普通电讯（电话、电报、传真）有哪些不同？ 2进入计算机互联网需要哪些硬件和软件条件？www、BBS、Telnet、News Group、e-mail在互联网中各起哪些作用？ 3计算机网络技术给化学领域带来了哪些重要变化？对你影响最大的网络技术应用有那些？ 4计算机网络通讯技术如何影响化学工作者的工作方式？你是否认为有一天网上图书馆会代替真正的图书馆，或者网上杂志会代替印刷杂志？ 5从国际互联网上可以获得哪些化学信息？你了解那些主要化学信息源？ 6在计算机网络上获取化学信息有哪几种方式？分别需要那些软硬件条件？ 7当前在互联网上有许多化学教学项目，你认为哪一种效果最好？你希望互联网上的化学教学应该是什么样？如何实现？ 8如何用e-mail传送科学论文（包括图形和特殊格式）？除了利用浏览器直接阅读以外，如何订阅网上化学杂志？ 9计算机网络技术的发展仅仅是为各个领域科学技术的发展打开了方便之门，而如何发展则需要该学科领域科技人员自己的谋划和设计，你认为化学工作者应该如何发展利用计算机网络技术？,第四章：计算机图形化技术在化学中的应用,分子结构（包括平面结构和三维结构）的绘制 反应机理示意图（包括反应式）绘制 实验流程装置图绘制 生产和工艺流程图绘制 原子和分子微观状态图绘制及显示 化学过程（包括各种分离分析过程）图形化显示 实验数据的图形化制作和显示 讨论:利用计算机技术完成分子结构绘制都有那些方法？根据资源占用、使用方便、功能全面等角度考虑，分析不同方法的优劣。,常用化学图形化软件种类,分子结构绘制软件 分子模型绘制软件 化工装置和流程绘制软件(CAD) 化学实验装置绘制软件 实验数据处理与显示软件 除了第三条之外，一般把上述软件与化学数据库和电子报表等软件集成为化学办公软件,几种常见分子结构显示格式,Molecule files: Each molfile describes a single molecular structure which can contain disjoint fragments. Rgroup files: An RGfile describes a single molecular query with Rgroups. Each RGfile is a combination of Ctabs defining the root molecule and each member of each Rgroup in the query. Reaction files: Each rxnfile contains the structural information for the reactants and products of a single reaction. MDL currently has two types of rxnfiles: the REACCS type and the CPSS-rxnfile written by CPSS programs Structure-data files: An SDfile contains structures and data for any number of molecules. Together with RDfiles, SDfiles are the primary format for large-scale data transfer between MDL databases. Reaction-data files: Similar to SDfiles in concept, the RDfile is a more general format that can include reactions as well as molecules, together with their associated data. RDfiles are used primarily by ISIS and REACCS, MACCS-II can also read and write RDfiles except for the reaction structure information. CPSS reads and writes RDfiles with embedded molfiles and CPSS-rxnfiles.,A connection table (Ctab) contains information describing the structural relationships and properties of