7计算化学简介
计算化学综述
计算化学是根据基本的物理化学理论及大量的数值运算方式研究分子、团簇的性质及化学反应的一门学科，它以量子化学理论和计算、分子反应动力学理论等来解释实验中各种化学现象，帮助化学家以较具体的概念来了解、分析观察到的结果，并预测未知的化学系统。
除此之外，计算化学也常被用来验证、测试、修正或发展较高层次的化学理论。
化学的进步必须依靠实验、理论和计算方法的支撑，精确计算纠正实验的错误、考察实验难以确认的中间微观过程，合理定量而有效地解释隐藏在现象背后的原因从而揭示其本质、在总结规律的基础上做出预示甚至设计新的分子或功能材料，已经成为现实。
自从量子化学计算方法的建立，理论和计算方法的应用将大大加强，理论和实验更加密切结合。
今后在该领域的研究应该是向应用领域开拓，在不断开拓其应用领域的过程中逐步改善其方法。
目前，计算机的飞速发展，使计算化学在各行各业得到广泛的应用，逐渐与各相关学科形成了一些崭新的边缘或交叉学科，如微观反应动力学、量子催化、量子电化学和量子生物化学等。
与生命科学、材料科学的结合将会更加有力地推动分子生物学、药物设计、新材料的“分子设计”向纵深发展。
同时，随着学科之间的交叉和相互渗透，也将启发我们参考、借鉴其他学科的研究方法，使其相互结合，扬长避短，走向一个新的高度。
由于计算化学主要是依靠计算机作为硬件载体和实施手段的一门学科，因此，计算机技术的发展将对其起到一定的促进作用。
长远而言，或许光学计算机甚至于量子计算机将会提供现今无法想象的计算速率。
然而，计算化学要有真正突破性的发展，除了硬件的进步外，理论上的研究似乎更为重要。
目前对于大分子的计算限于理论的复杂性只能使用分子力学或半经验法；而且就算计算机功能上能有1000倍的提升，距离准确的量子仿真仍有一段距离。
目前的理论方法，仅能对大约小于十个原子的系统达到化学误差(1-2 kcal／mo1)内的准确度；而且这些准确的计算方法的计算量大约是跟系统大小的七次方成正比。
计算化学概述
设计
量子化学的研究对象
• 主要：分子、团簇等孤立体系 • 常规处理的体系规模：几个至几百个原子（半经验房卡可到上万） • 能解决的问题：计算反应的快慢和难易、计算各类化学过程的能
量变化、探究反应的机理、预测和解释各类光谱、预测分子结构、 预测分子各种性质（如稳定性、极化率、反应活性、芳香性反应 位点、结合位点）、探究成键与电荷分布等 • 第一性原理研究领域侧重于固体与表面问题，和材料关系密切。 如计算不同晶型的稳定性、声子谱、晶格常数、掺杂和缺陷的影 响、固体表面吸附和催化、材料的导电性、温度和压力的影响。
计算化学解决问题的思想：模型化
➢建立合理的假想模型,或将复杂的实际问题忽略掉次要因素后 简化成有限计算能力下易于求解的简单模型。栗：固体性质计 算简化成单个晶胞、溶液的光谱计算简化为单个分子+溶剂环 境、酶催化计算只考虑活性位点及其附近原子。
➢在有限的计算能力下，针对体系规模和具体问题，采取最合 适的计算方法去研究，eg
• 微观性质、特征、结构
• 原子的空间分布、运动轨迹 • 构象、构型分布（玻尔兹曼分布） • 体系柔性、结构波动程度 • 氢键、盐键、水桥、π-π堆积等 • 非平衡过程中结构变化过程、扩散/吸附等
过程 • 。。。。
• 热容
• pKa
• 。。。。
研究体系可自由搭建，环境模拟（温度、压力、外场
等）可自由设定，体系中的一切信息尽在掌握
蒙特卡罗模拟:。。。。。
可视化、建模程序
• GaussView、Chem3D、Multiwfn、VMD、Avogadro、ChemCraft、 Gabedit、Molekel、Chimera、Molden、很多很 多、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、
化学中的计算化学理论
化学中的计算化学理论化学是自然科学中的一门重要学科，它研究的是物质的组成、结构、性质以及它们之间的相互转化关系。
在化学的实验过程中，化学计算是一种非常重要的理论工具。
计算化学是指利用计算机模拟、计算等手段研究分子结构、性质和反应规律的一门学科。
它是化学科学的一种广泛应用领域，已经成为化学研究的重要组成部分。
本文将具体介绍化学中的计算化学理论，包括分子轨道理论、密度泛函理论和量子化学。
一、分子轨道理论分子轨道理论是化学中的计算化学理论中较为经典的理论之一，它的核心思想是运用量子力学的原理，通过计算得到分子中的分子轨道及其能级分布，从而揭示分子的电子结构、性质等信息。
分子轨道理论是通过计算得到分子中的分子轨道及其能级分布来揭示分子电子结构、性质等信息。
分子轨道方程式基本是由原子轨道线性组合而成。
该理论的发展过程经历了三个阶段：第一阶段是从分子解离中根据实验结果发展而来的。
在该阶段，计算化学主要关注的是分子中的所有电子都规律地存在于其能量最低的情况，即氢分子。
第二阶段是对自洽场方法的发明和出现。
该方法允许考虑原子与相互作用的大小，给出了更准确地分子轨道能。
第三阶段是利用了更多现代计算机方法和程序的方法。
其中，Hartree-Fock (HF) 理论作为一种较为流行的描述分子能量和轨道的方法，目前已经广泛应用于计算文献中。
泛函密度理论 (DFT) 是将电子电荷密度作为变量的理论。
这个方法的主要优点是计算周期性体系的电子构型和能量，它能够准确地描述分子的电子结构和量子化学反应。
我们将在后面继续说明这个方法。
二、密度泛函理论密度泛函理论是计算化学领域中最为发达的理论之一，它利用微观分子结构某些点土上密度函数 (电子密度函数) 的性质，建立分子和原子间相互作用的模型，从而对各种物质性质进行计算。
密度泛函理论是一种基于电荷密度分布的方法，不考虑每个电子的行为。
其关键在于，通过对电子密度作用能的近似处理，得到了微观物理系统的描述。
初一化学化学计算课件2023
