基礎(chǔ)量子化學(xué)培訓(xùn)

演講人：日期：基礎(chǔ)量子化學(xué)培訓(xùn)目錄CONTENTS量子化學(xué)概述量子力學(xué)基礎(chǔ)量子化學(xué)計算方法分子光譜與能級躍遷化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與量子化學(xué)表面吸附與催化作用中的量子效應(yīng)總結(jié)與展望01量子化學(xué)概述量子化學(xué)是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法，研究化學(xué)問題的基礎(chǔ)科學(xué)。量子化學(xué)定義從早期量子力學(xué)理論在化學(xué)中的應(yīng)用，到現(xiàn)代量子化學(xué)計算方法的發(fā)展和應(yīng)用。發(fā)展歷程理論化學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家等跨領(lǐng)域合作。主要研究者量子化學(xué)定義與發(fā)展010203分子結(jié)構(gòu)、性能及其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；分子與分子之間的相互作用；分子反應(yīng)等。研究內(nèi)容材料科學(xué)、藥物設(shè)計、催化劑設(shè)計、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究等。應(yīng)用領(lǐng)域分子軌道理論、密度泛函理論、量子化學(xué)計算等。計算方法量子化學(xué)研究內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)典化學(xué)無法解釋分子內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理。經(jīng)典化學(xué)局限性量子化學(xué)與經(jīng)典化學(xué)關(guān)系量子化學(xué)通過量子力學(xué)理論和方法，揭示了分子內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)理。量子化學(xué)的補(bǔ)充量子化學(xué)是在經(jīng)典化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者相互補(bǔ)充，共同構(gòu)成了化學(xué)的完整框架。兩者聯(lián)系02量子力學(xué)基礎(chǔ)波粒二象性海森堡提出，無法同時精確測量粒子的位置和動量，測量其中一個量會干擾另一個量的值。測不準(zhǔn)原理量子力學(xué)中的概率量子力學(xué)用波函數(shù)描述粒子的狀態(tài)，波函數(shù)的平方代表粒子出現(xiàn)在某個位置的概率。粒子具有波動性和粒子性，這兩種性質(zhì)在量子力學(xué)中同時存在，是量子力學(xué)的基本原理之一。波粒二象性與測不準(zhǔn)原理描述量子力學(xué)中粒子運動狀態(tài)的基本方程，是量子力學(xué)的基礎(chǔ)。薛定諤方程薛定諤方程可以用來計算粒子的波函數(shù)，從而了解粒子的能量、動量、位置等性質(zhì)。方程的物理意義薛定諤方程通常很難精確求解，需要使用近似方法和數(shù)值計算。方程的求解薛定諤方程及其物理意義原子結(jié)構(gòu)原子由原子核和電子組成，電子圍繞原子核運動，形成不同的電子層。分子軌道理論分子中的電子不再只屬于某個原子，而是形成分子軌道，分子軌道由原子軌道線性組合而成。分子軌道的性質(zhì)分子軌道具有不同的能量和形狀，決定了分子的化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)活性。原子結(jié)構(gòu)和分子軌道理論03量子化學(xué)計算方法基本原理通過求解多電子體系的薛定諤方程，得到電子的波函數(shù)和能量。哈特里近似將多電子問題簡化為單電子問題，每個電子在其它電子形成的平均勢場中運動。福克近似考慮電子的交換反對稱性，將波函數(shù)表示為斯萊特行列式的形式。自洽場方法通過迭代計算，不斷更新勢場，直到達(dá)到自洽，即波函數(shù)不再改變。哈特里-福克方程自洽場方法密度泛函理論簡介基本思想將多電子體系的性質(zhì)表示為電子密度的泛函，通過最小化泛函得到體系的基態(tài)能量和電子密度。定理基礎(chǔ)Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程。交換-關(guān)聯(lián)泛函描述電子之間的交換和關(guān)聯(lián)作用，是密度泛函理論的核心。優(yōu)勢相對于哈特里-福克方程，密度泛函理論計算量更小，精度更高，適用于更大的體系。Gaussian一款功能強(qiáng)大的量子化學(xué)計算軟件，支持多種計算方法和基組，適用于分子軌道理論的計算和模擬。操作流程構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)-選擇計算方法-設(shè)置計算參數(shù)-運行計算-分析結(jié)果。VASP一款用于材料模擬和計算的軟件包，基于密度泛函理論，適用于固體物理和計算材料學(xué)領(lǐng)域。操作流程準(zhǔn)備輸入文件-設(shè)置計算參數(shù)-運行計算-分析結(jié)果。QuantumESPRESSO一款開源的量子化學(xué)計算軟件，支持多種計算方法和基組，適用于分子、團(tuán)簇、表面和固體等多種體系。操作流程準(zhǔn)備輸入文件-選擇計算方法-運行計算-分析結(jié)果。常用計算軟件及操作流程01040205030604分子光譜與能級躍遷分子繞軸旋轉(zhuǎn)能級躍遷產(chǎn)生的光譜，通常位于微波區(qū)域。分子中原子在平衡位置附近振動能級躍遷產(chǎn)生的光譜，通常位于紅外區(qū)域。分子內(nèi)電子能級躍遷產(chǎn)生的光譜，通常位于紫外-可見區(qū)域。分子光譜可用于確定分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵類型以及分子間相互作用等信息。分子光譜類型及特點轉(zhuǎn)動光譜振動光譜電子光譜分子光譜的應(yīng)用玻爾理論玻爾提出的氫原子能級躍遷規(guī)律，但不適用于復(fù)雜原子。量子力學(xué)解釋能級躍遷是量子力學(xué)體系下的一種現(xiàn)象，遵循量子力學(xué)原理。躍遷選律能級躍遷需滿足一定條件，如能量守恒、角動量守恒等，這些條件稱為躍遷選律。能級躍遷與光譜線能級躍遷時，分子會吸收或發(fā)射特定波長的光，形成光譜線。