量子力学在化学中的应用

量子力学在化学中的应用范文第1篇

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

量子力学在化学中的应用范文第2篇

关键词：机械力化学；机械活化；纳米材料；高分子材料；环境保护

文章编号：1005－6629(2008)05－0050－04中图分类号：TQ170文献标识码：E

20世纪20年代~50年代，德国学者W.Osywald从分类学的角度提出了以机械方式诱发化学反应的学科―机械力化学（mechanochemisty）。1962年奥地利学者K.Peters在第一届欧洲粉碎会议上首次发表了题为《机械力化学反应》的论文，把机械力化学定义为：“物质受机械力的作用而发生化学变化或者物理化学变化的现象”。如今，机械力化学被认为是关于施加于固体、液体和气体物质上的各种形式的机械能―如压缩、剪切、冲击、摩擦、拉伸、弯曲等引起的物质物理化学性质变化等一系列的化学现象。如研磨HgCl2时观察到少量Cl2逸出，粉碎碳酸盐时有二氧化碳气体产生，石膏细磨时脱水，石英受冲击后无定形化等，这些都是典型的机械力化学反应。

1 机械力化学效应

机械力化学效应是通过对物质施加机械力而引起物质发生结构及物理化学性质变化的过程。在机械力的不断作用下，起始阶段主要是物质颗粒尺寸的减小和比表面积的增大，但是达到一定程度后，由于小颗粒的聚集而出现粉磨平衡，但并不意味着粉磨过程中粉体的性质不变，事实上它会发生诸多的机械力化学效应。

1．1 晶体结构的变化

在超细粉碎过程中，随着机械力的持续作用，矿物的晶体结构和性质会发生多种变化，如颗粒表面层离子的极化变形与重排，使粉体表面结构产生晶格缺陷、晶格畸变、晶型转变、结晶程度降低甚至无定形化等。例如

γ-Fe2O3α-Fe2O3

石英 硅石

晶型转变是压力和剪切力共同作用的结果。它使物质不断吸收和积累能量，提供了晶型转变所需的热力学条件，产生晶格形变和缺陷，使之向产物结构转变。

1．2 物质物理化学性质的变化

机械力作用引起物质颗粒细化、产生裂纹、比表面积增加等。这些变化最终会引起物质的分散度、溶解度、溶解速率、密度、吸附性、导电性、催化性、烧结性、离子交换能力和置换能力、表面自由能等理化性质的改变。如粘土矿物经过超细磨后，可产生具有非饱和剩余电荷的活性点，导致高岭土的离子交换容量、吸附量、膨胀指数、溶解度、反应能力等都发生了变化。

1．3 机械力化学反应

机械力的作用可引起物质化学键的断裂，生成不饱和基团、自由离子和电子，产生新的表面，造成晶格缺陷，使物质内能增高，处于一种不稳定的化学活性状态，并使许多在常压、室温条件下不能发生的反应成为可能。根据原料的状态可以将反应体系划分为固-固、固-液、固-气三大类。

1．3．1 固-固反应体系

固-固反应体系可以分为以下几种类型

（1）金属与金属氧化物、氯化物之间的固态化学反应。

Me+Me'O(Cl、S)MeO(Cl、S)+ Me'

已研究过的反应体系有：Ag2O/Al，Cr2O3/Zn，ZnS/Al，NiCl2/Mg等。

（2）金属与C、Si、B之间的化学反应，生成高温化合物相。

Me+XMeX

（3）金属与陶瓷之间的化学反应。

Me+X1X2MeX1+MeX2

如Ti+Si3N4TiN+TiSi2

（4）金属氧化物之间的化合反应。

MeO+Me'O MeMe'O

如Fe2O3+MeOMeFe2O3（Me=Zn、Ni、Cu、Mg等）

（5）纯金属间的放热化学反应。如Al/Ni、Al/Ti等反应体系。

（6）化合物之间的固态化学反应。如

ZrCl4+2CaOZrO2+2CaCl2

1．3．2 固-液反应体系

如NiS+H2O=NiO+H2S

固-液反应系统主要是金属与有机溶剂之间的化学反应。液相反应剂一般是含碳或含氮有机物，如庚烷、苯胺等，通过反应可以生成金属碳化物或氮化物粒子。

1．3．3 固-气反应体系

如3SiO2+4N22α-Si3N4+3O2

固-气反应仅适合于活性高、氮化或碳化反应焓很高的体系。一般可选择氮气、分解氨、氨气作为氮源。

2 机械力化学的作用机理

机械力化学反应历程可由图1表示

从图中可看到：无机械力作用时，反应只以很小的速度进行，引入机械作用后，反应迅速增强并随后达到稳态，停止机械作用后，反应速度迅速下降。影响机械力化学反应历程的因素很多，各种因素间的相互作用，加之研究手段不全面，关于机械力化学的机理尚没有一个统一的界定，目前主要有以下几种理论。

（1）等离子体模型。Thiessen等认为，机械力作用导致晶格松弛与结构裂解，激发出高能电子和等离子区。一般的热化学反应温度在高于1000℃时，电子能量也不会超过4eV，即使光化学的紫外电子的能量也不会超过6eV。而机械力作用下，高激发状态诱发的等离子体产生的电子能量可超过10eV，因此机械力化学有可能进行通常情况下热化学所不能进行的反应，使固体物质的热化学反应温度降低，反应速度加快。

（2）固态合成反应模型。席生岐等从扩散理论出发，分析了高能球磨过程中的扩散特点，提出了固态合成反应模型并进行分析计算，结果表明：高能球磨过程中固态反应能否进行，取决于体系在球磨过程中能量升高的程度，而反应完成与否受体系中的扩散过程控制，即受制于晶粒细化程度和粉末碰撞温度。一方面由于颗粒在超细磨过程中，被强烈塑性变形，产生应力和应变，颗粒内产生晶格缺陷和晶形转变、非晶化，能显著降低元素的扩散激活能, 使得组元间在室温下可显著进行原子或离子扩散，颗粒不断冷焊、断裂、组织细化，形成了无数的扩散-反应偶；另一方面，因颗粒表面化学键断裂而产生不饱和键、自由离子和电子等原因，导致晶体内能增高，物质内部迅速发展的裂纹使其顶端温度和压力增高，最终导致物质反应的平衡常数和反应速度常数显著增大。应力、应变、缺陷和大量纳米晶界、相界的产生使系统储能很高，提高了粉末活性，从而有可能引起纳米尺寸下的固相反应，有时甚至可以诱发多相化学反应。

（3）热点理论。机械力作用在固体颗粒上造成的弹性应力是机械力化学效应的重要因素，弹性应力能引起原子水平的应力集中，一般由此而改变原子间的结合常数，从而改变它们本来的振动频率，也改变了原子间距和价键角度，结果改变了化学结合能，使反应能力增大。弹性应力还可引发驰豫，由此形成激化的振动状态可导致化学反应的发生，这种能量在应力点以“热点”的形式出现。虽然宏观温度一般不会超过60℃，但局部碰撞点的温度要远高于60℃，这样的温度将引起纳米尺寸的化学反应，在碰撞点处产生极高的碰撞力，高达3.30GPa~6.18GPa，如此高的碰撞力有助于晶体缺陷和畸变的扩散以及原子的重排，所以局部碰撞点的升温可能是导致机械力化学反应的一个促进因素。

3机械力化学效应的应用

3．1矿物活化与改性

矿物机械活化是指机械作用使矿物局部形成晶格畸变，发生位错，使晶格点阵中粒子排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，导致晶格内能增高，表面改性、反应活性增强，以便于矿物浮选富集和提取，从而改善浸出过程。如细磨使铜、铅与锌的分选效率显著提高；氟磷灰石 Ca5F(PO4)3 经机械活化后，氟杂质与混入的SiO2发生机械力化学反应，约有80%的氟以 SiF4 的形式挥发掉，在柠檬酸溶液中的溶解率达到85%，这种脱氟的磷矿石可用作优质的化学肥料。球磨CuFeS2和CuO混合物可形成CuSO4，只要经过水洗，就可以将矿物中的纯铜分离出来。

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机械力化学改性则采用搅拌、冲击、研磨等机械作用使改性剂在被改性的颗粒表面均匀分布包覆，并使颗粒与改性剂之间发生化学作用，以增加它们之间的结合力，从而改变矿物粉体颗粒的表面状态，达到改性的目的。吴辉等以气流磨所产生的超音速气流作为机械力，对硅酸盐矿物硅灰石与硬脂酸进行超细粉碎表面改性。当硅灰石粉碎时,晶体裂开并发生如下变化

2Ca3[Si3O9] Ca3[Si3O9]++Ca3[Si3O9]-

而硬脂酸在粉碎过程中则发生如下变化

CH3(CH2)16COOHCH3(CH2)16COO-

+H+

由于硅灰石与硬脂酸的粉碎、断键是在同一时间同一粉碎腔内进行的，故可能发生如下反应

Ca3[Si3O9]++CH3(CH2)16COO-CH3(CH2)16COOCa3[Si3O9]

经改性后的硅灰石由亲水性变为疏水性，把它添加到高分子材料中，增加矿物与有机高分子材料的相容性，提高矿物粉料在高分子材料中的分散程度，改善工艺加工条件和制品的性能。

3．2 合成纳米材料

机械力化学法制备纳米材料可采用常用的化学原料，具有工艺简单、成本低、易于工业化等特点，是一种具有广阔应用前景的纳米材料制备方法。

如钛酸钡陶瓷具有良好的介电性能，是电子陶瓷领域应用最为广泛的材料之一。传统的钛酸钡合成方法是用BaO或BaCO3和TiO2经高温灼烧（≥900℃）而成， 粒度大、不均匀，难以制备纳米粉体材料。吴其胜等采用高能球磨BaO，锐钛矿型TiO2混合粉体（在氮气保护下），机械力化学法合成了纳米晶BaTiO3，反应式为

