量子力学在化学中的应用精选(九篇)

第1篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词：燃烧学；量子化学；Gaussian软件；多媒体

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）19-0041-02

“燃烧学”是热能与动力工程专业一门十分重要的专业基础课程，其内容涉及化学动力学、传热学、热力学、流体力学以及热化学等多门学科知识，是一门典型的交叉学科。由于“传热学”、“热力学”以及“流体力学”是热能与动力工程专业的基础课程，通过前期的系统学习，学生对该部分内容较为熟悉。但由于专业的限制，本专业学生在大学期间很少有机会学习化学专业知识，因而对化学动力学和热化学等内容相对陌生，不少学生在课后反映该部分内容抽象难懂。燃烧过程实质上是耦合了流动、传热以及热力相变的复杂化学反应过程。因此，掌握好化学动力学和热化学等知识对本课程的学习具有重要意义。笔者根据在科研与教学实践中的经验，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程的教学中，取得了良好的效果。

一、量子化学Gaussian软件介绍

量子化学是应用量子力学的规律和方法来研究化学问题的一门学科。量子化学Gaussian软件是一个功能强大的量子化学综合软件包，是化学领域最著名的软件之一，可以在Windows、Linux、Unix操作系统中运行，目前最新版本为Gaussian 03。该软件由量子化学家约翰波普的实验室开发，可以应用从头计算方法、半经验计算方法模拟和计算分子和过渡态能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、偶极矩和多极矩、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、极化率和超极化率、热力学性质以及反应路径等内容，是目前应用最广泛的半经验计算和从头计算量子化学计算软件。量子化学Gaussian软件在教学中可以轻松搭建直观的分子和原子模型，并且从分子动力学层面展现一个化学反应的内在变化和重组过程。因此，学生可以直观地了解物质的结构和化学反应内在规律，从而强化对相关知识和规律的认识与掌握。

二、量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用实例

量子化学Gaussian软件的功能非常强大，但本文仅选择个别功能，并且通过列举“燃烧学”中最常见的两个简单基元反应实例来介绍其在“燃烧学”教学中的应用。

1.实例一

CO和·OH的反应是燃烧过程以及燃烧大气污染控制化学中的一个重要基元反应。根据分子碰撞理论，两种物质是通过相互碰撞发生化学反应，但这种说法对于非化学专业的同学来说非常抽象，不易理解。比如两者是如何发生碰撞的，碰撞后又是如何发生反应的，这些问题都很模糊，通过简单的文字描述很难讲清楚。而通过简单直观的图形讲解则可能取得意想不到的效果。图1显示的是采用Gaussian软件中的密度泛函理论（DFT，B3LYP方法）在6-311++ G（d，p）基组水平下全参数优化和模拟反应过程中的各反应物、中间体（IM）、过渡态（TS）以及反应产物的几何构型示意图。

图2显示的是CO和·OH之间的反应能级示意图。从图中结果可以看出，CO和·OH之间的反应实质上是·OH对CO发动进攻，即·OH的O原子去进攻CO中的C原子，得到反应中间体IM1。从中间体IM1出发有两种裂解方式：一种是经过渡态TS1断裂其H-O键；另一种方式是IM1首先经过一个异构化过渡态TS2异构为另一顺式中间体IM2，然后IM2又经过渡态TS3断裂其H-O键生成产物CO2和H。基于以上能级分析，反应存在两条可能的通道。但通过计算的活化能可知，第一条反应路径需要的活化能为197.41 kJ/mol，而第二条需要的活化能仅为33.22 kJ/ mol。化学反应进行必须先要克服一定的能量障碍，即活化能才可以发生。从计算结果可以看出，由于通道CO+·OHIM1TS1CO2+·H的活化能比通道CO+·OHIM1+TS2+IM2+TS3+CO2+·H的高得多。因此，第二个通道需要克服的能量障碍更小，即更容易发生，是该反应的主要通道（主要反应路径）。

2.实例2

第2篇：量子力学在化学中的应用范文

（1武汉理工大学管理学院 湖北 武汉 430070 2 重庆信息技术职业学院 重庆 万州 404100）

摘 要：孔子学院作为儒家文化的载体，它是文化产业的一个分支，孔子学院的国际化势必对文化产业的经济和社会产生影响。文章从孔子学院的经济效应和社会效应两方面衡量孔子学院国际化效应。孔子学院的经济效应从出口效应和就业效应两方面衡量，用孔子学院的投入效应和服务效应分析孔子学院的社会效应，进一步构建孔子学院国际化效应的评价指标体系。文章运用主成分分析方法，评价2007－2010年孔子学院的国际化效应，得出孔子学院国际化发展迅速，国际化效应显著提升的结论。

关键词 ：孔子学院国际化；经济效应；社会效应；主成分分析

中图分类号：G812.4 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1665－2272．2015．11．037

*基金项目：河南省哲学社会科学规划项目阶段性成果（项目编号：2014CJJ056）

作者简介：徐九庆（1969－），男，武汉理工大学管理学博士研究生，重庆信息技术职业学院校长。

收稿日期：2015－04－16

0 引言

国家“十二五”规划将文化产业上升为支柱产业，中共十八大明确提出“推动文化事业全面繁荣、文化产业快速发展”，以此为契机，国内外学者如火如荼的对文化产业的国际化展开研究，主要包括文化产业国际化路径、国际化模式以及国际化进程中发现的问题等方面。Samuel Phillips Huntington （1996）认为儒家文明能够代表东方文明，并指出以儒家文明为代表的非西方文明正在抵制西方文明，抗衡西方文化的侵蚀。Bator（1981）认为，文化产品进口可丰富本国艺术存量，同时文化产品的出口可提升国外关于本国文化产品的艺术欣赏水平，因此，各国应该加强文化产品的自有流通。Mukherjee（2004）运用实证分析方法对印度文化产业对外开放进行研究，发现对外开放使印度文化产业不断发展壮大的同时保持了文化的多样性。关于文化产业国际化路径方面的研究有：花建（2002）从文化投资的角度展开文化产业发展的研究，提出要积极制定文化投资战略与国际接轨的建议。欧阳有旺、郭炳南（2006）提出中国文化产业对外开放“引进来”、渐进开放和“走出去”的三种战略设想。史瑞丽（2007）对中国文化产业“走出去”的战略体系从建立政策体系、实施营销战略、实施产品战略、人才战略、利用商务平台五个层面进行论述。蔡尚伟，王理（2009）认为中国文化产业的国际化应统筹国内市场和国际市场，将文化产业发展的短期目标与中长期目标相结合。齐勇峰，蒋多（2010）通过对我国文化“走出去”的内涵与现状进行解读，提出“走出去”战略的本质是文化的走出去与引进来应紧密结合起来，形成双向、均衡交流的局面。文化产业国际化模式的研究以以下学者的研究为代表：杜开林（2011）以国际的视野立足本国文化产业，分析出我国文化产业发展的瓶颈，提出中国特色社会主义制度下的文化产业发展的“挖掘创意优势战略”、推进产业“走出去”战略、复合型资源整合、文化企业发展战略以及推进文化“城市群”中心辐射战略等五大发展战略和进一步加深出版发行企业体制改革、规范艺术品交易市场管理等四大发展建议。曹令军（2012）指出文化产业国际化需要遵循“引进来、走出去”的战略方式，引进英美等发达国家先进的文化产业管理经验，引进大批文化产业的高级人才以及资金投入等作为引进来的相关内容；对外直接出口图书、报刊等文化商品，进行国际合作实现优势互补，进行境外直接投资以及委托国际等方式作为走出去的基本路径。曹文（2012）分析当前国内外文化产业发展形势后提出在传承好中华文化的基础上推动中华文化走向世界、在先进文化基础上实现文化产业国际化、在市场经济基础上实现文化产业国际化、在经济全球化基础上实现文化产业国际化等四大文化产业国际化战略方式。安畅（2012）在基于孔子学院的基础上对太极拳国际化传播进行研究，提出传播内容需要进一步深化防止出现传播表面化，经典的儒家文化，孔子的仁爱和人类共同宣扬的价值观相通，在国际化传播时不仅要大力宣传我国的传统思想而且要推广在这些思想基础上提炼出来的中医、美学、艺术学等文化符号；编写适合海外传播且具有梯度细分的教材，以海外受众更能接受的传播语言与方式进行儒家文化的传播。文化产业国际化问题研究有：赵有广，盛蓓蓓（2008）立足中国特殊国情结合我国文化产业的实际发展状况，在指出我国文化产业国际化进程中出现诸如文化贸易处于逆差状态，技术力量薄弱等劣势的同时也提出发展服务贸易等国际化战略方式。孙琳（2010）在研究了我国与发达国家的文化产业发展模式后，指出我国文化产业国际化存在文化产业法律和政策尚不完善、科技的应用与研发尚未成熟等问题，从体制创新、政策扶持、资本运营和国际合作交流等四方面，提出了适合我国现阶段文化产业的国际化发展模式。

