计算化学课程理论概述
计算化学-分子和量子力学理论及应用导论第二版课程设计
计算化学-分子和量子力学理论及应用导论第二版课程设计1. 课程简介本课程是一门介绍计算化学领域中分子和量子力学理论及应用的导论性课程。
该课程通过讲解计算化学的基础概念、分子的结构与性质、量子化学计算方法等内容，帮助学生建立计算化学的基本理论知识，掌握各种计算方法和软件的使用，并能够将其应用于化学实际问题的计算和分析中。
2. 课程教学目标通过本课程的学习，学生将能够：•理解计算化学的基础概念和相关理论知识；•掌握分子的结构和性质的计算方法；•熟悉量子化学计算方法和软件的使用；•能够应用计算化学的方法解决化学实际问题。
3. 教学内容3.1 计算化学的基础概念•计算化学的定义及其发展历程；•计算化学在化学领域中的应用。
3.2 分子的结构和性质的计算方法•分子力学和分子动力学的理论和方法；•分子结构参数和物理性质的计算方法；•分子动力学的模拟方法。
3.3 量子化学计算方法和软件的使用•量子力学的基本概念和数学表达式；•基态和激发态计算方法；•电子结构方法的比较和选择；•基于量子力学的分子模拟方法。
3.4 化学实际问题的计算和分析•化学反应的机理和动力学计算方法；•分子间相互作用和化学反应率的计算方法；•实际应用案例分析。
4. 教学方法本课程采取理论讲授、案例分析和实践操作相结合的教学方法。
在讲解和演示计算化学的理论知识和计算方法的同时，将安排相关的案例分析和实践操作，增强学生的实践能力和实际运用能力。
5. 考核方式本课程的考核方式为课堂参与和课程作业互评。
其中，课堂参与包括听讲和提问，占总成绩的30%；课程作业包括案例分析和实践操作，占总成绩的70%。
6. 教材•David Sholl和Janice A. Steckel，《计算化学-分子和量子力学理论及应用导论-第二版》。
•刘作华，《量子化学基础》。
7. 参考资料•Frank Jensen，《计算化学》。
•Warren Hehre，《量子化学》。
• A. R. Leach，《分子建模-原理、方法与应用》。
计算机在化工中的应用教学大纲
计算机在化工中的应用教学大纲一、课程简介本课程旨在介绍计算机在化工领域中的应用，包括计算机模拟、化学数据库、计算流体力学（CFD）等相关技术的原理和应用。
通过本课程，学生将学习如何使用计算机解决化工领域中的相关问题，并掌握各种软件工具和技术在实际工程中的应用。
二、预备知识1.化学基础知识2.计算机基础知识三、教学目标1.了解计算机在化工领域中的应用现状和发展趋势。
2.掌握常用的化工软件工具和技术，包括计算机模拟、化学数据库、CFD等。
3.能够使用计算机解决化工领域中的问题，并进行工程应用。
4.培养学生的计算机应用能力和创新思维能力。
四、教学内容1.计算机在化工领域中的应用概述a)计算机在化工领域中的发展历程b)计算机在化工工程设计、优化和控制中的应用c)计算机辅助化学实验设计和分析2.计算机模拟a)分子模拟方法和原理b)分子动力学模拟c)蒙特卡洛模拟d)应用案例分析3.化学数据库a)化学数据库的构建和应用b)化学反应数据库c)化学结构和性质数据库d)应用案例分析4.计算流体力学（CFD）a)CFD的基本原理和数值算法b)CFD在化工领域中的应用c)CFD软件的使用和工程实践d)应用案例分析5.实践应用a)利用化工软件进行实际工程设计和优化b)使用计算机模拟方法解决化工过程中的问题c)基于CFD的化工流程优化案例分析六、教学方法1.理论授课2.案例分析和讨论3.实践操作和实验4.课程项目设计七、考核与评价1.平时成绩（包括课堂参与、作业和小组讨论）2.期中考试3.期末项目报告和答辩八、参考教材2. Hinchliffe, A. (2024). Molecular modeling: principles and applications. John Wiley & Sons.3. Leach, A. R. (2001). Molecular modelling: principles and applications (2nd ed.). Pearson Education.4. CFD Basics: An Introduction (Ansys Fluent Tutorials Series)5. Smith, W. (2005). Chemical process design and integration. John Wiley & Sons.九、参考资料1.计算机在化工中的应用与研究进展（材料科学与工程学报）2.化工领域固定床反应器CFD模拟研究综述（化学工业与工程）3.CFD在化工热流体流动方面应用进展（石油化工应用）4.化工专业计算机模拟课程教学方法研究（实验技术与管理）。