BaO+TiO2BaTiO3

反应过程分三个阶段进行：粉磨初期为无定形形成期（0h~15h），混合物颗粒粒度减小，晶格畸变，转变为无定形，并可能形成BaTiO3晶核；粉磨中期为固相反应期（15h~30h）， BaO与TiO2在机械力作用下产生固相反应生成BaTiO3，同时BaTiO3晶粒长大；粉磨后期为动态平衡期（30h以后），此时，固相反应基本结束，晶粒成长与粉磨引起的晶粒减小处于动态平衡，由此得到颗粒尺寸为10nm~30nm的BaTiO3。

采用球磨金属氯化物和Na、Mg等还原剂的方法可制备纯金属纳米材料和合金纳米材料，已制得的体系有Fe、Ni、Co、Cu和Fe-Cu合金。

近几年来，把金属与陶瓷(如纳米氧化物、碳化物等)通过机械力复合在一起，已获得具有特殊性质的新型纳米复合材料。Nicholas 等采用机械力化学原理制备Al2O3基TiC、TiN等纳米复合材料，反应式分别如下

1.5TiO2+2Al+1.5C1.5TiC+Al2O3

1.5TiO2+2Al+0.75N21.5TiN+Al2O3

制得的复合粉末经1000℃退火1h、热压成型制备纳米复合材料，其硬度达19GPa~30GPa，Al2O3晶粒尺寸为30nm~50nm，钛相为25nm~50nm。

3．3 合成高分子材料

机械力化学在有机高分子合成中的应用主要有3个方面：高分子聚合、高分子缩合及无机材料表面接枝高分子聚合物。

（1）高分子聚合。机械力化学在高分子聚合中可代替引发剂引发聚合反应。一般的高分子聚合中往往要加入引发剂，作用是在外因作用下首先发生分解或氧化还原产生自由基或正负离子，引发单体聚合。Oprea等用实验证实不用任何引发剂或催化剂，就可以用振动磨将丙烯腈单体制得聚丙烯腈高聚物。主要原因是在机械力及单体的腐蚀作用下，设备表面的金属产生活化作用并产生金属细末，参与聚合物的合成；另一方面金属活化过程中产生激发电子，使得已被振动磨部分活化的聚丙烯腈生成自由基和负离子，可引发其他丙烯腈高分子的聚合。

（2）高分子缩合。高聚物在机械力作用下，键可发生断裂，生成大分子自由基，这时若遇合适的小分子，可发生高分子缩聚。Christofor Simionescu等用超声波使聚对苯二甲酸乙二酯和乙二胺通过机械力化学缩聚形成聚酯-聚酰胺碎片，然后与三价V3+作用，形成以三价钒为中心的复合物。

（3）高聚物接枝。现代新技术的发展对高分子材料提出了更高的要求，如耐高温、导热导电、防辐射、具有铁磁性等，解决这一问题的方法之一就是在高分子中引入无机物。把无机材料和高聚物一起研磨，通过机械力化学作用，高分子聚合物可发生裂解、环化、离子化、异构化等化学变化，无机材料表面产生晶格畸变和缺陷，表面自由能增大，引起化合键断裂和重组，可以在新鲜断裂表面出现不饱和键和带正电和负电的结构单元，这样聚合物链键断裂产生的游离基或正负离子遇到无机材料经机械力活化产生的新鲜表面，就可能形成接枝高聚物。

无机材料的高聚物接枝改性方法有两种：一种是将无机材料与聚苯乙烯、聚丙烯等高聚物一起研磨；一种是将无机材料与单体研磨共聚，如在苯乙烯单体中研磨碳酸钙。这两种方法都能得到疏水性极好的无机粉体，在涂料与塑料工业中得到广泛应用，效果良好。

3．4有毒废物降解

采用机械力化学方法处理有毒废物，有可能开发出在常温、常压下处理剧毒物的新方法，使有毒废弃物能就地得到及时有效处理，避免其长期堆放污染环境。如难处理的有机氯合物，如PVC、多氯联苯、DDT等。机械力化学法不仅可破坏它们的结构，还可诱发它们和CaO或其他合适的反应剂之间的化学反应，形成无毒的无机氯化物。许多塑料制品经机械力化学处理后，发生机械力化学分解，聚合度可下降80%。通过高能量机械力的作用还可破坏蛋白质的高分子结构，从而使它能从废液中较快地沉降下来，便于焚烧处理。用机械力化学法处理含镉废水可使镉的还原速率加快数倍。

4 展望

机械力化学理论的提出已有数十年时间了，但由于实验条件的不可比性，使得难以归纳总结上升到更高的理论层次；另外，人们的工作多限于针对某一现象或某一应用课题的研究，却少有关于各种机械力化学现象背后普遍规律的探讨；机械力化学法通常需要长时间的机械处理，能量消耗大，研磨介质的磨损，还会造成对物料的污染。因此，设计新的高效机械活化设备，以最小的能耗获得最大活化效果也是值得研究的课题。可以预见，随着研究的深入，机械力化学将具有广阔的工业应用前景。

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量子力学在化学中的应用范文第3篇

关键词：集群企业国际化 量子纠缠 量子跃迁 动态学习能力

引言

为防止陷入“静态优势刚性”轨迹，集群企业应积极实施国际化战略，使其国际化动态学习能力所在能级跃迁，提高国际化成功率，保持旺盛的生命力。集群企业具有类似量子纠缠式的关系，决定学习能力共振跃迁，进一步提升动态学习能力。这对集群企业发展有重要意义，成为研究的焦点问题之一。

集体学习对于集群企业尤为必要。但集群内部和企业间长期的集体学习和知识积累使其被一条式微的技术轨道锁定。集群向外部学习利于持续创新以提升竞争力，外部知识资源对整个集群技术能力有重要意义。集群整体学习能力决定成员企业技术学习的效果，这构成整个集群学习能力增长的基础。成员企业技术能力增长构成了集群技术能力增长的基础（魏江、叶波，2003）。在归纳和总结集群内高位势和低位势企业技术学习动因的基础上，学者认为集群技术学习的基础条件包括知识存量、学习主体和集群内组织的知识协作。影响集群技术学习的内部因素包括知识吸收能力和企业在网络中地位（迟文成，2007）。

集群企业国际化动态学习能力变化阶段分析

集群企业是一个由多个分工协作、资源互补企业组成的系统，系统可能会陷入“静态优势刚性”，内部呈熵增状态，外部负熵流获取较少，系统变为无序，靠衡态而逐渐衰退消亡。获取知识是学习的核心，通过集群内部学习，知识分享，形成并提升同质能力，但可能被一条日趋空心化、无竞争力的轨道锁住。为提升动态学习能力，保持竞争优势，应积极实施集群企业区域化和国际化战略，通过区际和跨网络动态学习获取异质知识。提升异质能力，融合异质和同质信息，不断提升动态学习能力，保持集群的生命力。

集群企业国际化动态学习能力变化分为三个阶段，即初步形成阶段、轨迹阶段和提升阶段。集群内部各企业均有一定的学习基础，通过内部学习，形成和提高同质能力。为了积累异质性能力，寻找学习源，向区际间集群企业学习，形成初步异质能力，进而形成初步动态学习能力，它是集群企业进入国际化动态学习轨迹阶段和提升阶段的基础和必要条件。本地化和区际间集群企业共同努力，提升集群企业异质能力，构建国际化愿望，步入国际化动态学习轨迹，用先进知识反哺本地化、区际间集群企业，循环提升异质能力。步入轨迹后，提高集群企业知识吸收能力和整合能力，消除企业间的高位势和低位势知识能力势差，加强知识扩散作用，加大核心企业对卫星企业的示范作用，减少低位势对高位势的阻力作用，集群内企业逐步形成国际化学习知识场，该实体空间为集群企业提供能量、环境、知识转化工具和实体学习平台等；国际化学习知识场作为虚拟空间，提供汇集创新灵感，便于心智式知识和隐性知识传播，缩短知识源头与归宿主体之间物理距离、心智距离与知识传播半径等平台，使动态学习能力得以提升。

集群企业国际化动态学习能力能级分析

集群企业发展经历本地化阶段、区际化阶段和国际化阶段，其中国际化阶段是集群企业的最终归宿。到达国际化阶段需要本源（愿景）、外源（需求）和本质（能力）的共同作用。集群企业国际化动态学习能力的提升（简称激发态）不能一蹴而就，通过初步形成阶段（简称基态）、步入轨迹阶段（简称受微扰态）实现的。经历的不同阶段是自组织过程的结果，具有不同能级，自组织机制决定动态学习能力不同阶段的能级。

本地化集群企业具有开放性、远离平衡态特征，基于协作和竞争产生的非线性相互作用，因避免静态优势刚性、加之区际间吸引这一微小涨落，集群企业进入自组织产生状态，对应动态学习能力形成阶段（基态），处于N=1能级。受随机扰动因素的影响，集群内部拥有国际化愿望和需求的领先企业先实施国际化战略，进入混沌边缘，即自组织临界状态，是系统行为或结构发生急剧变化的区域，该区域既有稳定性，又有创造性，因此又称为“混沌的边缘”。系统能够迅速适应和协调复杂行为，有效地建立适合所处环境的模式（罗文军、顾宝，2006）。其对应的是轨迹阶段（受微扰态），动态学习能力处于N=2能级。在控制参量、巨涨落、蝴蝶效应和役使原理的作用下，系统产生歧化和突变，经突发性和跳跃性反应产生新的状态，集群内部具有国际化愿望、需求和能力的企业与目标国集群企业形成国际化知识学习场，受场力的作用，再次进入歧化和突变状态，对应提升阶段（激发态），动态学习能力处于N=3能级。提升阶段后，集群企业自催化和集群内交叉催化，进入维持鲁棒性状态，提高抗干扰和免疫学习能力（齐德芬等，2008），处于准稳定状态，即N＞3能级。

