计算化学在化学中的应用

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1、计算化学在化学方面的应用摘要：计算化学在最近十年中是发展最快的化学研究领域之一，通过对具体的分子系统进行理论分析和计算，能比较准确地回答有关稳定性、反应机理等基本化学问题。如今计算化学已被广泛用于材料、催化和生物化学等研究领域。本文主要就计算化学的背景、计算化学常用的方法及其在化学化工中的应用等几个方面作一简单介绍。关键词计算化学材料催化应用Abstract:Computationalchemistryisoneofthefastestgrowingareasofchemicalresearchinthelastdecade.Throughtheoreticalanalysisan

2、dcalculationstoaspecificmolecularsystem,onecanaccuratelyanswerthebasicchemicalproblems,forexample,thestabilityandthereactionmechanism,etc.Today,computationalchemistryhasbeenwidelyusedinmaterials,catalysisandbiochemistryresearch.Inthispaper,thebackgroundofcomputationalchemistry,thecommonlyusedm

3、ethodsincomputationalchemistryanditsapplicationinchemistryandchemicalindustryhavebeenbriefedrespectively.Keywords:Computationalchemistry;Materials;Catalysis;Application1、计算化学的背景介绍计算化学（Computational7Chemistry）在最近10年是发展最快的化学研究领域之一。它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。最常见的例子是以量子化学计算来解释实验上的各

4、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，更为准确或高效的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。量子化学，作为量子力学的一个分支，是将量子力学的基本原理和方法，应用于研究化学问题的一门基础科学，其核心问题就是通过一系列近似，求解薛定谔方程。常用的Hartree-Fock模型建立在四个近似基础上，即非相对论近似、核固定近似、单电子近似以及原子轨道线性组合成分子轨道近似。在这些近似的基础上

5、，分子体系的薛定谔方程演变为Roothaan方程，求解该方程时，如果不再引入新的简化或近似，严格进行数学积分来求解，这种计算方法称为从头算方法（AbinitioMethods）。从头算方法在理论和方法上都比较严格，是目前最精确的量子化学计算方法。如果在求解Roothaan方程过程中引入经验参数来简化复杂的数学积分，称为半经验方法（Semi-empiricalMethods）。20世纪80年代是量子化学计算飞速发展的时期。出现了Gaussian软件[1]，是进行从头算的鼻祖，目前已经成为计算化学研究的重要工具。Gaussian量子化学计算程序包是美国Gaussian公司开发的一个功能

6、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。目前已成为国际公认的最优秀的化学计算软件。2、计算化学常用的方法及其介绍下面对计算化学中常用的几种理论计算方法作一个简单的介绍：2.1从头算方法从头算方法仅使用一些最基本的物理常数（如光速、普朗克常数等）作为已知参数，完全利用数学工具来求解薛定锷方程，而不引入任何经验性质的化学参数。由于绝大多数化学体系的薛定锷方程没有严格的解析解，只能在求解的过程中引入各种数学近似，使

7、用数值解法得到结果。因此，从头算方法并不是100%的从头算，给出的结果并不是薛定锷方程的严格解，使用不同的从头算方法得到的解的精度也各不相同。7为了解决多电子体系薛定谔方程近似求解的问题，D.R.Hartree在1928年提出了Hartree假设：将每个电子看成是在其他所有电子构成的平均势场中运动的粒子，同时提出了迭代法的思路。根据这个假设，将体系电子哈密顿算子分解为若干个单电子哈密顿算子的简单加和，每个单电子哈密顿算子中只包含一个电子的坐标，因而体系多电子波函数可以