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摘要：运用形象、直观的多媒体技术可以创设出一个生动有趣的教学情境，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见的、生动活泼的学习氛围，从而使学生产生极大的学习兴趣。针对热能与动力工程专业学生对“燃烧学”中化学动力学以及热化学等相关知识的欠缺，根据在燃烧学科研与教学实践中的经验，基于多媒体教学思路，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程的教学中。通过列举和模拟燃烧学中几个简单的化学反应案例，使学生从分子动力学层次去了解化学反应过程的内在规律和本质问题。结果表明，该方法对激发学生学习化学知识的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了“燃烧学”课程的教学方法。
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+·OH→IM1→TS1→CO2+·H的活化能比通道CO+·OH→IM1+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
我国是以煤炭为主要能源供应的国家，但煤炭燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）是一种危害很大的大气污染物，能够引起酸雨和光化学烟雾等环境污染问题。在酸雨形成过程中，NO和·OH之间反应是一个关键的基元反应。了解该反应的内在规律有助于加强学生对氮氧化物形成酸雨过程的基本认识。图3显示的结果是采用量子化学Gaussian软件中的MP2法，且在考虑了极化函数和弥散函数条件下，用6-311++ G（d，p）基组计算和绘制的NO和·OH之间的反应能级示意图。
基于化学反应的随机性，对于NO与·OH之间的反应，根据图中的计算结果，设计两种可能的反应方式：其一，NO+·OH→IM1→TS1→NO2+·H，即反应物之一的·OH中的O原子去进攻NO中的N原子，经过NO的N原子与·OH的O原子间的距离逐渐变短，生成一个稳定的中间体IM1，该过程是一个无势垒的重组过程。而后IM1的O-H键逐渐被拉长，·OH中的O原子与NO中的N原子之间的距离逐渐变短，就形成了过渡态TS1，随之TS1的O-H键断裂，而·OH中的O原子与NO中N原子之间成键，便生成了产物H原子和NO2；其二，NO+·OH→IM1→TS2→IM2（HNO2），即生成IM1的过程同第一种反应机理，而后IM1经过一个异构化过渡态TS2得到一个稳定的异构产物IM2（HNO2），该过程是一个H迁移过程。 从以上的能级分析可以看出，NO与·OH之间的反应也存在两条可能的反应通道。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328.71 kJ/mol，而第二条反应路径需要的活化能为274.05 kJ/mol。从结果可以看出，由于通道NO+·OH→IM1→TS1→NO2+·H的活化能比通道NO+·OH→IM1→TS2→IM2（HNO2）的大54.69 kJ/mol。因此，第二个通道需要克服的能量障碍更小，也即相对更容易发生，是该反应的主要通道。但由于两者的活化能相差不大，因此两条反应路径作为平行反应同时发生的可能性也是存在的。
根据以上两个简单化学反应实例的模拟结果可以看出，通过量子化学Gaussian软件对一个化学反应进行模拟可轻易从分子动力学层次了解一个化学反应的内在规律和本质问题。构建的反应物、中间体（IM）、过渡态（TS）以及反应产物的几何构型以及相应的结构参数（包括分子的键角和键长等重要参数）可以让学生轻松直观地了解到分子的结构形态和结构特征参数。而通过最终的能级示意图以及能量分析，可以让学生初步了解化学反应的基本步骤和特点，包括化学反应的作用机制、反应路径以及反应过程中、中间体、过渡态以及反应势能和活化能垒的特征。虽然燃烧过程中的化学反应千差万别，但不同的化学反应的基本过程和本质问题比较类似。通过对化学反应本质规律的初步学习，学生在接触到其他化学反应时就可以发挥主管能动性和想象力，运用类似的知识去解释不同的现象。由于课时的限制，实际课堂上并不需要对所有反应一一列举，而选择一个简单的典型化学反应，并对其作基本的讲解即可说明问题。
三、结语
运用形象、直观的多媒体技术可以创设出一个生动有趣的教学情境，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见的、生动活泼的学习氛围，从而使学生产生极大的学习兴趣。针对本专业学生对“燃烧学”中化学动力学以及热化学等知识的欠缺，笔者根据在燃烧学科研与教学实践中的经验，基于多媒体教学思路，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程教学中，列举简单化学反应案例使学生从分子动力学层次去了解化学反应过程的内在规律和本质问题。结果表明，该方法对激发学生学习化学知识的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了“燃烧学”课程教学的方法。
参考文献：
[1]苏磊.《燃烧学》教学有感[J].中国科教创新导刊,2009,(34):134.
[2]刘栋.流体机械原理教学方法的探索与实践[J].中国科技信息,2010,
(22):241-242.
[3]Enrico Clementi,Giorgina Corongiu.从原子到大分子体系的计算机模拟——计算化学50年[J].化学进展,2011,(9):1795-1829.
[4]张福兰.CO和OH自由基反应机理的量子化学研究[J].四川师范大学学报(自然科学版),2005,(4):466-468.
[5]钱一鸣,李来才.NO与OH自由基反应机理的理论研究[J].四川师范大学学报(自然科学版),2004,(4):399-401.