集群企业国际化动态学习能力跃迁模型及条件

集群内企业和企业之间由社会关系网络和互信互惠沉淀的社会资本，使其处于相互吸引状态，该状态类似于卢瑟福原子模型。集群内拥有高位势知识的核心企业率先实施国际化战略，类似带正电的原子核，低位势知识企业类似带负电的电子，原子核与电子相互吸引。在此基础上，提升集群企业动态学习能力，多个企业之间的共同协作和分工，形成错综复杂和缠绕的类似物理学中的“量子纠缠状态”。

“量子纠缠”是指不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象。量子纠缠关系体现在一个企业的变化会影响到其他企业，该变化是指企业间“量子态”的变化。产业链中的“量子态”是指企业拥有的“隐性知识”状态。量子纠缠是实现物质量子信息的“隐性传输”，指将原粒子物理特性的信息发向远处另一个粒子，该粒子在接收信息后，成为原粒子的复制品。“隐性传输”表现在企业间有形产品、显性知识和隐性知识的传输（邵昶、李健，2007）。本文定义量子态是指集群企业国际化拥有的显性和隐性知识状态。量子纠缠是指集群企业经历本地化、区际化、国际化后状态变化对集群内其他企业的影响。量子态隐性传输是指集群企业借助集群特有的特性——社会关系网络延伸能力、社会资本沉淀能力、网络组织优势等，互相传递量子态携带的量子信息，即相互之间传递显性知识。知识尤其是异质类的隐性知识，是集群企业国际化动态学习能力提升的核心和宿源。集群企业量子纠缠的目的是借助一方状态影响另一方状态，在实施集群企业国际化进程中，隐性和显性知识高度融合，最终使显性知识隐性化，完成量子态隐性传输，使能级提升，即由形成状态阶段向提升状态阶段跃迁。

（一）集群企业国际化动态学习能力跃迁模型

图1为基于量子纠缠和量子跃迁的集群企业国际化动态学习能力跃迁模型。初始状态，本地化带正电的集群内核心企业和带负电的企业之间形成量子纠缠态，隐性传输同质类隐性和显性知识。本地化和异地集群内带正、负电的企业相互吸引协作，初步形成区际间联系，通过量子纠缠关系，隐性传输异质类知识和隐性知识，集群企业动态学习能力形成阶段，能力处于N=1能级（Ef）。为实施国际化战略，带正电的集群内领先企业产生国际化愿望，带动带负电的其他企业，在国际化需求的作用下，借助和国外集群企业之间类似松散式契约型的量子纠缠关系，隐性传输异质类国际化显性和隐性知识，步入轨迹阶段，克服静态优势刚性，能力跃迁到N=2能级（Ek）。集群企业借助自身与国外集群企业形成的具有鲁棒性能的“量子纠缠关系”积极融入国际化学习知识场中，跃迁到提升阶段，能力处于N=3能级（Em），集群企业国际化动态学习能力所处能级由N=2级向N=3级循序渐进跃迁。

（二）集群企业国际化动态学习能力跃迁条件

集群企业国际化动态学习能力跃迁表现在各阶段所处能级的跃迁，由低能级向高能级跃迁需要吸收一定能量来实现。能级的跃迁是循序渐进的，本文构建进入动态学习轨迹阶段所处能级Ek向能级Em跃迁的条件模型。

模型的前提假设：第一，集群内企业和企业之间具有量子纠缠关系，受到含时微扰H`（t）作用产生共振。第二，结合阶段特征，能力所处能级跃迁的含时微扰包括集群内企业和企业之间量子纠缠度、隐性传输量、隐性传输半径、能级和能级间拥有显隐性知识势差、国际化成长内外部环境、国际化能力、国际化需求和国际化愿望。第三，为普朗克常数。第四，外场角频率为ω，本文将其界定为含时微扰因素对能力能级跃迁和量子纠缠状态的影响；原子体系由能级Ek向能级Em跃迁的角频率为ωmk，本文将跃迁角频率定义为学习能力处于不同能级对应的量子纠缠度。第五，本文t代表国际化经验积累能力，hωmk表示能级跃迁需要吸收的能量，将此能量定义为能力提升所克服不同阶段所处能级拥有的显隐性知识势差需要能量，Wkm表示能级跃迁的概率。第六，其他变量均为中介变量，篇幅有限，不予说明。第七，本文假设Ek小于Em。

借鉴量子力学中，量子跃迁几率、黄金规则和共振跃迁模型（陈亚孚等，2006），本文构建的条件模型如下：

集群企业动态学习能力能级跃迁受到含时微扰作用：

（1）

当Ek＜Em时：

（2）

结论

由公式（1）可知，ω=+_ωmk时，即含时微扰因素对能力能级跃迁和量子纠缠状态的影响与能力处于不同能级对应的量子纠缠度相等且呈现相反数关系时，集群企业国际化动态学习能力所处能级共振跃迁概率最大，由于π，，Fmk为常量，共振跃迁几率数值最大与集群企业国际化经验积累能力t密切相关。因此，集群企业应在实施国际化战略前，提高集群企业国际化经验的积累能力，进而使集群企业国际化动态学习能力所处能级跃迁。由公式（2）可知，跃迁几率与有关，即集群企业国际化动态学习能力所处能级跃迁需要吸收能量（Ek＜Em），集群企业国际化动态学习能力不断攀升所克服集群企业国际化动态学习能力不同阶段所处能级拥有的显隐性知识势差需要能量。这种能量表现为技术创新需要能量。集群企业提高学习、消化、吸收和整合同质类、异质类国际化隐性知识和显性知识能力，使国际化显性知识内隐化，提高集群企业技术创新能力。

参考文献：

1.魏江，叶波.产业集群技术能力增长机理研究[J].科学管理研究，2003，21（1）

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4.齐德芬，田也壮，曹泽辉.随机扰动下激励系统的分岔与控制研究[J].中国管理科学，2008（16）

量子力学在化学中的应用范文第4篇

1.1 有机硅乳液聚合概述

有机硅高分子具有耐高温、耐低温、疏水、生理惰性等优良性能，在织物整理、化妆品、建筑等领域得到了广泛的应用。这些领域使用的有机硅高分子以水乳液的形式使用最为经济、方便和安全。水乳液若以硅油乳化来制备，则只能得到分子量小的有机硅乳液，分子量大的硅油因黏度太大而乳化困难，所得的乳液稳定性也不好。采用硅氧环体乳液开环聚合来制备聚硅氧烷乳液则可解决上述难题。

乳液聚合用于有机硅领域的时间比较晚，1959年Hyde等人首先发表了用长碳链季胺盐作为乳化剂的环状硅氧烷乳液聚合的专利。随后，Wenyenberg等人研究了八甲基环四硅氧烷（D4）在十二烷苯磺酸（DBSA）及其钠盐（Na-DBSA）作用下的阴离子乳液聚合反应。时至今日，对硅氧烷环体的乳液开环聚合的研究正兴起一股热潮，不断涌现出新的成果。

硅氧烷环体中硅原子电负性小，易为碱性物质进攻，氧的电负性大，易为酸性物质进攻，硅氧烷有50%的离子性，故硅氧烷环体可被酸或碱引发开环聚合。硅氧烷环体乳液开环聚合同其本体聚合一样，需要酸或碱催化，但它必须采用乳化剂，乳化剂的作用是把不溶的硅氧烷在水中分散成细微颗粒，在其表面进行聚合，聚合后又能把生成的高分子包围起来，使之不易凝聚，成为稳定的乳液。硅氧烷乳液聚合使用的乳化剂可分为三类：阴离子乳化剂，如十二烷基苯磺酸，其亲水的磺酸端基为活性阴离子；阳离子乳化剂，如十二烷基（二甲基）苄基溴化铵（DBDA），其亲水的季铵端基为活性阳离子；非离子乳化剂，比如十二烷基聚氧乙烯醚，它以其聚氧乙烯链为亲水链段。

根据环硅氧烷乳液聚合所用乳化剂不同，可分为阴离子乳液聚合和阳离子乳液聚合。阳离子乳液聚合采用碱催化，阴离子乳液聚合采用酸催化，酸、碱催化剂可从其乳化剂而来，阳离子乳液聚合通常用季胺盐和碱金属的氢氧化物配合，实际起催化作用的是季铵碱，十二烷基苯磺酸本身就是酸，可起乳化和催化作用，非离子乳化剂可稳定乳液，但不能起催化作用。阴离子乳液聚合同阳离子乳液聚合相比，其乳液稳定性要好的多，阳离子乳液聚合常伴有漂油发生而且固体含量不能太高，阴离子乳液聚合则没有漂油问题。

1.2 有机硅乳液研究的发展现状

有机硅乳液的制备方法主要有两类：硅油的机械乳化法和有机硅单体（D4）的乳液聚合法。其中乳液聚合法根据乳化剂性质的不同又分为阳离子乳液聚合法（如采用十二烷基二甲基苄基溴化铵为阳离子乳化剂）和阴离子乳液法（如采用十二烷基苯磺酸为乳化剂），相比较机械乳化法而言，乳液聚合法虽然在聚合结束后，乳液中还存有10%左右未反应的平衡单体，但该法能在很少乳化剂用量的情况下，制得高稳定、高分子量的乳液，使其应用性能大大提高，因此具有机械乳化法无法比拟的优势，近年来发展十分迅速。

自从1959年美国道康宁公司的Hyde首先申请环硅氧烷阳离子乳液聚合方法的专利以来，生产及技术发展迅速，相关的专利及技术文献大量涌现[1-5]，但与环硅氧烷阳离子乳液聚合直接相关的基础理论研究却相对缺乏，滞后于生产实践，这在相当程度上制约了该类有机硅材料的进一步发展。

1.2.1 国内有机硅乳液聚合的研究现状

国内较早展开环硅氧烷阳离子乳液聚合系统理论研究的是中科院的张兴华等人[6]，他们采用GC和GPC分别测定乳液聚合的转化率、分子量及分布、聚合物链浓度等数据，结果可见左图。从图中发现，分子量及分布、聚合物链浓度开始均随转化率而增长（分子量

 

