物理化学课程总结

1、课程总结姓名： 专业： 学号：理论化学-量子化学的介绍合成化学-计算化学在合成化学中的应用仪器分析与表征-计算化学在仪器分析与表征中的应用理论化学 理论化学是运用纯理论计算而非实验方法研究化学反应的本质问题，理论化学的研究领域主要为量子化学、统计力学、化学热力学、非平衡态热力学、分子反应动力学等。量子化学 量子化学（Quantum Chemistry)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。量子化学的研究内容分子结构化学反应分子性质分子轨道理论 Molecular Orbitals Theory(MO)价键理论 Valence Bond Theor

2、y（VB）密度泛函理论 Density Functional Theory（DFT)理论形式量子化学计算方法 量子化学计算的基础就是解电子运动的Schrdinger方程，通过对原子和分子的核外电子运动的了解，进一步了解分子的结构、电荷分布，原子间的结合能，结构与性质的关系，一直接到反应途径的研究。从头算方法: 100 个原子密度泛函理论: 1000 个原子半经验理论: 10,000 个原子分子力学： 1，000，000个原子四大计算方法以及适用的原子个数范围非相对论近似Born-Oppenhermer（玻恩-奥本海默）近似单电子近似（轨道近似）从头算方法（ab initio calculati

3、on） 从头算计算方法，即进行全电子体系非相对论的量子力学方程计算。建立在三个近似基础上：利用Planck常数、电子质量和电量三个基础物理常数以及元素的原子序数，对分子的全部积分严格进行计算，不借助任何经验或者半经验参数，达到求解量子力学Schrdinger方程的目的。半经验方法 半经验计算方法是求解Hartree-Fock方程时采用各种近似，或者直接使用拟合的经验参数来近似求解自洽场分子轨道方程。在各种近似的基础上形成了三类半经验计算方法：1.单电子近似2.用统计平均模型计算交换位能的X方法3.以零微分重叠（ZDO）近似为基础的计算方法密度泛函理论（DFT) 一种用电子密度分布n（r）作为基

4、本变量，研究多粒子体系基态性质的新理论。DFT适应于大量不同类型的应用：（1）电子基态能量与原子（核）位置之间的关系可以用来确定分子或晶体的结构；（2）当原子不处在它的平衡位置时，DFT可以给出作用在原子位置上的力。合成化学 合成化学（Chemical synthesis）研究化合物的规律和方法，包括与合成有关的各种理论。所涉及的内容也极其广泛，化合物（或材料）的合成涉及合成目标的确定、合成路线设计、合成实验、鉴定和结构表征等诸多方面。 合成化学的基本内容合成新物质开发新的合成技术发展新的合成策略绿色合成计算化学在合成化学中的应用实例： Gaussian系列是一种常用的量子化学计算软件，可以用

5、它搭建化学物质空间几何优化结构，给出能量值，并计算出相应的红外光谱数据，能够演示动态振动模式。 在有机合成实验当中，Kollbe-Schmitt （科尔贝-施密特反应）反应制备3,6-二氯水杨酸的主副反应方程式在计算化学中通过分子模拟的方法，研究了反应物与产物的结构，利用密度泛函理论（DFT)的B3LYP方法对Kolbe-Schmitt（科尔贝-施密特反应）羧化法合成3,6-二氯水杨酸进行了热力学分析。主反应副反应在6-311+g（3df，3pd）水平上优化计算了反应物与产物的几何构型与电子分布；计算过程经振动频率分析后计算了反应温度300-600K下各物质的总能量与热力学参数，得到了主副反应

6、的焓变、吉布斯自由能变以及平衡常数。优化的2,5-二氯苯酚钾与3,6-二氯水杨酸-钾盐的分子结构利用高斯给出的热力学性质，按照以下公式可以计算出化学反应的标准生成焓与标准吉布斯自由能平衡常数 从计算得出，Kolbe-Schmitt （科尔贝-施密特反应）主副反应均为放热反应，再通过可知主反应在低温低压下不能自发进行，而副反应在常压下就可进行，在热力学上是完全可行的。平衡常数的分析表明反应为可逆反应，CO2 压力的增加有利于平衡的正向移动，而副反应生成的2,5-二氯苯酚则导致平衡逆向进行。这些与实验值是大致相符的。结论仪器分析与表征 仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物

7、理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。这些方法一般都有独立的方法原理及理论基础。计算化学在仪器分析与表征中的应用实例： 本研究采用Gaussian03计算化学程序中3-21G（基组），或6-31G（d）（基组）在Hartree-Fock（HF）水平上模拟绘制四种无机物矿石（方解石，金红石，赤铁矿和石膏）主要化学成分的红外谱图。搭建分子模型（分子模型如下：）CaCO3TiO2Fe2O3CaSO4利用Gaussian03HF的3-21G基组优化CaCO3，TiO2和Fe2O3分子结构；应用6-31G（d）基组优化CaSO4分子结构。逐一通过Gaussian03程序软件计算其振动频率。在计算得到的频率值中没有一个虚频，证明得到的红外光谱图对应的是优化后的分子结构。计算结果由计算得到的方解石主要成分红外谱图由计算得到的CaCO3红外吸收频率与文献中实验值对比 通过Gaussian03计算得到的红外吸收频率与实验值比较可以看出，作为计算对象的化合物分子同实验过程中的分子具有相同的振动模式，通过计算得到的大多数振动频率与实验值大多数是相近的。由于用Gaussian0