初一化学化学计算课件2023化学计算是化学学科中非常重要的一部分，通过数学方法和计算公式来解决化学问题。
本课件旨在给初一学生介绍化学计算的基础知识和常用计算方法，帮助他们提高在化学实验和理论学习中的计算能力。
一、化学计算的基础知识1.1 化学计算的意义化学计算可以帮助我们在实验中确定物质的化学式、计算化学反应的摩尔比例、推导化学浓度等。
了解化学计算的基础知识，有助于我们更好地理解化学实验和理论的内容。
1.2 原子与摩尔化学中的基本粒子是原子，而化学反应中的基本计量单位是摩尔。
学习化学计算时，我们需要掌握元素的原子量、分子量及其与物质质量的关系。
1.3 摩尔质量与摩尔计算摩尔质量是指物质的摩尔与其质量（克）之间的关系。
通过摩尔质量，我们可以将物质的质量与摩尔数进行相互转换，并应用到化学计算中。
二、常用的化学计算方法2.1 质量与物质摩尔数的计算在实验中，我们经常需要知道物质的质量或摩尔数。
通过化学计算公式，我们能够准确地进行计算，确保实验的顺利进行。
2.2 化学反应摩尔比例的计算化学反应中的物质摩尔比例是确定化学方程式的重要依据。
通过计算化学反应中各物质的摩尔比例，我们可以准确地了解反应物和生成物之间的关系。
2.3 化学浓度的计算化学浓度是指溶液中溶质的质量或摩尔数与溶剂质量或摩尔数之比。
通过计算溶液的化学浓度，我们能够精确地控制实验的条件，并得到准确的实验结果。
三、化学计算实例分析为了帮助同学们更好地理解化学计算，本课件还提供了一些化学计算实例分析，其中包括了基本计算方法和步骤，并结合实际的化学实验情景进行解析。
四、总结通过初一化学化学计算课件的学习，我们可以掌握化学计算的基础知识和常用计算方法，提高在化学实验和理论学习中的计算能力。
化学计算不仅是学习化学的基础，也是以后进一步深入学习化学的重要基石。
希望同学们能够积极参与课堂学习，深入理解和应用化学计算的知识，提高自己的化学素养。
计算化学简介
3
结构化学精品课程
第7章
Born-Oppenheimer定核近似
忽略方程中的某些项，将其分离成电子运动和核运动两个 独立的方程。讨论多电子体系(分子)，就是在B-O定核近 似下，将核的运动分离出去之后，在固定的核势场中求解 多电子体系的能量本征方程：
Hˆ ′ψ = E′ψ
∑ ∑ ∑ Hˆ ′ = − 1 2
= φμ | h |φν +
Pλσ
φμφλ
|
r −1
12
| φνφσ
−
φμφλ
|
r −1
12
| φσφν
λσ
15
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第7章
二、闭壳层(Closed-shell)体系 三、开壳层(Open-shell)体系
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第7章
7.1.4 基组(Basis sets)问题
从头算方法试图不使用任何实验数据来求解Schrödinger 方程，获得相关的分子信息。事实上，从头算方法同样 需要使用实验数据，只不过不是直接使用在计算过程中。 在求解Schrödinger方程中，我们需要做一系列的近 似，其中就包括与实验数据进行比照，确定了使用何种 计算模型。
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第7章
对k-nlmG基组还可以添加弥散和极化函数。弥散函数 通常是通过在“G”前面添加符号“＋”和“＋＋”来表示。 “＋”表示弥散到p轨道，“＋＋”表示弥散到s和p轨道。 极化函数的标识是在“G”后面添加“*”和“**”。“*”表示 在p轨道中添加d轨道使其极化，“**”表示在s轨道中添 加p轨道使其极化。
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第7章
(5) 有效核势(Effective Core Potential，ECP)基组 周期表中第三周期以上的元素，拥有大量的内核电子， 而这些电子在化学反应中是不重要的。然而同时又需要 使用大量的基函数来详述相应的轨道，否则无法对其价 轨道进行正确的描述。引入ECP基组可以同时解决这两 个问题，因为ECP(双称膺势，Pseudopotential)代表了 所有的内核电子。显然这是一个半经验方法，核电子是 通过合适的函数进行模型化，仅仅只考虑价电子的详细 情况。
《计算化学简介》课件
3 分子模拟在纳米材料研究中的应用 4 计算机辅助药物设计
通过模拟纳米材料的结构和性质，提供设 计和优化纳米材料的指导。
利用计算方法筛选药物分子，加速新药开 发和优化过程。
计算化学未来的发展方向与挑战
大数据和人 工智的应用
利用大数据和人工 智能技术，提高计 算化学的速度和准 确性。
宏观化学过 程的计算模 拟
发展能够模拟宏观 化学过程的计算方 法，如催化剂反应 和材料合成。
多尺度计算 的发展
将不同尺度的计算 方法结合，实现对 分子和材料性质的 准确预测。
挑战与机遇
面临着大规模计算、 能源和环境问题等 挑战，同时也具备 推动计算化学发展 的巨大机遇。
通过计算和分析分子的轨道来预测和解释其性 质和反应。
常用的计算化学软件工具
如Gaussian、VASP和GAMESS等，提供各种计算 化学方法和模拟工具。
计算化学在化学研究中的应用
1 结构优化和反应动力学模拟
2 化学反应机制的研究
通过计算方法优化分子结构，模拟和预测 化学反应的速率和机理。
揭示化学反应的过程和机理，为实验设计 和化学品的合成提供指导。
2
发展历程
经过半个多世纪的快速发展，在理论、方法和应用方面都取得了重大突破和进展。
3
应用领域
被广泛应用于药物设计、材料科学、反应机制研究等领域，对推动化学发展起到了积 极作用。
计算化学所需的数学和物理基础知识
量子力学基础
