计算化学在高中化学中的应用

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1、计算化学在高中化学中的应用计算化学在高中化学中的应用　摘要：作者以学习高中化学获得的心得体会为基础，谈谈计算化学在高中化学学习中的应用。　　关键词：高中化学计算化学静电荷自由能变化　　　　高中化学课程的基本理念之一是：通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。［１］高中阶段开设的化学实验有限［２］，很多化学性质不能通过实验来验证，有兴趣的同学建立课外科研活动小组，在老师的指导下，可以多做一些

2、化学实验，但有些分子有毒，甚至反应以后产生具有爆炸性质的物质，因此对于这些化学反应很难通过化学实验来理解。计算化学作为一门新兴的学科，已应用到各个学科，能预测许多化合物的性质，模拟许多化学反应的进程。基于这种想法，我对化合物苯、甲苯和硝基苯进行了计算，希望这些结果能更好地帮助同学们理解这些化合物的性质。　　1.研究方法　　用化学软件Hyperchem，采用pm3方法对化合物1-3进行优化，以优化得到的化合物1-3的几何结构为基础，计算出化合物1-3的静电荷，然后计算出化合物1-3和硝酸反应的自由能

3、变化。　　2.结果和讨论　　2.1化合物1-3的原子静电荷。　　化合物1-3的原子静电荷列于表1中，从表1可以看出，对于化合物1，苯环上6个碳原子的静电荷都为-0.102，说明苯环上6个碳原子静电荷分布均匀，其几何构型应该很对称的。对于化合物2，由于苯环上增加了一个甲基，原来对称的几.L.何构型，变得不对称，在苯环上6个碳原子的静电荷中，其中C(2)、C(4)和C(6)上的负电荷较多，如果和一个带有正电荷的基团发生反应，应该发生在C(2)、C(4)和C(6)上。这样很容易解释，为什么像甲苯、乙苯等

4、一些化合物和硝酸反应时，主要发生在邻、对位上。对于化合物3，C(3)和C(5)上的负电荷比C(2)、C(4)和C(6)上的负电荷多，所以硝基苯和一个带正电荷的基团反应时，往往选择发生在C(3)和C(5)上。　　在课堂上遇到这样的选择题时，老师只是告诉我们，像甲苯、乙苯等分子，在发生取代反应时，主要发生在邻、对位上，而硝基苯发生取代反应时，主要发生在间位上。老师总是让我们记住取代规律，至于为什么，很难给予一个满意的答复。通过这个软件的模拟，我们能更好地理解这些化合物的性质，也能准确判断出取代反应发生

5、在哪个位置上。　　2.2化合反应的难易程度　　我主要研究了如下几个反应。.L.　　首先对以上反应中的各个分子进行优化，获得各个稳定分子的能量，用生成物分子的总能量减去反应物分子的总能量，近似等于这个化学反应的自由能变化(△G)，计算结果见表2。　　从表2可以看出，对于甲苯和硝酸反应，其反应自由能变化是很低的（-24.82kcal/mol）；对于硝基苯和硝酸反应，其反应自由能变化为-20.73kcal/mol，而苯和硝酸的反应自由能变化为-24.33kcal/mol。因此可以看出，甲苯和硝酸发生取代

6、反应最容易，而硝基苯和硝酸反应最难，苯和硝酸反应的难易程度介于甲苯和硝基苯之间。　　3.结语　　通过化合物1-3的静电荷分析可以看出，甲苯和带有正电荷基团发生取代反应时，往往发生在邻、对位上，而硝基苯和带有正电荷基团发生反应时，往往发生在间位上。当化合物1-3和硝酸反应时，甲苯和硝酸反应最容易，而硝基苯和硝酸反应最难。这个结论能帮我们加深对教材的理解，尤其是对于我们刚学有机化学的高中学生，不需要死机硬背老师告诉我们的反应规则，在实验条件不允许的条件下，利用化学软件模拟，也是一个很好的选择。