求助，高中生能理解的计算化学应用实例

asasas

楼主是一名高中化学老师，在开设计算化学校本选修课，课程中会主要介绍和使用Gaussian和gview软件，执行一些基本的任务类型。高中开设理论难度很大的课程最大的目的是让孩子们能感受前沿科技，热爱化学学科，所以光讲理论和做简单的计算化学实验不太能满足教学目标。想问一下在座各位大神，有没有比较经典的，计算化学参与的推动科研进程的例子，如果中间有中国科学家的贡献就最棒了，这样对培养孩子的情感价值观特别有益，另外考虑到高中孩子的认知水平，可能比较有意思的课题，或者比较有冲击力的图片和视频资源，他们会接受更快！我想加在课程内容中，丰富课程内容。先谢谢各位了~我目前找到的一个比较合适的案例是多硝基立方烷的性质探测，早在制备出多硝基立方烷之前，科学家就已经用计算化学软件计算出了相关化合物的性质，且和实验数据吻合度很好，我觉得可以搜集一下相关材料开发课程。
由于楼主刚入门，小白一只，若有说法不当，还请各位批评指教，有意见、建议、资源的请向我砸来~谢谢各位！------------------------------------------------------分割线-------------------------------------------------------------------------------------
感谢各位的讨论，看到大家在下面大段图文留言真的超级感动，热血沸腾，感谢大家为高中教育做的贡献，我会认真拜读大家提供的资料的。非常想一一回复，但是楼主的账号等级太低了，一小时之内只能回复两条，只能在帖子里再次先统一谢过，过了时间限制之后我会一一回复。-----------------------------------------------------分割线-----------------------------------------------------------------------
这里我想说一下有关于我的课程架构，我们学校每周会有一下午是上选修课的时间，计算化学选修课被安排了每周连续的两个课时，连课间，一节课可以上90分钟，一学期除去法定假日，大约可以上14到16节课，课时是比较充裕的。关于课程内容的安排我目前规划大概有4块，一部分是科学史，我想主要定性解决波函数的问题同时也是情感与价值观的培养，一部分是计算化学软件和资源的使用，感谢sob老师提醒我讲multiwfn（个人超级崇拜卢天师兄，会努力学习之后强烈推荐给学生的），我其实已经把论坛推荐给学生们啦，只是他们现在已经高二升高三，可能没有太多的时间可以上来逛~还有很重要的一部分就是用简单的计算化学实验去解释课本中他们已经熟知的一些知识点，用另外一个角度去理解化学，类似于透过偶极矩去看分子极性，环己烷椅式构象和船式构象谁更稳定之类（看了大家的帖子，还可以有更多的内容被丰富，感谢），最后一部分就是我最初帖子求助的部分，想有推动生产生活发展的计算化学实例+学科展望。
因为楼主只是在繁重的教学工作下，自学了一年计算化学，并非专业出身，课程之中会有很多问题，比如我的语言叙述可能并不科学，比如我本身可能对知识理解有误，还请大家不吝赐教~感恩！-----------------------------------------------------分割线-----------------------------------------------------------------------
感谢大家的帮助，吸收了大家的意见和建议后，我重新规划了计算化学实验选修课，经过一学期的实践，课程非常成功，获得很多学生的喜爱，自发的推荐给周边同学选修。过程之中收获了很多感动的瞬间，不能向大家一一展现，只放一个学生在期末写的对课程的评价吧
       “ 其实我一开始并不是很想报这个选修课，能把计算当做一门课开的选修一看就惹不起，上了一节课后，我发现果真不一般，但是和我想象的不一样，十分有趣，不同于我所认知的普通的计算，同时这门选修课也为我的化学学习开辟了一条新的道路。
   我们通常认为化学是一门以实验为基础的科学，但学习了这门选修课后我深深的感受到了理论化学的魅力，它不仅能探究化学反应的本质问题，同时可以运用薛定谔方程等计算方法，用很短的时间内计算出一些人工很难进行计算的庞大的数据，在生活中它还可以解决药物设计以及分子组合等。运用理论化学首先进行模拟也为科学家的研究节省了许多时间。计算化学不论从上课的方式还是对化学学习的研究都有别与我们平常的学习。通过求解薛定谔方程得到我们所需要的信息，让那些书本上的知识，以一种直观的角度展现在我们面前。学习的过程中，老师把我们还没有涉及到的知识简化，用我们可以理解的方式教给我们，过程中还涉及到了物理和数学等各个方面知识的学习，还要在英文文件中读取我们所需要的信息，让整个学习的过程变得十分多元化，也十分有趣。在整个学习的过程中，其实就是将理综完美结合的一个过程，这个过程中不同于我们平常单科学习的思路和方法，我觉得对于我们平常思考问题来说十分有帮助。
   同时我觉得计算化学对于我们平常的化学学习有特别大的帮助，我们学习了给结构进行建模，研究化学反应的过渡态，研究分子的势能面(分子能量与原子的坐标有对应关系)等等，比如在我们学习有机的空间结构时，断键、键角的改变等等 都会有特别好的空间感，它让我们在书本中学习的结构，特别好的展现在大脑的立体空间里，我觉得这样的一种学习，对于理科生来说是一种莫大的帮助。
  计算化学这门课程我觉得对于我们来说，是一种新的学习方法，其中也蕴含了新的学习理念以及一些我们未来可能涉及到的更高的知识层面，我觉得对于我们学校的学生来说就是让我们离大学更近了一步，同时拓宽了我们的知识面，在做一些题的时候也给了我们更多的思路。我觉得计算化学是一门特别好的选修课，也希望可以有更多的人去了解它，学习它。”
真的非常感谢大家的帮助，才能使课程日趋完善，让学生的能力、学生对化学学科的认识、学习兴趣有质的提升。作为一个化学工作者，我有的时候会遗憾自己不能去搞科研、去创造物质，但是能把像大家一样优秀的科学家们创造出的成果解码成学生能理解的课程，让更多人能知道、去学习，这件事情会让我特别有使命感，与有荣焉。楼主的科研素养非常一般，我们可能终其一生都不会成为化学学科金字塔顶尖的人，安心当个优秀的化学老师，给学科多培养点种子选手，可能是我们能为化学做的最大的贡献吧~希望我的学生日后也能如在座各位一样优秀。再次感谢和大家在计算化学公社的相遇！感恩！