：数均分子量，mol/g，：重均分子量，mol/g：聚合物链浓度，×10-3mol/L

及分布开始增长十分缓慢），但当转化率达到70%～80%时出现一个突变点，分子量及分布在此时突然急速憎加，而聚合物链浓度则突然减小。这一现象与一般自由基乳液聚合有本质的区别，也不同于一般的本体有机硅活性聚合。

对此现象，他们分析认为，乳胶粒界面是真正的乳液聚合反应场所（通过实验得到验证），而单体在催化剂作用下，首先在乳胶粒界面开环聚合，不断地生成短分子链的羟基聚硅氧烷，但此时由于界面乳化剂对端羟基的隔开作用，导致羟基聚硅氧烷之间的缩聚不明显，分子量增长不大。但当单体转化率达到75%后，随着端羟基浓度的进一步增加，界面上的乳化剂不足以隔开端羟基，使得端羟基的缩聚反应迅速进行，致使分子量及分布、聚合物链浓度发生突变。

浙江大学的詹晓力课题组[7，8]有机硅阳离子乳液聚合理论方面也做了大量地工作，他们用动态光散射法，跟踪聚合过程中的乳胶粒粒径及分布变化情况，发现环硅氧烷阳离子乳液聚合过程可分为：乳化、成核、单体珠滴消失、缩聚四个阶段，其中还涉及单体及乳化剂在珠滴-水相-乳胶粒之间的迁移问题。此外，他们还定性探讨了助乳化剂的溶解与扩散、乳化剂对单体液滴的覆盖程度、助乳化剂与乳化剂的协同作用、均质化强度等对成核方式和细乳液稳定性的影响。

马承银等人[9]研究则发现，环硅氧烷乳液聚合中，单体珠滴成核与胶束成核两种成核机理共存。而单体珠滴成核形成的大乳胶粒，是乳液不稳定的根本原因。

另外，国内的谢宏德、张先亮、黄英等人[10-12]也都对环硅氧烷阳离子乳液聚合进行过大量的理论研究，他们除了对乳液聚合的条件影响因素进行详细地讨论与分析，还进一步拓宽到考察极性偶联剂、非离子乳化剂等对反应速率、分子量及稳定性的影响。

但上述国内的研究一般均以张兴华提出的理论为基础进行定性讨论，最多根据具体情况对张的理论提出部分修正。而环硅氧烷阳离子乳液聚合中更深层次的理论问题，特别是机理动力学模型及模型参数研究则鲜见报道。

1.2.2 国外有机硅乳液聚合的研究现状

国外经过许多年的发展，从上个世纪九十年代开始，对环硅氧烷阳离子乳液聚合的理论研究有了质的飞跃，相继获得大量详尽的研究成果。

De Gunzbourg A等人[13]精确地检测了环硅氧烷阳离子乳液聚合过程中分子量及分布、转化率等数据随反应的变化规律，在此基础上根据机理及基元反应的分析，建立了分子量-时间、聚合物链浓度-时间、转化率-时间等动力学数学模型组：

 ， 

 ，

 

其中 ， , ， ，

并通过实验数据拟合得到链引发、链增长、端羟基缩聚等基元反应的表观速率常数及表观活化能。

Hemery P，Maisonier S等人[14-17]则利用SEC、MALDI-TOF-MS、29Si NMR、GC等现代精 确的分析检测手段，进一步研究了环硅氧烷阳离子乳液聚合的理论问题，获得大量有价值的成果：

① 乳液聚合的场所在乳胶粒界面，但分子链增长到一个临界聚合度（ DPcrt ），就失去了吸附在界面的活性，从而进入乳胶粒内部，停止链增长。而且该临界聚合度可以通过测量聚合物的接触角来直接预测。

② 活性中心与水之间的链转移速率极快，与单体聚合相比，可以认为是瞬间完成；聚合过程中活性中心浓度比未引发催化剂浓度少几个数量级。

③ 乳胶粒界面水的浓度极小，端羟基缩聚反应热较本体缩聚为大，而活化能则相差不多。

④ 由于在乳胶粒界面的庞大的催化剂反离子的空间效应，使得活性中心“回咬”困难，从而大环体的平衡浓度远小于以前的热力学计算结果。

1.3 本课题的提出

有机硅乳液的制备方法主要有两类：硅油的机械乳化法和有机硅单体（D4）的乳液聚合法。其中乳液聚合法根据乳化剂性质的不同又分为阳离子乳液聚合法（如采用十二烷基二甲基苄基溴化铵为阳离子乳化剂）和阴离子乳液法（如采用十二烷基苯磺酸为乳化剂），相比较机械乳化法而言，乳液聚合法虽然在聚合结束后，乳液中还存有10%左右未反应的平衡单体，但该法能在很少乳化剂用量的情况下，制得高稳定、高分子量的乳液，使其应用性能大大提高，因此具有机械乳化法无法比拟的优势，近年来发展十分迅速。

在此基础上，本研究将以八甲基环四硅氧烷（D4）为单体，KOH为催化剂，采用复合乳化剂进行环硅氧烷阳离子乳液聚合，并用重量法测定聚合产物的转化率。针对不同的反应条件，详细地研究该反应的动力学行为。为环硅氧烷阳离子乳液聚合的工程放大及生产控制奠定理论基础。

2  实验部分

2.1 主要原料和试剂

实验所需要的主要原料和试剂列于表2-1中。

表2-1 主要原料和试剂

名称                       级别             来源/生产商

八甲基环四硅氧烷（D4）     工业级      浙江传化股份有限公司

阳离子乳化剂（乳化剂1）   工业级       浙江传化股份有限公司

非离子乳化剂（乳化剂3）   工业级       浙江传化股份有限公司

TX-3                      工业极       浙江传化股份有限公司

TX-10                     工业级       浙江传化股份有限公司

AEO                       工业级       浙江传化股份有限公司

PEG-400                   工业级       浙江传化股份有限公司

XP-30                     工业级       浙江传化股份有限公司

XP-50                     工业级       浙江传化股份有限公司

XP-70                     工业级       浙江传化股份有限公司

XP-90                     工业级       浙江传化股份有限公司

催化剂（KOH）             分析纯       天津博迪化工有限公司

去离子水                   自制          浙江科技学院

2.2 主要仪器和设备 

表2-2 主要仪器和设备

名称                     规格/型号               数量

三口烧瓶                 250mL  磨口              1个

温度计                   0-100℃                  1支

电子恒速搅拌器           S-212                    1台

套式保温器               TC-15                    1台

电子天平                 TD10001B                 1台

2.3 实验流程和装置

环硅氧烷阳离子乳液聚合的工艺流程如图2-1所示。

具体步骤：在配有电子恒速搅拌器、温度计、电炉，硅油加热的250mL三口烧瓶中，加入乳化剂1、乳化剂2、乳化剂3、催化剂KOH（20%）、去离子水，在合适的温度下加热溶解，直至固体全部溶于水。然后加入D4，再升温至反应温度，进行反应，并定期取出样品进行转化率的测定。

      实验装置如图2-2所示。

 

图2-1 聚合工艺流程图

 

图2-2 实验装置图

2.4 样品测试

采用重量法测定转化率的数据，定时准确称取样品2~3g（精确到0.001g）在150±2℃恒温烘箱中焙烘3小时，取出后冷却、称重。将烘干的样品准确秤量，扣除乳化剂等其他不反应物质的重量，与原样品重量（也扣除不反应物质的重量）比，既为转化率。

3  结果与讨论

    动力学研究是深入理解化学反应的根本手段，为了进一步探讨环硅氧烷阳离子乳液聚合的反应机理本质，下面针对不同的反应条件，详细地研究该反应的动力学行为。

3.1阳离子乳化剂用量的影响

 

图1 阳离子乳化剂用量对反应的影响

在非离子乳化剂用量为2.9%，催化剂KOH用量为1%（均相对单体重量比），搅拌速率为250rpm，单体含量为34%，聚合温度为70℃的条件下，变化阳离子乳化剂用量（相对单体重量比），进行反应。全程测定转化率数据，经过计算处理，获得不同阳离子乳化剂用量下的动力学曲线，见图1所示。

从图中分析可知，随着阳离子乳化剂用量的增加，聚合反应速率也增加，一直达到6.9%后，再增加阳离子乳化剂的用量，聚合速率则下降。

这是由于环硅氧烷阳离子乳液聚合中，阳离子乳化剂既是乳化剂，而当它与催化剂KOH进行反应，生成季胺碱，从而又是环硅氧烷开环聚合的真正催化剂。

因此随着阳离子乳化剂用量的增加，季胺碱生成量相应增加，导致聚合速率提高。

但随着阳离子乳化剂浓度进一步提高，由季胺碱引发单体生成的活性中心的浓度达到一定程度，则可生成一种没有引发活性的络合结构，从而降低活性中心浓度，导致了聚合速率反而下降。

3.2 非离子乳化剂用量的影响

在阳离子离子乳化剂用量为6.9%，催化剂KOH用量为1%（均相对单体重量比），搅拌速率为250rpm，单体含量为34%，聚合温度为70℃的条件下，变化非离子乳化剂用量（相对单体重量比），进行反应。全程测定转化率数据，经过计算处理，获得不同非离子乳化剂用量下的动力学曲线，见图2所示。

从图中发现，随着非离子乳化剂用量的增加，聚合速率则单调地增加，分析认为，前人研究结果表明，乳胶粒界面是环硅氧烷乳液聚合的反应场所。而在聚合中随着非离子乳化剂用量增加，乳胶粒直径变细，乳胶粒比表面积增加，从而使得聚合场所面积增大，导致聚合速率增加。

 

图2 非离子乳化剂用量对反应的影响

3.3 KOH的影响

在阳离子离子乳化剂用量为6.9%，非离子乳化剂用量为2.9%（均相对单体重量比），搅拌速率为250rpm，单体含量为34%，聚合温度为70℃的条件下，变化催化剂KOH的用量（相对单体重量比），进行反应。全程测定转化率数据，经过计算处理，获得不同KOH用量下的动力学曲线，见图3所示。

 