孔子学院是一个由国家汉办和国外大学、教育机构合作创建，以推广汉语为依托对外传播我国优秀文化（以儒家文化为代表）的非营利性教育机构。第一家孔子学院在2004年创办于韩国首尔，截止到2012年的统计数据表明，孔子学院已在106个国家设立了322个孔子学院。孔子学院为汉语教育事业开拓了国际市场，催生了一批与汉语学习有关的衍生品，这也证实了孔子学院总部负责人许琳关于“汉语国际推广是文化产品，而不仅仅是纯教育”的观点，由此可见，孔子学院作为儒家文化的载体，文化产业的分支，孔子学院国际化不仅带来汉语热而且为文化产业的发展、提升国家软实力等方面做出了贡献，因此，有必要展开其国际化效应的评价。

1 孔子学院国际化效应评价

孔子学院作为儒家文化的典型代表，儒家文化的载体，孔子学院的国际化是为了使儒家文化走向世界。文章将孔子学院的国际化效应分解为经济效应、社会效应两方面进行评价。对孔子学院国际化的经济效应评价、社会效应评价的评价是指在理论基础的指导下，全面、系统、客观地评价孔子学院国际化对国家经济、社会方面的影响。由于孔子学院是一家非营利性教育机构，不能通过衡量其它产业效应的常规指标如：收入、成本费用率、净利润率等对其经济效应与社会效应衡量。

1．1 孔子学院国际化的经济效应

孔子学院国际化的经济效应评价是从货币和实物角度分析孔子学院国际化作为儒家文化的一部分为国家文化产业带来的经济变化。衡量孔子学院国际化的经济效应可从孔子学院国际化带来的就业效应、出口效应等4方面来衡量。

孔子学院作为一个由中国国家对外汉语教学领导小组办公室在世界各地设立的推广汉语和传播中国文化与国学的教育和文化交流的机构，是一个非营利组织，不产生收入，相应的不产生收入效应。孔子学院每年招聘并外派老师和志愿者到国外授课以及接收外国学生的注册学习，因此孔子学院的经济效应从就业效应以及出口效应两方面进行衡量。其中，就业效应依靠全球孔子学院教职工人数和全球孔子学院员工在职人数占整个文化产业员工在职人数的比例，又由于整个文化产业员工在职人数难以统计，因此，在进行案例研究时将全球孔子学院员工在职人数占整个文化产业员工在职人数的比例指标予以舍弃；出口效应依据全球孔子学院全年注册学员人数进行衡量。

1．2 孔子学院国际化的社会效应

孔子学院国际化不仅可以提高文化产业对经济的贡献比例而且提升了国民素质，文章从社会进步方面着手对孔子学院国际化社会效应的评价。社会进步的表征是精神文明建设，精神文明包括两个方面：一是文化层面指的教育、科学、文学艺术、新闻出版、广播电视、卫生体育及图书馆、博物馆等各项文化事业；二是思想层面指的世界观、理想、信念、道德、思想、观念、态度等。

政府及广大居民对一个组织的投入力度一定程度的决定了组织的发展速度和社会效益作用的发挥，因此在衡量孔子学院的社会效应时对孔子学院投入效应进行衡量十分有必要。政府和居民对孔子学院的投入用其在孔子学院的支出进行衡量，支出主要包括孔子学院的运营、孔子学院教育设施的购置、教育经费等支出等。孔子学院投入效应的衡量可用以下五个指标：全球孔子学院新增数量、全球孔子学院的全年财政投入、全球孔子学院的教学设施价值、全球孔子学院举办国际会议支出、全球孔子学院的全年开办孔子课堂数量。

评价产业的孔子学院社会效应发挥的大小不仅体现在政府和居民在孔子学院方面的资金投入更多的体现在孔子学院发挥的社会服务作用的大小。孔子学院作为儒家文化的载体，承担着传承儒学精神、传播儒家文化的社会责任，因此在依靠孔子学院的投入效应衡量孔子学院国际化社会效应的基础上，增加孔子学院的服务效应，从社会服务角度衡量孔子学院国际化的社会效应。

孔子学院的服务效可利用孔子学院的全球总数量、全球孔子学院编写、翻译、出版教材读物等相关教学材料种类数量、全球孔子学院儒家文化为主线的年演出场次、全球孔子学院教材和读物赠送价值、全球孔子学院每年参加汉语桥全球孔子学院国际学生夏令营冬令营的外国学生人数、全球孔子学院每年举办会展次数等六个指标进行衡量。

1．3 孔子学院的国际化效应

将孔子学院国际化的经济效应和社会效应综合得出孔子学院的国际化效应评价，结合文章已做出对孔子学院经济效应和社会效应的探讨，建立孔子学院国际化效应的综合评价指标体系，得到综合评价指标体系见表1。

2 构建孔子学院国际化效应评价模型

2．1 孔子学院国际化效应评价方法

在对孔子学院的国际化效应进行研究的过程中笔者发现，需要考虑多个变量，且变量之间存在一定的相关性，即变量包含的信息之间有重叠部分，可选择主成分分析方法进行评价。主成分分析法是把p个具有相关关系的变量进行线性转换，转换为小于p个互不相关的变量，且这些变量包含的信息却并不会减少的一种降维方法。新生成的每一个变量都是以前p个变量的线性组合，按照方差递减的序列生成，其中最先生成的也即方差最大的称作第一主成分，相应的方差次之的为第二主成分，以此类推，直至新生成的变量包含的信息达到原有信息的85％为止。

2．2 主成分分析方法评价孔子学院的国际化效应

文章通过统计孔子学院国际化带动的相关产业近5年的各项指标值，运用主成分分析方法找出影响孔子学院国际化的综合得分的公共因子，构建计算孔子学院国际化的综合得分值模型，最后用对儒家文化国际化的综合得分值进行同比分析研究孔子学院的国际化效应。

文章利用国家汉办孔子学院2007－2010年的年报对数据展开收集，其中年报中以美元为单位计量的按当年12月31日人民币兑换美元的汇率转换为人民币计量，收集全球孔子学院2007－2010年的相关数据见表2。

分析全球孔子学院在2007－2010年的相关数据有，衡量孔子学院国际化效应的14个指标中除了教材和读物赠送价值没有每年递增之外其余13个指标均是每年递增的状态，从分析基于产业发展视角的孔子学院国际化效应评价的初始数据中得，国家对孔子学院的投入逐年增多，对孔子学院的国际化越来越重视，孔子学院国际化效应作用的发挥也在相应的增大，提升了国家软实力。

运用SPSS软件对收集的孔子学院的2007－2010年的数据进行主成分分析，根据特征值大于1以及累积贡献率达85％两个原则，利用SPSS软件计算得出的总方差解释表（见表3），选取主成分因子。

分析由SPSS软件计算出的总方差解释表知：第一主成分的特征值为10．901，贡献率为77．864％，累积贡献率为77．864％＜85％，继续纳入新的因子；第二主成分的特征值为1．892，贡献率为13．516％，累积贡献率为91．380％＞85％，不再纳入新的因子。前两个因子的特征值均大于1且累积贡献率大于85％，无须纳入新的因子，可用这两个因子代替之前的14个指标来衡量孔子学院的国际化效应。

确定主成分因子的个数后，对表4每个初始因子的载荷进行分析：第一，主成分的因子主要对教职工人数、全年学员人数、出国志愿者人数、教学设施价值、国际会议支出、全年开办孔子课堂数量、孔子学院的全球数量、儒家文化为主线的年演出场次等八个指标进行描述，囊括了孔子学院国际化的经济效应和社会效应信息；第二，主成分的因子主要涵盖了全年新增孔子学院数量、全年财政投入、编写、翻译、出版教材读物等相关教学材料种类数量、每年举办会展次数等四个指标的信息，主要描述了孔子学院国际化效应中的社会效应方面的信息。文章分析第一主成分因子及第二主成分因子涵盖的信息载荷得第一主成分因子和第二主成分因子涵盖了孔子学院国际化的经济效应的就业效应和出口效应以及社会效应的投入效应和服务效应四方面的信息。