研究微观粒子的行为和性质，是计算化学的 基石。
统计力学
研究集合中的微观粒子的统计性质，为模拟 和预测宏观行为提供基础。
《计算化学简介》
计算化学是研究如何运用计算方法解决化学问题的学科。本PPT课件将介绍计 算化学的概念、发展历史、基本方法和常用软件工具、应用领域以及未来发 展方向和挑战。
计算化学-7
另一种等价表示方法是: %mem=32mb %chk=H2O #P B3LYP/6-311G OPT=z-matrix POP=FULL The geometry optimization of water 0,1 O H,1,r H,1,r,2,a Variables a=105.4 Constants r=1.0
最大值
均方值
各原子受力情况
(Enter d:\G09W\l103.exe) GradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGrad Berny optimization. Internal Forces: Max 0.021560519 RMS 0.017964017 Search for a local minimum. Step number 1 out of a maximum of 20 …… Second derivative matrix not updated -- first step. The second derivative matrix: R1 R2 A1 R1 0.47688 R2 0.00000 0.47688 A1 0.00000 0.00000 0.16000 Eigenvalues --- 0.16000 0.47688 0.47688 RFO step: Lambda=-2.17751054D-03 EMin= 1.60000000D-01 Linear search not attempted -- first point. Iteration 1 RMS(Cart)= 0.02871456 RMS(Int)= 0.00060649 Iteration 2 RMS(Cart)= 0.00068611 RMS(Int)= 0.00000019 Iteration 3 RMS(Cart)= 0.00000012 RMS(Int)= 0.00000000 ClnCor: largest displacement from symmetrization is 3.60D-15 for atom 3. Variable Old X -DE/DX Delta X Delta X Delta X New X (Linear) (Quad) (Total) R1 1.88973 -0.02156 0.00000 -0.04501 -0.04501 1.84472 R2 1.88973 -0.02156 0.00000 -0.04501 -0.04501 1.84472 A1 1.83958 0.00620 0.00000 0.03821 0.03821 1.87779 Item Value Threshold Converged? Maximum Force 0.021561 0.000450 NO RMS Force 0.017964 0.000300 NO Maximum Displacement 0.029439 0.001800 NO RMS Displacement 0.028794 0.001200 NO Predicted change in Energy=-1.094755D-03 GradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGradGrad
计算化学概述范文
计算化学概述范文化学是一门研究物质的性质、组成、结构、性质变化以及与能量之间的相互关系的科学。
它是自然科学的一部分，通过观察物质的现象和实验数据，来推导出相应的规律和定律。
化学分析和研究物质的三个层次：微观层次、中观层次和宏观层次。
在微观层次，化学主要研究分子、原子和它们之间的相互作用。
在中观层次，化学主要研究不同种类的物质如何相互转化以及这些转化的速率。
在宏观层次，化学主要研究物质在不同条件下的物理性质和化学性质。
化学的起源可以追溯到古埃及和古希腊时期。
古代的化学家主要研究金属的提炼和冶炼，以及药物的制备和储存。
到了18世纪，化学开始成为一门独立的科学，并且得到了更深入的研究。
化学主要研究的内容包括：物质的组成、结构与性质、化学反应、化合物的合成和分解、能量变化的关系等。
化学的核心概念有原子、分子、化学键、元素周期表等。
在化学中最重要的概念之一就是原子。
原子是物质的最小单位，由带有正电荷的质子、带有负电荷的电子和中性的中子组成。
原子通过化学键相互结合形成分子，不同种类的原子通过成键形成不同的化合物。
化学键的形成和断裂决定了化学反应的发生。
化学反应中，原子之间的化学键被破坏，然后重新组合形成新的化学物质。
元素周期表是化学的重要工具之一，它是根据元素的原子序数和化学性质进行排列的。
元素周期表可以帮助化学家理解和预测元素的性质，还可以指导化学家进行元素的分离和合成。
化学反应是化学研究的重要内容之一、化学反应可以分为物理变化和化学变化两种类型。
物理变化指的是物质的性质改变，但是物质的组成和分子结构并没有发生改变，例如溶解。
而化学变化指的是物质的组成和分子结构发生改变，例如燃烧和腐蚀。
化学反应的速率可以通过实验来测量和计算，可以通过控制温度、压力、浓度等条件来调节反应速率。
化学反应有许多不同的类型，例如酸碱反应、氧化还原反应、置换反应等。
酸碱反应指的是酸和碱之间的化学反应，产生水和盐。
氧化还原反应指的是物质失去和获得电子的过程。
计算化学考研专业代码
