第一章：计算机在化学中的应用概述

第一章计算机在化学中的应用概述
本世纪最重要的科技进步当属电子计算机的发明和发展了。

从四十年代电子计算机在美国诞生起，它已经改变了包括各个科学领域在内的世界面貌。

它带给人们快速巨大的冲击，使人们甚至来不及回顾我们身边的一切是如何发生发展的，它已经深入到我们身边的各个角落，并且发挥着越来越大的作用。

计算机技术，特别是个人计算机的普及和计算机网络技术的发展，给人们带来的直接感受是工作质量和效率的大大提高，获取信息的能力和范围迅速扩大，并且开辟了许多原来可望而不可及的新领域。

化学（包括其他相关学科）作为最早形成的基础学科，也是应用计算机技术较早的学科之一。

同其他现代学科一样，目前计算机技术在整个化学学科的各个领域已经获得了广泛应用。

无论是复杂的量子化学计算问题的解决，还是海量化学信息的收集与整理；也不论是原子、分子抽象的微观结构的图形化显示，还是多媒体辅助化学教学手段的开发；甚至在复杂化工过程模拟、化学过程的自动化和各类化学专家系统的实现方面，均与计算机技术的发展和推动紧密相关。

驾御和掌握计算机技术在化学领域中的应用已经成为化学家的基本技能之一。

计算机在化学领域中的应用技术也成为重要的独立学科。

1.1 计算机技术在化学领域的发展历史
计算机在化学中的应用已经有40余年的历史。

起初计算机主要用于量子化学计算方面，也称其为计算化学。

随着计算机技术在化学中应用领域的扩大，计算化学显然已经不能涵盖其所有内容，人们将其列入一个新学科—“计算机化学”（Computational Chemistry or Computer chemistry）, 但是更多的人将其称为“计算机在化学中的应用”（Computer Application in Chemistry）或者为“化学中的计算机技术”（Computer in Chemistry）。

目前人们习惯于称计算机技术为信息技术（IT），与此相对应，“化学信息技术”也是目前常用的名称。

在国际上已经将其视为一门新兴学科，有专门的学术组织，如美国化学会中有“计算机化学分会”（ACS Division of Computers in Chemistry），有专门的学术期刊，定期的学术会议等。

其中“REVIEWS IN COMPUTATIONAL CHEMISTRY”杂志从1990年起已经出版了13卷。

计算机在化学中的应用历史基本上与计算机本身的发展同步。

计算机技术在化学领域中的应用历史主要体现为以下几个阶段性标志：
1.以量子化学计算为代表的计算化学发展史。

从50年代发展起来的、以计算机为主要工
具的量子化学、结构化学的从头计算、不同力场校正的半经验计算等将人类认识分子微观世界的能力大大提高。

计算机的介入为将化学由实验科学向理论化发展做出了重大贡献。

目前计算机的量子化学计算仍然是重要的研究领域之一。

2. 以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史。

以计算机化工控制系统为标
志，计算机的实时监测和交互控制大大提高了化学工业的水平，为将经典化学工业发展为现代化学工业奠定了基础。

计算机化工控制系统已经成为化学工业结构改造与技术升级的重要内容。

3. 计算数学与分析化学相结合的发展史。

傅立叶变换这种强大的数学技术是通过计算机才
能与分析化学技术相结合的。

计算机化的傅立叶变换技术在红外、质谱和核磁共振波谱分析中的应用为人们获取分子的微观结构信息打开了方便之门，大大提高了分析速度和准确性。

今天建立在计算机技术基础之上的傅立叶变换技术和其他数学方法正在加速其在分析化学领域中的普及速度。

4. 计算机网络技术在化学信息收集方面的应用。

化学信息的庞大规模曾经使化学家花费大
量宝贵的时间去获得这些信息。

基于计算机互联网络技术和智能化数据库技术的化学信息收集与检索体系，以及远程计算机登录技术为化学家与海量化学信息之间建立了高速
有效的桥梁和纽带，大大增强了人类获取信息的能力。

