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2025, 40(3): 1-9
doi: 10.3866/PKU.DXHX202402007
Abstract:
理论化学致力于深入探究化学反应的本质，而计算化学则因其方法的广泛适用性得到普遍认可。这两个领域的协同作用在促进学科融合方面起着关键的作用。因此，在理论与计算化学课程中也应该思考如何利用这两个领域在推动学科交叉发展中的重要性和独特贡献进行教学。在“中国教育现代化”理念的指导下，作者在研究生理论与计算化学课程中引入了前沿讲座，以期通过聚焦理论与计算化学又涵盖多个领域的讲座进行授课，帮助学生突破思维局限和信息壁垒，构建从具体知识点到广阔知识网络的完整认知框架，从而认识到理论与计算化学与整个“大化学”学科以及其他自然科学学科的密切联系。本文对吉林大学“理论与计算化学”课程顶层设计思想与具体实施过程进行了阐述，展示了以讲座为核心的“基础理论+专题讲座+实践操作”创新教学模式，力求实现“1+1+1>3”的教学效果。本文希望能为高校理论与计算化学类课程教学提供可借鉴的思路和方案，以更好适应中国教育现代化的发展需求。
理论化学致力于深入探究化学反应的本质，而计算化学则因其方法的广泛适用性得到普遍认可。这两个领域的协同作用在促进学科融合方面起着关键的作用。因此，在理论与计算化学课程中也应该思考如何利用这两个领域在推动学科交叉发展中的重要性和独特贡献进行教学。在“中国教育现代化”理念的指导下，作者在研究生理论与计算化学课程中引入了前沿讲座，以期通过聚焦理论与计算化学又涵盖多个领域的讲座进行授课，帮助学生突破思维局限和信息壁垒，构建从具体知识点到广阔知识网络的完整认知框架，从而认识到理论与计算化学与整个“大化学”学科以及其他自然科学学科的密切联系。本文对吉林大学“理论与计算化学”课程顶层设计思想与具体实施过程进行了阐述，展示了以讲座为核心的“基础理论+专题讲座+实践操作”创新教学模式，力求实现“1+1+1>3”的教学效果。本文希望能为高校理论与计算化学类课程教学提供可借鉴的思路和方案，以更好适应中国教育现代化的发展需求。
2025, 40(3): 10-15
doi: 10.12461/PKU.DXHX202402058
Abstract:
常用的密度泛函理论量子化学计算需要为交换相关泛函设置参数。电子间交换作用也就成为计算化学教学中经常提及的重要物理量。为了便于学生理解交换作用，以氦原子和碳原子为例，利用现有结构化学教材中的知识，本文阐释了交换作用与一般库仑作用的区别，为何交换作用源于泡利原理，以及如何通过交换作用理解洪特规则。
常用的密度泛函理论量子化学计算需要为交换相关泛函设置参数。电子间交换作用也就成为计算化学教学中经常提及的重要物理量。为了便于学生理解交换作用，以氦原子和碳原子为例，利用现有结构化学教材中的知识，本文阐释了交换作用与一般库仑作用的区别，为何交换作用源于泡利原理，以及如何通过交换作用理解洪特规则。
2025, 40(3): 16-22
doi: 10.12461/PKU.DXHX202403010
Abstract:
本文研究课题“碘催化氯苯的氯代反应”来源于2021年全国统考高考化学试卷(浙江卷)的考题，其试题背后隐含了一系列化学基本概念和基本理论。前期文献对该题目进行了研究，所得结果与高考题目中的描述不一致。本文用密度泛函理论(DFT)方法重新对该反应进行了系统研究，确立了反应的催化活性组分及其形成机理，计算了氯苯氯代反应的分子机制、反应的热力学和动力学性质，比较了邻位、间位及对位取代的反应性能，分析了电子效应和空间效应对反应性能的影响。本文计算结果与高考题目中的描述一致，表明了该题目的严谨性和科学性。本文研究结果有助于学生加深对芳香化合物亲电取代反应的认识和理解。
本文研究课题“碘催化氯苯的氯代反应”来源于2021年全国统考高考化学试卷(浙江卷)的考题，其试题背后隐含了一系列化学基本概念和基本理论。前期文献对该题目进行了研究，所得结果与高考题目中的描述不一致。本文用密度泛函理论(DFT)方法重新对该反应进行了系统研究，确立了反应的催化活性组分及其形成机理，计算了氯苯氯代反应的分子机制、反应的热力学和动力学性质，比较了邻位、间位及对位取代的反应性能，分析了电子效应和空间效应对反应性能的影响。本文计算结果与高考题目中的描述一致，表明了该题目的严谨性和科学性。本文研究结果有助于学生加深对芳香化合物亲电取代反应的认识和理解。
2025, 40(3): 23-29
doi: 10.12461/PKU.DXHX202403023
Abstract:
本实验拟训练本科生使用Excel软件通过休克尔分子轨道(HMO)法解得的π分子轨道数据绘制切面等值线图，可以直观地展示出诸如丁二烯和苯等简单共轭体系的π电子分布及性质。通过实验做出的图形能用于解决具体的化学问题和总结规律，如总结π轨道的节面个数与能级关系和判定电环化反应的立体选择性等。该实验将量子化学计算与分子结构性质预测相结合，有助于本科生掌握分子轨道理论的应用，且易于推广。
本实验拟训练本科生使用Excel软件通过休克尔分子轨道(HMO)法解得的π分子轨道数据绘制切面等值线图，可以直观地展示出诸如丁二烯和苯等简单共轭体系的π电子分布及性质。通过实验做出的图形能用于解决具体的化学问题和总结规律，如总结π轨道的节面个数与能级关系和判定电环化反应的立体选择性等。该实验将量子化学计算与分子结构性质预测相结合，有助于本科生掌握分子轨道理论的应用，且易于推广。
2025, 40(3): 30-35
doi: 10.12461/PKU.DXHX202403088
Abstract:
针对CO2还原光催化剂合成的传统实验教学尚未能让学生充分理解光催化还原过程，且未能接触到最新的科研前沿。对此，通过高通量筛选及第一性原理方法模拟光催化剂的设计及性质分析，创新建立了CO2还原光催化剂设计及性质分析的虚拟仿真实验教学方法，为学生提供一个全程参与式、及时信息反馈与操作指导的多功能虚拟仿真平台。极大缩短了实验时间成本，大幅度提高了实验效率。此教学方法，不论从科学角度还是新颖角度都引起了学生的兴趣和关注，经过操作实践后取得了优异的成效。
针对CO2还原光催化剂合成的传统实验教学尚未能让学生充分理解光催化还原过程，且未能接触到最新的科研前沿。对此，通过高通量筛选及第一性原理方法模拟光催化剂的设计及性质分析，创新建立了CO2还原光催化剂设计及性质分析的虚拟仿真实验教学方法，为学生提供一个全程参与式、及时信息反馈与操作指导的多功能虚拟仿真平台。极大缩短了实验时间成本，大幅度提高了实验效率。此教学方法，不论从科学角度还是新颖角度都引起了学生的兴趣和关注，经过操作实践后取得了优异的成效。