化学专业主修课程
化学专业主修课程一、无机化学无机化学是化学专业的基础课程之一，是研究无机物质的性质、结构、合成和应用的学科。
学习无机化学可以了解元素的周期表分类、离子间相互作用、配位化学等基本概念。
通过学习无机化学，我们可以深入了解无机材料的合成方法、催化剂的作用机理以及无机材料在能源、环境保护等领域的应用。
二、有机化学有机化学是化学专业中的重要课程，它研究的是有机物的结构、性质、合成和应用。
有机化学是化学专业的基础课程之一，也是理解生物化学和药物化学等高级课程的基础。
通过学习有机化学，我们可以了解有机化合物的命名规则、反应机理和合成方法，为进一步研究有机材料、药物和生物活性分子打下坚实的基础。
三、物理化学物理化学是化学专业中的一门重要课程，它研究的是物质的物理性质和化学性质之间的关系。
学习物理化学可以帮助我们理解化学反应的动力学、热力学和量子化学等基本概念。
通过学习物理化学，我们可以了解化学反应速率、平衡常数和电化学等内容，为进一步研究化学反应机理和应用提供基础。
四、分析化学分析化学是化学专业中的一门实验课程，它研究的是化学物质的组成和性质的定量和定性分析方法。
学习分析化学可以提高我们的实验操作能力和数据处理能力。
通过学习分析化学，我们可以了解常用的分析方法和仪器设备，如色谱、质谱和光谱等，为进一步研究化学物质的分析和检测提供基础。
五、化学实验化学实验是化学专业中的一门重要课程，它通过实验操作来加深对化学理论的理解和应用。
学习化学实验可以培养我们的实验技能和实践能力，提高我们的观察和分析能力。
通过进行化学实验，我们可以学习化学反应的实际操作过程，掌握实验的安全操作和数据处理方法，为进一步研究和应用化学提供实验基础。
六、化学原理化学原理是化学专业中的一门入门课程，它介绍了化学的基本原理和概念。
学习化学原理可以帮助我们建立化学的基本知识框架，理解化学反应的基本规律和化学方程式的平衡。
通过学习化学原理，我们可以了解原子结构、化学键和化学反应等基本概念，为进一步学习化学专业的其他课程打下基础。
化学专业课程一览表
化学专业课程一览表一、基础课程1. 无机化学：介绍无机化合物的结构、性质和反应，学习无机化学的基本原理和理论。
2. 有机化学：探索有机化合物的结构、性质和反应，学习有机化学的基本概念和反应机制。
3. 分析化学：学习测量和分析化学样品的方法和技术，包括定量分析和质谱分析等。
4. 物理化学：研究物质的结构、性质和变化的物理基础，包括热力学、动力学和量子化学等方面的内容。
二、专业课程1. 配位化学：深入研究配位化合物的结构和性质，学习配位化学的理论和实验方法。
2. 有机合成化学：学习有机合成的基本原理和方法，掌握有机合成反应的设计和实施。
3. 化学动力学：研究化学反应速率和反应机制的理论和实验方法。
4. 电化学：学习电化学反应和电化学方法的原理和应用。
5. 生物化学：研究生物分子的结构和功能，了解生命体系中的化学过程和反应。
6. 材料化学：研究材料的合成、结构和性能，探索材料在工程和科学中的应用。
7. 化学工程原理：学习化学工程的基本原理和技术，了解化学过程的设计和优化。
8. 环境化学：研究环境中化学物质的分布、转化和影响，探索环境保护和治理的化学方法。
三、实验课程1. 基础实验：进行基本的化学实验操作，学习实验技术和实验室安全知识。
2. 分析实验：学习常用的分析化学方法和仪器操作，进行定量和定性分析实验。
3. 有机合成实验：实践有机合成反应的设计和实施，掌握有机合成的实验技术。
4. 物理化学实验：进行物理化学相关的实验，学习物理化学原理和实验技术。
四、选修课程1. 化学生物学：探索化学和生物学的交叉领域，研究生物分子的化学特性和功能。
2. 化学计算方法：学习使用计算机进行化学计算和模拟，掌握计算化学的基本原理和方法。
3. 表面化学：研究物质表面的性质和相互作用，了解表面化学在材料和生物科学中的应用。