图3 KOH用量对反应的影响

从图中分析可知，随着KOH用量增加，聚合速率增加，显然这是由于KOH是提供环硅氧烷阳离子乳液聚合活性中心—氢氧根离子的来源，因此KOH用量增加，活性中心浓度也增加，聚合速率提高。

但KOH用量增加到1.4%后，再增加，则聚合速率反而下降，这与3.1节中的情况一致，即活性中心浓度增加到一定程度后，则生成没有引发活性的络合结构，降低活性中心浓度，导致聚合速率下降。

3 .4 温度的影响

在阳离子离子乳化剂用量为6.9%，非离子乳化剂用量为2.9%，催化剂KOH用量为1%（均相对单体重量比），搅拌速率为250rpm，单体含量为34%的条件下，变化聚合温度进行反应。全程测定转化率数据，经过计算处理，获得不同聚合温度下的动力学曲线，见图4所示。

从图中知道，温度升高，聚合速率增加，而平衡转化率却不随着温度而变化，这证实环硅氧烷阳离子乳液开环聚合是个无放热效应的可逆平衡聚合反应。平衡转化率在86%左右。

 

图4 温度对反应的影响

3.5 搅拌速度的影响

 

图5 搅拌速度对反应的影响

在阳离子离子乳化剂用量为6.9%，非离子乳化剂用量为2.9%，催化剂KOH用量为1%（均相对单体重量比），单体含量为34%，聚合温度为70℃的条件下，变化搅拌速度进行反应。全程测定转化率数据，经过计算处理，获得不同聚合温度下的动力学曲线，见图5所示。

环硅氧烷阳离子乳液聚合是个非均相聚合，搅拌对乳胶粒的形成分散有根本的影响，而环硅氧烷阳离子乳液聚合中是单体液滴和胶束成核并存的一个体系，且乳胶粒界面又是聚合反应场所。因此，当搅拌速度增加，单体液滴直径减小，比表面积增大，聚合场所面积增加，从而导致聚合速率增大。但当搅拌速率过大时（图中的450rmp转速的曲线），由于乳液聚合体系发生不稳定，出现分层，所以聚合速率也有所下降。

3.6 水油比的影响

在阳离子离子乳化剂用量为6.9%，非离子乳化剂用量为2.9%，催化剂KOH用量为1%（均相对单体重量比），搅拌速率为250rpm，聚合温度为70℃的条件下，变化水油比（单体的含量）进行反应。全程测定转化率数据，经过计算处理，获得不同聚合温度下的动力学曲线，见图6所示。

 

图6 水油比对反应的影响

   从图中发现，水油比的变化，并没有对聚合速率产生本质的影响。

4总结与展望

4.1 总结

本研究以八甲基环四硅氧烷（D4）为单体，KOH为催化剂，采用复合乳化剂进行环硅氧烷阳离子乳液聚合，并用重量法测定聚合产物的转化率，详细地研究该反应在各聚合条件下的动力学行为。

经研究发现：

1. 随着非离子乳化剂用量的增加，聚合速率单调地增加；

2. 随着温度升高，聚合速率增加，而平衡转化率却不随着温度而变化；

3. 水油比的变化，并没有对聚合速率产生本质的影响；

4. 随着阳离子乳化剂用量增加，聚合反应速率也增加，一直达到6.9%后，再增加阳离子乳化剂的用量，聚合速率则下降；

5. 随着KOH用量增加，聚合速率增加，但当KOH用量增加到1.4%后，再增加，则聚合速率反而下降；

6. 随着搅拌速度增加，聚合速率增大，但当搅拌速率过大时（图中的450rmp转速的曲线），由于乳液聚合体系发生不稳定，出现分层，所以聚合速率也有所下降。

4.2 展望

本文对各聚合条件下的环硅氧烷阳离子乳液聚合动力学行为进行了详细的研究。但环硅氧烷阳离子乳液聚合中更深层次的理论问题，特别是机理动力学模型及模型参数的研究还有待继续进行，以便能直接预测聚合过程中的动力学行为，并进一步揭示聚合反应的内在规律。

致  谢

在毕业设计即将划上句号之际，我衷心地感谢在此期间给了我帮助的老师、同学和朋友们。

首先，非常感谢我的指导老师周安安老师。从开始进入课题到论文的顺利完成，周老师始终既细心又耐心地教导着我，并给予了我很大的支持。周老师除了在实践环节给予我指导外，还时常跟我们分享他生活中的经验与教训，并以过来人的身分给我们指点迷津，使我了解了一些以后学习、工作与生活中需要注意的问题。在此，我向周老师致以最真诚的谢意！

其次，感谢朱春凤、孙小英等任课老师，是他们对我的教育培养让我为这次毕业设计准备了扎实的理论知识。

最后，我还要感谢我的搭档和同一实验室的其他同学，大家互相探讨，互相帮助，所以我的毕业论文才能够如期完成。

请大家接受我真心的感谢！

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量子力学在化学中的应用范文第5篇

2013年诺贝尔化学奖就授予了三位在计算化学领域做出突出贡献的科学家，他们分别是美国理论化学家马丁・卡普拉斯、美国生物物理学家迈克尔・莱维特和化学家亚利耶・瓦谢尔。

谁来演绎化学反应？

世间万物的基本组成是分子、原子或离子。在物质发生化学反应时，分子、原子或离子之间的化学键会断裂，原子、原子团或离子重新组合成新的物质。

那么，如何直观地表述这些化学反应的过程呢？

除了符号化的化学反应方程式外，化学家还采用模型来描述。物质的化学模型常用棍和球来表示，棍代表化学键，球代表原子或离子。化学键本质上是一种电磁力，因此球棍模型建立的基础是经典物理学。

用球棍模型研究简单物质的化学反应比较有效，比如水分解成氢气和氧气。可是，如果换成复杂物质，这种办法就比较艰难了，比如复杂的光合作用。

既然如此，那么用理论的方法行不行呢？

按照这个思路，化学家们引入了量子理论，因为量子理论能更好地解释微观世界中基本粒子的活动规律。化学反应涉及电子转移与重组，而电子既可以是粒子，同时也可以是波，所以电子的状态可以用量子力学来处理。

想法有了，可是做起来依然不现实，因为引入量子物理学后计算量惊人，靠人工计算简直是难以完成的任务。直到计算机发明，人们才看到了曙光。

计算机大显神威

二十世纪六七十年代，在老百姓还不知道计算机为何物时，一些科学家已经开始使唤这个好帮手了。在化学研究中，计算机更是帮了大忙。卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔是利用这项新技术进行科学研究的先行者。

二十世纪七十年代初，卡普拉斯便开发出一套用量子物理方法模拟化学反应的电脑程序，为复杂的化学反应设计了多尺度模型。

而在千里之外的以色列，瓦谢尔在读博士期间与莱维特合作，也开发出了一套电脑程序，使所有分子建模成为可能。博士毕业后，瓦谢尔加入到卡普拉斯的团队。他们合作开发出一套新的程序，用于对化学反应中不同的电子进行不同种类的计算。

卡普拉斯的研究从视网膜开始。

眼睛视网膜的分子中存在一些自由电子。当光照射到视网膜上时，这些自由电子就能够获得能量，改变分子的结构，这是人类形成视觉的初级阶段。卡普拉斯和瓦谢尔成功建立了视网膜的电脑模型，开发了一套电脑程序：当计算自由电子时，使用量子物理的方法，在涉及其他的电子和原子核的计算时，则使用更为简单的经典物理学方法。因此，他们的研究方法被人们称为“多尺度模型”。

1972年，二人的研究成果，多尺度复杂化学系统模型的出现，翻开了化学史的“新篇章”。

现在，用计算机模拟化学反应已经成为一个分支学科，名为“计算化学”。如今，发展迅猛、能力超群的计算机已经成为量子化学计算最得力的辅助工具。

计算化学改善生活

你可能会想，诺贝尔奖是最高级别的科学大奖，那些深奥的理论和发明跟我们的日常生活是不是太远了呢？

其实，这样的想法是不准确的。我们不妨看看这次获奖的成果吧。

对化学家来说，计算机已经和试管一样重要。通过计算机模拟，化学家能更快获得比传统实验更精准的预测结果。

比如，计算化学可以更好地理解复杂化学反应的机制，给我们的生产和生活带来实惠。举个例子，研究健康细胞转化为癌细胞的过程，可以知晓是哪些生物大分子产生了什么样的变异，就可以开发出针对性较强的药物。

再比如，计算化学可以为合成新物质提供线索和指明方向。过去，化学家合成所需新物质的方法只能是不断尝试，用不同物质多次交叉尝试，最终找到合适的原料。这样的方法费时费力，又浪费资源。有了计算机后，化学家就可以先用计算机进行模拟实验，排除不可能的反应路径，找到最有可能的路径。

你看，深奥的科技其实离我们不远。

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量子力学在化学中的应用范文第6篇

唯一令人欣慰的是，这些奇怪的量子行为对我们所知的宏观世界并没有什么影响。在我们的世界里，一统天下的是牛顿经典物理学。

至少，几年前科学家还是这样想的。

现在，一度被认为可靠的认知开始分崩离析了。量子过程或许没有我们想象得那样遥不可及。恰恰相反，它们或许在一些我们非常熟悉的过程中发挥着作用，从给植物提供能量并最终给我们供给能量的光合作用，到鸟类的季节性迁徙。量子物理学甚至参与了我们的嗅觉。

实际上，量子效应或许正是自然界用来改进生命功能的许多手段之一，让我们的身体运转得更加流畅。在奇怪的量子世界的帮助下，我们甚至可以完成更多的事。

光合作用的过程看上去实在是过于轻松了。

从某种层面上来看，光合作用显得十分简单：植物、绿藻和某些细菌利用阳光和二氧化碳合成能量。然而，一直困扰生物学家的是，光合作用的过程看上去实在是过于轻松了。

科学家尤其对其中光能―化学能的转化过程感到困惑。光子穿越数十亿千米的空间，与窗外叶片中的电子发生碰撞。电子受到能量刺激，开始像弹力球一样来回撞击。它穿过叶片细胞中的一个狭小空间，把多余的能量传递给植物中作为能量货币的分子。