计算化学考研专业代码摘要：1.计算化学专业简介2.考研专业代码及方向3.计算化学考研科目及参考书目4.计算化学考研经验分享5.计算化学就业前景及发展方向正文：计算化学是一门应用计算机科学、数学和物理方法研究化学问题的交叉学科。
它通过计算机模拟和理论模型来解决化学问题，包括分子结构、反应机制、动力学过程等。
近年来，随着计算机技术的快速发展，计算化学在我国得到了广泛的应用和发展。
在考研专业中，计算化学通常属于化学、应用化学或材料化学等专业方向。
考研专业代码为070300 化学，其中包含多个研究方向，如物理化学、分析化学、有机化学、无机化学、高分子化学与物理等。
计算化学作为其中一个重要分支，涵盖在化学大类中。
计算化学考研科目通常包括政治、英语、数学和专业课。
其中，专业课根据不同学校的培养方案有所不同，可能包括量子力学、统计力学、计算化学、分子模拟、材料化学等课程。
在准备考研时，考生可以参考教育部发布的考试大纲，以及各高校的历年真题和推荐教材。
在计算化学考研经验分享方面，考生需要扎实掌握基础知识，重视数学和英语的复习，同时关注报考学校的历年真题和考试动态。
此外，参加考研培训班或结伴学习也可以提高复习效果。
计算化学毕业生在我国有着广阔的就业前景。
他们可以在科研单位、高校、企事业单位等领域从事科研、教学、技术开发等工作。
随着新材料、新能源、信息技术等领域的迅速发展，计算化学人才的需求将持续增长。
毕业生可以根据自身兴趣和发展方向，选择合适的职业道路。
总之，计算化学作为一门交叉学科，在我国有着广泛的应用和发展前景。
考研专业代码为070300 化学，包含多个研究方向。
计算化学考研科目包括政治、英语、数学和专业课，考生需要扎实掌握基础知识，关注报考学校的考试动态。
计算化学简介
计算化学的过去、现在和未来
发展：计算化学是连接化学、化工与数学、统计学、计算
机科学、物理学、药物学、材料科学等学科高度交叉、相互 渗透的新的生长点，是许多实用技术的基础，并深受当今计 算机与网络通讯技术飞速发展的影响，而处在迅速发展和不 断演变之中。
以量子化学计算为代表的计算化学发展史 以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史 计算数学与分析化学相结合的发展史 计算机网络技术在化学信息收集方面的应用 计算机模拟技术在化学化工模拟中的应用
狭义：量子化学
什么是计算化学
广义：计算化学是一门涉及多种学科的边缘学科
无Hale Waihona Puke 化学有机化学 分析化学 物理化学 结构化学
软件 硬件
化学 计算机科学
数学
计算化学
工程
数值分析 统计 运筹学
拓扑学
石油化工 生化 药物
有机合成 选矿 高温冶金 材料科学
计算化学
计算化学在更广泛的意义上又可称作“计 算机化学”。它是化学、数学、计算机科学等 学科交叉的新兴学科。
❖ 从事计算化学研究与开发的 机构和公司遍地开花，从业 人数直线上升，行业中强强 联手打造行业巨舰。
❖ 计算机在化学中的应用不再 局限于分子模拟，而是涉及 到化学的方方面面。
量子化学计算发展史
❖ 20世纪20年代，三个人的出现，改变了历史。
❖ 薛定鄂、Heisenberg、Dirac三人创建了“量 子力学体系”： 薛定鄂的波动方程、Heisenberg的矩阵力学、 含相对论的Dirac方程
计算化学的主要领域
1.模式识别在化学中的应用 2.计算机模拟在化学中的应用 3.量子化学计算方法 4.化学数据库
计算化学的影响
量子化学和计算化学简介
量子化学和计算化学简介量子化学和计算化学是现代化学中极其重要的两个分支。
量子化学是一门研究物质的量子性质和分子的电子结构、反应机理等问题的学科。
计算化学则是利用计算机对化学问题进行模拟和计算的学科。
两者紧密联系，相辅相成，被广泛应用于药物设计、材料设计、环境保护等领域。
量子化学的基本原理是量子力学。
量子力学的一个基本假设就是物质的所有性质都可以用波函数来描述。
波函数是一种数学函数，它描述了物体在任意时间和空间内的行为，其中蕴含了量子力学中最基本的概念——量子态。
波函数可以用来计算分子的几何构型、分子中电子的分布、分子中化学键的键能、反应机理等信息。
在计算化学领域，利用计算机模拟化学过程成为了研究的主要手段之一。
计算化学旨在揭示与实验无法观察的化学现象。
计算化学方法包括分子力学、量子化学、动力学模拟和视觉化软件等多种技术。
计算化学的优势在于可以预测多种分子性质，包括分子构型、化学反应路径、热力学量、分子光谱以及分子内部电子结构等。
分子力学方法是其中一种重要的计算化学方法，它可以用来计算并预测有机、无机分子的结构和能量，分子力学方法旨在研究分子之间的相互作用。
分子力学建立在经典力学的基础上，适用于分子的高能构象、构象转化、键合的弯曲和伸展以及分子内的运动。
这个技术已经被广泛应用于药物设计和毒性预测。
计算化学的另一个重要方法是分子动力学模拟。
分子动力学模拟是一种研究分子动力学行为的计算方法。
计算过程从分子倾向移动的位置开始，并模拟了在化学过程中与其他分子相互作用的所有分子。
该过程可用于分析多种分子交互作用，包括化学反应、生物分子的结合、蛋白质折叠和多组分体系的热力学性质等。
最后，计算化学的视觉化方法使分子和化学反应的图形化和呈现成为了可能。
通过可视化创建化学反应物、中间体和产物之间的图像显示，可以更好地理解物质的化学性质。
可视化方法可以用来研究分子束缚、分子生长、受体配体交互等多种化学过程。
总的来说，量子化学和计算化学是现代化学中不可或缺的两个分支，它们的相互作用不断深化和扩展。
第一章 计算化学简介
计算化学
理论化学
理论与计算化学
本课程的教学目的
介绍计算化学的基本理论，方法，程序 介绍量子化学的基本概念和基础知识 本课程的特点： 理论，科学问题，科学计算
Some things are simple but hard to do.
