計算機在化學(xué)中的應(yīng)用論文(2)
計算機在化學(xué)中的應(yīng)用論文篇二
試談計算機模擬在化學(xué)中的應(yīng)用
摘要：采用分子動力學(xué)模擬和蒙特卡洛方法等計算機模擬技術(shù)可以很好的解決科學(xué)技術(shù)中傳統(tǒng)的推理演繹和實驗方法不能滿足理論研究的需要，這些技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)和教學(xué)領(lǐng)域也有光明的前景。
關(guān)鍵詞：計算機模擬;蒙特卡洛方法;化學(xué)教學(xué)
1 引言
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大地豐富了科學(xué)研究方法的內(nèi)容。從最初亞里士多德所倡導(dǎo)的推理演繹的理論研究方法，到伽利略的實驗研究方法，人類對于自然的認(rèn)識隨著手段的不斷完善而更加深刻?；瘜W(xué)作為一門核心的自然科學(xué)，在過去的100多年里，創(chuàng)立了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的理論、方法和實驗手段，認(rèn)識了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和規(guī)律，合成制備了數(shù)以萬計的化學(xué)物質(zhì)，為人類認(rèn)識物質(zhì)世界和人類的文明進步做出了巨大的貢獻。
然而，20世紀(jì)以來，面對生命科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)等其他學(xué)科迅猛發(fā)展的挑戰(zhàn)和人類對認(rèn)識和改造自然提出的新要求，化學(xué)的發(fā)展趨勢逐漸變?yōu)椋河珊暧^到微觀、定性到定量、穩(wěn)定態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)展;由經(jīng)驗逐漸上升到用理論來指導(dǎo)設(shè)計和開拓新的研究領(lǐng)域和思路。同時，在與其他自然科學(xué)的相互滲透過程中不斷地產(chǎn)生新的研究方向，并向探索生命科學(xué)和宇宙起源的方向發(fā)展。也就是說，化學(xué)正向更加復(fù)雜的方向發(fā)展：系統(tǒng)方面，呈現(xiàn)多組分、多反應(yīng)和多物種的復(fù)雜性特征;結(jié)構(gòu)上，主要是多層次的有序高級結(jié)構(gòu);過程上的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在有復(fù)雜系統(tǒng)參加的化學(xué)反應(yīng)中，而復(fù)雜過程是由時空、有序地受控等一系列事件構(gòu)成，同時狀態(tài)變化的復(fù)雜性又是過程復(fù)雜性的表現(xiàn)。在這樣的背景下，常規(guī)的實驗手段和實驗水平已經(jīng)不能完全滿足理論研究的需要，甚至很多方面的研究很難用現(xiàn)有的手段實現(xiàn)，這就迫切需要一種新的技術(shù)來對實驗方法進行補充和深化。
計算機作為一種科學(xué)研究的重要工具，自問世以來，已經(jīng)應(yīng)用在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域并由此發(fā)展了許多新的理論與方法?，F(xiàn)在公認(rèn)的是，計算機是理論研究的重要補充[1-4]。它可以不加近似的給出某一模型的數(shù)值結(jié)果及直觀圖像，進而可以與試驗相對照，從而對新理論的提出起到指導(dǎo)作用。所以，計算機模擬已經(jīng)不再僅僅是理論物理學(xué)家手中的武器，而逐漸成為實驗化學(xué)家必不可少的工具。隨著計算機模擬技術(shù)的日益發(fā)展，化學(xué)研究的手段得到更新的發(fā)展和深化，化學(xué)研究也進入了一個新的階段。
2 計算機模擬方法
傳統(tǒng)的計算機模擬采用的方法大致分為兩種類型：確定性模擬方法即在統(tǒng)計物理中稱為分子動力學(xué)模擬方法;隨機模擬方法即蒙特卡洛方法(Monte Carlo)，這兩種方法在微觀模擬領(lǐng)域都起到了重要的作用。在時間趨于無窮時，兩種算法是等價的。
分子動力學(xué)計算機模擬是研究復(fù)雜的凝聚態(tài)系統(tǒng)的工具。它是基于牛頓方程。在原子核和電子所構(gòu)成的多體系系統(tǒng)中，其中每一個原子核都被視為在全部其它原子核和電子作用下運動，通過計算機分析系統(tǒng)中各粒子的受力情況，用經(jīng)典或量子的方法求解系統(tǒng)中各粒子在某時刻的位置和速度，以確定粒子的運動狀態(tài)，進而計算整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這一技術(shù)既能得到原子模擬的運動軌跡，還能像做實驗一樣進行各種觀察。由于分子動力學(xué)模擬方法計算的體系比較大，是目前模擬研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及配體――受體相互作用的主要方法。
