Gaussview在化学教学中的一些应用

Gaussview在化学教学中的一些应用
刘晓东;胡宗球
【摘要】Gaussvian量子化学计算程序包是美国Gaussian公司开发的一个功能强大的量子化学综合软件包。

可执行各类不同精度的分子轨道计算（包括Hartree-Fock水平从头算（HF）、Post-HF从头算、密度泛函理论（DFT）以及多种半经验量子化学方法），进行分子和化学反应性质的理论预测。

目前已成为国际上公认的最优秀的化学计算软件。

【期刊名称】《大学化学》
【年(卷),期】2006(021)005
【总页数】3页(P34-36)
【关键词】化学教学;Hartree-Fock;Gaussian;量子化学计算;分子轨道计算;应用;量子化学方法;密度泛函理论
【作者】刘晓东;胡宗球
【作者单位】华中师范大学化学学院,武汉,430079;华中师范大学化学学院,武汉,430079
【正文语种】中文
【中图分类】O6
Gaussian量子化学计算程序包是美国Gaussian公司开发的一个功能强大的量子化学综合软件包。

可执行各类不同精度的分子轨道计算(包括Hartree-Fock水平
从头算(HF)、Post-HF从头算、密度泛函理论(DFT)以及多种半经验量子化学方法)，进行分子和化学反应性质的理论预测。

目前已成为国际上公认的最优秀的化学计算软件。

Gaussview是Gaussian公司为Gaussian程序包开发的一个附带软件，它不但使输入文件的建立较为方便快捷，而且输出结果中有用信息的提取更快捷；优化的结构，分子轨道，原子电荷，光谱等可视化表示，使研究人员能把更多的注意力放在化学问题上；另外，把Gaussian程序精确的计算能力与Gaussview的显示能力
运用于教学，有助于学生直观形象地了解物质的微观结构和化学问题处理方法，从而加深对教材内容的理解，为学生进行探究式学习提供一种有用的工具。

1 计算方法
本文所举例子的计算均采用“# B3LYP/6-31G opt freq”作为作业控制段。

其中，B3LYP为密度泛函理论(DFT)的计算方法，6-31G为基组，opt为优化结构的关键字，freq为频率计算关键字。

下面的结果显示功能都在Gaussview的results下
拉菜单中。

2 优化结果显示在教学中的应用
利用优化结果显示物质的微观结构比直接在Gaussview中建立微观结构更精确，
可以了解键长、键角、二面角等微观参数，是学生直观地认识分子结构的有力手段。

学生可通过它做出自己想要的分子结构，教师也可以把这些图形粘贴到PowerPoint上，用于课堂演示。

3 原子电荷显示在教学中的应用
在讲授极性分子和非极性分子以及有机化学过程中，常常提到原子电荷分布情况及对物质化学性质的影响。

以前这些只能靠教师定性地讲授，没有定量的展示过程，学生不易理解。

Gaussview中原子电荷显示功能有准确的电荷数值提供，使电荷
分布一目了然。

图1与图2分别是N2和CH3CHO的原子电荷分布图。

图1 N2的原子电荷分布
图2 CH3CHO的原子电荷分布
从图1可看出：N2的两个N原子电荷分布数值均为0.000，为非极性分子。

从图2可看出：CH3CHO的O原子电荷分布数值为-0.376,羰基C原子电荷分布数值为0.232,甲基C原子电荷分布数值为-0.478,为极性分子。

从电荷分布数值很容易理解亲电试剂进攻富电子的氧，亲核试剂进攻缺电子的羰基碳[1]。

有了这张图，学生自己就可以分析出CH3CHO的主要性质，从而充分体现现代化教学手段的优势。

4 分子轨道显示在教学中的应用
在结构教学中，N2和O2的分子轨道图形与电子轨道填充图是教学重点，也是学生不易掌握的难点。

通过Gaussview中的分子轨道显示功能和MO编辑器，可作出这两种图形。

结合各个轨道的能量，学生就容易理解为什么这样填充。

下面以N2为例，给出各个分子轨道图形与电子轨道填充图(图3，图4)。

图3 N2分子轨道图形
图4 N2的电子轨道图
从图4中可看出，轨道5、6及8、9分别为简并轨道，能量相同；轨道7、8为前线轨道，能量差ΔE变化大。

由前线轨道理论知，N2性质稳定，HOMO电子不易激发。

从图3可看出HOMO为N2最高占据轨道，它的电子云大多密集在分子的两端，所以形成配合物时N2易采取端基配位[2]。

5 光谱显示在教学中的应用
Gaussview中的光谱预测功能为提高学生的识谱能力提供了训练手段。

图5是CH2O的光谱数据。

图5 CH2O的光谱数据
从图5可看出，CH2O有6个振动频率，符合3n-6的非线性分子要求。

说明是基
频峰。

在红外光谱中，振动的各种类型是不易理解和掌握的，通过图6各个振动的动画
效果，这一问题可得到较好的解决。

图6 CH2O的振动类型
图6中的振动原子按箭头所指方向振动。

在教学中展示这种动画效果，能使学生
很容易理解伸缩振动和弯曲振动的类型。

总之，利用Gaussview有助于提取输出文件中的信息，使信息的表达更直观形象。

随着教育现代化的发展，Gaussian程序在教学中的应用将越来越广泛，对提高教
学效果，激发学生的创造力和想象力，培养学生的化学学习兴趣，都能起到很好的作用。

参考文献
1 曾昭琼.有机化学.第3版.北京:高等教育出版社,1993
2 邓存,刘怡春.结构化学基础.第2版.北京:高等教育出版社,1995。