a collection of atoms. The atoms may be wholly or partially connected by bonds. Such collections may, for example, describe molecules, molecular fragments, substructures, substituent groups, polymers, alloys, formulations, mixtures, and unconnected atoms. The connection table is fundamental to all of MDLs file formats.,化学信息学基本知识,第一节 化学办公软件,化学办公软件的种类：图形绘制和化学文件制作软件，化学数据库应用软件，分子模型制作与显示软件，图谱分析软件等。 化学办公软件的功能和应用：辅助完成实验报告、课题总结、学术论文、学术著作，学术交流演示材料的制作过程；科学管理和分析处理实验结果和数据。 常见化学办公软件的种类：ISISDraw, ChemOffice, Chemsketch, Chemwindows, DSViewerpro, Alchemy等,分子结构式绘制软件ISISDraw的功能与应用,生产厂家：美国MDL信息系统公司。 流行版本：ISISDraw 1.0, 1.5*, 2.0, 2.2, 2.3，2.4 主要功能：绘制二维和三维分子式、绘制化学反应式、绘制反应机理示意图、简单化学反应装置、简单的曲线图和其他示意图。 软件的大小：1.5版2.1Mb, 2.0版4.8Mb, 2.4版7.4Mb(压缩）. 操作环境：Windows或Mac环境，采用windows资源。,ISISDraw软件的使用,软件的安装： 软件的菜单： 软件绘制工具： 分子模板： 软件参数的设定： 分子结构和图形的绘制： ISISDraw软件与其他化学软件的配合。 ISISDraw软件与常见通用办公软件的配合。 需要说明的一些问题。,ChemSketch 软件的功能与应用,ChemSketch 的生产厂家:Advanced Chemistry Development Inc. (ACD). 最新版本为5.0 软件的功能: 绘制分子结构式和化学反应式 绘制几何、化学示意图、电子云图 化学实验装置 显示分子的三维结构图 计算分子的结构参数和其他简单性质 分子结构自动命名和其他功能 软件的大小：8.5Mb(压缩), 需要12.5Mb硬盘空间. 软件的使用环境：windows 9x, 2000, me, NT,ChemSketch 软件的使用性能,软件的菜单,窗口结构和操作指令 调整窗口结构和设定参数 绘制分子结构和反应式 绘制电子云图和其他化学示意图 绘制实验装置图 三维分子模型的自动生成和演示 根据分子结构自动进行命名 根据绘制的结构测定分子性质 测定分子的空间参数(角度长度两面角),Chemsketch软件的实际应用,绘制分子式和反应式 绘制电子云图和分子轨道示意图 绘制曲线图和其他简单图形 绘制化学实验装置图 将绘制的分子结构进行标准化命名 将绘制的分子结构转换成三维分子模型 进行简单的各种三维分子演示 测定绘制的分子相关性质,Chemoffice软件简介,生产厂商：CambridgeSoft Corporation（美国） 公司网址： 软件的主要组成（完整版Ultra）： Chemdraw(分子结构绘制软件） Chem3d(分子模型软件） Chemfinder（分子结构数据库软件） Cheminfo（分子字典软件） 软件的主要版本：流行的有4.0，4.5，5.0，以及2005，2006，2008版等,软件的主要功能,能够绘制各种分子结构与示意图 能够转换并显示分子模型图 能够建立并使用分子结构数据库（带检索功能） 能够根据绘制的分子结构估计其NMR的化学位移数据 进行简单的量子化学计算并给出分子的基本数据 绘制化学装置图,软件的主要界面,Chemdraw界面窗口 Chem3d界面窗口 Chemfinder界面窗口 Chemoffice 功能演示,2019/7/27,赵文元 2001,46,第二节 计算机辅助建立分子结构模型,建立分子模型的理论和实际意义 显示微观世界，研究分子结构，提供反应机理，研究分子性质，测定分子结构参数。 分子模型的表示（显示）方法 线状显示，棒状显示，球棒状显示，电子云填充显示，分子外表面显示，其他显示方法。 需要解决的技术问题 建立和修改分子结构模型，化学和物理规则检验，三维演示功能，多种显示方式的转换，必要的结构信息分析与测定手段，分子结构的优化能力，分子模型的输出与输入方法。