量子化学在化学领域中的应用

密封线第2页共7页XX大学硕士研究生《量子化学基础》课程文献综述考核论文院（系、部）：化学化工学院年级：2015级专业：无机化学姓名：学号：2015070000密封线第4页共7页任课教师：一、命题部分量子化学在化学领域（或与各专业学生研究方向相关的领域）的应用。二、评分标准1、题目及撰写内容与命题要求一致性评价；格式符合要求评价及论文内容完整性、条理性、严谨性评价。（20%）2、检索、引用论文的篇数、技术相关性；综述是否调理清晰，观点明确和内容丰富，且有足够的数据支撑及研究关联性。（50%）3、对论文创新性、技术价值评价。（20%）4、结论明确、是否为有内涵的评价；对论文原创性、独立性评价。（10%）三、教师评语请根据您确定的评分标准详细评分，给定成绩，填入“成绩”部分。阅卷教师评语成绩评阅教师签字：200年月日____________________________注1：本页由学生填写卷头和“任课教师”部分，其余由教师填写。其中蓝色字体部分请教师在命题时删除。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规范。注3：试题、评分标准、评语尽量控制在本页。注4：不符合规范试卷需修改规范后提交。量子化学在化学领域中的应用摘要量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。而研究物质的组成及结构必须借助量子化学方法来计算化合物分子中的电子结构，研究形成化学键的相互作用及其它有关的微观信息。国内外都有许多化学工作者从事这方面的研究，近年来，随着计算机的发展和理论上的突破，量子化学在研究化合物结构中的应用越来越广泛。本文介绍了量子化学的发展，计算方法以及应用。关键词量子化学结构计算1.量子化学的发展及历史自从现代化学成立以来，人们一直认为化学是一门实验学科，因为之前人类认识化学通过两种科学方法，一种是培根创造的实验科学归纳法，而另一种是笛卡尔创造的演绎法。但由于化学界的没能形成统一理论，使演绎法难以在化学研究中得到根本上的广泛应用，即化学研究无法像物理那样通过计算来逻辑地预言和解释化学行为。但是，20世纪30年代量子力学的出现，却给理论化学家带来了一线曙光。19世纪三十年代，奥地利物理学家薛定谔总结出了实物微粒运动规律的薛定愕方程[1]。之后，德国革丁根大学的两位年青人海特勒和隆多首次借用量子力学处理化学问题，建立和求解了氢分子薛定愕方程，开辟了用量子理论方法研究分子中电子行为的广阔领域，导致了量子化学的产生。薛定愕方程是一个关于波函数的线性偏微分方程。对于一般的分子体系，应用时必须考虑各个微粒的运动状态。由于分子由原子组成，原子又由核和电子组成，德国物理学家M.Born和美国物理学家奥本海默考虑到核质量比电子质量大几千倍，绕核作高速运动，首先提出“定核近似”，将薛定愕方程分解为核运动方程和电子运动方程，而化学研究只关心电子状态的薛定愕方程[2]。这样，三维空间中N个电子的分子体系，其薛定愕方程就变成含有3N个变量的偏微分方程。另一方面，英国物理学家哈特D.R.Hartree和VFock将每个电子近似看作在核和其余N-1个电子构成的平均势场中运动，再次对其作出“单电子近似”，将3N个变量的偏相关能效应，则将试探波函数取一组行列式的线性组合归一[12]。一个体系的不同组态Slater行列式表示，这样选定的波函数和求得组态对总体系波函数贡献被称为组态相互作用(CI)方法。CI不但允许电子在基态组态的位置运动，也考虑了构成激发态的贡献，这个贡献即为用CI方法计算出的相关能。3量子化学的应用3.1在离子液体中的应用离子液体主要是指由有机正离子和无机负离子或者有机负离子构成的，在室温或者接近室温的温度下呈液态的盐类。离子液体具有很多独特的理化性质，具有良好的溶解性和热稳定性，其溶解性可与大多数的化合物混溶，几乎没有蒸汽压，具有较宽的电化学窗口。将离子液体作为反应介质，同时还可以起到催化的作用。采用量子化学从头算方法对离子液体的阳离子和阴离子进行全优化计算，可以得到阳离子和阴离子的平衡几何构型和净电荷，进而通过阳离子环上的电子数来判断其阳离子是否具有芳香性。还可以通过计算得出其LUMO轨道上的兀键分子轨道。通过计算得出的电荷分布可算出其烷基链对其结构的影响。还可以解释水以及氢键对离子液体性质的影响。3.2在材料化学中的应用水泥一直以来是建筑业的必备品，而量子力学的计算可以解决很多水泥凝固之后一些不良的性质，解决了很多实际问题。钙矾石是市场上水泥主要产物之一，对混凝土起着粘结的作用。而通过量子化学计算发现，大部分金属在其化合物内的键级基本一致，通过计算键级改变其内部结构来增加凝胶强度。量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径。3.3在能源研究中的应用化石燃料是当今世界主要的能源来源之一。而量子化学计算方法以及计算技术可以探索化石燃料内部的结构，从而转变其性质，使之利用率大大提高。量子化学计算在研究化石燃料的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子，如低级芳香烃作为碳-碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义。3.4在电化学中的应用锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。埋离子电池的发展强烈地依赖于相关材料的性能，因此对材料进行理论设计以寻找具有特定性能的材料以及对电池充放电过程中有关现象的理论解释已经成为材料研究的迫切要求.量子化学和现代计算技术的发展，已基本上能满足这一要求.量子化学可以应用于锂离子电池电极材料平均插埋电压的预测、埋的嵌入一脱嵌机理研究、埋离子电池正极材料，格畸变的研究以及其它物理化学性质的理论计算中。4.展望量子化学的基本原理和化学实验是密不可分的，量子化学的诞生可以全面的解决分子结构问题，量子化学已经渗透到无机化学，有机化学等领域，可以为其提供理论支撑，推动了化学各个学科的发展，同时也推动了计算化学等新型化学学科的发展。能够合理、定量而有效地解释隐藏在现象背后的原因，从而揭示其本质，在总结规律的基础上做出预示甚至设计新的分子或功能材料。对当代化学产生了深远的影响。

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