自然界有的過程本身就是隨機的過程，如物理現(xiàn)象中粒子的衰變過程、粒子在介質(zhì)中的輸運過程等。蒙特卡洛方法是通過不斷產(chǎn)生隨機數(shù)序列來模擬過程。其基本思想是按照實際問題所遵循的概率統(tǒng)計規(guī)律。
用電子計算機進行直接的抽樣試驗，然后計算其統(tǒng)計參數(shù)。該方法也通常稱為直接蒙特卡洛模擬法，它充分體現(xiàn)出無可比擬的特殊性和優(yōu)越性，也就是人們所說的“計算機實驗”。
同樣，如果我們用蒙特卡洛方法也可以人為地構(gòu)造出一個合適的概率模型，依照該模型進行大量的統(tǒng)計實驗，使它的某些統(tǒng)計參量正好是待求問題的解，這也就是所謂的間接蒙特卡洛方法。
3計算機模擬技術(shù)在化學(xué)中的應(yīng)用
計算機模擬技術(shù)自九十年代初以來發(fā)展迅速，其在新材料的設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域已成為一種十分重要的方法和工具。它不僅能提供定性的描述，而且能模擬出分子體系的一些結(jié)構(gòu)與性能的定量結(jié)果。例如，在研究沸石催化劑的吸附和擴散性質(zhì)、溫度對擴散系數(shù)的影響、選擇合適的沸石結(jié)構(gòu)時，計算機模擬技術(shù)就成為一種有力的工具。對尋找可以用于形態(tài)選擇性反應(yīng)的可能的催化劑這方面的工作來說，利用計算機建立沸石和被吸附分子的模型，采用分子圖形法(moleculargraphics)可以很快在計算機屏幕上顯示出各種反應(yīng)物或產(chǎn)品的分子與候選的(candidate)沸石孔的形狀與尺徑的匹配程度，用量子力學(xué)或分子動力學(xué)研究沸石內(nèi)的分子擴散情況可以提供對所顯示的分子圖像的證明，從而選擇有效的催化劑。
隨著非線性科學(xué)突飛猛進地發(fā)展，蒙特卡洛方法在化學(xué)上已經(jīng)取得了可喜的進展。進入九十年代，蒙特卡洛方法在化學(xué)的各個領(lǐng)域都已成為研究前沿，這標(biāo)志著化學(xué)一場新的革命的到來。尤其是在實驗和理論上解釋都有一定困難的高聚物微觀機理方面：如單鏈聚乙烯在特殊情況下化學(xué)鍵的參數(shù);支鏈含量和長度在共聚烯結(jié)晶中作用;支鏈點對晶體的作用;高分子凝膠網(wǎng)的溶脹平衡等方面的研究[5]，蒙特卡洛方法顯示了其巨大的優(yōu)越性。
活性自由基聚合(CRP or LRP)是近年來高分子合成領(lǐng)域中研究的熱點之一。其特點是通過一個休眠/活化的平衡反應(yīng)來降低體系中的自由基濃度，從而達到可控聚合的目的。而這個間歇休眠的過程是否對聚合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響是需要關(guān)注的課題。傳統(tǒng)的實驗方法只能用13C-NMR來分析聚合物的序列結(jié)構(gòu)，用這樣的方法得到的結(jié)果無法排除引發(fā)、副反應(yīng)及實驗條件的影響。蒙特卡洛模擬很好地解決了這些問題，只要建立合適的模型，就可以用計算機模擬實際接近的反應(yīng)，追蹤到整個反應(yīng)的進程，從而對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)有相當(dāng)完整的認(rèn)識。
同時，計算機模擬方法不僅局限于科研領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中也發(fā)揮著巨大的作用。比如對于一個反應(yīng)釜，利用計算機模擬程序，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)可以得出生產(chǎn)所需要的壓力，溫度等參數(shù)，省時省力，節(jié)約了資源。反之，對于相應(yīng)的生產(chǎn)條件可以根據(jù)需要的反應(yīng)參數(shù)來設(shè)計反應(yīng)釜的大小、數(shù)目、參數(shù)。
4 計算機模擬在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