,常见的分子模型演示软件,Chemsketch 附带的3D Viewer ISIS Draw 附加 3D插件 ChemOffice附带的Chem3D WeblabViewer *（DS Viewer pro) Alchemy II软件（兼有结构化学计算功能）,DS Viewer Pro 分子分析演示软件,软件的基本特点：Molecular Simulations Inc (MSI)产品，目前版本为5.0版，压缩后体积为7.4Mb，需要硬盘空间13.5Mb， 另外有一个4Mb左右的分子模型库，包括200余种各种常见分子模型。网址：。 /downloads/d3c95db0aede6cee39c909089629d5ba/setupdsvax17.exe 软件的功能：建立精确的分子结构模型，多种分子模型显示方式，分子结构参数测定功能，分子结构分析功能，图形格式转换功能，多种输出输入方式。 软件的操作界面和基本操作指令:分子模型窗口，分子组成窗口，分子数据窗口。分子模型构建工具，分子操作工具。 建立分子模型：直接建立分子模型，利用相似分子修改建立分子模型，,2019/7/27,赵文元 2001,50,显示分子模型：棒状、球棒状、空间填充状，生物大分子显示方法，矿物晶体显示方法，模拟电子显微镜下状态。 分子结构分析：分子（晶胞、蛋白质等），链段（肽链，核酸链等），链组成（氨基酸、核酸等），原子组成，化学键组成。 结构参数测定：键长、键角、两面角、分子组成等。 常见各类分子模型库：DNA片断，与环境相关的物质，无机化合物，材料类物质，天然产物类，石油产品类，药物类，蛋白质类，小分子类，一般化合物类。 分子模型的输出如输入方法：输出格式：.msv,PDB格式，MDL格式，XYZ坐标格式，VRML格式，GIF格式，JPEG格式，BMP格式等13种。输入格式共18种。,DS Viewer Pro软件的安装与使用,软件的安装：zip软件解压，setup安装 软件窗口：3D Window, hierarchy Window, data table. 3D Window: 菜单（view, tools, modify, window),操作工具（分子模型建立工具，分子模型操作工具，分子模型测量工具等） hierarchy Window：分子树， data table：数据表，卡片标识 软件的基本使用方法。,DS Viewer Pro 软件的使用方法介绍,分子模型的建立和修改方法 分子模型的演示方法 分子结构参数的测定方法 分子结构组成的分析方法 分子模型数据的输出与输入方法,第四章思考题,1化学工作者需要分子结构绘制软件做哪些工作？与手工绘制和绘图工具绘制相比，分子结构绘制软件具有哪些特点？ 2当前“桌面出版”系统已经成为现实，分子结构绘制软件在新的出版行业，特别是出版化学类图书中将起哪些作用？ 3与分子结构式相似，中文也是一种图形化语言，是否可以参照中文编码输入的方法，解决分子结构式的输入问题？ 4与当前流行的各种CAD软件相比，如电子电路CAD，分子结构绘制软件有哪些相同和不同点？ 5分子模型软件在化学教学中主要起哪些作用？用计算机化的分子模型代替常规分子模型必须解决哪些问题？ 6所有的蛋白质都是由肽链构成的，肽链是由有限的氨基酸构成的，氨基酸则是由各种原子构成的，如何描述每个层次的结构参数？ 7最常见的分子模型有棒状、球棒状和空间填充（CPK）三种形式，你能说出这三种结构的特点和主要用途吗？,第四章练习题,1完成ISIS/Draw软件的安装过程，学习基本使用技术。 2用ISIS/Draw软件绘制小分子结构（二氧六环、苯甲酸、偶氮苯、异戊二烯等）。 3用ISIS/Draw软件绘制叶绿素分子结构（具体结构自行查阅）。 4用一个分子结构绘制软件完成甲苯的硝基化反应： 5用WORD和ISIS/Draw软件共同完成上述硝基化反应，并加以文字描述。 6用ISIS/Draw软件完成以下取代反应能量变化示意图。 7用WebLab ViewerPro软件绘制环己烷的椅式构象和船式构象模型（球棒结构），并从不同角度观察。 8建立蔗糖分子模型，并用三种显示方式表示，分子模型分别用存盘、输入到文本文件和打印机打印输出。,第五章:计算机在结构化学计算和化学过程模拟中的应用,计算机结构化学计算方法：从头计算(ab initio calculation), 半经验计算(semiexpirical calculation), 分子力学计算(molecular mechanics calculation)，其中后者还可以分成静态计算、动态计算和Monte Carlo计算。 