2025, 40(3): 36-41
doi: 10.12461/PKU.DXHX202403096
Abstract:
Bohrium科学计算云平台具有易配置计算环境、易部署安装软件、易成员协作和计算资源充沛等优势，可解决传统计算模拟课程教学中的软件安装、理论和实践割裂等问题，为材料和化学计算模拟课程教学提供极大便利，可显著提高课程教学效率。本文重点介绍Bohrium平台的特色以及教学优势，并展示基于Bohrium平台的分子建模、分子动力学模拟等实验案例设计。
Bohrium科学计算云平台具有易配置计算环境、易部署安装软件、易成员协作和计算资源充沛等优势，可解决传统计算模拟课程教学中的软件安装、理论和实践割裂等问题，为材料和化学计算模拟课程教学提供极大便利，可显著提高课程教学效率。本文重点介绍Bohrium平台的特色以及教学优势，并展示基于Bohrium平台的分子建模、分子动力学模拟等实验案例设计。
2025, 40(3): 42-51
doi: 10.12461/PKU.DXHX202403104
Abstract:
“头孢配酒”引发的临床悲剧屡有报道、层出不穷，其原因常被解释为头孢菌素类抗生素药物中含有的甲硫四氮唑或甲硫三嗪侧链抑制了乙醛脱氢酶，从而使得乙醛蓄积中毒(双硫仑样反应)。但最近的多项临床案例显示即便不含甲硫四氮唑或甲硫三嗪的头孢药物，如头孢他啶等也可导致乙醛蓄积中毒，这些现象无法用已有的传统机制合理解释，可能蕴含着新的机制有待阐明。笔者授课时启发同学们将所学计算模拟工具应用于揭示生活化学现象，比如“头孢配酒”现象案例。本文通过分子对接、分子动力学模拟和分子力学泊松-玻尔兹曼表面积(MMPBSA)分别探究头孢哌酮、头孢曲松和头孢他啶与乙醛脱氢酶(ALDH2)的结合模式，进而揭示头孢菌素类抗生素与ALDH2作用新机制。本教学案例不仅为“头孢配酒，说走就走”网络流行语提供更全面更有深度的科学新解释(新科普)，有助于激发大学生关注探寻日常生活中化学现象背后的科学内涵，更重要是的为“头孢配酒”引发临床悲剧案例现象在分子层面的机制创新提供新颖启示和理论依据。
“头孢配酒”引发的临床悲剧屡有报道、层出不穷，其原因常被解释为头孢菌素类抗生素药物中含有的甲硫四氮唑或甲硫三嗪侧链抑制了乙醛脱氢酶，从而使得乙醛蓄积中毒(双硫仑样反应)。但最近的多项临床案例显示即便不含甲硫四氮唑或甲硫三嗪的头孢药物，如头孢他啶等也可导致乙醛蓄积中毒，这些现象无法用已有的传统机制合理解释，可能蕴含着新的机制有待阐明。笔者授课时启发同学们将所学计算模拟工具应用于揭示生活化学现象，比如“头孢配酒”现象案例。本文通过分子对接、分子动力学模拟和分子力学泊松-玻尔兹曼表面积(MMPBSA)分别探究头孢哌酮、头孢曲松和头孢他啶与乙醛脱氢酶(ALDH2)的结合模式，进而揭示头孢菌素类抗生素与ALDH2作用新机制。本教学案例不仅为“头孢配酒，说走就走”网络流行语提供更全面更有深度的科学新解释(新科普)，有助于激发大学生关注探寻日常生活中化学现象背后的科学内涵，更重要是的为“头孢配酒”引发临床悲剧案例现象在分子层面的机制创新提供新颖启示和理论依据。
2025, 40(3): 52-61
doi: 10.3866/PKU.DXHX202403112
Abstract:
创新教育是培养高素质创新型人才的内在需要。将前沿的科学研究成果和研究方法纳入到课堂教学中，可为学生提供更为丰富、实践性和前瞻性的教育体验。本实验设计涵盖计算材料学中的晶体结构模型建立、晶体结构优化、能带结构计算、化合物催化分解等操作步骤，帮助学生掌握第一性原理计算的基本原理、流程和分析方法，将理论结合实际的工程问题，培养学生使用现代工程工具和新型技术工具识别、分析、解决复杂工程问题的能力。
创新教育是培养高素质创新型人才的内在需要。将前沿的科学研究成果和研究方法纳入到课堂教学中，可为学生提供更为丰富、实践性和前瞻性的教育体验。本实验设计涵盖计算材料学中的晶体结构模型建立、晶体结构优化、能带结构计算、化合物催化分解等操作步骤，帮助学生掌握第一性原理计算的基本原理、流程和分析方法，将理论结合实际的工程问题，培养学生使用现代工程工具和新型技术工具识别、分析、解决复杂工程问题的能力。
Application of Theoretical Calculation with Fun Practice in Raman Spectroscopy Experimental Teaching
2025, 40(3): 62-67
doi: 10.12461/PKU.DXHX202404045
Abstract:
理论计算融合趣味实践的混合教学模式是提高拉曼光谱教学质量的一条重要途径。针对该学科知识点繁杂和教学难度大的痛点，采用密度泛函和时域有限差分理论赋能趣味性的实践教学，不仅可以帮助学生学深、学透、学活拉曼光谱的理论知识，而且能提高学生的动手操作技能，培养科研创新能力，从而为提升教学效果和培养专业人才提供新的思路。
理论计算融合趣味实践的混合教学模式是提高拉曼光谱教学质量的一条重要途径。针对该学科知识点繁杂和教学难度大的痛点，采用密度泛函和时域有限差分理论赋能趣味性的实践教学，不仅可以帮助学生学深、学透、学活拉曼光谱的理论知识，而且能提高学生的动手操作技能，培养科研创新能力，从而为提升教学效果和培养专业人才提供新的思路。
2025, 40(3): 68-75
doi: 10.12461/PKU.DXHX202404057
Abstract:
卤代烃E2消除反应是基础有机化学课程中的重要教学内容，由于缺乏直观形象化的描述导致学生理解困难。本文设计了一个面向化学本科专业的计算化学实验，通过量子化学计算阐明卤代烃发生E2消除反应的详细机理及其与SN2亲核取代反应的竞争机制，同时获取反应的热力学和动力学信息，帮助学生理解Zaitsev规则、选择性、反应热力学、反应动力学、过渡态、反应坐标等有机化学及物理化学中的基本概念。本实验旨在训练学生使用计算化学方法解决化学问题的基本思路，提升学生的科研素养。
卤代烃E2消除反应是基础有机化学课程中的重要教学内容，由于缺乏直观形象化的描述导致学生理解困难。本文设计了一个面向化学本科专业的计算化学实验，通过量子化学计算阐明卤代烃发生E2消除反应的详细机理及其与SN2亲核取代反应的竞争机制，同时获取反应的热力学和动力学信息，帮助学生理解Zaitsev规则、选择性、反应热力学、反应动力学、过渡态、反应坐标等有机化学及物理化学中的基本概念。本实验旨在训练学生使用计算化学方法解决化学问题的基本思路，提升学生的科研素养。