計算機輔助教學(xué)作為一種嶄新的教學(xué)手段，在現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)中顯示出強大的生命力。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，計算機輔助教學(xué)更加生動、直觀，無疑顯示出巨大的優(yōu)勢。例如，用三維動畫模擬分別由羧酸和醇脫羥基的兩種反應(yīng)模式，引導(dǎo)學(xué)生觀察化學(xué)鍵的斷裂和重新組合，從而了解到底是羧酸還是醇提供羥基。而本文所討論的計算機模擬并不僅局限于模擬演示實驗，利用上述的兩種計算機模擬方法可以解決常規(guī)實驗方法較難證明的問題。通常，這種計算機模擬技術(shù)是通過建立一個理論模型，利用計算機語言編寫程序，實現(xiàn)對研究對象的模擬，通過計算，與實驗事實形成對照互補，這樣可以對理論模型給出一個直觀的印象，加強教學(xué)的效果。同時，由學(xué)生進行程序設(shè)計，可以加深對理論模型的理解。例如，用MATLAB語言設(shè)計編寫蒙特卡洛法處理化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題的程序，將所編的程序用于模擬鄰苯二甲酸二甲酯的堿性水解反應(yīng)，用模擬結(jié)果與實驗結(jié)果及常規(guī)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)公式的計算結(jié)果相比較。事實證明用蒙特卡洛模擬方法對于預(yù)測反應(yīng)動力學(xué)具有較高的準(zhǔn)確性[6]。再比如，利用計算機模擬程序來研究溶劑對化學(xué)凝膠化過程的影響[7]，建立改進的晶格鍵流模型，引進緊鄰不飽和單元相互作用參數(shù)Z來描述溶劑的品質(zhì)，模擬的結(jié)果表明，溶劑品質(zhì)對凝膠化時間、簇平均時間、簇尺寸分布等有明顯的影響。
在高校的課程中，已經(jīng)有了程序設(shè)計課程，這為計算機模擬技術(shù)的運用創(chuàng)造了很好的前提，同時也增強了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)和計算機的興趣，能夠培養(yǎng)出既能夠從事計算機模擬又能掌握化學(xué)原理的復(fù)合型科研人才，適應(yīng)社會的需要。
計算機在化學(xué)中的應(yīng)用論文篇三
試談計算機在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展、學(xué)校辦學(xué)條件的不斷改善，計算機已步入高中課堂。如何在高中化學(xué)課上運用計算機提高教學(xué)效益已成為一個新鮮的課題。在教學(xué)實踐中，高中化學(xué)課中許多難以操作或有毒的實驗和一些較繁雜的化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式以及一些抽象的概念和理論，用傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段常常難以突破，易使學(xué)生感到枯燥乏味，影響教學(xué)效果，如果能恰當(dāng)?shù)乩糜嬎銠C的作圖模擬功能和速度快、容量大的特點，就能夠很好地化解這些難點，大幅度提高教學(xué)效率。
一、利用計算機的作圖功能可以模擬微觀世界
在教學(xué)中，我們可以利用計算機模擬把靜態(tài)圖示轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)圖示，把微觀問題宏觀化，把抽象問題形象化，有利于幫助學(xué)生理解概念、掌握理論，其效果是利用圖片或其他傳統(tǒng)手段所不及的。例如，在高一“原子核外電子運動的特征”部分，內(nèi)容抽象，教材中僅提供了氫原子電子云示意圖，其他內(nèi)容要靠教師講述，教師不易教，學(xué)生難理解。若利用計算機把這節(jié)課的內(nèi)容制作成課件，在原子核外電子運動特征中設(shè)這樣兩個小標(biāo)題：“原子核外電子的運動特點”和“電子云”。然后，先指出原子核外電子的質(zhì)量小、運動速度很快、運動范圍小。人類是無法觀察也不可能觀察的，之后借助計算機模擬在顯示屏左邊畫出一個氫原子核，核外一個電子，由于電子運動速度很快，我們看到的是一個亮環(huán)在原子核外空間“無規(guī)律”出現(xiàn)，并將左框運動情況在右框中累積，從而引導(dǎo)學(xué)生分析并找出核外電子的運動規(guī)律。再借助計算機模擬，給氫原子拍照，在顯示屏左邊顯示出氫原子某瞬時的照片，右邊顯示出瞬時照片的疊印，當(dāng)其照片疊印到一定數(shù)量時，就能清晰地看到核外電子在氫原子核外空間出現(xiàn)機會的統(tǒng)計結(jié)果的形象表現(xiàn)――電子云的圖形，從而使只能通過口頭語言描述的抽象概念變成了動態(tài)的直觀圖示，能有效的加深學(xué)生的理解和記憶。