计算目标：分子的电子云数据、几何数据、热力学数据等。 计算机的化学过程模拟：采用计算机的运算和逻辑推理等功能模拟化学真实过程。 化学工程模拟的目的：研究反应机理，推测反应结果，模拟反应过程，得到反应参数。 化学工程模拟的意义：减少风险，降低费用，提高研究速度,第一节：结构化学计算 AccuModel软件的性能和使用,AccuModel软件的性能和对系统的要求： AccuModel软件的操作界面和基本操作： AccuModel软件的基本应用方法,AccuModel软件的性能和对系统的要求,系统要求：windows操作系统，CPU486以上，内存16Mb以上，彩色显示器，适当高标准显卡。 功能： 能够建立并演示准确的分子结构模型 提供计算结构参数和热力学参数的手段 基于优化计算对分子模型能够进行几何和构象处理 利用能量计算方法对分子进行构象分析,AccuModel软件的操作界面和基本操作,程序操作界面： 下拉菜单：位于顶部，共9组71条指令，包含所有操作指令。 工具按钮：位于菜单下面，共计26个。主要用于常规模型控制与计算操作。 工具板：位于窗口左侧，共计48项，主要用于建立准确的分子模型。 模型显示窗口：在屏幕中央，用于显示建立的准确分子模型的三维图形。 文字信息显示窗口：用于显示用文字表述的计算结果。 曲线图形显示窗口：以曲线图形式表述在计算过程中热力学参数的变化趋势。,AccuModel软件的基本应用方法,建立准确的分子模型并进行多种格式显示 对分子模型进行能量最低化计算和优化 分子能量参数的计算 分子基本参数的测定和计算 分子的构效分析,建立准确的分子模型并进行多种格式显示,启动软件，并进入分子模型构筑状态 选择分子模板或者相应工具按钮在窗口中初步建立分子模型骨架。 对分子模型中的原子和化学键根据要求进行调整和修改。 对分子模型进行能量最低化计算和优化，得到准确的分子模型。 采用三维多格式显示。,对分子模型进行能量最低化计算和优化,建立或输入一个符合要求的分子模型 打开能量最低化参数设定窗口，进行计算参数设定，包括选择计算方法、力场选择、优化和显示参数选择。 通过computation 指令或按钮进行优化运算，运算过程中分子模型结构不断随之进行调整。 打开文字信息窗口可以显示计算过程得到的所有数据。 打开曲线图形窗口后进行能量最低化可以看到动态的能量曲线变化。,分子能量参数的计算,建立或者输入一个符合要求的分子模型 启动菜单中computation/calculate energy指令进行能量计算，计算结果显示在文字信息显示窗口中。 计算的能量包括分子的总能量、伸展能、弯曲能、扭曲能、电子能和其他组合能量 如果要获得更详细的能量数据，需要启动Computation/output energy detail指令，计算结果作为一个独立的文件存储，除了上述能量外还增加了其他类型的能量值 分子模型窗口、文字信息窗口和曲线图形窗口可以单独打印和输出。,分子基本参数的测定和计算,输入或者建立一个合理的分子模型，最好事先经过能量最低化处理。 启动analyze/calculate molecular properties指令进行计算，可以得到以下数据：分子组成式，分子量、分子外型尺寸、分子体积、偶极矩、对称度、环指数、分子密度、中心分支度、分子柔性等。 测定结果显示在文字信息窗口中。 对其他几何信息也可以利用测定工具进行直接测定。,分子的构效分析,构效关系的定义：通过理论分析或数学计算得到化合物分子结构与相应性质之间定量或定性关系的过程。 测定方法是对输入或建立的分子模型，通过analyze/calculate molecular properties/log P指令来进行。然后将得到的log P与实际测得得性质进行比较进行构效分析。,第二节 化学过程的数值模拟- 计算机化学过程模拟,化学过程模拟的种类：化学动力学模拟、化学热力学模拟、化工过程模拟。 化学过程模拟得目的和意义：降低风险和费用、提高速度和效率、探索反应机理 化学动力学的研究方法：代数分析法和数值模拟法。 数值模拟法的研究方法：数值积分法和随机统计模拟法。 随机统计模拟法的基本原理：根据分子碰撞反应理论，利用有限数目的粒子代替分子作为计算基础，计算参与化学反应的反应物和产物浓度与时间等函数之间的关系。,Chemical Kinetics Simulator 1.0,CKS软件的性能和特点： CKS软件的使用环境： CKS软件的界面窗口介绍： CKS软件的使用方法： CKS软件的应用事例： CKS软件的适用范围：,CKS软件的性能和特点,可以在产物并不清楚的条件下使用，反应物和产物可以用代码表示。 