2025, 40(3): 76-82
doi: 10.12461/PKU.DXHX202404119
Abstract:
本文采用计算量子化学方法在B3LYP/6-311+g(d,p)水平上比较了气态二嗪三种异构体的碱性强度和稳定性。计算结果表明，三种异构体的碱性强度顺序为哒嗪 > 嘧啶 > 吡嗪。同时，通过优化结构单点能的计算，判断三种异构体的稳定性顺序为嘧啶 > 吡嗪 > 哒嗪，且其共轭酸的稳定性顺序亦呈现相似趋势，即嘧啶-H > 吡嗪-H > 哒嗪-H。此外，本文采用前线轨道理论定性解释了哒嗪明显异于嘧啶和吡嗪的特殊热力学性质(燃烧热和标准生成焓)。将计算化学引入到有机物酸碱性和稳定性的教学中，有助于学生深入理解Lewis酸碱性、等键反应、最高已占据分子轨道(HOMO)，最低未占据分子轨道(LUMO)、前线轨道能隙值等核心概念和杂化轨道理论，教学效果显著提高，成为提升有机化学教学质量的有效辅助工具。
本文采用计算量子化学方法在B3LYP/6-311+g(d,p)水平上比较了气态二嗪三种异构体的碱性强度和稳定性。计算结果表明，三种异构体的碱性强度顺序为哒嗪 > 嘧啶 > 吡嗪。同时，通过优化结构单点能的计算，判断三种异构体的稳定性顺序为嘧啶 > 吡嗪 > 哒嗪，且其共轭酸的稳定性顺序亦呈现相似趋势，即嘧啶-H > 吡嗪-H > 哒嗪-H。此外，本文采用前线轨道理论定性解释了哒嗪明显异于嘧啶和吡嗪的特殊热力学性质(燃烧热和标准生成焓)。将计算化学引入到有机物酸碱性和稳定性的教学中，有助于学生深入理解Lewis酸碱性、等键反应、最高已占据分子轨道(HOMO)，最低未占据分子轨道(LUMO)、前线轨道能隙值等核心概念和杂化轨道理论，教学效果显著提高，成为提升有机化学教学质量的有效辅助工具。
2025, 40(3): 83-91
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405018
Abstract:
本文介绍了一个面向高年级本科生和研究生开设的探究性计算化学实验。本实验使用常见的量子化学软件Gaussian和GaussView，利用密度泛函和含时密度泛函理论，对具备圆偏振发光(CPL)的分子(联萘)进行结构优化和性质分析，计算得到发光不对称因子(glum)。本实验可以帮助学生熟悉CPL和glum的概念和应用，学会激发态的计算方式，并应用于科研工作当中。
本文介绍了一个面向高年级本科生和研究生开设的探究性计算化学实验。本实验使用常见的量子化学软件Gaussian和GaussView，利用密度泛函和含时密度泛函理论，对具备圆偏振发光(CPL)的分子(联萘)进行结构优化和性质分析，计算得到发光不对称因子(glum)。本实验可以帮助学生熟悉CPL和glum的概念和应用，学会激发态的计算方式，并应用于科研工作当中。
2025, 40(3): 92-99
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405072
Abstract:
酯化反应是一类重要的化学反应类型，通常指醇与羧酸在酸催化下脱水生成酯的反应。本文以几个典型的酯化反应为例，通过量子化学计算，在分子层次上深入探讨了加成-消除、碳正离子和酰基正离子等三种常见的酯化反应机理，分析了反应的热力学和动力学性质。计算结果为理解有机化学教材中关于酯化反应的定性描述，如“酯化反应机理与羧酸和醇的类型有关”“酯化反应中酸脱羟基醇脱氢”“酯化反应速度较慢且为可逆反应”等，提供了直观物理图像和定量支持，有助于学生更深入全面地理解酯化反应。本文可作为引导本科生学习计算化学的教学案例，突出计算化学在解析物质结构与性能关系方面的重要作用。
酯化反应是一类重要的化学反应类型，通常指醇与羧酸在酸催化下脱水生成酯的反应。本文以几个典型的酯化反应为例，通过量子化学计算，在分子层次上深入探讨了加成-消除、碳正离子和酰基正离子等三种常见的酯化反应机理，分析了反应的热力学和动力学性质。计算结果为理解有机化学教材中关于酯化反应的定性描述，如“酯化反应机理与羧酸和醇的类型有关”“酯化反应中酸脱羟基醇脱氢”“酯化反应速度较慢且为可逆反应”等，提供了直观物理图像和定量支持，有助于学生更深入全面地理解酯化反应。本文可作为引导本科生学习计算化学的教学案例，突出计算化学在解析物质结构与性能关系方面的重要作用。
2025, 40(3): 100-107
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405074
Abstract:
能量分解分析方法是一种研究分子相互作用的定量分析理论方法，在分子自组装、药物设计、化学反应机理、力场发展等各个领域得到广泛应用。现有化学本科教材对分子相互作用的讲授过于浅显，逐渐不适应现在化学系本科的培养要求。为深化大学本科学生对分子相互作用的认知，本文简述了能量分解分析方法的基本概念，介绍了具有代表性的广义Kohn-Sham能量分解分析(GKS-EDA)方法及其在六聚水多体效应中的应用。
能量分解分析方法是一种研究分子相互作用的定量分析理论方法，在分子自组装、药物设计、化学反应机理、力场发展等各个领域得到广泛应用。现有化学本科教材对分子相互作用的讲授过于浅显，逐渐不适应现在化学系本科的培养要求。为深化大学本科学生对分子相互作用的认知，本文简述了能量分解分析方法的基本概念，介绍了具有代表性的广义Kohn-Sham能量分解分析(GKS-EDA)方法及其在六聚水多体效应中的应用。
2025, 40(3): 108-115
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405098
Abstract:
结合本科计算化学课程的重要教学内容，本文设计了一个量子化学计算的教学案例，通过使用密度泛函理论计算方法，对含金属硒键的金属配合物分子的电子结构和前线轨道分析，提出这类配合物与烯烃反应的可能活性位点，设计反应路径，计算反应能垒，预测能高效分离提纯乙烯的金属硒配合物。定量、直观地描述反应的立体选择性，旨在使学生理解化学反应与前线轨道对称性之间的关系，了解影响反应规律的因素，强化对电子效应、前线轨道对称性、物质分子轨道相互作用原理等基本理论知识的理解和应用。
结合本科计算化学课程的重要教学内容，本文设计了一个量子化学计算的教学案例，通过使用密度泛函理论计算方法，对含金属硒键的金属配合物分子的电子结构和前线轨道分析，提出这类配合物与烯烃反应的可能活性位点，设计反应路径，计算反应能垒，预测能高效分离提纯乙烯的金属硒配合物。定量、直观地描述反应的立体选择性，旨在使学生理解化学反应与前线轨道对称性之间的关系，了解影响反应规律的因素，强化对电子效应、前线轨道对称性、物质分子轨道相互作用原理等基本理论知识的理解和应用。