根据初始因子载荷表进一步将初始因子载荷矩阵的系数除以相应特征值的平方根得出主成分的相应系数，得出主成分因子的计算公式，主成分因子系数见表5。

根据主成分因子及相应主成分的贡献率进行加权得，并购公司的综合得分值计算公式为：

F1＝0．301X1＋0．303X2＋0．302X3－0．248X4＋0．133X5＋0．296X6＋0．297X7＋0．298X8＋0．300X9＋0．279X10＋0．290X11＋0．027X12＋0．241X13＋0．269X14

F2＝0．049X1－0．006X2＋0．038X3－0．409X4＋0．401X5－0．134X6＋0．049X7－0．097X8＋0．071X9－0．242X10－0．153X11＋0．712X12＋0．014X13－0．211X14

根据主成分因子及相应主成分的贡献率进行加权得，并购公司的综合得分值计算公式为：

F＝0．852F1＋0．148F2

利用EXCEL和SPSS软件计算孔子学院国际化效应在2007－2010年四年的综合得分，得2007－2010年孔子学院国际化效应综合得分值及其环比增加值见表6。

对表6展开分析：一方面，从2007年孔子学院国际化效应的综合得分值为－3．3164上升至2010年的3．0796增长了192．86％，2007-2010年期间孔子学院的国际化效应越来越明显；另一方面，2008年、2009年、2010年三年的同比增加百分比均超过50％，且2009年对2008年的同比增加百分比大于2008年对2007年的同比增加百分比，但小于2010年对2009年的同比增加百分比，说明孔子学院国际化效应发挥作用越来越大的同时，发展速度也在上升且呈现逐年递增的态势。

3 孔子学院国际化的发展对策

尽管孔子学院自2004年开办以来，发展迅速、势头良好，但仍存在一些问题：孔子学院由国家汉办主办且学院开办及运营经费相当大一部分来自国家拨款，导致孔子学院政治色彩偏重，外国友人在接受的过程中带有抵触情绪；目前孔子学院的宣传手段单一化主要依靠传统媒体诸如电视、杂志等途径宣传，较少应用新媒体进行宣传；孔子学院的一部分教职工对中文文化的研究不透彻，造成给外国学生授课时，教师不能把中华文化的精髓传授给学生，师资队伍的素质有待进一步提高。笔者针对孔子学院国际化中的问题提出相应的发展对策:

3．1 引进市场竞争机制，多方式推广孔子学院国际化

孔子学院既可以看作是中华民族文化的集中代表和典型象征，同时又是儒家文化跨文化传播的主体和载体，孔子学院国际化对儒家文化国际化传播作用重大。孔子学院的经费来源是政府直接拨款，海外大众往往将其看作是政府行为、带有一定的政治色彩，可能产生抵触情绪，国家需降低在孔子学院的创办与运作中的参与度，让更多的民间资本参与到孔子学院的国际化进程中。

一方面，在孔子学院的创办与运作中将政府行政主导模式转变为政府推动为辅、市场运作为主的模式时，可借鉴国外成熟的语言推广机构的成功经验，利用公众力量和市场机制，引入市场竞争机制，积极探索孔子学院推广新模式，突破传统，支持、引导和培育一批有实力的企业和机构进行孔子学院的国际化推广；另一方面，从仅依靠内部推广转变为内外共同推广的模式。政府对孔子学院的国际化进行统筹安排，加强支持力度，充分发挥企业等社会力量的优势；不仅依靠国内的力量而且可适当借助传媒等行业的国际影响力进行推广，达到孔子学院国际化内外推广模式相结合的局面。

3．2 立足儒家文化的全方位传播

3．2．1 立足于跨文化交流与合作

孔子学院在国际化进程中不可避免的会与传入国的文化相冲突，孔子学院在国际化进程中要尽可能的寻求国外大众的支持与理解，将孔子学院的文化传播与当地社会、文化活动结合，建立可持续的大众传播机制，增强中国文化的亲和力和感染力。

3．2．2 活化儒家文化传播的形式

儒家文化的传播方式不应单一化，应活化传播形式，多方式对儒家文化进行传播。孔子学院可利用网络力量如微博、微信等新工具新手段进行宣传。孔子学院的国际化不局限于课堂的交流与学习可开展更多的活动增进国外友人对儒家文化的了解，如学术交流、艺术交流、海外文化展等，有组织、有计划的推进孔子学院国际化。同时，可拓宽孔子学院的传播媒介的载体资源，充分利用网络、移动电视、数字杂志等新媒体工具进行传播宣传，为媒介资源整合提供新的渠道，运用现代科学技术中的高科技，利用多种语言和多种载体，将孔子学院推广到世界各地。

3．3 加强师资建设，树立传播权威

3．3．1 建设一支高素质的师资队伍

根据拉斯韦尔的“5W”传播模式的思想，当传播者自身对传播的信息模糊不清时，受众的信任度将大大降低，影响传播效果，因此提高儒家文化传播者的权威性成为必需之举。要提高孔子学院的传播效果就需培养一批高素质的师资队伍，树立起儒学专业权威。

3．3．2 打造精品课程，树立品牌形象

孔子学院不仅需不断提高儒家文化和汉语推广的教学质量，提高教师汉语教学技能和跨文化的交际能力；而且需注重儒家文化的教学方法，开发儒家文化的推广教育载体，精心打造品牌教材和课件，开发特色课程，尤其是儒家文化传播系列教程的建设。孔子学院承担着将儒家文化发扬光大传播中华文化的责任，有着非营利性教育机构的性质，拥有打造出高信任度的全球超级品牌的优势条件。在为孔子学院制定长期发展目标时需从营销的角度出发，打造孔子学院具有广泛知名度的品牌形象，高度重视其品牌价值，最大程度发挥孔子学院在中国传统文化和中华文明对外传播中的潜在角色作用。

参考文献

1 John Mccarthy．The Application of Policy for Cultural：Current Practice in Scotland［J］． European Planning Studies，2006（3）

2 Krugman P．Increasing returns and economics geography［J］． Journal of Political Economy，1991（3）

3 Yuko Aoyama．The role of consumption and globalization in a cultural industry：The case of flamenco［J］．Geoforum，2007（1）

4 花建等．软权利之争：全球化视野中的文化潮流［M］．上海：上海社会科学出版社，2001

5 蔡尚伟，王理．开启中国文化产业国际化时代［J］．西南民族大学学报（人文社会科学版），2010（5）

6 齐勇锋，蒋多．中国文化走出去战略的内涵和模式探讨［J］．东岳论丛，2010（10）

7 杜开林．中国特色社会主义文化产业发展研究［D］．南京：南京师范大学．2011．

第3篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词：化学计量比；质子交换膜燃料电池；性能研究

作为新能源开发的重要研究领域和发展方向，燃料电池的优势体现在能源安全性高、高效能、高可靠度供电、燃料多样性和环境亲和性等方面。燃料电池启动时间短，能够在80℃以下的环境中运行，在军事领域、交通工具、大型电厂等不用方面均有广泛的应用。

保证燃料电池高效、稳定运行是进行实验室电池性能检测的主要目的，燃料电池以纯氢作燃料，氧气作氧化剂的情况下，化学计量比过高不仅不利于能量的利用，会出现质子交换膜干涸的问题，还存在爆炸、燃烧等严重的后果。然而低化学计量比也可能会使催化层中的反应气体过少，容易导致电极被淹没，传质效率低。因此研究低反应气体化学计量比下，氢氧质子交换膜燃料电池反应物化学计量比同压力、温度的关系，探究保证电池正常运行的最低化学计量比具有非常重要的意义。

一、实验系统和过程

1.实验系统

气体压力和温度测控系统、电池发电系统温度控制系统、外电路负载、气体流量控制系统、尾气排放系统是质子交换膜燃料电池实验系统的主要构成部分。实验将刻有蛇形流道的石墨极板作为实验电池极板，采用纯度均为99.995%的高纯氧及高纯氢作为实验气源，电极的电活性面积是5cm2，选用可编程电子负载作为外电路负载，利用AalborgAFC高精度气体质量流量控制器对实验气体流量进行控制，质子交换膜应选择Nafion 1135的交换型隔膜，将Pt作为阴阳两极的电催化剂，且载量均为0.14 mg/ cm2。

2.实验过程

测试工矿条件为：在燃料电池电流密度达到最大值即2.0A/ cm2且电化学计量比为2.0的情况下，决定气体流量。蓄电池室内温度应为75℃，气体入口压力为0.1MPa，氧气流量为40ml/rnin，氢气流量为70ml/min，得到测试曲线。结果表明，实验中的气体流量不仅能够维持电池性能的稳定，还能使电池在预期的电流下长期运行。

