金庸小說(shuō)里有句話說(shuō)的霸氣：“武林至尊，寶刀屠龍，號(hào)令天下，莫敢不從“，霸道的說(shuō)出了屠龍寶刀神擋殺神佛擋殺佛的威猛。而在化學(xué)ia中，無(wú)堅(jiān)不摧卻少有人知的屠龍寶刀，非Modeling&Simulation(計(jì)算化學(xué))莫屬。
在IB官網(wǎng)的化學(xué)IA部分，明確寫明可以使用Modelling&Simulation，也就是計(jì)算化學(xué)，如此屠龍寶刀，卻鮮有人嘗試。
為什么這么說(shuō)呢？
首先，IA要的是探索性創(chuàng)新性?？墒菃螒{中學(xué)階段的知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)室里幾乎是不可能做出來(lái)吸引人眼球的東西的，只有老師自己都不怎么見過(guò)的計(jì)算模擬可以讓人眼前一亮，從而拿到高分。
其次，IA是要深挖原理的，中學(xué)階段那些內(nèi)容大家都會(huì)，能用來(lái)寫IA的無(wú)非就是thermal chemistry和reaction rate以及titration很難寫出差異性，只有在計(jì)算化學(xué)的角度，才能引入較為深刻的bonding概念和molecular geometry概念，從而與眾不同。
最后，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室資源往往有限，很多實(shí)驗(yàn)難以開展，不受這個(gè)限制的只有Data base和Modelling&Simulation，但是前者卻也有很大的問(wèn)題：找不到數(shù)據(jù)啊，就算找得到，很多數(shù)據(jù)庫(kù)收費(fèi)的啊。而根據(jù)第一性原理計(jì)算的Modelling&Simulation，也就是計(jì)算化學(xué)，既不需要數(shù)據(jù)，也不需要實(shí)驗(yàn)室，方便快捷。
那么，既然這把寶刀如此鋒利，為什么幾乎沒(méi)有人選呢？
答案是：會(huì)的人太少了。計(jì)算化學(xué)入門門檻非常高，既需要會(huì)代碼，又需要懂原理，還需要看得懂跑出來(lái)的數(shù)據(jù)，這誰(shuí)頂?shù)米“ ?/span>
為了讓這把快刀能夠造福千家萬(wàn)戶的苦難學(xué)生，犀牛的唐一凡老師今天就來(lái)手把手教大家怎么用計(jì)算化學(xué)做IA。
唐老師已經(jīng)將題目定好了：
Research on the changing trend of molecular geometry of compounds formed with hydrogen,of elements from C to O and its explaination ,on the basis of modelling&simulation.(基于計(jì)算機(jī)模擬研究從C到O的氫化物的分子構(gòu)型的變化趨勢(shì))Research on the changing trend of molecular geometry of compounds formed with hydrogen,of elements from C to O and its explaination ,on the basis of modelling&simulation.(基于計(jì)算機(jī)模擬研究從C到O的氫化物的分子構(gòu)型的變化趨勢(shì))
以上是虛擬機(jī)界面及點(diǎn)入后的Linux操作界面
Python作為一款近乎全能的編程語(yǔ)言，甚至可以進(jìn)行計(jì)算化學(xué)編程。在python的眾多庫(kù)里面，有一個(gè)庫(kù)叫pyscf，可以做很多化學(xué)方面的計(jì)算，在本次演示中我們使用的功能為計(jì)算H2O的molecular geometry。
什么？你說(shuō)你不會(huì)編程？那當(dāng)然了，要是連編程都會(huì)了你豈不是和唐老師一樣厲害了（此處唐老師傳來(lái)自戀的笑聲）唐老師透露了一個(gè)小Tips：pyscf有現(xiàn)成代碼的，在官網(wǎng)上即可查詢到！
咱們使用的功能分別是input parsing 和 geometric optimization。具體原理是先輸入一個(gè)不太合適（也就是能量太高了）的H2O分子的三原子坐標(biāo)，再通過(guò)一步步優(yōu)化，得到能量最低的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的原子坐標(biāo)，也就是最穩(wěn)定的molecular geometry。
唐老師在這里已經(jīng)編好了一套程序，同學(xué)們可以作為參考學(xué)習(xí)：
??在這幅圖里面，初始的O坐標(biāo)為（0.0.0）H坐標(biāo)分別為（0.1.0）和（0.0.1）。最后一行代碼的意思是求能量最小狀態(tài)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。
??然后使用python3來(lái)運(yùn)行這個(gè)文檔
??得到了最后的結(jié)果：能量最低狀態(tài)對(duì)應(yīng)的原子坐標(biāo)
??最后，再利用數(shù)學(xué)方法，就可以求出bond angle 和 bond length咯。值得注意的是，這里的一個(gè)長(zhǎng)度單位是100pm。
于是，我們就通過(guò)計(jì)算化學(xué)的方法得到了H2O的分子構(gòu)型，再換幾個(gè)分子，比如CH4，NH3，就得到了好幾個(gè)分子的充足數(shù)據(jù)，然后研究一下它們的變化規(guī)律，比如從CH4到H2O的bond angle是上升了還是下降了，bond length是增長(zhǎng)了還是變短了，最后再根據(jù)課本上的知識(shí)進(jìn)行解釋即可。
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