2025, 40(3): 116-123
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405141
Abstract:
金属配合物磁化率测定是经典的大学物理化学实验，一般通过古埃磁天平测定配合物磁化率，进而确定配合物中心离子的电子结构，与晶体场理论知识紧密联系。为让学生直观理解电子结构对配合物微观结构和结构稳定性的影响，深入理解实验内容，在传统磁化率测定实验基础上引入计算化学方法，采用Gaussian计算软件分别对FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O的中心离子的高、低自旋电子结构进行计算，将抽象、复杂的电子排布的影响具象化到能量和键长的比较，能量低的对应为有利的自旋状态，并将计算优化得到的几何结构与单晶X射线衍射结构数据进行比较，进一步确定有利的自旋状态。本实验以计算为桥梁，将实验测定结果、计算结果与理论知识有机结合起来，有助于培养学生实验结合理论、宏观联系微观的思维方式。同时利于激发高年级本科生的实验兴趣，提高综合实验技能。
金属配合物磁化率测定是经典的大学物理化学实验，一般通过古埃磁天平测定配合物磁化率，进而确定配合物中心离子的电子结构，与晶体场理论知识紧密联系。为让学生直观理解电子结构对配合物微观结构和结构稳定性的影响，深入理解实验内容，在传统磁化率测定实验基础上引入计算化学方法，采用Gaussian计算软件分别对FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O的中心离子的高、低自旋电子结构进行计算，将抽象、复杂的电子排布的影响具象化到能量和键长的比较，能量低的对应为有利的自旋状态，并将计算优化得到的几何结构与单晶X射线衍射结构数据进行比较，进一步确定有利的自旋状态。本实验以计算为桥梁，将实验测定结果、计算结果与理论知识有机结合起来，有助于培养学生实验结合理论、宏观联系微观的思维方式。同时利于激发高年级本科生的实验兴趣，提高综合实验技能。
2025, 40(3): 124-131
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405145
Abstract:
基于Python语言实现了教学代码，通过数值计算验证了正交归一性、本征能谱、不确定关系等量子力学基本概念，可用于化学、材料等专业结构化学相关课程的教学或数值实验。本文介绍的方法可扩展至更复杂的一维体系，如简谐或非谐振动、类氢原子径向波函数求解、双势阱、多势阱等常见的化学问题。近年来在我校材料化学专业的教学实践表明，多数同学可接受所授内容并独立实现计算代码，加深了对课程内容的理解。
基于Python语言实现了教学代码，通过数值计算验证了正交归一性、本征能谱、不确定关系等量子力学基本概念，可用于化学、材料等专业结构化学相关课程的教学或数值实验。本文介绍的方法可扩展至更复杂的一维体系，如简谐或非谐振动、类氢原子径向波函数求解、双势阱、多势阱等常见的化学问题。近年来在我校材料化学专业的教学实践表明，多数同学可接受所授内容并独立实现计算代码，加深了对课程内容的理解。
2025, 40(3): 132-139
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405154
Abstract:
铬黑T是一种常见的金属离子指示剂，其颜色随溶液pH值不同而变化，且与其金属离子络合物颜色有明显差异，可有效指示反应终点，在分析化学领域有广泛应用。本文用计算化学方法研究了铬黑T及其典型金属离子(Mg2+、Ca2+)络合物的分子结构，计算了它们的紫外可见光谱，分析了其分子结构与电子光谱之间的内在关联，并使用紫外-可见吸收光谱法测定了不同pH值的铬黑T溶液及其钙、镁络合物的吸收光谱。理论与实验研究相结合阐释了铬黑T指示剂的显色和变色原理，研究结果有助于加深对铬黑T结构-性能关系的理解。
铬黑T是一种常见的金属离子指示剂，其颜色随溶液pH值不同而变化，且与其金属离子络合物颜色有明显差异，可有效指示反应终点，在分析化学领域有广泛应用。本文用计算化学方法研究了铬黑T及其典型金属离子(Mg2+、Ca2+)络合物的分子结构，计算了它们的紫外可见光谱，分析了其分子结构与电子光谱之间的内在关联，并使用紫外-可见吸收光谱法测定了不同pH值的铬黑T溶液及其钙、镁络合物的吸收光谱。理论与实验研究相结合阐释了铬黑T指示剂的显色和变色原理，研究结果有助于加深对铬黑T结构-性能关系的理解。
2025, 40(3): 140-147
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405164
Abstract:
为了更好地培养新时代化学人才，在本科生教育体系中设置相关模拟上机课程具有重要意义。本文以本课题组开发的模拟方法和软件为例，设计了两个模拟实验，即“H2在Cu(111)表面解离反应势能面的构建”和“沸石分子筛表面酸性表征及模拟”,旨在加深化学与材料学科本科生对理论模拟的理解，感受人工智能技术带来的巨大进步。
为了更好地培养新时代化学人才，在本科生教育体系中设置相关模拟上机课程具有重要意义。本文以本课题组开发的模拟方法和软件为例，设计了两个模拟实验，即“H2在Cu(111)表面解离反应势能面的构建”和“沸石分子筛表面酸性表征及模拟”,旨在加深化学与材料学科本科生对理论模拟的理解，感受人工智能技术带来的巨大进步。
2025, 40(3): 148-152
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405166
Abstract:
电化学教学的重难点之一，是使学生理解抽象的电化学界面现象。通过经典密度泛函理论(CDFT)计算，可以得到电化学界面上的离子密度分布。课堂上借助CDFT，将电化学界面快速、直观地展示出来，可以帮助学生理解电化学过程机理，并探索其在化学电源、增强采油等前沿领域的应用，有助于大幅度提高教学质量和激发学生的学习兴趣。
电化学教学的重难点之一，是使学生理解抽象的电化学界面现象。通过经典密度泛函理论(CDFT)计算，可以得到电化学界面上的离子密度分布。课堂上借助CDFT，将电化学界面快速、直观地展示出来，可以帮助学生理解电化学过程机理，并探索其在化学电源、增强采油等前沿领域的应用，有助于大幅度提高教学质量和激发学生的学习兴趣。
2025, 40(3): 153-159