当质子交换膜燃料电池电化学反应计量比为1.0时，使电池性能曲线图的不同点电化学反应计量比也保持为1.0，测量这种情况下电池的性能。实际测量过程中，考虑到当化学计量比为1.0时，活化极化区域的电流值和气体流量很小，因此将该区域中的第一个位置点忽略不计，对第二点进行取值，依此类推。一定要注意，在固定化学计量比时，不同点点流量和气体流量会存在较大的差异。

二、结果分析

1.压力的影响

图1 化学计量比1.0时不同压力下的电池性能（75℃）

当反应气体化学计量比保持在1.0时，电池性能会随着气体入口压力的增大而提高，随着压力的逐渐增大，达到0.13MPa时，同足量反应气体电能性能相比，反应气体化学计量比为1.0的电池性能相一致，详见图1。

2.温度的影响

通入气体受传质阻力的影响，无法在反应区域进行完全反应，所以当电压相同的情况下，化学计量比所对应的电流密度呈现逐渐下降的趋势，最后趋向于某一固定值。稳定电流和相对应的电池电压形成的极化曲线能够体现出电池性能在该气体通入量下达到最佳。

图2 实际化学计量比随温度的变化图

在电池电流强度为Ia时，通入气体化学计量比S可由预期的电流If同化学计量比为1.0时实际电流Ia之间的比值来体现。电池性能曲线表示，温度维持一定数值时，不同点的S值也存在很大差异，因此固定温度下实际化学计量比应取相同温度下不同点的S值的平均数，可得实际化学计量比随温度的变化图，如图3所示。通过该试验个得出结论：气体传质过程会随着电池温度的变化而变化，而化学计量比会受气体传质过程的影响。

3.化学计量比的影响

图3 不同化学计量比下电池电压下降电流强度4.0A，

化学计量比：a：1.0，b：1.1，c：1.2，d：1.3

当电池运行电流保持在4.0 A的情况下，电池电压随化学计量比的变化下降的变化情况见图3，化学计量比分别取1.0、1.1、1.2、1.3。实验结果显示：化学计量比为1.0时对应的时间为233s，化学计量比取1.1时对应的时间为312s，化学计量比取1.2时对应的时间为409s，在预期电流强度下电池运行的时间会随着化学计量比的增大而延长。而在化学计量比取1.3时，电池在8 A/cm2即电流强度4.0A的情况下维持稳定运行，电池电压也处于稳定状态。因此得出结论：预期电流强度下电池运行的化学计量比应为1.3。■

参考文献

[1]潘静静，张海宁，潘牧. 燃料电池用高温质子交换膜研究进展[J].电池工业. 2008（05）

第4篇：量子力学在化学中的应用范文

当计算机遇到化学……

提到化学模型，我们可能首先会联想到中学化学课上老师用塑料球和小棍搭起来的模型。现在，建模则由计算机完成。当计算机遇到化学，便形成了计算化学这一新的交叉学科。

化学研究的核心在于“化”字，即分子之间的相互转化，旧化学键断裂、新化学键生成。只有这样，才能创造出新材料，设计出新药物。可是，分子之间的转化经常发生得很快，在毫秒瞬间，电子便从一个原子核跃迁到另一个，传统的化学方式已很难捕捉这个过程，必须借助计算机这一工具。时至今日，计算机对化学家的作用已经和化学实验手段一样重要。因为计算机对化学反应的模拟能够非常逼真，化学家们已经能够通过计算机预测传统实验的结果了。

在20世纪70年代计算机还未被普及的时候，马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特及亚利耶·瓦谢尔就打造了坚实的计算机程序基础，为后人用于了解和预测化学反应进程作了强大铺垫。近年来，因为计算方法和计算机软硬件的飞速发展，在他们的基础上取得了很多的后续成果，并得到推广应用。

得益于他们的工作，我们将解开许多关于自然界的疑问。比如世界上最重要的化学反应——光合作用是怎么进行的？如果能模拟出来，那么我们就将能制造出更加高效的太阳能电池板；催化剂如何加快化学反应？如果深入了解其中的机理，我们可以尝试通过催化让水分子分解，从而开发出清洁的能源；药物如何在人体中发生作用？通过计算的方法，寻找出药物的靶点以及可能的药物干扰，我们就能设计出满足我们特定需求的理想药物。

诺贝尔“理综”奖？

如果化学反应在气相中发生，由于参与反应的分子受环境影响小，因此是理想的模型体

系（1986年，李远哲等三人因为用实验方法揭示气相化学反应微观细节而获得诺贝尔化学奖）；然而，化学反应更多是在液相，在生物体系中发生，体系自由度多，非常复杂，不容易弄清楚细节。而反映真实情况的多尺度模型可以用来研究复杂体系的分子行为，包括液相化学反应或者是生化反应。

为什么生物体系中的分子反应如此复杂呢？举例来说，“人体的一个细胞内就可有上百亿个蛋白质分子。一个大的蛋白质分子可包含上百万个原子。蛋白质内每两个原子间都有相互作用，这些原子处于不停的运动中，其情形就像北京城内同一时刻有两百万辆机动车行驶一样。计算和跟踪一个蛋白质的原子运动就像记录和监控北京的车辆一样。如此巨大的分析计算量必须借助计算机技术来存储和分析。”这番话出自中科院计算数学与科学工程计算研究所的卢本卓研究员，他的研究方向就与此次诺贝尔化学奖相关，而他原本是学物理出身。这是不是有点儿“乱套”了？当然没有，而且还恰恰反映了本届诺贝尔化学奖的交叉学科属性，即计算机、物理、数学、生物学和化学等多学科相互渗透和融合。难怪本届诺贝尔化学奖被戏称为诺贝尔“理综”奖。

这是化学的荣誉

虽然被戏称为“理综”奖，但这的的确确是属于化学的荣誉。理论化学发展到今天，其最大的组成部分就是计算化学。计算化学的基础理论大多来源于两部分：量子力学和牛顿经典力学，这两个学科在化学上的应用则分别诞生了量子化学和分子模拟两个学科。涉及电子的化学反应需要用量子化学来解决，一旦涉及到分子间的相互作用，其量子效应往往可以忽略不计，使用经典力学就足以描述，从而大大地简化了计算，这就是分子模拟。

当描述化学反应的过程时，量子力学的描述是小而精，经典力学的描述大却精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程，理论上当然不错，但实际计算将难以进行。所以，多尺度组合的方法便成了最好的选择。这也体现了三位获奖者开创性工作之所在，即把两种体系中的精华部分提取了出来，并且找到了适用于二者的研究方法。

第5篇：量子力学在化学中的应用范文

7.碳酸亚乙烯酯是锂离子电池低温电解液的重要添加剂，其结构式为。下列有关该物质的说法正确的是（）。

A.分子式为C3H2O3

B.分子中含6个σ键

C.分子中只有极性键

D.8.6g该物质完全燃烧得到6.72LCO2

解析：根据其键线式特点，可以得出分子式为C3H2O3，分子中含有8个a键，其中既有极性键，又有非极性键，选项A正确，选项B、C错误；选项D中，求算气体体积时忽视了外界条件，如“标准状况下”，所以选项D错误。

答案：A

点评：本题选取锂离子电池中所用的添加剂碳酸亚乙烯酯创设问题情境，引导考生了解科学、技术、社会和环境之间的相互关系。试题涉及通过键线式推断分子式、判断微粒结构中的化学键类型，及简单的化学计算。从能力层面上，考查了考生能否准确从提供的分子结构中提取实质性信息，并熟练运刚其认知结构中已有的基本概念进行分析和判断，解决简单化学问题的能力。

8.下列有关实验的选项正确的是（）。

解析：氢氧化钠应该先在烧杯中溶解后再转移到容量瓶中，不应该直接在容量瓶中溶解，所以选项A错误。分液漏斗的使用方法是上层液体从上口倒出，下层液体从下端流出，含碘的苯溶液是浮在水面上，应该从分液漏斗的上口倒出，所以选项C错误。滴定管的读数是从上到下越来越大，所以选项D的正确读数为11.80mL，选项D错误。

答案：B

点评：本题通过中学化学常见的真实的经典实验创设问题情境，考查了一定物质的量浓度溶液配制、洗气方法与原理、分液的基本操作、酸碱中和滴定及其基本操作等。能力层面上，要求考生能根据题给的实验装置及其基本原理，运用相关知识，结合自己学习过程中（主要是自己是否实际参与了化学实验的过程）的实际情况，采用分析、综合的方法，得出相关结论。该试题注重倡导基于实验事实，重在实际参与化学实验，而不是知识记忆的问题解决方式。

