计算机在化学中的应用论文(2)
计算机在化学中的应用论文篇二
试谈计算机模拟在化学中的应用
摘要：采用分子动力学模拟和蒙特卡洛方法等计算机模拟技术可以很好的解决科学技术中传统的推理演绎和实验方法不能满足理论研究的需要，这些技术应用于化学工业和教学领域也有光明的前景。
关键词：计算机模拟;蒙特卡洛方法;化学教学
1 引言
现代科学技术的发展，极大地丰富了科学研究方法的内容。从最初亚里士多德所倡导的推理演绎的理论研究方法，到伽利略的实验研究方法，人类对于自然的认识随着手段的不断完善而更加深刻。化学作为一门核心的自然科学，在过去的100多年里，创立了研究物质结构和形态的理论、方法和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的关系和规律，合成制备了数以万计的化学物质，为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。
然而，20世纪以来，面对生命科学、材料科学、信息科学等其他学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求，化学的发展趋势逐渐变为：由宏观到微观、定性到定量、稳定态到亚稳态的发展;由经验逐渐上升到用理论来指导设计和开拓新的研究领域和思路。同时，在与其他自然科学的相互渗透过程中不断地产生新的研究方向，并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。也就是说，化学正向更加复杂的方向发展：系统方面，呈现多组分、多反应和多物种的复杂性特征;结构上，主要是多层次的有序高级结构;过程上的复杂性主要体现在有复杂系统参加的化学反应中，而复杂过程是由时空、有序地受控等一系列事件构成，同时状态变化的复杂性又是过程复杂性的表现。在这样的背景下，常规的实验手段和实验水平已经不能完全满足理论研究的需要，甚至很多方面的研究很难用现有的手段实现，这就迫切需要一种新的技术来对实验方法进行补充和深化。
计算机作为一种科学研究的重要工具，自问世以来，已经应用在自然科学的各个领域并由此发展了许多新的理论与方法。现在公认的是，计算机是理论研究的重要补充[1-4]。它可以不加近似的给出某一模型的数值结果及直观图像，进而可以与试验相对照，从而对新理论的提出起到指导作用。所以，计算机模拟已经不再仅仅是理论物理学家手中的武器，而逐渐成为实验化学家必不可少的工具。随着计算机模拟技术的日益发展，化学研究的手段得到更新的发展和深化，化学研究也进入了一个新的阶段。
2 计算机模拟方法
传统的计算机模拟采用的方法大致分为两种类型：确定性模拟方法即在统计物理中称为分子动力学模拟方法;随机模拟方法即蒙特卡洛方法(Monte Carlo)，这两种方法在微观模拟领域都起到了重要的作用。在时间趋于无穷时，两种算法是等价的。
分子动力学计算机模拟是研究复杂的凝聚态系统的工具。它是基于牛顿方程。在原子核和电子所构成的多体系系统中，其中每一个原子核都被视为在全部其它原子核和电子作用下运动，通过计算机分析系统中各粒子的受力情况，用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度，以确定粒子的运动状态，进而计算整个系统的结构和性质。这一技术既能得到原子模拟的运动轨迹，还能像做实验一样进行各种观察。由于分子动力学模拟方法计算的体系比较大，是目前模拟研究核酸、蛋白质等生物大分子结构和性质以及配体――受体相互作用的主要方法。
自然界有的过程本身就是随机的过程，如物理现象中粒子的衰变过程、粒子在介质中的输运过程等。蒙特卡洛方法是通过不断产生随机数序列来模拟过程。其基本思想是按照实际问题所遵循的概率统计规律。
用电子计算机进行直接的抽样试验，然后计算其统计参数。该方法也通常称为直接蒙特卡洛模拟法，它充分体现出无可比拟的特殊性和优越性，也就是人们所说的“计算机实验”。
同样，如果我们用蒙特卡洛方法也可以人为地构造出一个合适的概率模型，依照该模型进行大量的统计实验，使它的某些统计参量正好是待求问题的解，这也就是所谓的间接蒙特卡洛方法。
3计算机模拟技术在化学中的应用
