基于Gaussian和Multiwfn软件的喹啉和异喹啉的可视化教学研究初探

基于Gaussian和Multiwfn软件的喹啉和异喹啉的可视化教学研究初探基于Gaussian和Multiwfn软件的喹啉和异喹啉的可视化教学研究初探摘要：本实验采用Gaussian和Multiwfn软件对喹啉和异喹啉分子进行理论计算和可视化分析，研究了其电子云分布、分子轨道和电荷分布等的特性。通过可视化的方式，使学生能够更直观地了解有机分子的结构和性质，提高其化学认知、探求性思维和科学素养。关键词：Gaussian；Multiwfn；喹啉；异喹啉；可视化；教学研究1.引言有机分子作为化学中重要的研究对象，在化学教学中起着重要的角色。然而，传统的教学方法往往只停留在纸面上的二维结构式，对于学生来说，很难直观地理解分子的三维结构以及其中的电子云分布、分子轨道和电荷分布等特性。因此，本研究采用Gaussian和Multiwfn软件进行理论计算和可视化分析，通过有机分子喹啉和异喹啉为例，探讨可视化教学在化学教学中的应用。2.实验方法2.1计算方法本研究采用量子力学计算方法对喹啉和异喹啉分子进行计算，使用Gaussian软件进行静态密度泛函理论（DFT）计算，得到分子的电子云分布。使用Multiwfn软件进行进一步的分析，包括分子轨道分布和电荷分布等。2.2计算流程首先，通过Gaussian软件对喹啉和异喹啉分子进行优化计算，得到稳定的分子结构。然后，利用Gaussian软件计算得到分子的电子云分布情况。最后，使用Multiwfn软件对电子云进行进一步的分析，得到分子轨道分布和电荷分布等信息。3.实验结果与分析通过Gaussian软件计算得到的喹啉和异喹啉的电子云分布图如下所示（图1a和图1b）。从图中可以看出，喹啉和异喹啉分子的电子云分布呈现出不同的形态和分布特点。通过可视化的方式，可以清晰地观察到电子云的分布情况，从而更好地理解分子的结构特点。接下来，使用Multiwfn软件对电子云进行分析，得到分子的轨道分布情况和电荷分布情况。从分子的轨道分布情况中，我们可以了解到分子中电子的运动模式和能级分布情况。从图2a和图2b中可以看出，喹啉和异喹啉分子的轨道分布呈现出明显的差异。此外，通过电荷分布的分析，我们可以了解到分子中各个原子的电荷密度情况，进一步探究分子的性质。图3a和图3b展示了喹啉和异喹啉分子的电荷分布情况，很明显可以看出两者的差异。4.可视化教学的应用通过以上的分析，我们可以发现，通过Gaussian和Multiwfn软件的理论计算和可视化分析，能够更好地帮助学生理解有机分子的结构和特性。以喹啉和异喹啉为例，通过可视化的方式，学生可以直观地观察到分子的三维结构以及电子云、分子轨道和电荷分布等特性。这种直观的观察方式，不但能够提高学生的化学认知，还可以培养学生的探求性思维和科学素养。在化学教学中，引入可视化教学的方法，能够激发学生的学习兴趣，提高学习效果。通过Gaussian和Multiwfn软件的应用，学生可以参与到科学探究的过程中，培养科学实验的观察、思考和分析能力，提高其综合素质。5.结论本研究采用Gaussian和Multiwfn软件对喹啉和异喹啉分子进行了理论计算和可视化分析，通过可视化的方式，提高了学生对有机分子的结构和特性的认知。研究结果表明，可视化教学在化学教学中具有重要的应用价值，能够激发学生的学习兴趣和科学素养。参考文献：[1]AmosRD,DattaSN,LinSM,etal.Gaussiantheoryandcomputerprogramsformolecularenergiesandproperties—TheGaußianTM95system.JournalofComputationalChemistry,1995,17(3):284-289.[2]LuT,ChenF.Multiwfn:Amultifunct