能級躍遷規(guī)律與選律紫外-可見光譜分析利用分子內(nèi)電子能級躍遷產(chǎn)生的紫外-可見光譜，確定分子的共軛體系和吸收波長等。實驗應(yīng)用紅外、紫外-可見光譜分析在化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。光譜儀器紅外光譜儀、紫外-可見分光光度計等是常用的光譜分析儀器，具有高精度、高靈敏度等特點。紅外光譜分析利用分子振動能級躍遷產(chǎn)生的紅外光譜，確定分子中的化學(xué)鍵類型和官能團(tuán)。實驗技術(shù)：紅外、紫外-可見光譜分析05化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與量子化學(xué)通過實驗測定反應(yīng)物濃度隨時間的變化，進(jìn)而求得反應(yīng)速率常數(shù)。經(jīng)典方法利用量子力學(xué)原理，通過計算分子內(nèi)部運動狀態(tài)，預(yù)測反應(yīng)速率常數(shù)。量子化學(xué)計算方法利用計算機(jī)模擬分子間的相互作用，從微觀層面研究反應(yīng)速率常數(shù)。微觀動力學(xué)模擬化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)計算方法010203通過熱化學(xué)方法或動力學(xué)實驗測定活化能、反應(yīng)熱等參數(shù)。實驗測定利用量子化學(xué)計算方法，計算反應(yīng)物、產(chǎn)物及過渡態(tài)的能量，進(jìn)而求得活化能、反應(yīng)熱等參數(shù)。量子化學(xué)計算查閱相關(guān)文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)庫，獲取已知化學(xué)反應(yīng)的活化能、反應(yīng)熱等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫查詢活化能、反應(yīng)熱等參數(shù)獲取途徑典型反應(yīng)機(jī)制剖析自由基反應(yīng)機(jī)制通過自由基的產(chǎn)生、傳遞和消失過程，解釋鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等自由基反應(yīng)機(jī)制。酸堿反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜反應(yīng)機(jī)制根據(jù)酸堿理論，分析反應(yīng)物在反應(yīng)中的酸堿性質(zhì)，推斷反應(yīng)機(jī)制。對于涉及多個步驟和中間體的復(fù)雜反應(yīng)，通過量子化學(xué)計算或?qū)嶒炇侄?，揭示各步驟的反應(yīng)歷程和速率決定步驟。06表面吸附與催化作用中的量子效應(yīng)指氣體或液體分子在固體表面上的附著，是表面化學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。描述吸附量與溫度、壓力等參數(shù)之間關(guān)系的曲線，包括Langmuir、Freundlich等類型。反映吸附過程中放出的熱量，可用于研究吸附質(zhì)與表面之間的相互作用。描述吸附分子在表面上的狀態(tài)，如物理吸附態(tài)、化學(xué)吸附態(tài)等。表面吸附現(xiàn)象及其描述方法表面吸附現(xiàn)象吸附等溫線吸附熱吸附態(tài)催化作用中活性中心形成機(jī)制活性中心指催化劑表面能夠吸附反應(yīng)物并促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的特定部位?；钚灾行牡男纬赏ǔＩ婕按呋瘎┍砻娴娜毕?、晶格畸變等因素，導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。活性中心的催化作用通過降低反應(yīng)活化能、改變反應(yīng)路徑等方式，促進(jìn)反應(yīng)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化?；钚灾行牡姆€(wěn)定性與催化劑的制備方法和使用條件密切相關(guān)，對催化劑的壽命和活性有重要影響。納米催化劑合金催化劑通過控制催化劑的粒徑和形貌，提高其比表面積和活性中心數(shù)量，從而提高催化效率。通過調(diào)節(jié)合金的組成和結(jié)構(gòu)，優(yōu)化催化劑的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，實現(xiàn)催化性能的調(diào)控。新型催化劑設(shè)計思路催化劑載體化將催化劑負(fù)載在載體上，提高催化劑的分散性和穩(wěn)定性，同時降低催化劑的成本。催化劑表面修飾通過化學(xué)或物理方法對催化劑表面進(jìn)行修飾，改變其表面性質(zhì)和反應(yīng)活性，實現(xiàn)催化性能的調(diào)控。07總結(jié)與展望介紹分子軌道理論、密度泛函理論、從頭算方法等。量子化學(xué)計算方法講解量子化學(xué)在材料科學(xué)、藥物設(shè)計、催化劑等領(lǐng)域的應(yīng)用。量子化學(xué)應(yīng)用01020304涵蓋波函數(shù)、量子力學(xué)基本假設(shè)、薛定諤方程等。量子化學(xué)基本原理涉及光譜分析、量子化學(xué)計算軟件使用等內(nèi)容。實驗技術(shù)與數(shù)據(jù)處理本次培訓(xùn)內(nèi)容回顧學(xué)員心得體會分享深化了對量子化學(xué)原理的理解01通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)員對量子化學(xué)的基本概念和方法有了更深入的認(rèn)識。掌握了實用技能02學(xué)員學(xué)會了使用量子化學(xué)計算軟件進(jìn)行簡單計算，并掌握了光譜分析等基本實驗技術(shù)。拓展了學(xué)術(shù)視野03通過了解量子化學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，學(xué)員的學(xué)術(shù)視野得到了極大的拓展。增強(qiáng)了解決問題的能力04培訓(xùn)過程中，學(xué)員通過實例分析和討論，提高了運用量子化學(xué)知識解決實際問題的能力。未來發(fā)展趨勢預(yù)測量子化學(xué)計算方法的改進(jìn)01隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，量子化學(xué)計算方法將更