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405172
Abstract:
Beckmann重排反应是有机化学教学课程中的经典重排反应，但目前主流教材中对该重排反应的反应机理阐述不够具体，学生在学习过程中缺乏对反应更深刻的理解和认知。本案例以三类酮肟结构在两种不同的质子源环境下为例，通过量子化学计算对Beckmann重排反应的反应机理进行对比研究，阐明其重排反应机制，并利用前线分子轨道分析σ-型和π-型腈鎓离子中间体的电子结构。本文旨在帮助学生加深对Beckmann重排反应的认知，并学习使用理论计算化学方法研究化学反应及其内在机制。
Beckmann重排反应是有机化学教学课程中的经典重排反应，但目前主流教材中对该重排反应的反应机理阐述不够具体，学生在学习过程中缺乏对反应更深刻的理解和认知。本案例以三类酮肟结构在两种不同的质子源环境下为例，通过量子化学计算对Beckmann重排反应的反应机理进行对比研究，阐明其重排反应机制，并利用前线分子轨道分析σ-型和π-型腈鎓离子中间体的电子结构。本文旨在帮助学生加深对Beckmann重排反应的认知，并学习使用理论计算化学方法研究化学反应及其内在机制。
2025, 40(3): 160-170
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405185
Abstract:
在结构化学课程教学中，由于一些概念的抽象性常常让学生们感到难以理解。因此，本文构建NiFe层状双氢氧化物(NiFe-LDH)电催化析氧反应(OER)第一性原理计算实验，采用Materials Studio (MS)软件构建NiFe-LDH(100)晶面和(110)晶面的结构模型，使用第一性原理计算软件VASP对其电催化析氧反应(OER)性能进行理论研究，通过VESTA软件显示差分电荷密度，并分析计算结果。设计实验采用“理论知识讲解+软件操作演示+科研案例分析”相结合的模式，不仅有利于学生加强对晶体结构、空间点群等抽象概念的理解，而且使课程教学内容变得形象具体，激发学生学习结构化学课程的兴趣。这既提升学生采用分子模拟软件解决化学中科学问题的研究水平，同时培养学生剖析化学中结构与性质关系的创新思维。
在结构化学课程教学中，由于一些概念的抽象性常常让学生们感到难以理解。因此，本文构建NiFe层状双氢氧化物(NiFe-LDH)电催化析氧反应(OER)第一性原理计算实验，采用Materials Studio (MS)软件构建NiFe-LDH(100)晶面和(110)晶面的结构模型，使用第一性原理计算软件VASP对其电催化析氧反应(OER)性能进行理论研究，通过VESTA软件显示差分电荷密度，并分析计算结果。设计实验采用“理论知识讲解+软件操作演示+科研案例分析”相结合的模式，不仅有利于学生加强对晶体结构、空间点群等抽象概念的理解，而且使课程教学内容变得形象具体，激发学生学习结构化学课程的兴趣。这既提升学生采用分子模拟软件解决化学中科学问题的研究水平，同时培养学生剖析化学中结构与性质关系的创新思维。
2025, 40(3): 171-177
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406004
Abstract:
设计了一个面向高年级本科生或者研究生的综合材料计算模拟实验。通过材料计算模拟和机器学习手段研究二维材料的禁带宽度。通过本实验，学生可以初步掌握机器学习的基本原理和操作流程，同时培养学生应用第一性原理和机器学习解决材料问题的能力。
设计了一个面向高年级本科生或者研究生的综合材料计算模拟实验。通过材料计算模拟和机器学习手段研究二维材料的禁带宽度。通过本实验，学生可以初步掌握机器学习的基本原理和操作流程，同时培养学生应用第一性原理和机器学习解决材料问题的能力。
2025, 40(3): 178-185
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406024
Abstract:
振动斯塔克效应(vibrational Stark effect)是指振动光谱在外加电场作用下发生移动的现象，该效应在现代化学中有广泛的应用。为了增进对振动斯达克效应的理解，本文选择了水的单分子H2O和二聚体分子(H2O)2，通过密度泛函理论计算展示了外加定向电场对这两个分子的振动频率的影响。计算显示，外加定向电场直接影响分子的几何结构、电荷密度、偶极矩、能量，以及振动频率。随着电场强度的增大，H2O和(H2O)2分子的红外振动光谱都出现了收缩现象，即高频的O―H伸缩振动红移，而低频的H―O―H弯曲振动蓝移，这与文献中模拟结果一致。本文为理解振动斯塔克效应提供了一个简单清晰的理论计算案例。
振动斯塔克效应(vibrational Stark effect)是指振动光谱在外加电场作用下发生移动的现象，该效应在现代化学中有广泛的应用。为了增进对振动斯达克效应的理解，本文选择了水的单分子H2O和二聚体分子(H2O)2，通过密度泛函理论计算展示了外加定向电场对这两个分子的振动频率的影响。计算显示，外加定向电场直接影响分子的几何结构、电荷密度、偶极矩、能量，以及振动频率。随着电场强度的增大，H2O和(H2O)2分子的红外振动光谱都出现了收缩现象，即高频的O―H伸缩振动红移，而低频的H―O―H弯曲振动蓝移，这与文献中模拟结果一致。本文为理解振动斯塔克效应提供了一个简单清晰的理论计算案例。
2025, 40(3): 186-192
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406085
Abstract:
苯(C6H6)与二十面体硼烷(B12H122-)是具有π-和σ-芳香性分子的典型代表。本实验采用密度泛函理论(DFT)分别计算二者的分子轨道图及核独立化学位移值，引导学生了解计算化学研究芳香性的一般方法，构建对电子离域结构的直观认知。通过对比分析，帮助学生加深对芳香性的理解，达到巩固基础，拓宽视野，提升创新技能的目的。实验普适性好，易于推广。
苯(C6H6)与二十面体硼烷(B12H122-)是具有π-和σ-芳香性分子的典型代表。本实验采用密度泛函理论(DFT)分别计算二者的分子轨道图及核独立化学位移值，引导学生了解计算化学研究芳香性的一般方法，构建对电子离域结构的直观认知。通过对比分析，帮助学生加深对芳香性的理解，达到巩固基础，拓宽视野，提升创新技能的目的。实验普适性好，易于推广。
2025, 40(3): 193-198