4. 药物化学：研究药物的设计、合成和作用机制，探索新药物的发现和开发。
5. 化学教育：学习化学教学的理论和方法，了解化学教育的发展和实践。
计算化学基础教学大纲
计算化学基础教学大纲计算化学基础教学大纲计算化学是一门结合计算机科学和化学原理的学科，通过数学模型和计算方法来研究和解决化学问题。
它在现代化学研究中扮演着重要的角色，能够帮助化学家们更好地理解分子结构、反应机制和性质等方面的问题。
为了培养学生对计算化学的基本理论和实践应用的理解，制定一份计算化学基础教学大纲是非常重要的。
一、课程简介计算化学基础课程旨在介绍计算化学的基本概念、原理和方法，培养学生的计算思维和科学研究能力。
本课程将涵盖分子力学、量子化学、计算化学软件和数据库等方面的内容，通过理论讲解和实践操作相结合的方式进行教学。
二、课程目标1. 理解计算化学的基本原理和方法，包括分子力学和量子化学的基本理论；2. 掌握计算化学软件和数据库的使用，能够进行分子结构优化、能量计算和性质预测等基本计算；3. 培养学生的科学研究能力，能够利用计算化学方法解决实际化学问题；4. 培养学生的团队合作和沟通能力，能够与他人合作完成计算化学实验和项目。
三、教学内容1. 分子力学- 分子结构和力场参数的引入- 分子力学模拟的基本原理和方法- 分子结构优化和能量计算的基本步骤- 分子动力学模拟和反应动力学的基本原理2. 量子化学- 量子力学的基本原理和数学表达- 原子轨道和分子轨道的理论基础- 基态和激发态的计算方法和应用- 电子结构计算和性质预测的基本原理3. 计算化学软件和数据库- 常用计算化学软件的介绍和使用- 分子结构优化和能量计算软件的操作- 数据库的查询和分析方法- 计算化学软件和数据库的实际应用案例四、教学方法1. 理论讲解通过课堂讲解，向学生介绍计算化学的基本概念、原理和方法，引导学生理解计算化学的基本思想和应用。
2. 实验操作组织学生进行计算化学实验，包括分子结构优化、能量计算和性质预测等操作，培养学生的实践能力和科学研究能力。
3. 课程设计设计一些小型课程项目，要求学生利用计算化学方法解决实际化学问题，培养学生的团队合作和创新能力。
化学计量法和化学计算
化学计量法和化学计算化学计量法和化学计算是化学领域中重要的计算方法和技巧，用于研究化学反应过程中物质的量和比例关系。
通过精确的计量和计算，可以帮助化学家预测反应的产率、计算摩尔量以及确定反应的平衡状态。
本文将介绍化学计量法和化学计算的基本概念和应用。
一、化学计量法的概念和原理化学计量法是通过化学反应中的物质的量关系，计算和推导出其他物质的量的方法。
其基本原理是以反应方程式中的化学计量关系为基础进行计算。
化学计量法的应用领域广泛，包括化学合成、分析化学以及确定元素的相对原子质量等。
在化学计量法中，常用的计量单位是摩尔。
摩尔是物质量的计量单位，用化学计量单位的摩尔质量表示。
化学计量法通过化学方程式中的化学计量关系以及已知物质的质量或化学计量关系推导未知物质的质量。
化学计量法的基本步骤包括确定所需计算的物质、编写反应方程式、确定已知和未知物质的质量以及根据化学计量关系计算出未知物质的质量。
例如，已知某化学反应中产生了1 mol的H2O，需要计算反应中产生的CO2的摩尔量，可以通过已知的化学计量关系计算出。
二、化学计算的应用化学计算在化学领域中具有广泛的应用，以下将介绍一些常见的应用。
1. 反应产率的计算反应产率是指化学反应中实际产生的物质在理论上可以产生的最大量之比。
通过化学计量法可以根据已知物质的质量和反应的化学计量关系计算反应产率。
2. 摩尔质量的计算摩尔质量是指物质1摩尔的质量，通常以g/mol表示。
通过已知物质的质量和化学计量关系，可以计算出未知物质的摩尔质量。
3. 反应平衡的计算在化学反应中，反应物和产物之间存在一定的比例关系，即反应平衡。
通过化学计算可以确定反应平衡时各个物质的摩尔量，并帮助化学家预测反应的方向和平衡常数。
4. 结晶水的计算结晶水是某些物质中结合的水分子，通过化学计量法可以计算出物质中结晶水的摩尔量。
例如，通过质量差异可以计算出固体物质中结晶水的摩尔量，进而确定物质的化学组成。
初中化学计算解析教案
初中化学计算解析教案
一、教学目标：
1.了解化学计算的基本概念和方法；
2.掌握化学计算中的常用单位和常见计算方法；
3.能够通过化学计算解析实际问题，并应用于实验中。
二、教学内容：