问题在于，这个微型的弹力球机器的运转过于良好。经典物理学认为，由于不规则运动，激发态电子穿越细胞需要花费一定时间。但实际上，这一过程要快得多。

此外，激发态电子在这一过程中几乎不会损失能量，而经典物理学认为电子在这个微型弹力球系统中来回碰撞会消耗一定能量。事实上，这一过程过于迅速、过于顺利、过于高效了，理想到不像是真的。

2007年，研究光合作用的学者开始看到曙光。科学家在光合作用的分子中心发现了量子效应的痕迹，而且电子运动的明显特征揭示，量子效应可能在光合作用中扮演着重要的生物学角色。

这很可能是电子快速高效地通过光合作用系统的部分机制！量子效应的特性之一就是同时出现在多个地方――这一特性被称为量子态叠加。利用这一特性，电子可以在光合作用系统中同时存在于多条路线上。这样一来，它就可以在瞬间找到一条最短、最高效的路径，将碰撞的耗能降到最低。

量子物理学或许可以解释为什么光合作用的效率高到难以置信。

“我觉得，这就是那种人们开始意识到有什么激动人心的事情正在上演的时刻。”德国乌尔姆大学的量子物理学教授苏珊娜・赫尔佳说。

在此之前，叠加态这样的量子现象只有在高度控制的实验条件下才能看到。观察量子效应的典型实验条件包括将材料温度降至接近绝对零度，以减弱可能湮灭量子行为的其他原子活动。而且，即使在这样的温度条件下，材料仍然必须被隔绝在真空里，并且量子行为仍然微弱到只有用极其精密敏感的仪器才能检测到。

在我们看来，活细胞内部潮湿、温暖和忙碌的环境是最不可能出现量子事件的。“但即使是在这样的环境里，量子特性仍然活跃着。”赫尔佳说，“当然，活细胞中意外地存在着量子特性，并不代表这些特性扮演着有用角色。虽然有理论解释量子态叠加如何让光合作用加速，但是这一量子行为和生物学过程之间的联系还缺乏确凿证据。接下来的研究应该着眼于获得一些量子力学的证据，来说明进行光合作用的生物机器如此高效正是因为量子现象。”

生物学中的量子效应或许可以解释鸟类在迁徙时是如何确定飞行方向的。

生物学中的量子效应很可能会为延续至今的另一个科学之谜提供答案：鸟类在迁徙时是如何确定飞行方向的。

鸟类迁徙，例如欧洲知更鸟，总是跨越数千千米的距离，飞到欧洲南部或者非洲北部越冬。如果没有指南针，这样陌生的旅途不仅危险，甚至根本不可能。如果飞错了方向，来自波兰的知更鸟就很可能要在西伯利亚，而不是在摩洛哥过冬了。

我们很难想象生物指南针是什么样的。如果知更鸟脑中或者眼睛里具有微型针状磁性结构，生物学家一定已经找到了。但事实并非如此：承担这一功能的生物构造目前仍然是未知的。

20世纪70年代出现了另一种替代性的理论，指出鸟类很可能是通过依赖量子现象的化学指南针来辨别南北的。

英国牛津大学的化学家彼得・霍尔说，在自由基这种携带可激发单电子的分子以及被称为自旋的量子特性的帮助下，化学指南针可以发挥作用。

分子中的电子通常是成对出现的，具有相反的自旋方向，可以相互抵消。这意味着它可以自由地跟环境相互作用，包括磁场。

霍尔说，事实证明，知更鸟会因为某一特殊波段的无线电波的干扰而暂时丧失方向感，而无线电波就是一种电磁波。如果无线电波的频率恰好和电子自旋的频率相同，就会造成电子共振。这种共振和你在洗澡时哼小曲出现的情况差不多，有些音符听上去会比其他音符更加饱满。恰当的无线电波频率会让电子振动得更加激烈。

但无线电波和鸟类使用化学指南针导航又有什么关系呢？理论上讲，鸟类眼睛后方的自由基会对地球磁场产生反应，导致电子离开其在化学指南针中的原有位置，启动一系列化学反应，生成某种特殊的化学物质。只要鸟沿着相同的方向飞，这种化学物质就会不断聚集。

因此，这种化学物质的含量就是信息的来源，在鸟类神经细胞中产生信号。作为环境线索的一部分，这一信息将告诉鸟它是在飞往西伯利亚还是摩洛哥。

对无线电波的观察十分重要，因为能够干涉电子自旋的因素，至少从理论上讲也会干扰化学指南针。有时候，研究某种东西为什么失效，和研究某种东西为什么有效同样有用。

即使如此，量子指南针也只停留在想法上，还没有在自然界中找到。目前，霍尔专注于利用理论上讲应该受无线电波影响的分子来确定量子指南针的工作原理。

“我们用模式分子做了实验，以确定化学指南针的形成原理。”霍尔说，“这些实验帮助锁定了一些看上去适合检测磁场的分子，但是我们不清楚这些分子在鸟类体细胞中的作用是不是完全相同。”

霍尔认为，磁场指南针只是鸟类复杂的导航系统中的一部分，用来解释指南针工作方式的量子理论或许是目前的最佳答案。但要把鸟类行为模式和理论化学联系起来，还有大量工作要做。

我们的鼻子到底怎样分辨纷繁复杂、形态各异的气味分子？

有一个研究领域似乎更接近量子生物学的现实：嗅觉的科学。

我们的鼻子到底怎样分辨纷繁复杂、形态各异的气味分子，对传统嗅觉理论来说仍然是巨大挑战。当一个气味分子飘入鼻孔，没有人确切知道后面会发生什么。这个分子通过某种不明确的方式与鼻腔内皮肤上的感受器――也就是分子受体――进行了反应。

受过良好训练的人类的嗅觉可以分辨数千种不同的气味。但是这些气味信息是怎样携带在气味分子的形态上的，仍然是一个谜。许多分子的外形几乎完全相同，只不过改变了一两个原子，就可以拥有非常不同的气味。香草醛闻起来是香草味，而分子形状与其极为相似的丁香油酚闻起来却是丁香味。有些分子互为镜像（就像左右手），也具有不同的气味。但更令人奇怪的是，一些形状差异很大的分子闻起来几乎完全一样。

卢卡・图林是希腊亚历山大・弗莱明生物医学研究所的化学家，他正致力破解分子编码气味的特性。“嗅觉本质的独特之处在于，我们分析气味分子和原子的能力，与目前已知的分子识别机制不一致。”他说，“分子形状不是决定气味的唯一因素，分子中化学键的量子特性才提供了关键信息。”

根据图林的嗅觉量子理论，当气味分子进入鼻腔与受体结合时，会导致受体产生一种叫作“量子隧穿”的过程。

量子隧穿效应产生时，电子可以从材料的A点跳跃到B点，就好像绕过了两点之间的所有区域。与鸟类的量子指南针类似，关键因素在于共振。图林说，气味分子中的某个特别的化学键可以与相匹配的能量共振，帮助电子从受体分子的一端跳跃到另一端。

当电子跳跃到受体的另一个位点时，可以触发一系列反应，最终使大脑接收到受体接触到了某种特别分子的信号。图林说，这就是分子具有特定气味的关键，而这一过程从本质上讲是量子的。

“嗅觉需要一种有关分子实际化学成分的机制，”他说，“正因为这一点，量子隧穿是非常自然的解释。”

这一理论有一个强有力的证据。图林发现，即便是两个形状差异很大的分子，如果它们包含能量相似的化学键，闻起来就可能是一样的。

比如硼烷。这种非常罕见且难以获得的化合物闻起来就像硫黄，但是，硼烷跟硫的化学差异非常大，实际上两者没有任何联系。它们之间唯一的共性就是振动频率。而在自然界中，也只有这两种物质闻起来是一样的。

虽然这个发现对嗅觉量子理论来说是巨大的成功，但仍然不是最终的证据，图林希望能够捕捉到受体正在利用量子现象的瞬间。他说他们已经“非常接近”成功了。“我不想说出来坏了运气，但是我们正在朝这方面努力。”他说，“我们找到了一种实验方法，所以在将来几个月里我们一定会试一试。我认为推进这项研究的关键就在这里了。”

不管自然界是不是已经抢先一步， 都有必要把生物学和量子物理学结合起来发展新技术。

无论自然界是不是真的进化出了可以利用量子现象帮助生物体将光能转化为化学能、辨别方向，或者区分香草和丁香的气味的功能结构，原子世界的奇怪特性仍然可以向我们揭示很多活细胞的精细功能。

量子力学在化学中的应用范文第7篇

【关键词】高考化学 试题分析

【中图分类号】G【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2015）09B-0113-04

2015年全国高考考试大纲指出：“化学科考试，为了有利于选拔具有学习潜能和创新精神的考生，以能力测试为主导，将在测试考生进一步学习所必需的知识、技能和方法的基础上，全面检测考生的化学科学素养。”如今高考落下帷幕了，化学科考试是否体现了考试大纲的精神？笔者对2015年广西理综化学试题（全国课标Ⅱ卷）进行了解答、分析、研究，通过与考试大纲对比，探寻化学科命题在考查考生学习能力、检测考生化学科学素养方面的体现。以下是笔者对试题在考查几个能力方面的研究结果。

一、对考生“接受、吸收、整合化学信息能力”的考查

考试大纲对考生“接受、吸收、整合化学信息的能力”表现在：“能够对中学化学基础知识融会贯通，有正确复述、再现、辨认的能力。能够通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察，以及对自然界、社会、生产、生活中的化学现象的观察，获取有关的感性知识和印象，并进行初步加工、吸收、有序存储的能力。能够从试题提供的新信息中，准确地提取实质性内容，并经与已有知识块整合，重组为新知识块的能力。”