9.下列有关说法正确的是（）。

A.在酒精灯加热条件下，Na2CO3、NaHCO3固体都能发生分解

B.Fe（OH）3胶体无色、透明，能发生丁达尔现象

C.H2、SO2、CO2三种气体都可用浓硫酸干燥

D.SiO2既能和NaOH溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物

解析：Na2C03固体在酒精灯上受热不易分解，所以选项A错误。Fe（OH）3胶体显红褐色，所以选项B错误。Si02和氢氟酸反应，产物中没有生成盐，所以选项D错误。

答案：C

点评：本题重在测试元素化合物相关知识，主要知识点有纯碱、小苏打的热稳定性比较，氢氧化铁胶体的状态与性质，常见气体干燥时干燥剂的选择，两性氧化物的性质等。能力层面上，要求考生能根据物质的性质及其相关的重要实验操作或实验现象做出科学的解释和正确的判断。

10.下列有关NaClO和NaCI混合溶液的叙述正确的是（）。

A.该溶液中，可以大量共存

B.该溶液中，可以大量共存

C.向该溶液中滴入少量FeSO4溶液，反应的离子方程式为：

D.向该溶液中加入浓盐酸，每产生1 mol Cl2，转移电子约为6.02×l023个

解析：NaCIO与H+不能在溶液中大量共存，选项A错误。Ag+与CI-不能共存、NaCIO会氧化乙醛分子，二者不能大量共存，选项B错误。因为NaCIO溶液显碱性，而提供的离子反应方程式为酸性条件下发生的反应，所以选项C错误。

答案：D

点评：本题以考生较为熟悉的“84”消毒液为情境，考查内容涉及微粒的共存问题、离子反应方程式的正确书写问题及简单的化学计算问题。能力层面上，要求考生能够熟练运用复分解反应和氧化还原反应的基本原理，判断微粒在同一分散系中能否大量共存，能够熟练、正确书写相关的离子方程式，能够熟练应用氧化还原反应中电子守恒进行计算等。

11.汽车尾气中，产生NO的反应为：。一定条件下，等物质的量的N2（g）和02（g）在恒容密闭容器中反应，图1中的曲线a表示该反应在温度丁下N2的浓度随时间的变化，曲线b表示该反应在某一起始条件改变时N2的浓度随时间的变化。下列叙述正确的是（）。

A.温度T下，该反应的平衡常数K=

B.温度T下，随着反应的进行，混合气体的密度减小

C.曲线b对应的条件改变可能是加入了催化剂

D.若曲线b对应的条件改变是温度，可判断该反应的H

解析：根据化学平衡常数的表达式书写规则，借助图像中数据特点，可以得出选项A正确。根据反应前后气体的质量守恒，而容器的体积又保持不变，可知整个反应过程中，混合气体的密度始终不变，选项B错误。因为催化剂仅仅改变反应速率，不能改变反应限度，达到平衡后a、b线段应该重合，所以选项C错误。若曲线b对应的条件改变是温度，但试题中没有告知是升高温度还是降低温度，所以无法判断H的正负，所以选项D错误。

答案：A

点评：本题以汽车尾气中产生NO的可逆反应为载体，主要考查化学平衡常数的书写及计算、化学平衡移动中相关物理量的变化规律、外界条件对平衡移动的影响，及反应热的判断等中学化学主干知识点。能力层面上考查考生对题给图像的信息加工与处理能力，能够运用分析、综合的方法，解决实际存在的化学问题的能力。

12.某同学将光亮的镁条放人盛有NH4CI溶液的试管中，有大量气泡产生。为探究该反应原理，该同学做了以下实验并观察到相关现象，由此得出的结论不合理的是（）。

解析：氨气的检验方法一般是将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，或用玻璃棒蘸取浓盐酸靠近待检验的气体，若试纸变蓝或有白烟现象，说明有NH3产生，所以选项A正确。根据气体具有可燃性，可以得出有H2产生，选项B正确。原氯化铵溶液显酸性，反应后显碱性，说明在碱性溶液中，镁也可以被氧化，所以选项C正确。反应过程中，溶液中OH-并没有发生化合价的改变，所以不能说溶液中OH-氧化了Mg，所以选项D错误。

答案：D

点评：该试题以镁与NH4CI溶液反应产生的独特实验现象及相关实验探究问题为载体，综合考查了镁与氯化铵溶液反应原理、常见气体的检验方法、氧化还原反应原理的综合应用等。能力层面上，检测了考生能否针对实验现象做出科学合理的解释和正确的判断，能否科学合理地评价实验、理解实验原理的能力。

13.25℃时，在10mL浓度均为0.1mol・L-1的NaOH和NH3・H20混合溶液中，滴加0.1mol・L-1的盐酸，下列有关溶液中粒子浓度关系正确的是（）。

A.未加盐酸时：

B.加入10mL盐酸时

C.加入盐酸至溶液pH=7时：

D.加入20mL盐酸时：

解析：未加入盐酸时，因为NH3・H20部分电离，所以混合溶液中微粒浓度的大小关系为c（OH-），所以选项A错误。加入lOmL盐酸时，盐酸恰好与氢氧化钠反应，此时，根据电荷守恒，可以得出，所以选项B正确。加入盐酸至溶液pH=7时，根据电荷守恒，可以得出，所以选项C错误。加入20mL盐酸时，生成物为氯化钠与氯化铵的混合溶液，溶液显酸性，所以根据电荷守恒，可以推理得，选项D错误。

答案：B

点评：本题以酸碱中和反应、微粒浓度比较为情景，考查了弱电解质的电离，酸与强碱、弱碱反应的先后顺序，溶液中电荷守恒规律等中学化学重点知识。能力层面上考查考生对电解质溶液中电离、水解及其相关微粒的守恒问题能否综合分析、灵活应用，从侧面上也能够较好地考查考生的化学学科素养。

25.C、N、O、AI、Si、Cu是常见的六种元素。

（I）Si位于元素周期表第_____周期第_____族。

（2）N的基态原子核外电子排布式为_____；Cu的基态原子最外层有_____个电子。

（3）用“>”或“

（4）常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO。中组成原电池（图2），测得原电池的电流（I）随时间（t）的变化如图3所示，反应过程中有红棕色气体产生。

O～t1时，原电池的负极是Al片，此时，正极的电极反应式是______，溶液中的H+向______极移动，t1时，原电池中电子流动方向发生改变，其原因是________。

解析：（1）（2）为化学基础知识，注重测试原子结构与周期表的简单知识，Si位于元素周期表第三周期ⅣA族；N的基态原子核外电子排布式为；Cu的基态原子核外电子排布为：，显然第四层（最外层）有1个电子。（3）注重元素周期律相关知识点的考查。（4）正极反应应该得到电子，根据试题提供的信息，反应过程中有红棕色气体产生，所以电极反应式为；原电池中，阳离子向正极移动，但是随着反应进行，铝在浓硝酸中容易形成氧化膜，阻止反应继续进行，接着，铜片又会作为负极，继续失去电子，这样就造成了电子流动方向发生了改变。

答案：（l）三 ⅣA

（2）1

（3）

（4） 正铝在浓硝酸中发生钝化，氧化膜阻止了铝的进一步反应

点评：本题选择了C、N、0、AI、Si、Cu常见的人种元素为载体，考查了元素周期表，核外电子排布，原子半径，电负性，熔点、沸点比较，原电池中电极反应式的书写，微粒的移动等知识。试题涉及知识点较多，考查面较广，能力层面上考查考生能够具有综合应用所学化学知识解决化学相关问题的能力。

26.四苯基乙烯（TPE）及其衍生物具有诱导发光特性，在光电材料等领域应用前景广泛。以下是TPE的两条合成路线（部分试剂及反应条件省略）：

（I）A的名称是______，试剂Y为______。

（2）B―C的反应类型为_____，B中官能团的名称是_____，D中官能团的名称是_____。

（3）EF的化学方程式是_____。

（4）W是D的同分异构体，具有下列结构特征：①属于萘的一元取代物；②存在羟甲基（-CH9 0H）。写出W所有可能的结构简式：______。

（5）下列叙述正确的是_____。

a.B的酸性比苯酚强

b.D不能发生还原反应

c.E含有3种不同化学环境的氢

d.TPE既属于芳香烃也属于烯烃

解析：根据合成路线图，可以得出：A为甲苯，在酸性高锰酸钾的作用下，转化为苯甲酸。根据官能团的变化特点，可以得出，BC为取代反应，B分子中含有官能团为羧基，D分子中含有官能团为羰基。同样，根据官能团变化特点，EF的转化应该为卤代烃在碱性条件下的水解反应，即：问题（4）是附加条件下的同分异构体的书写，根据条件，可以得出其可能的结构简式为：；同样，根据官能团决定性质，可以得出选项a、d正确。