处理范围宽泛，浓度和速率数值范围可达8个数量级。 除了能够处理常规均相反应之外，还可以处理诸如界面吸附、膜形成、物质交换等化学和物理过程中的动力学问题。 软件的使用需要事先了解必要的反应机理、速率常数、反应条件、相关热力学常数、物质的物理状态、等信息。 模拟结果以关系曲线图和数据表格形式给出。,CKS软件的使用环境,硬件环境：CPU486以上，内存8Mb以上，VGA彩显、配置绘图仪或图形打印机。 软件环境：Windows或OS/2操作系统。 该软件为典型的Windows应用软件，具有其一切特点。 软件压缩在两张高密度软盘上面，包括一个模拟器、一组动态连接库，一个文件转换器和一个模拟样本库。,CKS软件的界面窗口介绍,本软件的窗口形式多样，根据不同阶段和要求给出不同式样的窗口。 软件的主窗口（在启动运行后给出）：标题区，下拉菜单区，运行状态显示区，化学反应显示区，操作按钮区和在线帮助提示显示区。 一般执行下拉菜单后都会给出相应的对话选择窗口，用于填写或选择操作参数。,CKS软件的使用方法,建立化学反应文件：点击菜单File/Create,在给出的对话框中输入文件名和路径等参数。确认后在出现的初始化窗口选择物理量纲，确认。 化学基元反应的输入：在出现的基元反应输入窗口中输入基元反应式，选择速率常数形式，并输入相应的Arrhenius相关常数（活化能、指前因子和温度指数。确认后进行其他基元反应的输入，直到完成。 输入反应条件：包括化学物质的初始浓度，物理状态、反应状态（恒温、恒压、恒容等） 输入计算机模拟参数：模拟样本数、模拟限制参数、平衡监测参数等。 执行模拟运算：Start 显示和输出模拟计算结果：output 模拟结果分析解释。,第五章思考题,1结构化学计算有三种方法，分别称从头计算法，半经验法和分子力学计算法，它们分别有哪些特点？计算依据有哪些？适用的领域有什么不同？ 2分子结构主要有三种表示方式，分别为棒型结构、球棒结构和CPK结构。讨论三种结构分别表达哪些信息，各有哪些特点？从结构化学角度讲，建立三种结构的化学依据是什么？ 3使用化学结构计算软件能够将建立的分子结构利用能量最低化程序进行优化，优化的基本原理是先小步调整分子结构，再计算其能量，与调整前的能量相比较，如果后者小于前者，则继续沿该方向调整，如果大于后者，则改变调整方向。使用这种方法很容易陷于局部最优结构，而不是全结构最优。如环己烷的船式构象（椅式构象最优）。探讨如何通过程序解决上述问题，或者通过手工调整分子结构解决。 4随机模拟化学反应过程中需要选择数量足够的微粒数（模拟分子总数），用以代表参与反应的分子。当分子数目不足时有可能造成模拟结果错误，根据统计方法解释为什么？ 5在CKS 1.0中反应条件的设定有一定要求，比如压力、温度、体积三者的设定不能随意确定，而是有一定关联的。根据理想气体定律推算，上述三个参数设定有那些规律？,第五章练习题,1用AccuModel 软件（也可以用其他软件）建立18王冠-6的分子结构模型，进行能量最小化处理，并计算分子的能量参数。测定该冠醚的最小内径和最大外径。 2用AccuModel 软件（也可以用其他软件）建立青霉素分子模型，进行能量最小化处理，计算分子的详细能量参数。并分别测定其四元环和五元环的内角和两个环之间的两面角。 3用AccuModel 软件（也可以用其他软件）建立靛蓝分子结构模型，用能量最低化程序优化结构，并计算分子的物理化学性质。 4将上述建立的分子结构模型插入到一个自己建立的word文本文件中，并调整其大小。 5使用CKS 1.0软件，调整本章第二节中臭氧热分解反应的反应条件，使其刚好不发生爆炸式反应。 6将第二章中乙烷热分解反应用CKS1.0进行随机模拟，相关参数查阅物理化学手册，实验条件自己设定，给出主要化学物质浓度与时间的模拟曲线。 7将五氧化二氮热分解反应改为恒容反应，模拟运行后，从模拟图中观察压力和温度与时间的关系图有哪些特点。 8改变甲基丙烯酸甲酯聚合反应条件和初始浓度，观察实验条件对反应时间的影响。,第六章 计算机在数理统计与实验设计中的应用,数理统计的科学意义 数据的科学性 数据的代表性 数据的可靠性 数理统计的理论基础 统计规律 统计理论 数理统计方法及其应用领域,第一节 数理统计方法涵盖的内容,实验设计方法： 使实验数据具有最大限度的代表性。 常用的实验设计方法包括正交设计、均匀法设计和因子套设计等。 实验数据的分析检验： 检验数据可靠性。 包括可信度分析、相关性分析、误差估计等。 科学合理的数据分析是得出科学结论的基本保证。 