A. Einstein
计算机和数学方法的发展
硬件的发展 数学方法的发展
超级计算机
超级计算机 “白色ASCI”，每秒运算速度达 12.3万亿次，有两个篮球场大，需用28辆 大卡车才能分装运走。IBM公司将这部计算 机用于核武器模拟试验，今年12月安装在 能源部设在加利福尼亚州的劳伦斯.利弗莫 尔国家实验室。
相当于15,000台笔记本电脑的计算能力
计算化学的发展趋势和方向
计算化学方法的发展现状 1952年H. Schull等三人用手摇计算机花两年才完成一个
N2分子的从头算。
有人断言：用尽世界上的纸张恐亦无法完成一个 Fe原子
的计算 50年代末，大型计算机的浮点运算速度为 0.01Mflops， 仅及PIII 的 1/5000 ！
计算化学方法的发展现状
计算中最为费时的，是所谓电子相互作用的库仑作用矩阵元 和交换作用矩阵元。这类涉及两个电子的二重积分（双电子 积分）的数量正比于体系中电子总数的4次方。例如，计算一 个100个电子的小分子竟然需要先算1亿个双电子积分。
2 n 2 ( i Vee VeN ) (r ) Ee (r ) 2m i 1
2
2 n 2 ( i Vee VeN VNN ) ( R) E ( R) 2 2m 团性质（容量性质） 自由能，焓，熵，热容 不可测量性质 键级
静态－动态 小分子体系－纳米尺度 计算方法的改进和融合
计算化学 基础
计算化学基础计算化学是一门综合应用计算机科学和化学原理的学科，通过利用计算机的力量来解决和研究化学问题。
它广泛应用于药物设计、催化剂开发、材料科学等领域。
计算化学的基础是量子化学理论，它是基于量子力学的一种计算方法，用于描述原子和分子的结构、性质和反应。
量子化学理论通过求解薛定谔方程来计算分子的能量、几何构型和振动频率等信息。
这些计算结果可以帮助化学家理解分子的性质和反应机理。
在计算化学中，分子力场是另一个重要的基础概念。
分子力场模型通过经验参数来描述分子内原子之间的相互作用，以及分子与外部环境之间的相互作用。
通过分子力场模型，可以预测分子的几何构型、能量和振动频率等性质。
计算化学还涉及到计算化学方法的开发和应用。
计算化学方法是一系列用于解决化学问题的数学和计算机算法。
常见的计算化学方法包括密度泛函理论（DFT）、分子力学和半经验方法等。
这些方法在计算速度和精度上有所不同，可以根据具体问题的需要选择合适的方法。
在药物设计中，计算化学起着至关重要的作用。
通过计算化学方法，可以预测药物分子与靶标蛋白的相互作用，优化药物分子的活性和选择性。
计算化学可以帮助药物研发人员筛选出具有潜在药效的分子，并减少实验的时间和费用。
另一个应用领域是催化剂开发。
催化剂是在化学反应中起催化作用的物质。
计算化学可以帮助研究人员理解催化剂的反应机理，优化催化剂的结构和性能。
通过计算化学的方法，可以预测催化剂的活性位点和反应路径，为催化剂的设计和改进提供指导。
材料科学也是计算化学的重要应用领域之一。
计算化学可以帮助研究人员预测材料的结构、性质和相变等信息。
通过计算化学的方法，可以筛选出具有特殊性能的材料，加速新材料的开发和设计。
计算化学在环境保护和能源领域也有广泛的应用。
通过计算化学的方法，可以研究大气污染物的生成和迁移规律，优化环境治理措施。
同时，计算化学还可以帮助研究人员研究新型能源材料和储能材料，提高能源的利用效率。
计算化学作为一门交叉学科，对于化学研究和应用具有重要的意义。
什么是计算化学
什么是计算化学计算化学是一种通过数学和计算机科学方法研究分子结构、化学反应、物理性质和化学现象的学科。
它主要涵盖量子化学、分子动力学和分子模拟等领域，基于化学、物理、数学和计算机科学的交叉学科，因其涉及到大量数学计算和模拟而得名。
计算化学的发展始于上世纪60年代。
当时，计算机技术和量子化学理论的发展使得计算化学成为可能。
计算化学在化学研究中具有广泛应用，可以为实验提供有益补充和指导，为化学理论带来新的认识和发展方向。
在过去的数十年中，计算化学已经成为化学领域不可或缺的重要分支之一。
在计算化学中，量子化学是其中的一个核心领域。
它主要研究分子中电子结构和电子运动规律，利用其中的基本原理对分子的反应和性质进行计算。
量子化学理论主要基于薛定谔方程，但是由于其计算量过大，往往需要使用近似方法来降低计算复杂性。
另外，分子动力学模拟也是计算化学的一个重要研究方向。
它主要研究分子在时空中的运动规律和相互作用，通过大规模计算模拟分子和宏观系统的运动和性质等，可以预测分子的死亡、其物理性质和运动轨迹等等。
除此之外，计算化学还在许多领域应用，如药物研发、材料科学、环境研究等。
在药物研发方面，计算化学可以用于模拟药物与受体之间的相互作用，预测药物的活性、选择性和稳定性等参数，从而优化药物设计。
在材料科学中，计算化学可以用于研究材料的结构和性质，优化材料性能，发现新的材料。
在环境研究中，计算化学可以用于预测污染对环境的影响，设计环保化学品和减少污染物排放等。
虽然计算化学在化学研究中具有重要意义，但它还存在一些问题和局限性。
首先，由于计算化学需要进行大量的计算和模拟，它对计算机硬件和软件的要求很高，需要大量的计算资源和软件支持。
其次，由于实验和计算结果之间存在一定差异，计算结果的真实性需要进一步验证。
最后，由于计算化学法还存在着一些缺陷和不足，需要不断改进和完善。
总之，计算化学作为一种研究方法和工具，在化学研究中具有不可替代的作用。
计算化学