答案：（l）甲苯 酸性KMn04溶液 （2）取代反应 羧基 羰基

点评：本题以合成一种新型的材料为载体，考查考生能否根据合成路线图及相关物质的结构特点，辨认出有机物的官能团、有机反应类型、有机物的名称，以及规范书写相关的化学方程式、书写限定条件下同分异构体、判断官能团决定的相关性质等。能力层面上考查考生在陌生情景中能否熟练应用化学基本知识解决问题的能力，以及能否顺利将课本所学知识与新情景有机结合，能否快速借助流程图接受新信息、分析信息和加工信息的能力。

27.硼氢化钠（NaBH4）在化工等领域具有重要的应用价值，某研究小组采用偏硼酸钠NaB02为主要原料制备NaBH4，其流程如下：

已知：NaBH4常温下能与水反应，可溶于异丙胺（沸点：33℃）。

（1）在第①步反应加料之前，需要将反应器加热至100℃以上并通人氩气，该操作的目的是_____，原料中的金属钠通常保存在____中，实验室取用少量金属钠需要用到的实验用品有_____、_____、玻璃片和小刀等。

（2）请配平第①步反应的化学方程式：

（3）第②步分离采用的方法是____；第③步分出NaBH4并回收溶剂，采用的方法是____。

（4）反应生成NaB02（s）和H2（g），在25℃、101KPa下，已知每消耗3.8gNaBH4（s）放热21.6kJ，该反应的热化学方程式是______。

解析：金属钠易与空气中水、氧气等反应，在反应器中通人氩气，可以排除空气中水、氧气等杂质的干扰；金属钠因为较活泼，一般存放在煤油中；取出煤油中金属钠时，一般要用镊子夹取，并用滤纸吸干表面的煤油。第②步操作中，得到溶液和固体，所以基本操作为过滤；NaBH4溶于异丙胺，异丙胺的沸点为33℃，所以分离（NaBH4）并回收溶剂时，可以采用加热、蒸馏的方法。3.8gNaBH4的物质的量为0.1mol，所以1mol NaBH4与水反应放出的热为216kJ，其对应的热化学反应方程式为NaBH4（s）+

答案：（l）除去反应器中的水蒸气和空气 煤油镊子 滤纸

（2）1

2 4 2

1

2

（3）过滤 蒸馏 （4）

点评：本题以制备NaBH4为情景，重点考查了化学实验的基本操作、氧化还原反应方程式的配平及热化学方程式的书写等。能力层面上考查了考生的化学实验基本操作技能，接受、吸收、整合框图中信息的基本能力。

28.某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1 mol・L-1的Ba（NO3）2溶液中，得到了BaSO4沉淀。为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的S02，该小组提出了如下假设：

假设一：溶液中的NO-3。

假设二：溶液中溶解的02。

（l）验证假设一。

该小组设计实验验证了假设一，请在下表空白处填写相关实验现象。

（2）为深入研究该反应，该小组还测得上述两个实验中溶液的pH随通入S02体积的变化曲线如图4。

实验1中溶液pH变小的原因是____；V1时，实验2中溶液pH小于实验1的原因是（用离子方程式表示）_____。

（3）验证假设

请设计实验验证假设二，写出实验步骤，预期现象和结论。实验步骤、预期现象和结论（不要求写具体操作过程）：

（1）若假设二成立.请预测：在相同条件下，分别用足量的02和KN03氧化相同的H2S03溶液（溶液体积变化忽略不计），充分反应后两溶液的pH前者______（填“大于”或“小于”）后者，理由是_______。

解析：因为亚硫酸的酸性小于盐酸，所以S02气体通入BaCI2溶液，不会出现弱酸制强酸反应，所以没有明显现象，若通人Ba（N03）2溶液，酸性条件下，N03会氧化S02气体或H2SO3生成S02-4，相关的离子反应为，生成的与结合，所以会产生白色沉淀。

答案：（l）无明显现象有白色沉淀

（2）S02溶于水生成H2SO3实验步骤、预期现象和结论（不要求写具体操作过程）：

实验1作为参照实验

实验3：将纯净的SO2气体缓慢通入未经脱02处理的25mL O.1 mol・L-1BaCI2溶液中，若有白色沉淀，表明假设二成立，否则不成立。

（4）小于 反应的离子方程式表明，足量的02和分别氧化相同的H2S03，生成H的物质的量前者多于后者

（该试题部分小题属于开放性试题，答案合理均可）

第6篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词：美国教材；化学实验；教科书；硬币实验

文章编号：1005-6629(2012)8-0078-03　中图分类号：G633.8　文献标识码：B

金属硬币是学生非常熟悉的物品，不仅被用于购买商品，也时常被作为一些活动和游戏的道具。然而，在化学教科书中，偶尔才能见到金属硬币的影子，但从未在实验中出现。而在美国高中化学主流教科书《化学：概念与应用》川中，出现了较多的“硬币实验”，对于实现化学实验的生活化具有重要启示。

1　《化学：概念与应用》中“硬币实验”的特点

《化学：概念与应用》有6个实验涉及“硬币”素材。在这六个“硬币实验”中，硬币所充当的角色不尽相同，既可作为实验器皿、物理模型，也可以作为实验试剂；不仅可以是化学反应的反应物，还可以是物理测量的对象。表1统计了“硬币实验”的主要内容及硬币所发挥的作用。

透过“硬币”实验，管窥教科书编写的价值取向，不难发现：6个实验所在的章节标题学科线索鲜明，但主题的主角——硬币，以及部分主题名称，却体现着“生活中的化学”的编写理念。可见《化学：概念与应用》教科书实验内容的选择较好地体现了学科中心与社会中心相融合的价值取向。

2　《化学：概念与应用》中“硬币实验”的教学功能

由表1对《化学：概念与应用》教科书中“硬币实验”的统计，不难归纳出“硬币实验”独特的教学功能：

2.1　经济简约功能

“硬币实验”利用生活中常见物品开展化学定性与定量实验，创造性地实现化学实验经济、简易、有趣的有机结合。如迷你实验“原子的平均质量”，巧妙利用硬币“代表同位素，来测一测两种硬币同位素的质量及平均质量”，在硬币(代替原子)平均质量的称量与计算的实验操作基础上，提出系列问题：所有硬币的总质量代表什么?计算一枚硬币的平均质量。这个质量与每组中硬币的平均质量相比，有何关联?为什么我们先要称出10枚硬币的质量，再除以10来获得每枚硬币的质量，而不是直接称出1枚硬币的质量?从而启发学生思考，主动深入理解平均相对原子量的由来与内涵。又如，在学习化学反应的类型时，学生已经从Cl2与NaBr、Fe与CuSO的置换反应演示实验中，认识了置换反应的定义与特征，而学生亲自体验的化学实验——探索化学变化，进行硬币(要求含有金属锌)与盐酸反应的实验，经过现象观察、数据整理、分析与讨论，形成对置换反应的感性体验与理性认识，构建对化学变化的深刻理解。

经济简约的“硬币实验”为检验化学理论提供实验事实，通过形象思维与抽象思维的结合，能有效突破理论学习的难点。

案例1　迷你实验：一枚硬币上能放多少滴水?

由于表面张力的缘故，水在许多物体表面上都会形成水珠。在这个实验里，我们要来比一比，看谁在一枚硬币上滴的水滴或洗涤液最多。

实验步骤：

(1)在实验桌上平放一枚硬币。

(2)用尖嘴滴管吸取自来水，往硬币上滴水。注意不要溢出硬币的边缘，记录水滴数。

(3)用另一支尖嘴吸管吸取老师提供的洗涤液，重复上述操作，记录液滴数。

分析与讨论：

(1)在这个实验中，哪些体现了表面张力的作用效果?

(2)水和洗涤液哪种液体的表面张力较小?为什么?