asasas

时间比较久了，也不知道大家能不能看到我的感谢，希望能看到吧~祝大家科研顺利！

asasas

beefly 发表于 2019-9-16 07:08
1, 看Chem. Phys. Lett. 352, 91  (2002)这篇文章的Fig. 1就知道了。HHeF和HArF的计算过程类似。

2，t ...

谢谢老师的详细解答！我再去仔细读文献~

beefly

asasas 发表于 2019-9-15 21:55
您好，不好意思时隔这么多天再来叨扰。我仔细读了有关于HArF的参考文献，正在写教案阶段，限于贫乏的专业 ...

1, 看Chem. Phys. Lett. 352, 91  (2002)这篇文章的Fig. 1就知道了。HHeF和HArF的计算过程类似。

2，table 2的过渡态发生在分子弯曲方向，产物是最后一列。NgH+ + F-是两个熟知的稳定闭壳层离子体系，但是能量太高，反应没有意义，未给出过渡态。Ng + H + F产物能量也很低，有两个反应通道。一个是拉伸分子的两个键Ng-H & Ng-F（也就是CPL文章fig.1左侧的反应通道），文章未讨论，另一个反应通道是先弯曲，分解为HF + Ng，第二步HF再分解，因此第一步的过渡态和分解为HF + Ng的过渡态是一回事。

3，JACS这篇文章最大的问题，如上面说的，直接拉断He-H & He-F的反应通道没有计算。此外，由于过渡态的化学键接近断裂，DFT和CC不太靠谱，文章既没有对CC做T1诊断，也没有做多组态计算（对于只有三个主族原子的分子来说，并不难）。还有其他一些细节问题。