1.化学计算的基本概念：原子量、分子量、摩尔、物质的量、化学计量
2.化学计算中的常用单位：原子质量单位、摩尔、质量、体积等
3.常见的化学计算方法：质量-摩尔-物质量转化、摩尔-体积-浓度计算等
三、教学过程：
1.导入：通过实际生活中的例子引入化学计算的概念，引起学生兴趣；
2.概念讲解：介绍化学计算中的基本概念和常用单位，让学生了解化学计算的重要性和实际应用价值；
3.案例分析：通过实际案例进行化学计算解析，让学生学会运用不同计算方法解决问题；
4.练习：让学生进行相关练习，加深理解和掌握；
5.实践：设计实验，让学生应用化学计算解析实验数据，培养实践能力。
四、教学反馈：
1.通过课堂练习和实验结果分析，检验学生对化学计算的掌握程度；
2.及时纠正学生错误的计算方法和理解偏差，帮助学生加深对知识的理解；
3.鼓励学生勇于思考和创新，在实验中运用化学计算解析实际问题。
五、作业布置：
1.完成相关练习题目，巩固所学知识；
2.完成实验报告，综合运用化学计算解析实验数据。
六、教学完结：
1.总结本节课的教学内容，强调化学计算的重要性和实际应用；
2.鼓励学生在日常生活和学习中运用化学计算方法解决问题，培养学生的创新思维和实践能力。
精巧计算化学初中教案
精巧计算化学初中教案
主题：化学计算
教学目标：
1. 了解化学计算在化学实验中的重要性和应用；
2. 学习常见的化学计算公式和方法；
3. 掌握化学计算的基本步骤和技巧。
教学内容：
1. 化学计算的定义和意义；
2. 化学计算中常用的单位和符号；
3. 化学计算中常见的公式和方法；
4. 化学计算的步骤和注意事项。
教学步骤：
1. 导入：介绍化学计算在化学实验中的作用和重要性；
2. 讲解：讲解化学计算中常用的单位和符号，介绍常见的化学计算公式和方法；
3. 演示：通过实例演示化学计算的步骤和技巧；
4. 练习：让学生进行化学计算练习，加深理解；
5. 总结：总结本节课的重点内容，强调化学计算的重要性；
6. 作业：布置作业，要求学生完成一些化学计算题目。
教学资源：
1. 化学教科书；
2. 计算器；
3. 化学实验材料。
教学评估：
1. 课堂练习成绩；
2. 作业完成情况；
3. 学生在课堂展示化学计算能力。
教学反思：
1. 学生对化学计算的掌握情况；
2. 学生对化学计算的兴趣和理解程度；
3. 调整教学方法，提高学生的学习效果。
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– 分子力学, 半经验、从头算、 密度泛函的分 子轨道计算
– 可用的操作系统版本有Windows和Linux
• GaussView
– Gaussian的图形界面
分子结构绘图软件
化学中的常用软件
二维图形软件：
描绘化合物的结构式、化学反应方程式、化工流程图、 简单的实验装置图等化学常用的平面图形的绘制
半经验分子轨道理论
• 对价电子进行近似的描写 • 通过解简化的 Schrödinger 方程而得到 • 其中的很多积分用含参数的经验式子来近
似 • 可以半定量地描写电子分布, 分子结构, 性
质和相对能量 • 比从头算电子结构方法计算快, 但是没有它
准确
从头算分子轨道方法
• 使用完全的 Schrödiຫໍສະໝຸດ ger 方程, 得到更精 确的电子分布
• 需要一些猜测泛函和参数, 体系的适用性 必须用实验来校准
• 可以描写结构, 性质, 能量和反应性能 • 计算成本中等
总结
分子力学
大体系, 结构
(Molecular mechanicsm)
半经验方法
中等体系, 粗略性质
(Semiempirical)
完全从头算
小体系, 准确性质
(ab initio calculation)
• 可以系统地进行改进, 直至达到化学精度
– 化学精度: 键长0.02A, 键角2o, 键能 2kcal/mol
• 不需要参数, 也不用实验来校准 • 可以描写结构, 性质, 能量和反应性能 • 计算成本高
密度泛函理论
• 使用完全的 Schrödinger 方程, 原理上可 以得到准确的电子分布
• 可以很容易达到很高的精度, 但是无法系 统地改进到化学精度
(ab initio calculation)
密度泛函 (Density functional)
分子模型的适用范围