如案例1所示，在学习水的分子间作用力时，让学生进行一枚硬币上能放多少滴水的迷你实验，不仅能检验水滴的表面张力，进一步证明水分子间作用力的存在，还能通过组间比赛形成竞争机制，增加实验的趣味性。

2.2　类比思维功能

“硬币实验”是一种实践活动，是重要感性认识方法，《化学：概念与应用》教科书中部分“硬币实验”以硬币为类比“原型”，引导学生进行科学思维，化难为易，促进学生对抽象知识的理解。

案例2化学实验：放射性衰变的硬币模型

不稳定原子的原子核会自发地发生分解或衰变，放射出射线。能发生这种变化的原子即为放射性同位素。发生衰变的原子叫做母原子，由衰变产生的原子叫做子原子。在本化学实验中，头像朝上的硬币被假想为母原子，背面朝上的硬币被看做衰变后产生的子原子，你将研究放射性同位素的衰变特点，并判断它的半衰期(原子总量的一半发生衰变所需要的时间)。

问题：这种假想的放射性同位素，它的半衰期是多少?

目标：推断假想原子的衰变特点；分析数据，计算假想原子的半衰期；绘制图表，解释实验数据。

实验器材：一只鞋盒、120枚硬币(可用1角或1元的硬币)、秒表。

实验步骤：

(1)数出120枚硬币，将它们的头像全部朝上地放在鞋盒里。在类似“实验数据与现象观察”的表格中，对应于时间为“0”的位置上记120个母原子，0个子原子。

(2)将鞋盒用盖子盖好，然后用适当的力上下摇晃盒子20次，期间你的搭档将记下衰变的时间。假设之后实验的衰变时间都保持一致。

(3)打开盒子，将背面朝上的硬币从盒中取出，并数出它们的数量，记为子原子数。原来的硬币总数减去取出的硬币个数就是剩余的母原子数。将摇晃硬币花去的时间、取出的硬币个数及剩余的硬币个数全部记录在表格当中。

(4)重复4次实验步骤2和3，每次结束后都记下实验数据。每轮摇晃结束后，将时间与所有之前花去的时间相加，即可得到已经花去的总时间。

分析与讨论：

第7篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词:量子芝诺效应;波包塌缩;退相干

德州大学的Misra和Sudarshan［1］在1977年发表了题为“TheZeno’sParadoxinQuantumTheory”的论文，引发了众多物理学家的兴趣．此后物理学界对其提出的这一量子芝诺效应的探讨和验证工作层出不穷．而后1990年Itano小组基于Be+－RF－Laser系统的实验宣称其证实了量子芝诺效应．虽然该实验本身难以挑剔，仍有其他学者对该小组的理论解释提出了反对意见．关于量子芝诺效应的理论解释涉及对量子力学基本测量公设的诠释，甚至涉及测量过程中对体系的动力学描述．就测量过程而言，冯·诺依曼测量假设、相对态理论、退相干理论究竟哪一种更接近物理实在，对证实量子芝诺效应的实验的解释又应当如何，确实值得一番恰当的分析和讨论．

1量子测量———波包塌缩和退相干量子测量

［2］不仅是量子力学基本问题的核心之一，也是如今各种新型量子技术研究和开发过程中的基础理论支撑．在有关量子测量的公理化体系中，大致可认为完整的投影测量过程包括纠缠分解、随机塌缩、初态制备3部分［3，4］，即系统的量子态按相应力学量的本证谱分解与环境产生纠缠，而后被测体系状态随机不可测地塌缩至力学量的某一本征态，测量后的量子体系又以这个塌缩后的态为初态进行演化．当然，理想情况下体系是微观封闭体系，含时演化都表现为薛定谔方程所刻画的幺正演化形式．波包塌缩是冯·诺依曼测量假定中的概念，并且这一过程被假定为是离散地、瞬时进行的，是由经典仪器所引起的瞬间“塌缩”现象，在有关测量的波包塌缩的解释中，一般总是离开测量仪器而去孤立地观察这一被认为是封闭演化的微观系统，然而这样大概会忽视在观察中起到重要作用的“体系和仪器的相互作用”．测量过程所涉及的对象显然并非理想的封闭体系，而是一个开放量子体系［2］．因而，若考虑其发生在局域系统还是整体系统范围内，波包塌缩的解释本身就存在含糊性;测量过程或者说波包塌缩过程也并不应当是瞬时的，仅仅从不确定度关系出发也能够推知测量行为的时间极限是存在于这一物理过程中的．而量子世界量子特性的根源在于它的相干性，这一点也是哥本哈根学派所认同的，以往的冷原子布拉格散射实验也证实了这一点．进而，量子开放系统的退相干理论对这一物理过程的描述更为贴切，例如对于电子双缝干涉实验，只需通过相互作用、产生量子纠缠来描述量子测量过程，并不需要直接引入波包塌缩的概念．如今处理量子测量的一般性研究可以分为量子退相干处理和自洽历史处理．前者着眼于量子系统与外部环境的交互作用致使量子系统相干性的消减过程;后者则将整个宇宙视作能够以一个波函数描述的客体，任何操作不过是在这么一个绝对大并且绝对封闭的体系中的演变过程，而量子测量所体现的特定体系从相干性到经典确定态的转变效应，是观察者能力之局限导致只能得知系统不同时刻不相关联的历史状态，这些测量得到的状态于观察者看来就会是经典概率叠加的表现．同时有另外一些较为先进的研究表明了这两种观点的统一，我们暂统称之为量子退相干，并以此出发考虑测量问题．当然另有其他关于量子测量的解释，如埃弗里特的相对态波函数理论，这好似是用来解释对世界的认知而非解释世界，虽然是被认为“大致”成立的———学界至今仍不能直接提出反驳的论据，但它并没给出有别于哥本哈根学派不同的物理预言．

2量子芝诺效应———存在性原理

仍然从测量公设出发［2］，假设一处于封闭体系的微观粒子t=0时的初态为|ψ0〉，经历t时间的演化后量子态为|ψ(t)〉=e－iHt|ψ0〉．若此时对其进行测量，得到量子态仍为初态|ψ0〉的概率P(t)=|〈ψ0|ψ(t)〉|2．而倘若在其间插入进行极多的测量操作，将会发生被称作为量子芝诺效应的现象．上述有限间隔内的无穷多测量虽然是不能够实现的，但实验条件下频次足够高的测量确实能够反映出这一芝诺效应，即多次测量减缓波包塌缩的现象．在有关理论的分析中，也需要求出海森伯不确定度下极限测量时间大小，称之为量子芝诺时间，才能够更加定量地刻画这一效应．若考虑关乎物理层面的解释，显然上述推导中只是用到了薛定谔方程幺正演化公设和量子测量公设，量子芝诺效应只是其普适性的推论———对量子芝诺效应的探讨实质上是需要对量子态演化假设和测量公设的探讨．一种可能的解释是以上系列测量过程导致了量子体系演化时间的塌缩，正如芝诺乌龟佯谬以及飞矢不动悖论中对时间的讨论局限在了有限范围内．但这一量子芝诺效应根据以上的推导和相应的物理解释，它是实实在在的量子力学规律下的普适性效应，几乎难以找出其悖论之处．首先需要承认的是，量子芝诺效应是实在性的．原则上，所有在介质中进行的各种粒子物理实验测量过程都将或多或少地存在着这一量子效应．例如如今有人推测原子核内中子稳定存在的原因之一便是量子芝诺效应，同样有人在量子信息处理的研究中将这一连续测量过程用于抑制量子态退相干．

3实质性的解释和讨论

第8篇：量子力学在化学中的应用范文

【关键词】守恒法；高中化学；解题；应用

前言

与高中教育中的其他学科相比，化学学科的应用性和实践性特点更加明显。新课改对高中化学的要求为提升该学科教学的实效性。化学学科对学生探究能力以及逻辑思维能力方面的较高要求是影响教训目标实现的主要原因。对此，教师需要通过守恒法的加强提升学生的化学解题能力。

一、守恒法

（一）守恒法的概念

这种方法是指，多种物质在发生化学反应前后，其质量、电子等因素的变化为守恒变化。守恒法应用对学生的要求是，学生首先应该充分掌握不同物质之间的内在守恒定律，进而根据实际物质进行质量、电子等方面变化问题的计算。

（二）守恒法的应用优势

在高中化学题的解题过程中，传统解题方法通常需要关注不同物质产生化学反应时的相关细节变化。通常情况下，化学反应的发生会引发多方面因素的变化，因此学生所需的解题时间相对较长。而守恒法的应用则只需要学生考虑以下两方面：第一，化学题目中涉及化学反应某种元素存在形式的贯穿。第二，找出化学题目中存在的所有化学反应之后，将这些化学反应之间存在的内在关系确定出来。守恒法的应用能够有效提升学生的解题效率。

