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计算化学

ComputationalChemistry

郑文旭

E-mail：wzheng@scau.edu.cn;第一章;长期以来，化学始终被科学界公认为一门纯试验科学。其理由要追溯到人类结识自然两种科学办法。;⑴ 归纳法(F.Bacon,1561-1626);迄1980年代，归纳法是多数化学家采用唯一科学办法；演绎法在化学界从未得到普遍认可

原因：①对象复杂；②习惯观念; 利用数学多少是一门科学成熟程度标志。; 数学应用：在刚体力学中是绝正确，在气体力学中是近似，在液体力学中就已经比较困难了；在物理学中是试验性和相正确；在化学中是最简朴一次方程式；在生物学中档于零。;恩格斯论断反应了19世纪中叶自然科学各学科“成熟程度”。表明各学科研究对象?物质运动形式与规律?其复杂程度差别

然而，百年来科技发展使各学科“成熟程度”发生了巨大改变;二十世纪八十年代以来，先进分析仪器应用、量子化学计算办法进展和计算机技术飞速发展，对化学科学发展产生了冲击性影响。其研究内容、办法、乃至学科结构和性质都在发生深刻改变。;; 冶金、建材工业推动了无机

药物、染料、酿酒工业推动了有机;物理化学在20世纪初形成。旨在揭示化学反应普遍规律—反应进行方向、程度和速度…;物理化学建立使化学科学开始拥有了理论。高等数学初次派上了用场—即使仅是一阶常、偏微分方程而已（以后在典型统计热力学中用到了概率论）

典型物理化学理论是唯象，是有限地球空间内宏观化学反应规律经验总结

1930年代量子化学和量子统计力学分支形成使化学科学开始与演绎法“沾上了边”。但在1980年代迈进展十分缓慢;Heisenberg、Schr?dinger、Dirac、Born等于1925~1926创建

30年代初由vonNeumann完毕形式理论体系;微观粒子或体系性质由状态波函数?唯一拟定，?服从Schr?dinger方程;经历80余年，量子力学经受物质世界不同领域(原子、分子、各种凝聚态、基本粒子、宇宙物质等)试验事实检验，其正确性无一例外。任何唯象理论无法与之同日而语;用完备形式理论体系解释和预测不同科学领域试验结果。量子力学第一原理(FirstPrinciple)计算（即从头算）只需用普适物理常数，如普朗克常数、玻耳兹曼常数、光速等而不依赖任何经验参数即可合理预测微观体系状态和性质;20世纪人类光彩夺目的科技成就大多与量子力学相关。量子理论不但有力地增进了社会物质文明，且改变了人类思维方式;量子力学建立和发展增进了：;化学科学体系和结构发生深刻改变;化学及与化学相关学科发展增进了数学向化学渗入;一个新交叉领域?计算化学?已形成。它将帮助化学家在原子、分子水平上阐明化学问题本质，在创造特殊性能新材料、新物质方面发挥重大作用;依据物理与化学基本原理，建立一个以计算数据（由计算机执行）代替试验测量研究办法，获取化学信息。;分子力学（典型牛顿力学）

半经验分子轨道理论

从头算分子轨道理论

密度泛函理论

分子动力学理论

;惯用量子化学计算办法;优化分子几何构型

在势能面上寻找分子稳定构型及过渡态

预测互相作用能：键能、电离能、电子亲和势、生成热、氢键、范德华作用、溶剂效应

预测光谱性质

预测反应速率核反应机理

;计算化学是化学与多个学科交叉;计算化学在化学中地位;计算化学主要性;计算化学主要性;计算化学主要性;计算化学办法发呈现实状况;计算化学办法发呈现实状况;计算化学办法发呈现实状况;计算化学办法发呈现实状况;计算化学办法发呈现实状况;计算化学办法发呈现实状况;计算化学办法发呈现实状况;1998年诺贝尔化学奖得主KohnPople;“...量子化学已经发展成为广大化学家所使用工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里试验和理论能够共同合力探讨分子体系性质。化学不再是纯试验科学了。”

“当靠近90年代快结束时候，我们看到化学理论和计算研究有了很大进展，其结果使整个化学正在经历着一场革命性改变。”

“这项突破被广泛地公认为最近一、二十年来化学学科中最主要结果之一。”;计算化学办法发呈现实状况;计算化学的应用;化学

生物

材料;在化学中的应用;1.验证试验结果

2.计算结构和性质

3.理论预测分子设计

4.研究反应机理;通过计算可得到

1.几何结构,分子轨道,电荷密度,偶极矩,生成热,质子亲和势,电离能,电子亲和能,热力学数据,垂直激发能,溶剂化自由能,物质酸性pKa,芳香性,磁性质等等

2.可计算红外光谱,拉曼光谱,紫外可见光谱,NMR谱……;CEN,Aug.7,,page62

;它是一个平面分子吗?

它是生命前物质吗?

它有药物活性吗?

它是炸药分子吗?

它在自然界中存在吗?

它