[6]姜树栋,周俊虎,王智化.O3液相氧化脱除SO2试验研究[J].中国电机工程学报,2008,(32):57-60.
（责任编辑：宋秀丽）
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+·OH→IM1→TS1→CO2+·H的活化能比通道CO+·OH→IM1+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
我国是以煤炭为主要能源供应的国家，但煤炭燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）是一种危害很大的大气污染物，能够引起酸雨和光化学烟雾等环境污染问题。在酸雨形成过程中，NO和·OH之间反应是一个关键的基元反应。了解该反应的内在规律有助于加强学生对氮氧化物形成酸雨过程的基本认识。图3显示的结果是采用量子化学Gaussian软件中的MP2法，且在考虑了极化函数和弥散函数条件下，用6-311++ G（d，p）基组计算和绘制的NO和·OH之间的反应能级示意图。
基于化学反应的随机性，对于NO与·OH之间的反应，根据图中的计算结果，设计两种可能的反应方式：其一，NO+·OH→IM1→TS1→NO2+·H，即反应物之一的·OH中的O原子去进攻NO中的N原子，经过NO的N原子与·OH的O原子间的距离逐渐变短，生成一个稳定的中间体IM1，该过程是一个无势垒的重组过程。而后IM1的O-H键逐渐被拉长，·OH中的O原子与NO中的N原子之间的距离逐渐变短，就形成了过渡态TS1，随之TS1的O-H键断裂，而·OH中的O原子与NO中N原子之间成键，便生成了产物H原子和NO2；其二，NO+·OH→IM1→TS2→IM2（HNO2），即生成IM1的过程同第一种反应机理，而后IM1经过一个异构化过渡态TS2得到一个稳定的异构产物IM2（HNO2），该过程是一个H迁移过程。 从以上的能级分析可以看出，NO与·OH之间的反应也存在两条可能的反应通道。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328.71 kJ/mol，而第二条反应路径需要的活化能为274.05 kJ/mol。从结果可以看出，由于通道NO+·OH→IM1→TS1→NO2+·H的活化能比通道NO+·OH→IM1→TS2→IM2（HNO2）的大54.69 kJ/mol。因此，第二个通道需要克服的能量障碍更小，也即相对更容易发生，是该反应的主要通道。但由于两者的活化能相差不大，因此两条反应路径作为平行反应同时发生的可能性也是存在的。
根据以上两个简单化学反应实例的模拟结果可以看出，通过量子化学Gaussian软件对一个化学反应进行模拟可轻易从分子动力学层次了解一个化学反应的内在规律和本质问题。构建的反应物、中间体（IM）、过渡态（TS）以及反应产物的几何构型以及相应的结构参数（包括分子的键角和键长等重要参数）可以让学生轻松直观地了解到分子的结构形态和结构特征参数。而通过最终的能级示意图以及能量分析，可以让学生初步了解化学反应的基本步骤和特点，包括化学反应的作用机制、反应路径以及反应过程中、中间体、过渡态以及反应势能和活化能垒的特征。虽然燃烧过程中的化学反应千差万别，但不同的化学反应的基本过程和本质问题比较类似。通过对化学反应本质规律的初步学习，学生在接触到其他化学反应时就可以发挥主管能动性和想象力，运用类似的知识去解释不同的现象。由于课时的限制，实际课堂上并不需要对所有反应一一列举，而选择一个简单的典型化学反应，并对其作基本的讲解即可说明问题。
三、结语
运用形象、直观的多媒体技术可以创设出一个生动有趣的教学情境，帮助学生建立形象思维，使学生进入一种喜闻乐见的、生动活泼的学习氛围，从而使学生产生极大的学习兴趣。针对本专业学生对“燃烧学”中化学动力学以及热化学等知识的欠缺，笔者根据在燃烧学科研与教学实践中的经验，基于多媒体教学思路，将量子化学Gaussian软件应用到燃烧学课程教学中，列举简单化学反应案例使学生从分子动力学层次去了解化学反应过程的内在规律和本质问题。结果表明，该方法对激发学生学习化学知识的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了“燃烧学”课程教学的方法。
参考文献：
[1]苏磊.《燃烧学》教学有感[J].中国科教创新导刊,2009,(34):134.
[2]刘栋.流体机械原理教学方法的探索与实践[J].中国科技信息,2010,
(22):241-242.
[3]Enrico Clementi,Giorgina Corongiu.从原子到大分子体系的计算机模拟——计算化学50年[J].化学进展,2011,(9):1795-1829.
[4]张福兰.CO和OH自由基反应机理的量子化学研究[J].四川师范大学学报(自然科学版),2005,(4):466-468.
[5]钱一鸣,李来才.NO与OH自由基反应机理的理论研究[J].四川师范大学学报(自然科学版),2004,(4):399-401.
[6]姜树栋,周俊虎,王智化.O3液相氧化脱除SO2试验研究[J].中国电机工程学报,2008,(32):57-60.
（责任编辑：宋秀丽）