计算机模拟技术自九十年代初以来发展迅速，其在新材料的设计开发领域已成为一种十分重要的方法和工具。它不仅能提供定性的描述，而且能模拟出分子体系的一些结构与性能的定量结果。例如，在研究沸石催化剂的吸附和扩散性质、温度对扩散系数的影响、选择合适的沸石结构时，计算机模拟技术就成为一种有力的工具。对寻找可以用于形态选择性反应的可能的催化剂这方面的工作来说，利用计算机建立沸石和被吸附分子的模型，采用分子图形法(moleculargraphics)可以很快在计算机屏幕上显示出各种反应物或产品的分子与候选的(candidate)沸石孔的形状与尺径的匹配程度，用量子力学或分子动力学研究沸石内的分子扩散情况可以提供对所显示的分子图像的证明，从而选择有效的催化剂。
随着非线性科学突飞猛进地发展，蒙特卡洛方法在化学上已经取得了可喜的进展。进入九十年代，蒙特卡洛方法在化学的各个领域都已成为研究前沿，这标志着化学一场新的革命的到来。尤其是在实验和理论上解释都有一定困难的高聚物微观机理方面：如单链聚乙烯在特殊情况下化学键的参数;支链含量和长度在共聚烯结晶中作用;支链点对晶体的作用;高分子凝胶网的溶胀平衡等方面的研究[5]，蒙特卡洛方法显示了其巨大的优越性。
活性自由基聚合(CRP or LRP)是近年来高分子合成领域中研究的热点之一。其特点是通过一个休眠/活化的平衡反应来降低体系中的自由基浓度，从而达到可控聚合的目的。而这个间歇休眠的过程是否对聚合产物的结构产生影响是需要关注的课题。传统的实验方法只能用13C-NMR来分析聚合物的序列结构，用这样的方法得到的结果无法排除引发、副反应及实验条件的影响。蒙特卡洛模拟很好地解决了这些问题，只要建立合适的模型，就可以用计算机模拟实际接近的反应，追踪到整个反应的进程，从而对产物的结构有相当完整的认识。
同时，计算机模拟方法不仅局限于科研领域，在工业生产中也发挥着巨大的作用。比如对于一个反应釜，利用计算机模拟程序，根据设定的参数可以得出生产所需要的压力，温度等参数，省时省力，节约了资源。反之，对于相应的生产条件可以根据需要的反应参数来设计反应釜的大小、数目、参数。
4 计算机模拟在化学教学中的应用
计算机辅助教学作为一种崭新的教学手段，在现代教学技术中显示出强大的生命力。与传统的教学方法相比，计算机辅助教学更加生动、直观，无疑显示出巨大的优势。例如，用三维动画模拟分别由羧酸和醇脱羟基的两种反应模式，引导学生观察化学键的断裂和重新组合，从而了解到底是羧酸还是醇提供羟基。而本文所讨论的计算机模拟并不仅局限于模拟演示实验，利用上述的两种计算机模拟方法可以解决常规实验方法较难证明的问题。通常，这种计算机模拟技术是通过建立一个理论模型，利用计算机语言编写程序，实现对研究对象的模拟，通过计算，与实验事实形成对照互补，这样可以对理论模型给出一个直观的印象，加强教学的效果。同时，由学生进行程序设计，可以加深对理论模型的理解。例如，用MATLAB语言设计编写蒙特卡洛法处理化学反应动力学问题的程序，将所编的程序用于模拟邻苯二甲酸二甲酯的碱性水解反应，用模拟结果与实验结果及常规化学反应动力学公式的计算结果相比较。事实证明用蒙特卡洛模拟方法对于预测反应动力学具有较高的准确性[6]。再比如，利用计算机模拟程序来研究溶剂对化学凝胶化过程的影响[7]，建立改进的晶格键流模型，引进紧邻不饱和单元相互作用参数Z来描述溶剂的品质，模拟的结果表明，溶剂品质对凝胶化时间、簇平均时间、簇尺寸分布等有明显的影响。
在高校的课程中，已经有了程序设计课程，这为计算机模拟技术的运用创造了很好的前提，同时也增强了学生学习化学和计算机的兴趣，能够培养出既能够从事计算机模拟又能掌握化学原理的复合型科研人才，适应社会的需要。
计算机在化学中的应用论文篇三
试谈计算机在高中化学教学中的应用
随着现代教育技术的发展、学校办学条件的不断改善，计算机已步入高中课堂。如何在高中化学课上运用计算机提高教学效益已成为一个新鲜的课题。在教学实践中，高中化学课中许多难以操作或有毒的实验和一些较繁杂的化学式、结构式以及一些抽象的概念和理论，用传统的教学方法和手段常常难以突破，易使学生感到枯燥乏味，影响教学效果，如果能恰当地利用计算机的作图模拟功能和速度快、容量大的特点，就能够很好地化解这些难点，大幅度提高教学效率。
一、利用计算机的作图功能可以模拟微观世界