正在逐步成为化学家获取化学信息的主要手段。

5. 计算机模拟技术在化学化工过程模拟中的应用。

计算机仿真模拟技术从根本上改变了化
学实验技术。

许多化学化工过程的高风险性和高消耗性，在一定程度上阻碍了化学学科的发展，基于现代计算机模拟技术的高温、高压、高险等化工过程模拟技术的发展加快了实验化学学科的发展并使化学科技成果的产业化过程加速。

6. 计算机智能化技术在化学专家系统中的应用。

基于计算机强大逻辑分析与计算能力的人
工智能技术在加工处理化学知识方面起着重大作用。

基于计算机智能化技术发展起来的专家咨询、决策、分析系统成为化学工业知识化，或者知识经济走向化学和化工领域的重要生长点。

从二十世纪四十年代电子计算机出现，起初人们对计算机的认识仅是它强大的计算能力。

因此，计算机在化学中的应用也是从计算相当复杂的量子化学中起步的。

计算机技术使过去难以解决的量子化学从头计算问题得以解决。

五十年代人们通过薛定谔方程采用从头计算方法求解了氢分子的分子轨道方程，第一次从理论上得到分子轨道的空间结构。

但是由于当时计算机计算能力的限制，对于其他较大分子的计算还需要经过简化的半经验方法，如NDDO(neglect of diatomic differential overlap)法、MNDO (modified neglect of diatomic differential overlap)、AM1(Astin mode 1)、PM3(parametric method 3)和ZINDO(Zerner INDO)等方法。

随着计算机计算能力的迅速提高，目前人们已经可以用从头计算法计算分子量数以百计的较大分子的分子轨道参数。

由于计算机的应用，其他需要强大计算能力的化学计算课题也在计算速度和计算精度方面获得空前提高。

如诺贝尔化学奖获得者Hodgkin D.M.C.首先将计算机应用于分析X射线衍射图形和计算电子云密度图，为复杂大分子的结构分析提供了强有力的手段。

在分析化学中最显著的例子是计算机技术使傅立叶变换方法在分析化学领域获得广泛应用，并取得极大成功。

产生了新一代强大的红外光谱、质谱与核磁共振谱分析仪器。

引入了计算机快速傅立叶变换技术后，可以从瞬态脉冲激励的衰减信号中获取频谱，因为在时域中采样速度比在频域中快成千上万倍，因此可以应用计算机累加技术在同样或更短时间内得到比稳态连续波技术高几个数量级的灵敏度，为扩大上述分析技术的应用领域奠定了基础。

网络技术是计算机技术发展过程中的又一个里程碑。

计算机网络的发展成功地解决了化学领域的两大难题-海量化学信息的检索与共享和化学课题的远程计算问题。

目前仅美国化学文摘（CA）就已经收摘了1500万篇左右的科技文献和2千多万种化合物的相关数据。

如此海量的文献和信息，不借助计算机网络技术已经越来越难于管理和检索。

为此，六十年代中期美国麻省理工学院等单位建立了局域文献联机检索系统，六十年代末期在美国开发成功全国性的联机检索系统-RECON，七十年代以来先后开发成功《DIALOG》，《ORBIT》，《STN》，《ISI》等国际性联机检索数据库。

中国于1983年开始先后与上述网络连接进入联网检索系统。

随着九十年代以来国际互联网络的迅速普及，上网联机检索手段也不局限于通过几个研究单位站点，上网手段趋向多样化，检索手段也从委托定题、定期检索发展到多种形式的终端型检索。

目前借助于Internet网，进入DIALOG或者STN数据库可以直接获得绝大多数的化学文献和其他化学信息。

同时有数百种著名科技期刊可以通过计算机网络进行全文检索和阅读，极大方便了化学信息的检索和收集。

与此同时，计算机网络的发展也为大型计算机的共享使用提供有利条件。

通过校园网和局域网，人们可以通过自己的个人计算机作为终端直接使用远程的大型计算机来解决自己的计算问题和共享数据资源。

强大的逻辑分析与交互控制能力使计算机在自动控制方面具有明显优势，计算机自动控制技术为化学和化工过程的自动化创造了有利条件。

首先计算机应用于大型化工设备的中央控制系统当中，收集反馈信息，控制生产过程。

随着计算机的普及与微型化，计算
机控制系统逐步地应用到控制单个设备和仪器。

如自动化的化工生产设备和各种分析仪器。

此外在以往主要靠手工操作的化学合成和化学分析也获得了迅速改变，如依赖于计算机技术的自动合成仪、自动分析仪等已经开发成功。

同时，计算机技术的快速发展和迅速普及，使计算机成为各化学实验室和办公室的常规设备，化学家可以方便地利用计算机进行分析处理实验数据、管理实验室、控制实验设备、接收和传递化学信息。