实验数据的回归分析： 寻找实验条件与实验结果之间的规律性。 包括线性回归、非线性回归和多元回归等。 通过回归处理可以将实验规律以数学表达式的方式表示。,第二节 STATISTICA软件功能和操作环境,操作环境：Windows 3.x操作平台。经过使用测试，该软件能非常好地工作于Windows 95 和 98。具有VGA或SVGA显卡，支持鼠标操作，CPU 386以上.软件共有6张3寸高密软盘，解压缩安装之后，占用约13MB硬盘。 软件功能：基本统计方法和统计表、非参数检验和连续与非连续分布分析、单变量和多变量方差分析模块、线性回归分析、非线性估计、时间序列和预测、组群分析模块、数据与文件管理、因素分析、典型标准分析 、多维尺度分析、可信度分析、判别分析、对数线性分析、残余值分析、质量控制、过程分析、实验设计、编程命令语言模块,模块的基本功能简介,STATISTICA 6.0是美国StatSoft公司发行的一款功能强大的统计分析软件，其统计分析功能丝毫不亚于SPSS 7.0，其制作统计图形的能力甚至还优于SPSS 7.0。 数据统计分析项目主要有： 1.Basic Statistics and Tables（基本统计方法与统计表）：包括描述性统计，相关性分析，独立或非独立样本的t检验，频数统计表，概率计算及其他差异显著性检验（两个均值或百分率的检验）等。这是用的最多的统计分析项目，一般简单的统计分析靠它就可以圆满解决问题。 2.NonparametricsDistrib（非参数性统计分析）：包括Chisquare卡方检验，Kolmogorovsmirnov检验，Wilcoxon配对符号等级检验，两个独立样本MannWhitney检验，多个相关样本Cochran Q检验和多个独立样本KruskalWallis检验等等。 3.ANOVAMANOVA（单变量和多变量方差分析）：有多因素方差分析、协方差分析和重复测量方差分析等。两个以上样本平均数差异显著性检验，就要靠这个方差分析。 4.Multip Regression（多元回归分析）：逐步回归分析，固定非线性分析，残差分析和基于回归模型的预测等。如果您要调查研究人的智商是否与吃鱼和吃豆腐有关，就可以用回归法来分析。,5.Nonlinear Estimation（非线性估计）：包括一般非线性模型，逐步Logit分析，最大可能性估计等。 6.Time SeriesForecasting（时间序列及预测）：有关时间序列、探察、模型和预测技术选择等。 7.Cluster Analysis（聚类分析）：包括KMeans聚类，双边联合聚类等。聚类分析实质上是寻找一种能客观反映元素之间亲疏关系的统计量，然后根据这种统计量把元素分成若干类。是物以类聚的一种统计分析方法。 8.Factor Analysis（因子分析）：初始因子模型、旋转因子模型等。例如，学生的各科成绩受智力、计算能力、表达能力和灵活性等因子的影响，虽然可以通过考试或检查等手段获得学生的各科成绩，但那些对各科成绩起支配作用的因子的状态不能直接测定到，这时候因子分析就派上用场了。 9.Canonical Analysis（典型分析）：典型相关性分析，典型因子协效应分析。主要用于研究两组多变量之间的相关性。,10.Multidimensional Scaling（多维比例分析）：多维距离或相似性估计等。 11.ReliabilityItem Analysis（可靠性项目分析）：包括trachoric相关性分析，Crobach 系数，分半（splithalf）信度分析等。假如您希望有可靠的交通工具，在任何时间、地点、对任何人，它都应该是可靠的，此种测试手段的可靠性显然是需要的。 12.Discriminant Analysis（判别分析）：逐步判别法，分类统计等。判别分析的任务是根据已掌握的一批分类明确的样品，建立较好的判别函数，使产生错判的事例最少，进而对给定的一个新样品，判断它来自哪个总体。如在环境检测中，根据对某地区的环境污染的综合测定结果判断该地区属于哪一种污染类型等。 13.Loglinear Analysis（逻辑线性分析）：包括多维列联表、残差统计和自动最优模型选择等。 14Survival Analysis(生存分析)。,STATISTICA软件的操作界面,主菜单窗口 :Sta_win.exe 统计模块菜单,用图形和文字表示 窗口的右面为所选模块的动态注释，描述模块的用途和功能 窗口下方由四个按钮组成一组选项，分别用于执行进入选择模块（Switch To），编排主菜单顺序(Customize List)，关闭主菜单并转入选择模块（End & Sw