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406119
Abstract:
苯环上取代基的电子效应是影响其定位效应的主要因素，是基础有机化学的重要教学内容。本文首先总结了文献中关于取代基定位效应的分析与理论预测方法，以此为基础，利用量子化学计算研究了具有复杂电子效应的取代苯环的电荷分布和能量分析，给出了从量子计算化学角度定量理解取代基电子效应的结论。研究过程有助于提高学生对计算化学的兴趣，培养学生多角度分析问题和解决问题的能力，加深对取代基定位效应的理解。
苯环上取代基的电子效应是影响其定位效应的主要因素，是基础有机化学的重要教学内容。本文首先总结了文献中关于取代基定位效应的分析与理论预测方法，以此为基础，利用量子化学计算研究了具有复杂电子效应的取代苯环的电荷分布和能量分析，给出了从量子计算化学角度定量理解取代基电子效应的结论。研究过程有助于提高学生对计算化学的兴趣，培养学生多角度分析问题和解决问题的能力，加深对取代基定位效应的理解。
2025, 40(3): 199-205
doi: 10.12461/PKU.DXHX202407011
Abstract:
弱相互作用在化学教学中十分重要，在研究化学分子内部和分子间作用时常常涉及到这一概念，比如氢键对熔沸点、酸碱性和异构现象的影响，共轭作用对稳定性的影响等。本文以一些大学化学教学内容中经常出现的具体例子为研究对象，通过量子化学计算以及波函数分析，做出直观的图像，帮助学生理解一些重要的概念和理论。本文能够为有机化学理论课以及实验课的教学提供素材和案例。
弱相互作用在化学教学中十分重要，在研究化学分子内部和分子间作用时常常涉及到这一概念，比如氢键对熔沸点、酸碱性和异构现象的影响，共轭作用对稳定性的影响等。本文以一些大学化学教学内容中经常出现的具体例子为研究对象，通过量子化学计算以及波函数分析，做出直观的图像，帮助学生理解一些重要的概念和理论。本文能够为有机化学理论课以及实验课的教学提供素材和案例。
2025, 40(3): 206-214
doi: 10.12461/PKU.DXHX202407022
Abstract:
将计算化学实验与有机化学课程相结合，既可提升学生软件应用能力和科研创新思维与能力，培养学生通过计算化学手段高效解决化学研究问题的能力，又可加深对反应机理的理解。本文以不对称烯烃CH2 = CHR (R = CH3，Cl，CN)与HCl亲电加成反应为例，通过构建反应路径，获得反应热力学和动力学数据，分析反应路径上驻点自然布居分析(NPA)电荷的变化，探讨取代基对反应机理影响的本质。本计算化学实验旨在加深学生对不对称烯烃亲电加成反应机理的认识和理解，并掌握计算化学研究化学反应机理的基本方法。
将计算化学实验与有机化学课程相结合，既可提升学生软件应用能力和科研创新思维与能力，培养学生通过计算化学手段高效解决化学研究问题的能力，又可加深对反应机理的理解。本文以不对称烯烃CH2 = CHR (R = CH3，Cl，CN)与HCl亲电加成反应为例，通过构建反应路径，获得反应热力学和动力学数据，分析反应路径上驻点自然布居分析(NPA)电荷的变化，探讨取代基对反应机理影响的本质。本计算化学实验旨在加深学生对不对称烯烃亲电加成反应机理的认识和理解，并掌握计算化学研究化学反应机理的基本方法。
2025, 40(3): 215-222
doi: 10.12461/PKU.DXHX202407112
Abstract:
本文通过设计计算化学实验，采用量子化学从头算方法，结合热力学循环，计算出标准氢电极的绝对电极电势。具体方案为，通过自洽反应场方法，计算出质子在水中的溶剂化自由能。在此基础上，计算出标准氢电极半反应的吉布斯自由能，并通过能斯特方程计算出其绝对电极电势。通过本实验，可望加深学生对电极电势、氧化还原反应、能斯特方程、热力学循环、吉布斯自由能及量子化学从头算的理解。
本文通过设计计算化学实验，采用量子化学从头算方法，结合热力学循环，计算出标准氢电极的绝对电极电势。具体方案为，通过自洽反应场方法，计算出质子在水中的溶剂化自由能。在此基础上，计算出标准氢电极半反应的吉布斯自由能，并通过能斯特方程计算出其绝对电极电势。通过本实验，可望加深学生对电极电势、氧化还原反应、能斯特方程、热力学循环、吉布斯自由能及量子化学从头算的理解。
2025, 40(3): 223-229
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405184
Abstract:
以物理化学实验中“Pb-Sn二元金属相图”为例，阐述“认知-学习-实践-反思”过程的课程思政设计，将思政元素有机融入课前预习/感知、课中实践/探究和课后反思/拓展三个环节。通过录制教学视频、搭建在线学习平台、完善评价反馈机制、拓展交流创新空间，开展线上线下混合式教学实践，完成“知识传授-能力培养-价值塑造”的教学目标，学生坚定文化自信、厚植家国情怀、提升科学素养、增强合作和创新意识，实现全方面育人。
以物理化学实验中“Pb-Sn二元金属相图”为例，阐述“认知-学习-实践-反思”过程的课程思政设计，将思政元素有机融入课前预习/感知、课中实践/探究和课后反思/拓展三个环节。通过录制教学视频、搭建在线学习平台、完善评价反馈机制、拓展交流创新空间，开展线上线下混合式教学实践，完成“知识传授-能力培养-价值塑造”的教学目标，学生坚定文化自信、厚植家国情怀、提升科学素养、增强合作和创新意识，实现全方面育人。
2025, 40(3): 230-236
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406071
Abstract:
阐述了一种符合新工科化工专业课程特色的“价值、知识、能力”三位一体的教学模式。该模式强调“立德树人”在课堂教学中的价值引领作用，通过教学全过程的创新设计和多元化的评价体系改革，促进学生在知识掌握、能力培养和价值观塑造上的全面发展。本文进一步探讨了德育思政教育与化工原理课程的多向融合，以通过教学实践激发学生的创新意识、强化学生的理想信念，达成“立德树人”德育渗透的教学成效，使其与思政课程同频共振形成育人合力。
阐述了一种符合新工科化工专业课程特色的“价值、知识、能力”三位一体的教学模式。该模式强调“立德树人”在课堂教学中的价值引领作用，通过教学全过程的创新设计和多元化的评价体系改革，促进学生在知识掌握、能力培养和价值观塑造上的全面发展。本文进一步探讨了德育思政教育与化工原理课程的多向融合，以通过教学实践激发学生的创新意识、强化学生的理想信念，达成“立德树人”德育渗透的教学成效，使其与思政课程同频共振形成育人合力。