又如銅鋅原電池原理，它既是教學(xué)中的重點又是難點，在教材中僅設(shè)一個演示實驗，演示時只能觀察到宏觀結(jié)果，不能觀察到微觀過程。如果利用計算機動畫模擬，把銅片和鋅片浸入稀硫酸中，先是鋅片上有氣泡，再用連有電流計的導(dǎo)線把鋅片和銅片連接起來，氣泡改在銅片上放出，電流計指針有偏轉(zhuǎn)，并觀察到電子移動的路徑，這樣，就可以啟發(fā)學(xué)生思考電流的方向、構(gòu)成原電池的條件、原電池的正負極的確定等問題，整個過程清楚、直觀，學(xué)生很容易接受。
二、利用計算機的作圖功能可以模擬化學(xué)實驗
許多化學(xué)實驗有毒，具有一定的危險性，如果操作不當(dāng)，就有可能發(fā)生意外事故?；瘜W(xué)實驗中的一些錯誤操作，過去只能靠教師講其錯誤的原因以及錯誤操作可能帶來的危害，不能為了加深學(xué)生印象而用實驗證明，否則會造成危險。如果用計算機動畫模擬這些錯誤操作，則可將步驟分解，放慢動作，不僅把錯誤的原因演示清楚，而且可以渲染氣氛，學(xué)生看后印象深刻。這種做法特別適合于易燃、易爆、產(chǎn)物是有毒氣體以及使用強酸、強堿、劇毒藥品等實驗的模擬。例如，稀釋濃硫酸時將水加入濃硫酸中，液體就會沸騰并飛濺出來;點燃未經(jīng)驗純的氫氣，導(dǎo)致整個裝置的爆炸;用排水法收集氧氣時，先停止加熱，后將導(dǎo)氣管撤出水面，水倒吸使試管炸裂。對這些錯誤操作、危險操作的模擬，既能加深學(xué)生的印象，又能使學(xué)生準(zhǔn)確地掌握知識、加深對錯誤操作原因的理解，還能在以后的實際操作中避免意外事故的發(fā)生。
三、利用計算機的作圖功能可以模擬化學(xué)反應(yīng)歷程
化學(xué)實驗本身往往是宏觀的，而反應(yīng)原理則往往是微觀的，教師在講解時描述起來比較困難，需要學(xué)生具有較強的空間想象能力和抽象思維能力。大多數(shù)學(xué)生理解起來感到吃力，這也許就是某些學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的難點。但是如果能在講解實驗原理時，用計算機模擬反應(yīng)原理，就可以起到事半功倍的效果。例如，在有機化學(xué)中羧酸和醇的反應(yīng)中，羧酸是提供氫還是羥基?學(xué)生根據(jù)已有的經(jīng)驗，很容易把中和反應(yīng)跟酯化反應(yīng)類比，錯誤地認(rèn)為在酯化反應(yīng)中，羧酸提供氫而醇提供羥基。要突破這一教學(xué)難點，可利用計算機模擬含有帶標(biāo)記的氧原子的醇跟羧酸起酯化反應(yīng)，形成含有帶標(biāo)記的氧原子的酯這一反應(yīng)歷程，從而證明羧酸提供羥基而醇提供的是氫。再如，高三的“電解質(zhì)溶液”一章，是高中階段的重點和難點，有的教師采用的是以大量習(xí)題和小測試強化學(xué)生記憶的方法，這樣不僅容易加重學(xué)生的負擔(dān)，而且也不一定能達到教學(xué)目的。我們在講述這一章的第四節(jié)“鹽類的水解”時，為了讓學(xué)生深入理解鹽類水解的實質(zhì)，可借助計算機，利用3Dmax軟件制作水的電離、醋酸鈉、氯化銨及氯化鈉溶于水后電離成離子，醋酸根離子和銨根離子水解的情況來增強直觀性，使學(xué)生們仿佛身臨其境，自然歸納出鹽類水解的實質(zhì)，取得良好效果。
四、利用計算機可以模擬化工生產(chǎn)過程
在高中化學(xué)教材中有關(guān)于化工生產(chǎn)的內(nèi)容，如接觸法制硫酸、氨氧化法制硝酸等，學(xué)生大多數(shù)未見過，缺乏感性認(rèn)識。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師大都是通過掛圖或模擬教學(xué)，直觀性差。利用計算機的模擬功能，可以繪制化工生產(chǎn)的流程圖，模擬化工生產(chǎn)的全過程。若再利用三位動態(tài)圖形“真實”展示沸騰爐、氨合成塔、氧化爐和吸收塔及其內(nèi)部反應(yīng)發(fā)生的過程，對各個環(huán)節(jié)進行反復(fù)演示或局部放大，則更能有助于加深學(xué)生對知識的理解。
我們還可以利用計算機速度快、容量大的特點，結(jié)合教材具體內(nèi)容，將課堂教學(xué)中的部分板書、掛圖、例題、練習(xí)題等教學(xué)內(nèi)容進行恰當(dāng)?shù)匕b組合，設(shè)計制作成課件，在教學(xué)中應(yīng)用，就能增大課堂教學(xué)容量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效提高教學(xué)效率。
總之，計算機在課堂教學(xué)中的應(yīng)用要以解決教學(xué)中難以解決的問題為出發(fā)點，以培養(yǎng)學(xué)生能力為目的。所以，我們應(yīng)該從實際需要出發(fā)來合理地使用計算機。
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