这些都在很大程度上提高了化学生产和研究的效率，同样也成为化学实验室和化学工业现代化的标志之一。

除了强大的计算和控制能力，以及网络覆盖功能之外，计算机图形化和多媒体技术近年来获得了快速发展。

该项技术也迅速在化学领域获得了应用。

众所周知，由于化学学科的特殊性（化学特有符号种类极多、抽象和微观形态普遍、过程机理复杂等），对那些微观和抽象的化学过程进行客观描述的难度很大。

受影响最大的是化学教学和与化学内容相关的印刷出版业。

对化学过程进行图形化模拟和表达是化学工作者面对的一项重要任务。

借助计算机的图形化功能和日益强大的多媒体技术，上述问题已经得到比较圆满的解决。

除此之外，计算机在化学远程教学、数据智能化存储、实验设计与结果分析等方面也都获得了日益广泛的应用。

总之，计算机技术的飞速发展给化学和化工科技的发展插上腾飞的翅膀，化学学科的不断进步也为计算机科学提出了越来越高的要求。

目前计算机技术已经成为成功化学家的一项必不可少的基本技能，已经与化学科研和教育环节紧密结合在一起。

1.2 计算机技术在化学中应用的主要领域
计算机在化学中的应用知识应该说是一个相当大的范围，完整掌握计算机在化学中的应用技术需要学习掌握计算机软硬件知识、相关的化学知识和解决二者结合时产生的一些新矛盾的能力。

计算机科学是一个完整的学科，内容包括软硬件、理论与技术等方方面面。

随着各学科之间的交叉渗透和相互发展，计算机技术在其他学科领域中的应用也已经构成各具特点的独立学科。

作为一个化学家不可能，也没有必要完全掌握全部计算机知识和技术。

对于化学工作者来说学习计算机知识的目的是将其作为一种工具来提高工作效率和开拓新的研究领域，将其与自己从事的专业紧密结合，予以开发和应用。

因此将计算机在化学中的应用知识当作一门实用技术来掌握是恰当的。

作为一种实用技术我们除了需要了解和掌握计算机的基本知识和计算机使用方法外，还需要掌握与化学相关的一些特殊方法和软件知识。

根据上述定位，“计算机技术在化学中的应用”应该主要包括以下几方面：
1.以计算机网络技术为基础的计算机网上应用知识。

其中包括运用计算机网络技术进行
计算机化学信息和数据的收集、管理、检索、交换，远程计算机的登录、操作使用，网上多媒体化学教学课件的制作与使用等知识。

目标是能够通过计算机网络驾御网上的化学资源，检索收集网上的化学信息，能够通过网络进行大型计算机远程登录和操作，以及利用计算机网上资源进行化学教学工作。

近年来计算机网络的发展，特别是国际互联网的发展非常迅速，计算机网络已经成为重要的现代信息媒体。

2.以化学程序编写和使用为目的的计算化学知识。

其中包括基本掌握至少一门高级语言，
学习基本的程序编制技术，掌握利用计算机技术解决基本计算化学问题的技巧和技能。

如计算机化学数值计算、化学机理推导、方程求解、参数运算等计算化学课题。

应该说计算机的软件技术是计算机应用技术的基石，虽然当前各种专业化的应用软件已经逐步商业化，越来越多的化学问题可以通过使用商业软件来解决，但是掌握必要的软件知识对于在化学领域应用计算机技术来说仍是十分必要的。

当然同时也应该学习利用商业性和共享的有关量子化学、结构化学计算软件的使用方法来解决上述问题。

3.以计算机CAD、三维动画和图形化技术为基础的化学结构模拟和图形表达知识。

借助
于模型和图形认识分子微观世界是化学研究的重要手段，采用计算机技术可以将不可
见的分子二维和三维结构，以及复杂的化学过程栩栩如生地表现出来，应用于化学研究、化学课堂教学和化学类书籍的出版印刷。