例1 （ 2015年全国课标Ⅱ卷第8题）某羧酸酯的分子式为C18H26O5，1 mol该酯完全水解可得到1 mol羧酸和2 mol乙醇，该羧酸的分子式为

A.C14H18O5 B.C14H16O4 C.C16H22O5 D.C16H20O5

解答本题，考生需要再现原有知识，然后运用比较与类比的思维方法。比较，就是对照各个事物，找出它们的共同点和差异之处，从而确定事物的特殊属性和一般属性。本题考生需要再现的知识是：“CH3COOCH2CH3+H2OCH3COOH+CH3CH2OH”，由反应知1 mol乙酸乙酯水解得到1 mol乙酸和1 mol乙醇，而本题中1 mol该酯完全水解可得到1 mol羧酸和2 mol乙醇，通过比较发现该酯分子中应该含有2个酯基，因此有2分子水参加反应，即C18H26O5+2H2O羧酸+2C2H6O。再根据原子守恒推知该羧酸的分子式中碳原子个数是18-2×2=14，氢原子个数是26+4-2×6=18，氧原子个数是5+2-2×1=5，即确定分子式为C14H18O5。本题考查考生对化学基础知识的融会贯通及灵活运用的能力。

例2 （2015年全国课标Ⅱ卷第12题）海水开发利用的部分过程如图所示。下列说法错误的是

A.向苦卤中通入Cl2是为了提取溴

B.粗盐可采用除杂和重结晶等过程提纯

C.工业生产中常选用NaOH作为沉淀剂

D.富集溴一般先用空气和水蒸气吹出单质溴，再用SO2 将其还原吸收

这是一道考查考生通过观察流程图，获取有关知识并进行初步加工、吸收、运用的能力。氯气具有强氧化性，向苦卤中通氯气是把溴离子氧化为单质溴，是为了提取溴，因此A正确。粗盐的提纯，考生可通过再现课本知识进行判断，粗盐可用除杂和重结晶等进行提纯，B选项正确。工业生产中，对可溶性金属离子的除去，常选用较为经济的熟石灰作为沉淀剂，而不选用用氢氧化钠，故C错误。富集溴一般先用空气和水蒸汽吹出单质溴，再用SO2将其还原吸收，D正确。本题易错点为D选项，出错原因就是考生对工业生产不了解，只知道NaOH能将Mg2+沉淀下来，而不从经济角度思考问题，同时对溴单质的吸收方法不了解因而造成错选。

通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察、加工、吸收来解答问题，是2015年全国高考理综化学试题（课标Ⅱ）的突出特点。全卷图表、流程图、装置图共有12化学信息的能力方面得到了充分体现。

例3 （ 2015年全国课标Ⅱ卷第27题）甲醇既是重要的化工原料，又可作为燃料，利用合成气（主要成分为CO、CO2和H2）在催化剂作用下合成甲醇，发生的主要反应如下：

①CO（g）+2H2（g） CH3OH（g） H1

②CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） H2

③CO2（g）+H2（g） CO（g）+H2O（g） H3

回答下列问题：

（1）已知反应①中相关的化学键键能数据如下：

化学键 H―H C―O C=O H―O C―H

E/（kJ・mol-1） 436 343 1076 465 413

由此计算H1= kJ・mol-1；已知H2=-58 kJ・mol-1，则H3= kJ・mol-1。

（2）反应①的化学平衡常数K表达式为 ；图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为 （填曲线标记字母），其判断理由是 。

（3）组成n（H2）/n（CO+CO2）=2.6时，体系中的CO平衡转化率（a）温度和压强的关系如图2所示。a（CO）值随温度升高而__________（填“增大”或“缩小”）其原因是___________________；图2中的压强由大到小为______________，其判断理由是_______________________________。

本题对化学原理知识进行综合考察，包括盖斯定律、H的计算、化学平衡常数、根据图像判断化学平衡有关问题。题目以工业合成甲醇为背景，从中挖掘与化学原理相关的知识，并设计成问题，使这些问题成为逻辑整体。考生需要从问题中发现所涉及的知识，并用这些知识来分析和解决相应的问题。

解答本题时考生要有抽象与概括的能力。抽象就是将事物的本质属性抽取出来，舍弃事物的非本质属性。概括就是将抽取出来的本质属性综合起来，并推广到同类事物中去。考生要能从问题情境中读懂要考查的知识点，然后用概括思维方法解决相应的问题。

本题中的（1）是考查反应热的计算，题目给的信息有三道热化学方程式、反应①的化学键键能数据。根据这些信息考生要能概括计算反应热的方法，H1是利用化学键键能数据进行计算，即反应热等于断键吸收的能量与形成化学键所放出的能量的差值，H3是根据盖斯定律进行计算。（2）考查化学平衡常数表达式及其随温度的变化。题目提供的信息有反应方程式、平衡常数随温度变化曲线图。考生需要根据化学反应方程式书写化学平衡常数表达式，根据化学反应特点――正反应是放热反应，判断升高温度平衡向逆反应方向移动，所以平衡常数减小。（3）考查转化率与温度、压强的关系。考生需要结合三道热化学反应方程式的特点进行分析，在体系气体物质的量比固定的情况下，升高温度时，反应①为放热反应，平衡向左移动，使得体系中CO的量增大，反应③为吸热反应，平衡向右移动，又产生CO，CO物质的量增大，总结果随温度升高，使CO的转化率降低。相同温度下，由于反应①为气体分子数减小的反应，加压有利于提高CO的转化率，而反应③为气体分子数不变的反应，产生CO的量不受压强影响，故增大压强时，有利于CO的转化率升高，因而可判断压强大小关系：p3>p2>p1。

二、对考生“分析问题和解决（解答）化学问题能力”的考查

考试大纲对考生“分析问题和解决（解答）化学问题能力”表现在：“能够将实际问题分解，通过运用相关知识，采用分析、综合的方法，解决简单化学问题的能力。能够将分析解决问题的过程和成果，用正确的化学术语及文字、图表、模型、图形等表达并做出解释的能力。”

例4 （2015年全国课标Ⅱ卷第26题）酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是有碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。有关数据如下表。

溶解度/（g/100g水）

温度/℃

化合物 0 20 40 60 80 100

NH4Cl 29.3 37.2 45.8 55.3 65.6 77.3

ZnCl2 343 395 452 488 541 614

化合物 Zn（OH）2 Fe（OH）2 Fe（OH）3

Ksp近似值 10-17 10-17 10-39

回答下列问题：

（1）该电池的正极反应式为_________________，电池反应的离子方程式为___________________。

（2）维持电流强度为0.5A，电池工作5分钟，理论上消耗锌________g。（已知F=96500C・mol-1）

（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl，二者可通过_____分离回收；滤渣的主要成分是MnO2、_______和_______，欲从中得到较纯的MnO2，最简便的方法为_________，其原理是_________。

（4）用废电池的锌皮制备ZnSO4・7H2O的过程中，需除去锌皮中的少量杂质铁，其方法是：加稀H2SO4和H2O2溶解，铁变为______，加碱调节至pH为_______时，铁刚好沉淀完全（离子浓度小于1×10-5mol・L-1时，即可认为该离子沉淀完全）；继续加碱至pH为_____时，锌开始沉淀（假定Zn2+浓度为0.1 mol・L-1）。若上述过程不加H2O2后果是_______________________，原因是__________________________________。

解答本题需要考生具备较强的分析综合能力。分析与综合是最基本的思维方法，是其他思维加工方式或方法的基础。分析用于把握事物的基本结构、属性和特征，就是把客观事物分解为各个部分，分别加以研究。常用的分析方法有定性分析、定量分析、结构分析、信息分析以及流程分析。综合就是把对事物各个部分、侧面或属性等统一为整体的思维方法，旨在从整体上把握事物的本质和规律。

（1）是一次电池的问题。教材中的原型一次电池是碱性锌锰电池，考生应该利用原有知识对酸性锌锰干电池进行分析：其外壳为金属锌，锌是负极，因此电极反应式为Zn-2e-=Zn2+。中间是碳棒，碳棒是正极，二氧化锰得到电子，则正极电极反应式为MnO2+e-+H+=MnOOH，总反应式为Zn+2MnO2+H+=Zn2++2MnOOH。这样考生就能用正确的化学术语表达解决问题的成果。

（2）是学科间的相互渗透。解决问题需要物理学知识，维持电流强度为0.5A，电池工作5分钟，根据，则通过的电量Q是150C，因此通过电子的物质的量是mol，锌在反应中失去2个电子，则理论消耗锌的质量是=0.05g。

（3）是关于实验设计问题。根据试题提供的溶解度数据分析可知，氯化锌的溶解度受温度影响较大，因此两者可以通过蒸发浓缩、冷却结晶实现分离。滤渣的主要成分是二氧化锰、碳粉、MnOOH。由于碳燃烧生成CO2，MnOOH能被氧化为二氧化锰，所以欲从中得到较纯的二氧化锰，最简便的方法是灼烧。

（4）是关于反应原理的计算。解答本题不仅需要化学知识，考生的数学解答能力也显得非常重要。在计算使铁离子完全沉淀需调节溶液pH时，考生不难列出计算式c（Fe3+）・c（OH-）=10-39，c（OH-）==10-34，若按c（OH-）=进行解答将难以计算。这就需要考生能进行算式变形 c（OH-）=，因此c（H+）=，故pH=-lg=，这样就能得出本题答案。判断如果不加双氧水造成的后果，是关于实验的评价问题，根据试题提供的溶度积数据可判断出结果。总之本题很好地考查了考生的“分析问题和解决（解答）化学问题能力”。

三、对考生“化学实验与探究能力”的考查

考试大纲对考生“化学实验与探究能力”的要求表现在：“了解并初步实践化学实验研究的一般过程，掌握化学实验的基本方法和技能。在解决简单化学问题的过程中，运用科学的方法，初步了解化学变化规律，并对化学现象提出科学合理的解释。”2015年广西理综化学试题（全国课标Ⅱ卷）考查考生实验能力的试题有第13题，第26题的（3），第28题（2）的③及（3）（4）。这些试题突出对考生实验基本操作技能的考查，凸显化学是一门以实验为基础的学科特点。试题通过创设真实的实验情景，考查对实验原理的理解，实验现象的预测，物质的除杂、分离、提纯，试剂的选择等化学实验问题。