在玻恩-奥本海默近似下对原子核坐标变量与电子变量进行分离后，与核自由度相关的波包通过与含时薛定谔 方程全哈密顿量相关的演化算符进行传播。而在以能量本征态为基础的另一套方法中，含时薛定谔方程则通过散 射理论进行求解。原子间相互作用势由势能面描述，一般情况下，势能面之间通过振动耦合项相互耦合。
经验方法是对半经验方法的进一步近似。经验方法并没有包括哈密顿量的双电子部分。经典方法包括埃里 克·休克尔提出的应用于π电子体系的Huckel方法和Roald·霍夫曼提出的扩展Huckel方法。
半经验计算比第一原理计算快很多。但是如果计算的分子与参数化该方法时使用的分子结构不相近时，半经 验方法可能给出完全错误的结果。
进行参数化的化合物库对分子力学方法的计算成功与否至关重要。针对某类分子优化的力场只有在应用于同 类分子时才可保证得到可信的结果。
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用于求解波包在分子中的传播的主要方法包括
分子动力学使用牛顿运动定律研究系统的含时特性，包括振动或布朗运动。大部分情况经常加入一些经典力 学的描述。分子动力学与密度泛函理论的结合称作Car-Parrinello方法。
半经验方法
半经验方法省略或近似处理了Hartree-Fock计算中的一些项（例如双电子积分）。为了修正这些近似方法带 来的误差，半经验方法计算使用了一系列由实验结果拟合的参数。有时，这些参数是根据第一原理计算结果进行 拟合的。
半经验方法在有机化学领域应用最为广泛，因为有机分子的大小适中并主要由少数几种原子构成。
与经验方法类似，半经验方法也可分为两大类：
计算化学方法及其应用
计算化学方法及其应用计算化学是一门研究化学现象和过程的计算和计算方法的学科。
它的出现，使我们可以借助计算机技术和数学模型来研究化学问题，为化学实验提供指导和理论依据，同时也为合成新材料和药物开发提供了新的思路。
一、计算化学方法1.密度泛函理论密度泛函理论是计算化学中最常用的一种方法，它是以各个点的电子密度为基础的理论。
计算的主要对象是电子密度分布，它的优点在于处理能力强，适用范围广，能够很好地处理分子体系、表面和金属等复杂的体系，如研究分子的电荷分布和相互作用力。
密度泛函理论被广泛用于分子构像、分子运动学和分子反应动力学等领域。
2.分子动力学分子动力学是以牛顿运动定律和热力学原理为基础的一种计算方法，通过对分子体系进行微观模拟，研究分子的运动和相互作用。
它是一种表达分子性质的动态模拟方法，利用数学模型计算力学性质等方面的物理学量。
它的优点在于分析的是分子的动态过程，可以模拟各种化学反应和物理过程，同时也为设计新材料和药物提供了重要的理论基础。
3.量子化学量子化学是一种基于量子力学原理的计算方法，它主要研究原子和分子的能量和结构等物理性质。
将分子和反应物建模，通过模型计算得出反应动力学和反应机制等信息。
它的优点在于精度高，可以预测分子结构和化学反应的过程与结果，为实验提供理论上的指导。
二、计算化学的应用1.药物合成和设计计算化学为药物设计和合成提供了一个重要的方法，可以模拟药物分子和靶分子的相互作用，并分析药物分子中分子基团的活性中心和物理化学性质等信息。
通过计算得出的数据，医学科学家可以了解药物的特性，提高药物的效力和安全性，同时减少药物反应的副作用。
2.材料设计和功能研究材料物理化学是材料科学研究的关键环节。
计算化学在材料领域的应用主要集中在材料的设计、功能研究和材料加工技术的开发。
通过计算机模拟，可以对材料体系进行全面的性质分析、快速的结构搜索和发现新的材料设计灵感。
3.环境保护计算化学在环境保护方面的应用主要研究空气污染、土壤污染和水环境污染等。
计算化学简介
无机、有机化学在19世纪率先建立
冶金、建材工业推动了无机 元素周期表奠定无机化学基础 药物、染料、酿酒工业推动了有机 经典价键理论、苯结构奠定有机化学基础
物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化 学反应的普遍规律 — 反应进行的方向、 程度和速度…
Gibbs 化学热力学
Arrhenius 化学动力学
理 (First Principle) 计算（即从头算）只
需用普适物理常数，如普朗克常数、玻
耳兹曼常数、光速等而不依赖任何经验
参数即可合理预测微观体系的状态和性
质
20世纪人类光彩夺目的科技
成就大多与量子力学有关。 量子理论不仅有力地促进了
社会的物质文明，且改变了
人类的思维方式
量子力学的建立和发展促进了：
数学向化学的渗透
众多的数学工具应用于物理化学领域： 矩阵代数 复变函数 数理方程 数理统计 数值方法 群论 不可约张量法 李代数
非线性数学 模糊数学 分型理论与方法
数学与物理化学的交叉使有关的数学知 识在其他各化学分支亦得以应用
一个新的交叉领域 计算化学已形成。 它将帮助化学家在原子 、分子水平上阐明化学 问题的本质，在创造特
个自洽、完备、严密的理论体系
基本运动方程 — Schrödinger方程
微观粒子或体系的性质由状态波函数 唯一 确定， 服从Schrö dinger方程
Schrö dinger方程：
H ˆ i t
N i 1
ˆ Hamilton算符： H
2 2 U ( r , r ,, r ; t ) 2 i 1 2 N i
这是几代杰出理论化学家不懈努力的结果，并得 益与计算机和计算技术的巨大进步
什么是计算化学
什么是计算化学计算化学(Computational Chemistry) 在最近十年中可以说是发展的最快的化学研究领域之一。
究竟什么是计算化学呢？由于其目前在各种化学研究中广泛的应用，我们并不容易给它一个很明确的定义。