其中包括分子结构、化学和化工装置、实验数据的图形化表达方法。

掌握上述知识主要目的在于建立开发化学类教学课件和学习应用商业化的或共享性化学和化工CAD软件、分子模型建立和演示软件、化学过程模拟软件、多维分子结构绘制软件、数值分析及处理软件，以及多媒体化学演示软件的使用技术。

学习利用上述软件解决教学、科研和生产设计方面的实际问题。

4.以计算机数据库建立、维护和操作为基础的化学数据库知识。

计算机化管理已经成为
包括化学实验室在内的各个领域的基本要求。

而其中的核心是建立高效智能化的信息数据库。

因此学习掌握化学数据库的相关知识，包括化学数据库的建立、使用和维护技术成为必然。

当前商业化的数据库开发平台以及各种专业化的数据库软件已经开发出了很多。

学习掌握专业数据库的开发与化学商品数据库、化学参数数据库、光谱数据库等商业数据库的使用和维护方法等是主要目的，同时学习利用化学数据库对化学实验室和化工厂进行计算机管理。

5.以计算机接口技术为基础的化学实验室计算机自动控制和数据收集知识。

个人计算机
目前在各个化学实验室已经逐步普及。

利用计算机自动采集化学实验室每天产生的大量实验数据并进行综合处理，以及对实验室各种仪器设备进行交互式的自动控制是提升实验室工作效率的重要内容之一。

这项工作需要化学工作者的直接参与才能完成。

掌握上述知识需要在具备基本电工电子基础知识的基础上学习掌握基本的计算机接口与数据传输技术。

利用计算机对化学实验仪器设备的交互控制，实现化学实验室或化工厂计算机实验数据收集、处理及优化过程，化工设备及科学仪器的自动化控制。

涉及的相关内容包括计算机的信号收集和处理加工、指令输出、过程控制等知识。

6.了解计算机化学专家系统的开发和使用知识。

人工智能是计算机发展的最高境界，也
是计算机应用的重要领域。

化学的各个相关学科普遍具有知识量大、过程复杂、相对规律性较差的特点。

因此利用计算机强大的信息存储能力、准确的逻辑判断分析能力和无与伦比的计算能力建立化学类专家系统则具有重要的特殊意义。

首先建立和开发这种计算机化学类专家系统必须要有化学家的参与才能完成，同时这种专家系统的最终使用和维护者也必然是化学工作者。

因此需要了解掌握计算机智能化技术，结合逻辑运算、数据库管理和决策判断等技术知识，为建立各种化学化工专家系统做知识储备。

目前正在迅速发展的化学化工专家系统一般包括智能化数据库系统、科学推理咨询系统、知识学习系统和科学决策系统等，是计算机科学与化学科学紧密结合的产物。

上述六个方面是计算机技术在化学中应用的基本内容。

当然，计算机化的化学分析测定仪器设备、自动化的化工机械设备和复杂高级的大型化学软件的开发也应该属于该领域。

但是，对于化学工作者来说与其工作范围相距较远，不在本书介绍范围之内。

随着计算机技术的发展，计算机专家与化学家的不懈努力，还会有更多计算机的新应用领域被开发，谁也不能断言圈定计算机的发展领域。

不容回避的趋势是化学工作者必须要掌握必要的计算机知识，并且能够将这种知识有效地在化学的各个领域中获得应用。

计算机在化学中的应用知识也必将成为化学工作者的基本知识构成。

限于目前化学类教育体系课程设置和计算机在化学中的应用技术才刚刚开始普及，要求过高是不现实的。

1.3 计算机技术在化学领域应用的现状
计算机在化学中的应用开发已经有40多年的历史，经过多年的发展开拓，目前无论是在应用规模上，还是在应用的广度、深度上都得到了相当大的拓展。

从应用的规模和普及程度上来说，计算机已经深入到化学的方方面面，从化学实验室到化工车间，从大型化工设备到化学实验仪器设备，到处都可以看到应用计算机技术的身影；计算机技术在化学中的应用已经受到整个化学界的重视。