例5 （2015年全国课标Ⅱ卷第28题）二氧化氯（ClO2，黄绿色易溶于水的气体）是高效、低毒的消毒剂。回答下列问题：

（1）工业上可用KClO3与Na2SO3在H2SO4存在下制得ClO2，该反应氧化剂与还原剂物质的量之比为________。

（2）实验室用NH4Cl、盐酸、NaClO2（亚氯酸钠）为原料，通过以下过程制备ClO2。

①电解时发生反应的化学方程式为____________。②溶液X中大量存在的阴离子有______________。

③除去ClO2中的NH3可选用的试剂是__________（填标号）。

a.水 b.碱石灰 c.浓硫酸 d.饱和食盐水

（3）用下图装置可以测定混合气中ClO2 的含量。

I.在锥形瓶中加入足量的碘化钾，用50ml水溶解后，再加入3ml稀硫酸；

II.在玻璃液封装置中加入水，使液面没过玻璃液封管的管口；

III.将一定量的混合气体通入锥形瓶中吸收；

IV.将玻璃液封装置中的水倒入锥形瓶中；

V.用0.1000 mol・L-1硫代酸钠标准溶液滴定锥形瓶中的溶液（I2+2S2O32-=2I-+S4O62-），指示剂显示终点时共用去20.00 ml硫代酸钠溶液。

在此过程中：①锥形瓶内ClO2与碘化钾反应的离子方程式为_______________________。

②玻璃液封装置的作用是________________。

③ V中加入的指示剂通常为______________，滴定至终点的现象是_______________。

④测定混合器中ClO2的质量为______g。

（4）用ClO2处理过的饮用水会含有一定量的亚氯酸盐。若要除去超标的亚氯酸盐，下列物质最适宜的是________（填标号）。

a.明矾 b.碘化钾 c.盐酸 d.硫酸亚铁

本题是一道实验综合题，考生需要具备较强的推理判断能力。推理是由一个或几个已知的判断推导出一个未知结论的思维过程，其作用是从已知的知识得到未知的知识，特别是得到不可能通过感觉经验掌握的未知知识。解答（下转第118页）（上接第115页）（1）就需要运用氧化还原反应的知识进行推理，氯元素的化合价从+5价降低到+4价，得到1个电子，氯酸钾是氧化剂。S元素的化合价从+4价升到+6价，失去2个电子，亚硫酸钠是还原剂，则根据电子得失守恒可知该反应氧化剂与还原剂的物质的量比为2：1。

判断是人脑反映事物之间联系和关系的思维形式，就是肯定或否定某种事物的存在，或指明它是否有某种属性的思维过程。解答（2）时，根据流程图分析可判断电解时生成氢气和NCl3，则电解时发生反应的化学方程式为NH4Cl+2HCl3H2+NCl3。反应中有氨气生成，所以存在氢氧根离子。根据氯元素守恒，可判断溶液中还应该存在大量的氯离子。ClO2易溶于水，能与碱反应，所以除去ClO2中的NH3可选用的试剂是浓硫酸。

（3）是关于氧化还原反应滴定实验的综合考查。包括主要反应的离子方程式书写、仪器的作用、指示剂的使用、滴定终点的现象、ClO2含量的计算。考生必须具有扎实的实验基础，较强的推理判断能力，才能全面解答。该实验是利用ClO2的强氧化性，将I- 氧化成I2，再利用硫代酸钠标准溶液滴定锥形瓶中的溶液，进而求得ClO2的含量。

对（4）的解答要能够通过化合价分析，判断亚氯酸盐具有氧化性，因此若要除去超标的亚氯酸盐，最适宜的是硫酸亚铁，因为氧化产物铁离子能净水。

量子力学在化学中的应用范文第8篇

【关键词】电子测量　虚拟仪器　互动　开放

杰出科学家门捷列夫曾说“没有测量，就没有科学”。电子信息科学是现代科学技术的象征，它的三大支柱是：信息获取（测试/测量技术）、信息的传输技术（通信技术）、信息的处理技术（计算机技术），三者中信息的获取是首要的，因为测量是获取信息的重要手段，因此，国内外许多高校的许多工科专业，尤其是电子信息类专业，都把“电子测量”作为一门十分重要的技术基础课程。

电子测量是现代科学获取信息的重要手段，是从事现代电子科学研究的必备基础，也是培养学生实践动手能力的重要标志性课程。其特点是综合性强、实践性突出、应用面广泛、更新迅速。

电子测量包括测量仪器和测量理论两部分。当前电子测量仪器已经经历了由模拟仪器发展到数字仪器，又由数字仪器发展到智能仪器阶段；现在电子测量仪器的发展，主要呈现以下几个趋势：

1)量限扩大化趋势

2)集成化、模块化趋势

便携式仪器越来越多，使用者要求集成化、微型化，例如简单的数字温度计、湿度计等，成本低，可靠性高；仪器模块化，可以方便安装选件，可以方便升级，可以方便故障诊断和维修。

3)智能化趋势

具有很强的自校准、自诊断、自补偿功能；很强的存储、计算、报表输出功能；很好的用户界面，使用户很方便使用。

4)数字化趋势

无论高档还是低档仪器，数字化越来越普及。随着微电子技术的发展，数字电路的成本越来越低；随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器归纳成一个简单的公式：“仪器=AD/DA+CPU+软件”，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。

5)虚拟化趋势

虚拟仪器的构成：计算机+软件+硬件(用于解决信号的输入输出)

虚拟仪器的特点：性价比高，传统仪器贵，虚拟仪器便宜。传统仪器功能固定，虚拟仪器改变软件即改变了仪器，可根据使用的需求随心所欲地组成仪器。

6)网络化趋势

通过局域网或INTERNET来控制和使用电子仪器，使工程师远在千里之外仍能遥控仪器和获取结果。

7)跨专业多功能化趋势

一台仪器，可测量多种参数，具有多种用途，而且这些参数是跨越传统上我们认为是不同的计量专业的。好处是节约投资，节省空间，携带使用方便。

而测量理论也由经典测量理论发展到经典测量理论与现代测量方法相结合、传统的测量技术与最新的信息科学技术相结合的新时期下的新的测量理论：如误差理论与测试信息论的结合、测试与控制工程结合的测控技术、测试与计算机技术结合的自动测试系统技术、测试与软件和信息处理相结合的虚拟仪器、测试与通信和计算机网络结合的网络化测试技术等。同时，与其他相关课程内容（如模拟数字电路、信号和系统、微机原理和接口技术、通信与控制等）的处理上，充分体现出了本课程与其他课程内容的有机联系和综合应用。

然而现状却是：

1、测量课程的理论内容相对独立。在好多电信学生的心目中，测量课程是独立的，实验更是由于本课程的特点即与其他课程内容的有机联系和综合应用，使得学生容易产生误觉，好象在重复其它课程的实验，无太大新意，而变得好象索然无味，使得本课程成为了一门抽象难懂、深不可测、高不可攀、望而却步的“难学难用”课程了。而使得学生对此门课程兴趣不大或兴趣全无。其实不然，测试一直贯穿于学生的整个大学阶段。刚入校时所学的高数是测试技术的理论依据；计算机是现代测试的重要工具；电路、低频电路、高频电路就是讲解的测试电路；信号与系统、数字信号处理、信息论与编码讲解的就是测试原理。也就是说学生的知识不应是孤立的，而应有机的联系成一体。

2、学时数日渐减少，与其在电信专业里的重要性不相符合。一般高校的测试技术在非电信专业大概就是30―40学时之间，在电信专业为30―60学时之间（还包括实践教学），实验学时就更少的可怜了，对于学生的理论知识的掌握和实践上的应用及创新思维和能力的培养远远不够。

3、随着高校教学改革的深入，虽然每个院校都购入了一些测量仪器，但跟扩招的学生数相比，却还是不够，当然这也与每个学校办学经费紧张有关，但毕竟对于提高学生动手能力和将隐性知识变为显性知识颇为不利。

4、实验孤立，与实际应用之间的联系好象不大。现有的测试技术的实验不外乎是一些测试仪器的使用，非常片面。其实测试技术应该贯穿于整个电信专业的实践当中。在电路实践中反应的是实验仪器的使用；在低频电路、高频电路的实践中反应的是实验电路；在信号、电子测量、传感器中反应的是实验原理；在大学生课外科技活动、电子设计大赛、数学建模、毕业设计中反应的是其综合应用。即其实验的体系结构应以实验仪器为基础、以测量方法为线索、以误差分析来提升、以实际应用为归宿。

故而要优化电子测量的实验教学，必须从现有的这些问题入手，提出相应的改革与整合方法，提高学生的学习兴趣，培养学生的综合能力。可以从以下几个方面入手：

1、研究电子测量实验可与其他课程实验的整合。

测量在电信工程专业中起着举足轻重的作用，并一直贯穿始终。无论是从高数、计算机基础到电路、低、高频电路，再到信号与系统、数字信号处理、信息论与编码；从微机原理、单片机到EDA、MATLAB、DSP、ARM，无不与测试技术相关。高数是测试技术的理论依据；测量电路与系统由各种电路、传感器和计算机构成；测量仪器的使用和测量电路的设计与调试过程中可利用一些计算机语言进行辅助设计和仿真。测量技术的讲解可以站在信号的高度上讲解，使得学生起点更高，更能充满信心的找到自己未来的人生目标。故而可将学生四年的实验课统一安排，统筹规划；先从实验仪器的基本使用，到应用实验仪器测量基本电路及其电参数，再到实验仪器的熟练使用、扩展使用；最后到自行选用实验仪器，计算参数，构成测量电路，设定实验步骤，完成各种任务。这样即可合理安排学时，避开学时压缩对课程带来的不利影响；又可避免重复劳动所带来的厌倦心理；还方便开设一些综合性课题。

2、提高学生的学习兴趣。