简单的来说，计算化学是根据基本的物理化学理论（通常是量子化学）以大量的数值运算方式来探讨化学系统的性质。
最常见到的例子是以量子化学计算来解释实验上各种化学现象，帮助化学家以较具体的概念来了解、分析观察到的结果。
除此之外，对于未知或不易观测的化学系统，计算化学还常扮演着预测的角色，提供进一步研究的方向。
另外，计算化学也常被用来验证、测试、修正、或发展较高层次的化学理论。
同时，更为准确或有效率计算方法的开发创新也是计算化学领域中非常重要的一部分。
计算化学其实是一门有着悠久历史的研究领域，自一九二零年代量子力学理论建立以来，许多科学家曾尝试以各种数值计算方法来深入了解原子与分子之各种化学性质。
然而在数值计算机广泛使用之前，此类的计算由于其复杂性而只能应用在简单的系统与高度简化的理论模型之中。
在十多年前笔者求学之时，计算化学仍是一门须具有高度量子力学与数值分析素养的人从事的研究，而且由于其庞大的计算量，绝大部分的计算工作需依靠昂贵的大型计算机主机或高阶工作站来进行。
计算化学的普及然而，此情况在九十年代中期开始有了重大的改变。
由于使用在个人计算机上的处理器（Pentium, Pentium Pro）以及外围设备（如高速内存及硬盘）的大幅进步，个人计算机的运算速度已经直逼一些传统的工作站；再加上个人计算机系统无需负担传统多人多任务系统中复杂的作业，使得个人计算机逐渐开始成为从事量子化学计算的一种经济而有效率的工具。
然而，早期为个人计算机操作系统所发展的计算化学软件非常有限，因为数十年来大部分的科学应用软件都是在Unix操作系统下所开发出来的，但当时在个人计算机上的Unix操作系统都非常昂贵且不易安装与使用。
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(r; 1, 2 ,, n )
相应的能量式是
E 0 i
( i = 1 ， 2 ， …， n )
E
i , j 1 n
c c H ij
； * i j
n
Sij i* j d
i , j 1
* c i c j Sij
ˆ d H ij i* H j
个排斥能项，且积分中的每一求和项都与 | r | 1 ˆ 相等, 而 r12 只与第一个粒子和第二个粒子有关，因此同
1 12
2
样可以将Ψ向第一和第二两列的二阶子行列式展开，则 对应于子行列式
i (1) j (2) j (1) i (2)
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第七章 计算化学简介
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第七章 计算化学简介
1 N E i | hi | i j | J i | j j | Ki | j Vnn 2 i, j i
1 J i | j (2) i (1) | r12 | i (1) | j (2)
N
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第七章 计算化学简介
于是能量变分表达式为
1 N E i | hi | i i | hi | i i | J j K j | j 2 i, j i
i | J j K j | i j | J i K i | j j | J i K i |
可由久期方程和归一化而得到相应于每 个能量Ei的波函数
i c ji j
j 1
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n
第七章 计算化学简介
所得波函数是正交归一的：
* i j d * c kiclj Skl ij n
k , l 1
1 i j 0 i j
最小的根E1就是一个近似的基态能量，而相应 的函数Ψi是基态的一个近似波函数。
ˆ H E
ˆ H
particles
i
2mi
2 i
particles i j
qi q j rij
2 2 2 i2 2 2 2 xi yi zi
Ĥ是Hamilton算符，包含电子动能、核动能、电子间排斥 能、电子与核吸引能和核间排斥能；Ψ是分子波函数，依 赖于电子与核的坐标；E是体系的总能量。
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第七章 计算化学简介
第i电子的运动状态能够用单独的波函数Ψi 描述，且 称Ψi为分子中的单电子波函数，即为分子轨道。
如果分子轨道的计算仅在非相对论近似，BornOppenheimer近似和单电子近似的基础上进行则 被称为从头算(ab initio)。
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第七章 计算化学简介
将能量E对n个系数求极小构成一组n个 “久期”方程式
(H
j 1
n
ij
ESij )C j 0 (i= 1，2，…，n)
仅仅在选择能量E的值，使元素为Hij -ESij的久期行列式 等于零时，才可得到非零解，即
H11 ES11 H 21 ES21 H n1 ESn1
1 ˆ core ( p) 1 2 Z r ˆ H p A pA 2 A
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代入能量期望值，使得电子能量相应分离为单电子和 双电子部分，
ˆ | | H ˆ | | H ˆ | |H 1 2
对于单电子部分，由于电子不可区别，且在Ψ中处于 同等地位，故对p的全部值，Ĥcore(p)的期望值必须相同， 于是只需考虑Ĥcore(1)，而且每一个分子轨道只能容纳2 个电子。由于Ĥcore(1)只与第一个粒子有关，即它只作 用于Ψ中的第一列，因此需要我们把Ψ的第一列展开。