2025, 40(3): 237-244
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406040
Abstract:
物理化学课程以契合新工科教育理念为改革方向，凝练了“一新、两链、三染、四转”课程改革和实施理念，构建了“解构-探究-建构”式教学模式。教学改革以课程资源建设为保障，以教学模式改革为突破口，以未来新工科工程人才核心素养培养为主要目标，构建高效课堂，培养学生的自学能力、科学思维能力和创新能力。
物理化学课程以契合新工科教育理念为改革方向，凝练了“一新、两链、三染、四转”课程改革和实施理念，构建了“解构-探究-建构”式教学模式。教学改革以课程资源建设为保障，以教学模式改革为突破口，以未来新工科工程人才核心素养培养为主要目标，构建高效课堂，培养学生的自学能力、科学思维能力和创新能力。
2025, 40(3): 245-250
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406022
Abstract:
将仪器分析实验中的核磁共振波谱实验与有机化学实验课程进行整体设计，提高课程建设规划性和系统性。将核磁共振波谱仪应用于本科生基础实验教学，学生参与整个实验过程，使学生能够更深刻地理解核磁测试和谱图解析相关原理及基本操作方法，充分体现了“以学生为中心”的教学思想，培养了学生的基本科研能力。
将仪器分析实验中的核磁共振波谱实验与有机化学实验课程进行整体设计，提高课程建设规划性和系统性。将核磁共振波谱仪应用于本科生基础实验教学，学生参与整个实验过程，使学生能够更深刻地理解核磁测试和谱图解析相关原理及基本操作方法，充分体现了“以学生为中心”的教学思想，培养了学生的基本科研能力。
2025, 40(3): 251-258
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405065
Abstract:
科学教育专业是为培养中小学科学课程师资而设立的一门新型本科专业。化学教学是实现科学教育专业培养目标的重要抓手。针对科学教育专业缺乏合适化学教材这一现实问题，本文从最新义务教育课程标准、现有小学科学教材的具体内容、日常生活需要和专业能力发展需求等四个维度提出科学教育专业化学课程内容的取舍必须依据基础性、熟练性、日常性和交叉性四大原则。问题的提出和原则的归纳，对科学教育专业化学课程内容的取舍加工、课堂教学的开展以及适合科学教育专业使用的化学教材的编写提供重要经验参考。
科学教育专业是为培养中小学科学课程师资而设立的一门新型本科专业。化学教学是实现科学教育专业培养目标的重要抓手。针对科学教育专业缺乏合适化学教材这一现实问题，本文从最新义务教育课程标准、现有小学科学教材的具体内容、日常生活需要和专业能力发展需求等四个维度提出科学教育专业化学课程内容的取舍必须依据基础性、熟练性、日常性和交叉性四大原则。问题的提出和原则的归纳，对科学教育专业化学课程内容的取舍加工、课堂教学的开展以及适合科学教育专业使用的化学教材的编写提供重要经验参考。
2025, 40(3): 259-268
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405201
Abstract:
预科教育是来华留学生中学教育和来华进入高等学校专业学习的桥梁。而化学是科学教育的中心学科，是学生进一步获得科学、技术、工程学位以及更高级别学位的“守门人”，如何在存在语言障碍、中学化学教育基础差异较大的环境下，有效激发学生学习汉语化学的兴趣，并具备能进入我国高等学校学习化学相关专业的基本能力，是预科化学教学的重要任务。笔者通过近年来的教学实践，搭建了“教学评”一体化的教学体系，并将中华文化有机融入到教学体系中，同时也总结了不同场景下多元化教学模式的实践经验，详细阐述了该课程“教什么”及“怎么教”的问题。
预科教育是来华留学生中学教育和来华进入高等学校专业学习的桥梁。而化学是科学教育的中心学科，是学生进一步获得科学、技术、工程学位以及更高级别学位的“守门人”，如何在存在语言障碍、中学化学教育基础差异较大的环境下，有效激发学生学习汉语化学的兴趣，并具备能进入我国高等学校学习化学相关专业的基本能力，是预科化学教学的重要任务。笔者通过近年来的教学实践，搭建了“教学评”一体化的教学体系，并将中华文化有机融入到教学体系中，同时也总结了不同场景下多元化教学模式的实践经验，详细阐述了该课程“教什么”及“怎么教”的问题。
2025, 40(3): 269-276
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405131
Abstract:
诺贝尔奖是当前国际科技前沿领域的最高奖项，代表科技发展的最高水平。本文总结了诺贝尔奖有关分析技术的主要成果，并与仪器分析课程相关联，分析了这些诺贝尔奖项的类别和特点。在此基础上探讨了将其引入仪器分析课程的方法措施，以充分调动学生学习兴趣和积极性，加深基础知识的学习掌握，并使学生在掌握国际仪器分析领域发展趋势的同时，深刻感悟其中所蕴含的创新思维和科学精神，提升自主创新意识和科学素养，最终达到提升教学效果和培养社会主义高素质全面发展创新人才的成效。
诺贝尔奖是当前国际科技前沿领域的最高奖项，代表科技发展的最高水平。本文总结了诺贝尔奖有关分析技术的主要成果，并与仪器分析课程相关联，分析了这些诺贝尔奖项的类别和特点。在此基础上探讨了将其引入仪器分析课程的方法措施，以充分调动学生学习兴趣和积极性，加深基础知识的学习掌握，并使学生在掌握国际仪器分析领域发展趋势的同时，深刻感悟其中所蕴含的创新思维和科学精神，提升自主创新意识和科学素养，最终达到提升教学效果和培养社会主义高素质全面发展创新人才的成效。
2025, 40(3): 277-284
doi: 10.12461/PKU.DXHX202412104
Abstract:
秉持“科教融汇、协同育人”理念，融合人工智能(AI)与生物化学教学研究。本文探讨了AI技术在生物化学教学改革中的应用，构建了与生物医学工程专业教学案例——AI预测基因突变的功能效应，从案例实施背景、教学内容设计、组织实施及效果评价等方面，阐述了该AI赋能教学的典型案例设计与实施，培养学生的多学科交叉融合的学习思维。
秉持“科教融汇、协同育人”理念，融合人工智能(AI)与生物化学教学研究。本文探讨了AI技术在生物化学教学改革中的应用，构建了与生物医学工程专业教学案例——AI预测基因突变的功能效应，从案例实施背景、教学内容设计、组织实施及效果评价等方面，阐述了该AI赋能教学的典型案例设计与实施，培养学生的多学科交叉融合的学习思维。
