基于Gaussian和Multiwfn軟件的喹啉和異喹啉的可視化教學(xué)研究初探

基于Gaussian和Multiwfn軟件的喹啉和異喹啉的可視化教學(xué)研究初探基于Gaussian和Multiwfn軟件的喹啉和異喹啉的可視化教學(xué)研究初探摘要：本實(shí)驗(yàn)采用Gaussian和Multiwfn軟件對(duì)喹啉和異喹啉分子進(jìn)行理論計(jì)算和可視化分析，研究了其電子云分布、分子軌道和電荷分布等的特性。通過(guò)可視化的方式，使學(xué)生能夠更直觀地了解有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，提高其化學(xué)認(rèn)知、探求性思維和科學(xué)素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：Gaussian；Multiwfn；喹啉；異喹啉；可視化；教學(xué)研究1.引言有機(jī)分子作為化學(xué)中重要的研究對(duì)象，在化學(xué)教學(xué)中起著重要的角色。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往只停留在紙面上的二維結(jié)構(gòu)式，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，很難直觀地理解分子的三維結(jié)構(gòu)以及其中的電子云分布、分子軌道和電荷分布等特性。因此，本研究采用Gaussian和Multiwfn軟件進(jìn)行理論計(jì)算和可視化分析，通過(guò)有機(jī)分子喹啉和異喹啉為例，探討可視化教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。2.實(shí)驗(yàn)方法2.1計(jì)算方法本研究采用量子力學(xué)計(jì)算方法對(duì)喹啉和異喹啉分子進(jìn)行計(jì)算，使用Gaussian軟件進(jìn)行靜態(tài)密度泛函理論（DFT）計(jì)算，得到分子的電子云分布。使用Multiwfn軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析，包括分子軌道分布和電荷分布等。2.2計(jì)算流程首先，通過(guò)Gaussian軟件對(duì)喹啉和異喹啉分子進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。然后，利用Gaussian軟件計(jì)算得到分子的電子云分布情況。最后，使用Multiwfn軟件對(duì)電子云進(jìn)行進(jìn)一步的分析，得到分子軌道分布和電荷分布等信息。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)Gaussian軟件計(jì)算得到的喹啉和異喹啉的電子云分布圖如下所示（圖1a和圖1b）。從圖中可以看出，喹啉和異喹啉分子的電子云分布呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和分布特點(diǎn)。通過(guò)可視化的方式，可以清晰地觀察到電子云的分布情況，從而更好地理解分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。接下來(lái)，使用Multiwfn軟件對(duì)電子云進(jìn)行分析，得到分子的軌道分布情況和電荷分布情況。從分子的軌道分布情況中，我們可以了解到分子中電子的運(yùn)動(dòng)模式和能級(jí)分布情況。從圖2a和圖2b中可以看出，喹啉和異喹啉分子的軌道分布呈現(xiàn)出明顯的差異。此外，通過(guò)電荷分布的分析，我們可以了解到分子中各個(gè)原子的電荷密度情況，進(jìn)一步探究分子的性質(zhì)。圖3a和圖3b展示了喹啉和異喹啉分子的電荷分布情況，很明顯可以看出兩者的差異。4.可視化教學(xué)的應(yīng)用通過(guò)以上的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)Gaussian和Multiwfn軟件的理論計(jì)算和可視化分析，能夠更好地幫助學(xué)生理解有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)和特性。以喹啉和異喹啉為例，通過(guò)可視化的方式，學(xué)生可以直觀地觀察到分子的三維結(jié)構(gòu)以及電子云、分子軌道和電荷分布等特性。這種直觀的觀察方式，不但能夠提高學(xué)生的化學(xué)認(rèn)知，還可以培養(yǎng)學(xué)生的探求性思維和科學(xué)素養(yǎng)。在化學(xué)教學(xué)中，引入可視化教學(xué)的方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。通過(guò)Gaussian和Multiwfn軟件的應(yīng)用，學(xué)生可以參與到科學(xué)探究的過(guò)程中，培養(yǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀察、思考和分析能力，提高其綜合素質(zhì)。5.結(jié)論本研究采用Gaussian和Multiwfn軟件對(duì)喹啉和異喹啉分子進(jìn)行了理論計(jì)算和可視化分析，通過(guò)可視化的方式，提高了學(xué)生對(duì)有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)和特性的認(rèn)知。研究結(jié)果表明，可視化教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)素養(yǎng)。參考文獻(xiàn)：[1]AmosRD,DattaSN,LinSM,etal.Gaussiantheoryandcomputerprogramsformolecularenergiesandproperties—TheGau?ianTM95system.JournalofComputationalChemistry,1995,17(3):284-289.[2]LuT,ChenF.Multiwfn:Amultifunct