在教学中，我们可以利用计算机模拟把静态图示转变为动态图示，把微观问题宏观化，把抽象问题形象化，有利于帮助学生理解概念、掌握理论，其效果是利用图片或其他传统手段所不及的。例如，在高一“原子核外电子运动的特征”部分，内容抽象，教材中仅提供了氢原子电子云示意图，其他内容要靠教师讲述，教师不易教，学生难理解。若利用计算机把这节课的内容制作成课件，在原子核外电子运动特征中设这样两个小标题：“原子核外电子的运动特点”和“电子云”。然后，先指出原子核外电子的质量小、运动速度很快、运动范围小。人类是无法观察也不可能观察的，之后借助计算机模拟在显示屏左边画出一个氢原子核，核外一个电子，由于电子运动速度很快，我们看到的是一个亮环在原子核外空间“无规律”出现，并将左框运动情况在右框中累积，从而引导学生分析并找出核外电子的运动规律。再借助计算机模拟，给氢原子拍照，在显示屏左边显示出氢原子某瞬时的照片，右边显示出瞬时照片的叠印，当其照片叠印到一定数量时，就能清晰地看到核外电子在氢原子核外空间出现机会的统计结果的形象表现――电子云的图形，从而使只能通过口头语言描述的抽象概念变成了动态的直观图示，能有效的加深学生的理解和记忆。
又如铜锌原电池原理，它既是教学中的重点又是难点，在教材中仅设一个演示实验，演示时只能观察到宏观结果，不能观察到微观过程。如果利用计算机动画模拟，把铜片和锌片浸入稀硫酸中，先是锌片上有气泡，再用连有电流计的导线把锌片和铜片连接起来，气泡改在铜片上放出，电流计指针有偏转，并观察到电子移动的路径，这样，就可以启发学生思考电流的方向、构成原电池的条件、原电池的正负极的确定等问题，整个过程清楚、直观，学生很容易接受。
二、利用计算机的作图功能可以模拟化学实验
许多化学实验有毒，具有一定的危险性，如果操作不当，就有可能发生意外事故。化学实验中的一些错误操作，过去只能靠教师讲其错误的原因以及错误操作可能带来的危害，不能为了加深学生印象而用实验证明，否则会造成危险。如果用计算机动画模拟这些错误操作，则可将步骤分解，放慢动作，不仅把错误的原因演示清楚，而且可以渲染气氛，学生看后印象深刻。这种做法特别适合于易燃、易爆、产物是有毒气体以及使用强酸、强碱、剧毒药品等实验的模拟。例如，稀释浓硫酸时将水加入浓硫酸中，液体就会沸腾并飞溅出来;点燃未经验纯的氢气，导致整个装置的爆炸;用排水法收集氧气时，先停止加热，后将导气管撤出水面，水倒吸使试管炸裂。对这些错误操作、危险操作的模拟，既能加深学生的印象，又能使学生准确地掌握知识、加深对错误操作原因的理解，还能在以后的实际操作中避免意外事故的发生。
三、利用计算机的作图功能可以模拟化学反应历程
化学实验本身往往是宏观的，而反应原理则往往是微观的，教师在讲解时描述起来比较困难，需要学生具有较强的空间想象能力和抽象思维能力。大多数学生理解起来感到吃力，这也许就是某些学生学习化学的难点。但是如果能在讲解实验原理时，用计算机模拟反应原理，就可以起到事半功倍的效果。例如，在有机化学中羧酸和醇的反应中，羧酸是提供氢还是羟基?学生根据已有的经验，很容易把中和反应跟酯化反应类比，错误地认为在酯化反应中，羧酸提供氢而醇提供羟基。要突破这一教学难点，可利用计算机模拟含有带标记的氧原子的醇跟羧酸起酯化反应，形成含有带标记的氧原子的酯这一反应历程，从而证明羧酸提供羟基而醇提供的是氢。再如，高三的“电解质溶液”一章，是高中阶段的重点和难点，有的教师采用的是以大量习题和小测试强化学生记忆的方法，这样不仅容易加重学生的负担，而且也不一定能达到教学目的。我们在讲述这一章的第四节“盐类的水解”时，为了让学生深入理解盐类水解的实质，可借助计算机，利用3Dmax软件制作水的电离、醋酸钠、氯化铵及氯化钠溶于水后电离成离子，醋酸根离子和铵根离子水解的情况来增强直观性，使学生们仿佛身临其境，自然归纳出盐类水解的实质，取得良好效果。
四、利用计算机可以模拟化工生产过程
在高中化学教材中有关于化工生产的内容，如接触法制硫酸、氨氧化法制硝酸等，学生大多数未见过，缺乏感性认识。在传统的教学中，教师大都是通过挂图或模拟教学，直观性差。利用计算机的模拟功能，可以绘制化工生产的流程图，模拟化工生产的全过程。若再利用三位动态图形“真实”展示沸腾炉、氨合成塔、氧化炉和吸收塔及其内部反应发生的过程，对各个环节进行反复演示或局部放大，则更能有助于加深学生对知识的理解。
我们还可以利用计算机速度快、容量大的特点，结合教材具体内容，将课堂教学中的部分板书、挂图、例题、练习题等教学内容进行恰当地包装组合，设计制作成课件，在教学中应用，就能增大课堂教学容量，激发学生学习兴趣，有效提高教学效率。
总之，计算机在课堂教学中的应用要以解决教学中难以解决的问题为出发点，以培养学生能力为目的。所以，我们应该从实际需要出发来合理地使用计算机。
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