在化学领域中现在已经很难找到还没有采用计算机
技术的领域和学科。

从应用的深度上来说，由于计算机技术的介入在很大程度上已经改变了很多化学领域的面貌。

过去量子化学的瓶颈-计算能力不足问题已经得到了很大改善；信息爆炸引起的信息收集处理问题也得到了很好解决；计算机模拟仿真技术使那些高风险，高投入的化学实验得以在计算机屏幕上进行；计算机化的大型精密分析仪器也使人们认识微观世界的能力大大提高，分析选择性和灵敏度提高了几个数量级。

人工智能化技术的应用也使过去只能依靠少数专家才能进行的高难度工作变的相对简单。

其他诸如计算机仿真化学实验、计算机网络远程交互式教学、化学期刊书籍的电子化和网络化、精彩生动的计算机化学教学课件、具有自动提示报警功能的化学药品管理系统等都是计算机在化学中应用的结果。

从几个大的领域来说计算机在化学中的应用现状可以概括成以下几个方面：
1.计算化学的发展：计算化学是计算机技术最早应用于化学的领域，目前仍是最活跃的
化学学科之一，也是对计算能力要求最高的化学课题。

因为与原子物理相比，分子量子结构影响关系更复杂，计算难度也更大。

计算化学的发展基本上与最先进的计算机技术同步，最新最强大的计算机总是应用到计算化学领域中。

随着大型计算机计算能力的不断提高，以量子化学从头计算为代表的化学计算已经得到长足发展。

分子量子结构计算能力已经从氢分子电子结构计算发展到苯等复杂化合物电子结构的计算，目前已经能够采用从头计算方法计算分子量超过数百的较大分子。

结合叠代、微扰等数学方法，人们认识分子的微观世界已经成为可能。

计算化学的发展使人们对物质的认识水平提高了一个层次。

除此之外，计算化学内容还包括反应动力学、统计热力学等难度非常大的计算内容。

总体来说目前计算方法和计算软件已经相对比较完善，公开出版的各类化学计算软件已经有数十种，采用的机型从巨型计算机到个人计算机。

不仅能够计算无机、有机小分子，也可以计算聚合物和金属晶格结构。

现代计算机技术的发展，已经能够将各种化学性质与分子结构之间的关系定量地关联起来，化学正从实验科学迈向理论科学。

可以说现代计算化学是建立在大型计算机基础之上的。

美国化学会计算化学分会每年召开一到两次学术会议，每次都有数百篇论文入选。

目前已经出版了13卷会议文集，基本代表了计算化学的发展现状。

2. 网络化学的发展：当前计算机技术对普通人产生影响最大的是计算机网络技术的发展。

它的发展速度和规模都大大超过了人们当初的设想。

今天通过全球通讯线路连接起来的计算机网络，已经将全世界连接成为一个有机整体，使所有在该网络上的人能够共享计算机网络上的数据和信息，极大地改变了世界的面貌。

网络技术在化学中的应用也几乎是与计算机网络技术同步发展的。

美国化学会及其下属的美国化学文摘社在六十年代初美国计算机网络刚刚建立时就采用了计算机网络技术，开展计算机网上检索工作。

其结果是可以大大提高检索效率，因为化学数据的规模之大和低规律化程度都是其他学科不能比拟的，科学家手工文献检索耗费掉的时间已经相当惊人。

计算机网络技术在化学中的应用主要有以下几个方面：首先是利用计算机的强大存储和检索功能建立各种大规模化学数据库进行数据管理，并利用计算机网络进行检索和传递。

以大型数据库和计算机网络（如国际的STN, DIALOG和我国的STI、CCN等）为特征的化学信息管理和检索体系目前已经比较完善，在Internet网上可以登陆上述数据库快速查阅很多重要的化学信息和化学数据。

大规模的化学数据库和计算机网络的全球化使化学信息的跨国界检索成为可能。

计算机网络的建设也使大型和超大型计算机的远程使用成为可能。

利用计算机网络对大型计算机进行远程登录和操作，可以充分利用计算机资源解决某些单位计算能力不足的问题。

目前只要预先注册登记，人们可以通过Internet网使用世界上几乎任何位置的联网计算机，使计算资源的共享程度大大提高。

计算机网络的发展也为其他化学活动提供了机会，目前网上化学杂志，网上化学讲座，网上化学论坛和网上化学学术会议都得到了一定程度的发展。