• 可以把分子结构, 性质和反应性能模型化 • 可以进行简单的定性解释, 也可以得到精
确的定量的结果 • 可以瞬间计算完成, 也可能花费超级计算
机几个月的时间 • 必须平衡计算成本和模型方法的精确度
计算机 分子模拟
( MM )
的
综
分子动力学 合
(MD & MC) 分
合成路线 CAD
学
量子化学计算
析
数据采集、统计 分析及其它应用
化学 CAI
计算化学的主要研 究内容
计算方面
如何进行计算化学
化学中 的问题
试算分析 输出结果
物理模型 数学模型
公式算法
调试
编程
分子模拟
如何进行计算化学
化学中 的问题
试算分析 输出结果
力学和统计力学（物理上）
• 客观世界从物质构成而言就是仅仅由电子和原 子核组成的。正因为这种物质的统一性，无生 命物质的统一理论在物理上适用，在化学上也 如此。
• 自我批判是科学的生命力所在，第一原理在不 断发展中。
计算化学的宗旨
• 首先选用物理模型，不得已才选数学模型。 • 在运用第一原理的时候，选用适当的模型才能
广义： 化学数据挖掘(Data mining)； 化学结构与化学反应的计算机处理技术；
计算机辅助分子设计； 计算机辅助合成路线设计； 计算机辅助化学过程综合与开发； 化学中的人工智能方法等。
化学数据库 体
化学人工智能
系
数
分子 (材料)
据
CAD
分子结构建模
和
与图象显示
性
分子力学
质
计 算 化
其稳定结构 • 可以计算变形的相对能量 • 计算成本低 • 需要很多经验参数, 这些经验参数需要仔细测
试和校准 • 只能得到稳定几何结构 • 无法得到电子相互作用的信息 • 无法得到分子性质和反应性能的信息 • 不能研究包含成键和断键的反应
分子动力学
• 分子动力学是一套分子模拟方法，该方 法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系 的运动，以在由分子体系的不同状态构 成的系综中抽取样本，从而计算体系的 构型积分，并以构型积分的结果为基础 进一步计算体系的热力学量和其他宏观 性质。
简单搭建的分子模型
• 从一些标准的结构或部分来搭建 • 键长和配位都是固定的 • 从一些分子的结构来可以得到很好的定
性模型 • 便于使用而且很容易实现 • 可以对分子的三维结构给出直观的认识 • 对于分子性质, 能量或反应性能却一无所
知
分子力学方法
• 把分子用硬球和弹簧的方式来表示 • 相对于初步搭建的分子模型, 可以更好地得到
“计算”第三条科学发现的途径
• 20世纪80年代以来 ，计算机已经成为所 有分支领域化学家的必备工具。
• “计算化学”不应停留在“计算机辅助” 的角色。
• “计算”已经与实验，形式理论一样能 够发现新的科学现象、新的科学概念， 从而“计算”已经成为第三条科学发现 的途径。
凭什么相信计算
• 什么是计算所依据的“第一原理” • 无生命物质世界第一原理框架已经建立---量子
执行计算。必须强调：物理模型比数学模型重 要得多，只有在暂时无法构筑物理模型的场合 才不得已采用数学模型。 • 物理学是严密科学（exact science)，化学也正 步入严密科学。“严”字指机理正确，“密” 字指数值准确。
计算化学的研究内容：
狭义： 量子结构计算——量子化学和结构化学范畴； 物理化学参数的计算——统计热力学范畴 化学过程模拟和化工过程计算等
构建 分子模型
寻找过渡态 方法
几何优化 构象分析
能量优化 方法
能量优化方法
• 单纯形法 • 最速下降法 • 共轭梯度法 • Newton-Raphson
寻找过渡态的方法
• 极大-极小逼近法 • 线性内坐标途径法（LICP)
计算化学理论概述
计算化学理论概述
分子力学 (Molecular mechanicsm) 半经验方法 (Semiempirical) 完全从头算
ChemDraw(Chemoffice), ChemWindow：商业软件 最新版本分别为12和6.5。
ISIS Draw, ChemSketch：对教育界及家用为免费软 件
密度泛函
中等体系, 准确性质
(Density functional)
计算化学的软件
• 现在有适用于各种操作系统的很多软件 包
• 大部分都有图形界面, 可以很容易地构建 模型和查看结果
• 我们将使用Gaussian03作为范本 • 软件的使用经验可以很容易地用于其它
类似软件包
Gaussian03的功能