i ci
c c S
* i j
ij
式中δij是Kronecker δ符号，而Sμν是原子函数φμ 和φν的重叠积分，即
S (1) (1)d 1
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第七章 计算化学简介
考察一下LCAO近似中的电荷密度表示式，分子中位臵R 处的电荷密度ρ，可以通过电荷密度期望值算符得到
其对应代数余子式为
i 1 j 2
(3,
N)
它们与
1 ˆ r12 无关，可以先积分，于是便有
( N )( N 1) 1 ˆ | H 2 | 2 ( N )!
[ (1)
i i j i
j
(2) j (1) i (2)]
h 1 k 2
n (2n 1) (2n 1)n (2n) (2n)
1 1 (1)1 (2) (2n)!
n (2n 1)n (2n))
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三、LCAO近似下的电荷密度表示
原子轨道的线性组合 (Linear Combination of Atomic Orbitals，LCAO)
i 1 j 2
(3,
N)
1 | r12 | [ h (1) k (2) k (1) h (2)] h hk
(3,
N)
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1 1 i (1) j (2) | r12 | i (1) j (2) i (1) j (2) | r12 | j (1) i (2) i i j
N
1 Ki | j (2) i (1) | r12 | j (1) | i (2)
通过Lagrange乘子
L E ij i | j ij
i, j N
L E ij i | j i | j 0
i, j
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第七章 计算化学简介
Born-Oppenheimer定核近似
忽略方程中的某些项，将其分离成电子运动和核运动两个 独立的方程。讨论多电子体系(分子)，就是在B-O定核近 似下，将核的运动分离出去之后，在固定的核势场中求解 多电子体系的能量本征方程：
ˆ E H
Z 1 1 p 2 ˆ H i 2 i p , i rpi i j r ij
N i
式中 F h ( J K ) i i i i
i
N
Lagrange函数的变分则变为
L ( i | Fi | i i | Fi | i ) ij i | j i | j 0
i i, j N N
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四、闭壳层组态的能量表达式 变分原理 变分原理的简单表达式是，给定任一个满足体系所需 边界条件的试验性的N电子波函数Ψ，则其精确的基 态能量E0的上限为
E ˆ d * H
*d
E0
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如果一个试验函数依赖于许多任意参量 λ1，λ2，…，λn
ˆ ( R) 2 i* ( R) ( R) i ( R)
i occ
* P 2 c c i vi i
occ
对整个R的积分，应等同于体系中的总电子数，即
2n ( R)dR P ( R) ( R)dR P S
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H12 ES12 H 22 ES22
H1n ES1n
H 2 n ES2 n 0
H n 2 ESn 2 H nn ESnn
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久期行列式是能量的n次多项式，它有n个根，但未 必都不同，
E1 E2 E3 En
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第七章 计算化学简介
1 2 3 4 5
从头算(ab initio)方法
半经验分子轨道法
包含电子相关的分子轨道理论
密度泛函理论(DFT)
大型计算机程序的使用
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第七章 计算化学简介
7.1从头算(ab initio)方法
7.1.1 分子体系的薛定谔(Schrödinger)方程
i | hi | i i | hi | i i | J j K j | j
i i, j N N
N
j
i | J j K j | i
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第七章 计算化学简介
变分式可以用Fock算符表示
E i | Fi | i i | Fi | i
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ˆ | | H ˆ core ( p) | |H 1
p
N
i
N
1 ˆ core (1) | (1) (2) ( N ) 1 (1) 2 (2) n ( N ) | H 1 2 n ( N )!
( i 1) core ( j 1) ˆ (1) ( 2 , 3 , N ) | H ( 1 ) | (1) (2,3, N ) i j i j