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《計算化學(xué)在化學(xué)化工中的應(yīng)用綜述》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、計算化學(xué)在化學(xué)化工中的應(yīng)用綜述摘要：計算化學(xué)在最近十年屮是發(fā)展最快的化學(xué)研究領(lǐng)域之一，通過對具體的分子系統(tǒng)進行理論分析和計算，能比較準(zhǔn)確地冋答有關(guān)穩(wěn)定性、反應(yīng)機理等基本化學(xué)問題。如今計算化學(xué)己被廣泛用于材料、催化和生物化學(xué)等研究領(lǐng)域。本文主要就計算化學(xué)的背景、計算化學(xué)常用的方法及其在化學(xué)化工中的應(yīng)用等兒個方面作一簡單介紹。關(guān)鍵詞：計算化學(xué)原理材料催化應(yīng)用引言計算化學(xué)是根據(jù)基本的物理化學(xué)理論(通常指量子化學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)及經(jīng)典力學(xué))及大量的數(shù)值運算方式，應(yīng)用計算機技術(shù)，通過理論計算研究化學(xué)反應(yīng)的機制和速率，總結(jié)和預(yù)見化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的規(guī)律的學(xué)科。計算化學(xué)是化學(xué)、
2、計算機科學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)以及藥學(xué)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，而化學(xué)則是其川的核心學(xué)科⑴?？梢杂脕斫忉寣嶒炛懈鞣N化學(xué)現(xiàn)象，了解、分析實驗結(jié)果，預(yù)測化學(xué)反應(yīng)方向，還可以用來驗證、測試、修正或發(fā)展較高層次的化學(xué)理論。準(zhǔn)確高效的理論計算方法也是計算化學(xué)領(lǐng)域屮非常重要的一部分。近二十年來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和理論計算方法的進步使理論與計算化學(xué)逐漸成為一門新興的學(xué)科⑵。今天，理論化學(xué)計算和實驗研究的緊密結(jié)合大大改變了化學(xué)作為純實驗科學(xué)的傳統(tǒng)印象，有力地推動了化學(xué)各個分支學(xué)科的發(fā)展。隨著人們對“化學(xué)不再是純實驗科學(xué)”論斷認(rèn)識的不斷提高，計算化學(xué)將在各個化學(xué)研究領(lǐng)域和
3、交叉學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮作用。特別是隨著當(dāng)前世界學(xué)科前沿的發(fā)展趨勢，材料、生命、醫(yī)藥、環(huán)境等學(xué)科越來越被政府和科學(xué)家們重視，計算化學(xué)也將在這兒個方而發(fā)揮重大作用⑶。1計算化學(xué)常用的方法及其介紹下面對計算化學(xué)屮常用的幾種理論計算方法作一個簡單的介紹：1.1從頭算方法從頭算方法僅使用一些最基本的物理常數(shù)(如光速、普朗克常數(shù)等)作為已知參數(shù)，完全利用數(shù)學(xué)工具來求解薛定銬方程，而不引入任何經(jīng)驗性質(zhì)的化學(xué)參數(shù)。由于絕大多數(shù)化學(xué)體系的薛定鍔方程沒有嚴(yán)格的解析解，只能在求解的過程中引入各種數(shù)學(xué)近似，使用數(shù)值解法得到結(jié)果。因此，從頭算方法并不是100%的從頭算，給出的結(jié)果并不是薛定鍔方程
4、的嚴(yán)格解,使用不同的從頭算方法得到的解的精度也各不相同。下式是Schrodinger方程，量子化學(xué)的一個基本問題就是求解Schrodinger方程。下式是Schrodinger方程，[-h2/2mV2+v(r)]
5、/(r)=E屮(r)式+Ei
6、/(r)是體系的狀態(tài)函數(shù)，稱為波函數(shù)，方括號內(nèi)第一項是體系的動能項，第二項是勢能項，E是體系的能量。為了解決多電子體系薛定譚方程近似求解的問題,D.R.Hartree在1928年提出Hartree假設(shè)：將每個電子看成是在其他所有電子構(gòu)成的平均勢場中運動的粒子，同時提出了迭代法的思路。根據(jù)這個假設(shè),將體系電子哈密頓算子分解為
7、若干個單電子哈密頓算子的簡單加和,每個單電子哈密頓算子屮只包含一個電子的坐標(biāo)，因而體系多電子波函數(shù)可以表示為單電子波函數(shù)的簡單乘積，這就是Hartree方程。由于Hartree沒有考慮電子波函數(shù)的反對稱因素，Hartree方程實際上是不成功的。1930年,Hartree的學(xué)生B.A.Fock和J.C.Slater分別提出了考慮泡利原理的自洽場迭代方程和單行列式多電子體系波函數(shù)，這就是Hartree-Fock(HF)方程。在Bom-Oppenheimer近似、非相對論近似和單電子近似的基礎(chǔ)上，把分子軌道用原子軌道的線性組合(LCAO)來表示。,Schrodinger
8、方程演變?yōu)槿缦翲artree-Fock-Roothann(HFR)形式：F*i=Ei*i其屮F=h+工[Ji?Ki],Ji為庫侖積分項，Ki為交換積分項。Hartree-Fock方程的求解,通常采用自洽場方法(Self^ConsistentField,SCF),先猜一組初始軌道，代入方程(1),求解得一組新的門和3i,然后再用這組新產(chǎn)生的軌道代入方程(1),又得到一組新的和,重復(fù)這個過程，直到得到的一組ein+1和前一次得到的叮門能量相差很小，達到某個閾值時(很小的一個值，如10-6),這時稱迭代收斂,此時的能fiein和相應(yīng)的那組巾in就是該Hartrcc-Fo
9、ck方程的解，對應(yīng)體系的能量和軌道。Hartree-Fock沒有很好地處理電子Z間的相互作用，這樣得到的體系的能量往往是不準(zhǔn)確的，與實際的值有一個偏差，稱這個差值為電子相關(guān)能，精確定義是Lowdin定義：H的精確解與HF方法的極限值Z差：Ecorr=C0-Hflimit為了處理這個相關(guān)能，就有了組態(tài)相互作用(ConfigurationInteraction,CI)方法，基本思想是在波函數(shù)中考慮激發(fā)組態(tài)的影響，變分處理時只對組態(tài)空間進行變分。激發(fā)態(tài)是很多的，這樣就有了一個近似，只考慮到單激發(fā)態(tài)和雙激發(fā)態(tài)(SinglyandDoublyExcitedConfigura
10、tion)