这些计算是CPL这篇文章做的，方法是MR-CISD+Q（文章中简写为MRCI）。MRCI的过渡态能垒是0.488 eV=47.1 kJ/mol，非常接近B3LYP的结果，而“金标准”CCSD(T)明显低估了能垒。严格地说，MRCI没有考虑三激发，应该和CCSD结果相比，但是supporting information里给出的CCSD的结果更差，可见这是一个CC不适用的多参考体系，反倒是让B3LYP蒙对了。但是，被jacs文章忽视的另一个反应通道（拉断He-H & He-F）能垒更低，只有0.224 eV = 21.6 kJ/mol。如果扣除掉反应物与能垒的零点能之差（在page 95右下角），过渡态能垒只剩下0.018 eV = 1.7 kJ/mol，即便考虑到cc-pVTZ的CBS误差矫正，也根本没有存在的希望（文章估算的寿命是157 fs；另有人预测了高压情况下的寿命，也不到ns量级）。

asasas

beefly 发表于 2019-8-1 21:26
先预测出来后合成出来有不少吧。

1，四氟化汞，汞具有罕见的+4氧化态，最早是用Huckel方法预测出来的（C ...

您好，不好意思时隔这么多天再来叨扰。我仔细读了有关于HArF的参考文献，正在写教案阶段，限于贫乏的专业知识和蹩脚的英语，有些问题还是想和您请教一下，以免误人子弟。1、文中在阐述HNgF型化合物稳定性的时候，有如下描述“The stability of the HNgF species depends on the activationbarrier for the lowest-energy fragmentation reaction (HNgF fHF + Ng). The transition state for this dissociation process is abent structure (∠HNgH ) 157, 104, and 101°, for He, Ar, andKr, respectively).  Both HKrF and HArF are predicted to havea sufficiently large energy barrier (145 and 117 kJ mol -1 ,respectively) that they could be observable in the gas phase.”我想知道HArF的能垒是如何计算得到的，文中并没有提及相关计算，用其给出的能量数据也合不上。
2、文中给出的能量表格如下，表格下发的注释说表中的过渡态是HNgF到HF+Ng的过渡态，但为何过渡态的能量没有高于HNg+F-和HF+Ng，反而处于两者之间呢？这样又何来势垒？
3、您之前帖子里说，做HHeF有很多低级错误，后来被打脸，小白一只，实在看不出来，还请大神明示感谢不尽！

asasas

sobereva 发表于 2019-8-10 08:19
比如： 卢天，第九届北京科音初级量子化学培训班讲义，北京科音自然科学研究中心：北京，2019

谢谢老师！

sobereva

asasas 发表于 2019-8-9 11:17
sob老师好~我有幸参加了您的初级量化班培训，设计校本课程的时候，想把讲义内容的一部分放入校本教材中， ...

比如： 卢天，第九届北京科音初级量子化学培训班讲义，北京科音自然科学研究中心：北京，2019

asasas

sobereva 发表于 2019-8-1 22:20
这里面有大量漂亮图片，容易令学生产生兴趣，化学意义也比较鲜明，计算起来还又简单又快，很建议引入，或者 ...

sob老师好~我有幸参加了您的初级量化班培训，设计校本课程的时候，想把讲义内容的一部分放入校本教材中，求问如何引用？感谢

coolrainbow

现在高中都那么牛了？居然还有选修课？还能选计算化学？还是90分钟课？

我当年高中连音乐课都开不全~果然是社会进步了，赞！

alonewolfyang

hxd_yi 发表于 2019-8-3 22:50
浙江高考化学其中的选修部分有物质结构，要讲到轨道

今年高考理综全国卷1，后面两个大题有势能面概念类的题和计算晶胞类的结构化学题

成犹败

师大励耘在读本科生给前辈赞一个！

asasas

alexwpch 发表于 2019-8-4 11:00
高中化学确实会涉及到一些结构的内容，但是仅限于原子外轨道spdf，稍微深入一点的内容包括分子轨道等都是大 ...

感谢建议~~~非常有用！

asasas

KnightWE 发表于 2019-8-2 07:43
这个帖子Mark一下，感谢楼主提出这个问题的讨论。

感谢关注~希望能有更多的讨论

asasas

mol 发表于 2019-8-5 08:55
都是书

好的~谢谢！

asasas

sobereva 发表于 2019-8-2 02:39
另外，在做诸如多硝基立方烷的性质探测等等特殊体系之前，建议先尽量把高中书本上已经提到的很多知识通过计 ...

谢谢sob老师的大段回复，字字珠玑，非常有收获，给我提供了很多灵感和资源，有好多东西可以进一步挖下去，建议也十分的中肯！感谢！