二、守恒法在高中化学解题中的应用

这里主要从以下几个方面入手，对守恒法在高中化学解题过程中的应用进行分析和研究：

（一）电子守恒法的应用分析

电子守恒法是指，在发生化学反应前后，所有物质之间会发生电子得失，整个过程中失去的电子数与得到的电子数相等。这种守恒法通常被应用在包含氧化还原反应的化学题目中。这里以某化学题为例对电子守恒法在解题中的应用进行分析：将Cu与Mg的合金2.3g融入浓硝酸溶液中。假如该溶液发生氧化还原反应之后，产生的NO2和N2O4分别为4000ml和300ml。现在需要向反应后的溶液中加入足量的NaOH溶液，则再次发生化学反应后产生沉淀的质量是多少？从题目中可以分析出，对发生氧化还原反应后的溶液加入NaOH之后，产生的沉淀分别为Cu（OH）2和Mg（OH）2。根据电子守恒法原理对该题目中发生的化学反应进行分析，可知氢氧根离子为铜离子与镁离子的二倍之和。除此之外，上述化学反应中铜离子所带正电荷与镁离子所带正电荷的物质的量之和与铜、镁合金失去电子的物质的量相等。在整个化学反应发生过程中，发生转移的电子总物质的量与NO2和N2O4转移电子的物质的量相等，因此可以将OH-的无质量的量计算出来：2×0.3×22.4+1×4×22.4=0.46mol。因此，可以将加入足量氢氧化钠溶液之后，产生沉淀的质量计算为：2.3+0.46×17=10.12g。与原本的计算方法相比，电子守恒法的应用显著减少了学生的计算量，并从一定程度上保证了化学问题的解题质量。

（二）质量守恒法的应用分析

这种守恒法是指，将质量作为解题工具，按照发生化学反应前后物质质量的的化学性质不会发生变化的原理，完成相应化学题目的解答。这里以某化学题为例，对质量守恒法在解题过程中的应用进行分析：空气环境中存在一定固定质量的氢氧化钾固体，该固体物质中K2CO3和H2O的含量分别为14.4%和1.4mol。在这种情况下，将1g该物质置于3mol/L的HCl溶液中，且该溶液的体积为0.05L。利用体积为0.03L、密度为1.07mol/L的氢氧化钾溶液将上述酸性溶液中的多余盐酸中和，此时溶液中的固体质量是多少？通过对整个题目包含化学反应的分析可以发现，最终产生固体为KCl，而该固体中的Cl全部来自盐酸溶液，因此可以得出KCl的物质的量为3×0.05=0.15mol。在这种情况下，可以计算出经过上述化学反应后所产生KCl固体的质量约为5.589g。

（三）元素守恒法的应用分析

这种守恒法是指，在化学反应发生前后，所有物质中包含的元素只是从形式上产生了一些变化，而这些元素的实际种类不会发生变化。在实际的高中化学题目中，学生可以根据这种守恒法，只对化学反应中元素整个反应过程中的对应关系进行分析，并结合化学守恒定律得出最终的计算结果。这里以某化学题为例对元素守恒法的应用进行分析：向体积为1L的1mol/L的NaOH溶液中加入0.8mol的CO2，在这种情况下，该溶液中NaHCO3与Na2CO3之间物质的量之比是多少？在这道题目中，如果学生利用化学反应方程式的方法进行物质的量之比的计算，产生计算步骤相对较多。因此，学生可以利用元素守恒法进行计算：就题目而言，所发生化学反应前后Na原子与C原子都符合元素守恒定律。这里分别将NaHCO3与Na2CO3的物质的量设为x和y。从元素守恒法原理中可以得到Na原子的计算公式为x+2y=1mol，而C原子的计算公式为x+y=0.8mol，将这两个计算公式组合起来可以分别求出x与y的值分别为0.6mol和0.2mol，因此，NaHCO3与Na2CO3之间物质的量之比为3:1。结论与传统的解题方法相比，守恒法的应用能够有效缩短学生的解题时间。因此，教师应该将教学重点放在学生对守恒法的理解和应用方面。通过学生对质量守恒法、化合价守恒法等守恒方法应用范围及应用步骤的理解水平的提升，促进学生高效完成化学题的解答。

【参考文献】

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[2]彭明永.守恒法在高中化学解题中的应用探析[J].中学生数理化(学习研究)，2016.05:67

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[4]王敏.高中化学解题对守恒法的应用分析[J].中学课程辅导(教师通讯),2013.12:126-127

第9篇：量子力学在化学中的应用范文

1.1激光发光原理；把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外，轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增强。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗，则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子即自发辐射。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁即受激激吸收。然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子即受激辐射。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，就会有光子射出，从而产生激光。

1.2激光生物学效应；由于激光具有能量和动量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子产生物理、化学或生物反应，这就是激光生物效应。激光生物热效应、激光生物光华效应、激光生物压力效应、激光生物电磁效应和激光生物刺激效应。生物组织内的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。激光生物效应，目前已经在激光医疗、激光育种方面得到广泛、有效的应用。

1.2.1激光生物热效应；激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运动加剧，与其他分子的碰撞频率增加，由光转化为分子的动能后变成热能，可能会引起蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死。当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物组织时，不同波长的激光产生热效应的机制也不尽同。红外激光的光子能量小，生物组织吸收后只能增加生物分子的热运动导致温度升高，所以它是直接生热可见光和紫外光的光子能量大，生物组织吸收了光子能量后引起生物分子电子态跃迁，在它从电子激发态回到基态的驰豫过程中释放能量，该能量可能引起光化反应，也可能转化为热量产生温度升高，所以它们是间接生热。激光热效应究竟应表现为哪种形式，在激光方面取决于其输出参数、作用时间，在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。

热效应是激光致伤的最重要因素。激光损伤区与正常组织的界缘十分清楚，这是由于激光脉冲时程短，生物组织的导热性差，瞬间放热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照后，由于继变化，如炎症、出血、再生等，会使原初清楚的损伤界缘逐渐变得模糊。

1.2.2激光生物光华效应；当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后，受激跃迁到激发态，在它从激发态返回到基态，但又不返回其原来分子能量状态的弛豫过程中，多出来的能量消耗在它自身的化学键断裂或形成新键上，其发生的化学反应即为原初光化学反应，在原初光化学反应过程中形成的产物，大多数极不稳定，它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物，这种光化反应称为继发光化反应，前后两种反应组成了一个完整的光化反应过程，这一过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型，光致敏化效应又包括光动力作用和一般光敏化作用。生物的光华效应产生的根本是生物的而组织有一定的色度，能选择性地吸收300～1000nm光谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血红蛋白、胡萝卜素、铁质等，其中黑色素对激光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556nm，氧合血红蛋白在415、542、575nm处有清楚的吸收带，胡萝卜素吸收带在480nm处，黑色素和类黑色素在400～450nm波段吸收最强。无论是正常细胞还是肿瘤细胞，在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒，它们吸收激光能量使能量在色素颗粒上积聚而成为一个热源，其能量向周围传导和扩散，从而引起周围组织细胞损伤。

1.2.3激光生物压力效应；由激光照射产生的机械作用可分为两部分：激光本身的辐射压力对生物组织产生的压强，即光压，称作一次压强；生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强，叫二次压强。由激光导致的生物细胞的压强的变化可以改变生物细胞、组织的形状，使得生物细胞、组织内部或之间产生机械力，从而对生物细胞、组织产生巨大的影响。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动，在组织中产生空穴现象，引起组织破坏。戈尔德曼指出：脉冲时程50毫微秒的Q开关激光产生的冲击波压力，可大于10个大气压。实际上，激光热效应影响范围十分局限，而由压力效应引起的组织损伤，则可波及到远离受照区的部位。例如，用红宝石激光照射小鼠头部时，发现头皮轻度损伤，颅骨和大脑硬膜并无损伤，而大脑本身却大面积出血，甚至造成死亡。

2.激光与生物分子相互作用机理研究现状

上世纪以来，由前苏联、匈牙利等国的专家提出了不少假说，其中常见的有下列4种：生物电场假说(前苏联伊柳辛提出)；色素调节假说(前苏联伽马列亚于1981年提出)；细胞膜受体假说(前苏联普鲁哈丘科夫于1980年提出)；偏振刺激假说(梅斯特1977年提出)。另外一个假说是:由孤子状态进入混沌状态假说。美国Englander(1980年)、日本的Jomosa(1984年)。