2025, 40(3): 285-290
doi: 10.12461/PKU.DXHX202408084
Abstract:
在高等教育深度产教融合背景下，应用型高校的仪器分析与实验课程如何进行有效的教学改革直接影响人才培养质量。针对该课程教学团队产业背景薄弱、内容偏重理论、方法传统守旧、考核评价改革不足等问题，我们采用融合校内师资和企业师资、重构教学内容、线上线下与校内校外交替教学、完善融合能力与素质的评价机制等手段进行教学改革。以上改革旨在夯实学生的知识基础，提升实践能力，塑造正确价值观，最终培养出符合国家发展要求的应用型人才。
在高等教育深度产教融合背景下，应用型高校的仪器分析与实验课程如何进行有效的教学改革直接影响人才培养质量。针对该课程教学团队产业背景薄弱、内容偏重理论、方法传统守旧、考核评价改革不足等问题，我们采用融合校内师资和企业师资、重构教学内容、线上线下与校内校外交替教学、完善融合能力与素质的评价机制等手段进行教学改革。以上改革旨在夯实学生的知识基础，提升实践能力，塑造正确价值观，最终培养出符合国家发展要求的应用型人才。
2025, 40(3): 291-301
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406023
Abstract:
单分子电子学作为纳米技术的重要分支，致力于研究单个分子的电学特性，为发展超小型、低功耗电子器件提供理论基础与技术支撑。精确调控单分子结的电子传输性质，是该领域面临的核心技术挑战。电化学调控，凭借其卓越的调控性和可逆性，正成为单分子电子学中一个极具潜力的研究方向。本文综述了近十年电化学调控在单分子电子学中的应用进展，涵盖了电输运能级、分子价态、电极与分子间键合方式以及离子液体双电层栅极的调控策略。通过分析具体案例，旨在帮助学生了解单分子电子学的研究前沿，理解其在现代纳米电子学中的重要性。
单分子电子学作为纳米技术的重要分支，致力于研究单个分子的电学特性，为发展超小型、低功耗电子器件提供理论基础与技术支撑。精确调控单分子结的电子传输性质，是该领域面临的核心技术挑战。电化学调控，凭借其卓越的调控性和可逆性，正成为单分子电子学中一个极具潜力的研究方向。本文综述了近十年电化学调控在单分子电子学中的应用进展，涵盖了电输运能级、分子价态、电极与分子间键合方式以及离子液体双电层栅极的调控策略。通过分析具体案例，旨在帮助学生了解单分子电子学的研究前沿，理解其在现代纳米电子学中的重要性。
2025, 40(3): 302-307
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406059
Abstract:
近年来，电化学技术不仅推动了能源、环保和材料科学等领域的进步，还为我们的日常生活提供了许多便利和保障。为了让电化学能够更贴近现实生活，让人们透过现象看到本质，本文将通过介绍自热包、体育产业、核酸检测等方面的电化学知识，主要包括电化学腐蚀发热、电化学储能技术以及石墨烯纳米复合材料在核酸传感器中的应用，提高人们对电化学的认识，从而更好地理解生活现象，提高科学素养。
近年来，电化学技术不仅推动了能源、环保和材料科学等领域的进步，还为我们的日常生活提供了许多便利和保障。为了让电化学能够更贴近现实生活，让人们透过现象看到本质，本文将通过介绍自热包、体育产业、核酸检测等方面的电化学知识，主要包括电化学腐蚀发热、电化学储能技术以及石墨烯纳米复合材料在核酸传感器中的应用，提高人们对电化学的认识，从而更好地理解生活现象，提高科学素养。
2025, 40(3): 308-317
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406086
Abstract:
超分子化学领域的多种常用模块均具有氧化还原活性，它们参与的非共价相互作用对于电子得失较为敏感。电化学技术一方面可以通过电子转移产生活性物种，从而调节非共价相互作用，另一方面也可以提供其他表征手段无法获得的能量和动力学信息，因此成为超分子化学研究领域的主要工具之一。本文通过对典型案例的分析，简要总结了电化学技术在超分子化学研究工作中发挥的具体作用。
超分子化学领域的多种常用模块均具有氧化还原活性，它们参与的非共价相互作用对于电子得失较为敏感。电化学技术一方面可以通过电子转移产生活性物种，从而调节非共价相互作用，另一方面也可以提供其他表征手段无法获得的能量和动力学信息，因此成为超分子化学研究领域的主要工具之一。本文通过对典型案例的分析，简要总结了电化学技术在超分子化学研究工作中发挥的具体作用。
2025, 40(3): 318-327
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406089
Abstract:
随着新型多肽药物开发领域的迅猛发展，天然多肽的化学修饰技术备受关注。与传统化学方法相比，有机电化学方法具有条件温和、化学选择性高、原子经济性好等诸多优点，符合绿色化学理念，已广泛应用于有机合成。近年来，该方法在复杂多肽修饰中的应用优势逐步显现。本文介绍了天然多肽的电化学修饰领域的最新进展，重点讨论了相关的实验方法、反应机理以及合成应用。
随着新型多肽药物开发领域的迅猛发展，天然多肽的化学修饰技术备受关注。与传统化学方法相比，有机电化学方法具有条件温和、化学选择性高、原子经济性好等诸多优点，符合绿色化学理念，已广泛应用于有机合成。近年来，该方法在复杂多肽修饰中的应用优势逐步显现。本文介绍了天然多肽的电化学修饰领域的最新进展，重点讨论了相关的实验方法、反应机理以及合成应用。
2025, 40(3): 328-332
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405039
Abstract:
以中医师余一的治病经历，阐述了凉性中药的苦涩味道与其所含活性成分如生物碱、萜类、糖苷类等的关系，并对苦味的作用机理进行了详细剖析。通过深入认识苦味的作用机理，探讨了中药合剂苦味掩蔽剂的作用机理和功效，从而使得苦口的凉药更多地被人们所接受。
以中医师余一的治病经历，阐述了凉性中药的苦涩味道与其所含活性成分如生物碱、萜类、糖苷类等的关系，并对苦味的作用机理进行了详细剖析。通过深入认识苦味的作用机理，探讨了中药合剂苦味掩蔽剂的作用机理和功效，从而使得苦口的凉药更多地被人们所接受。
2025, 40(3): 333-341
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405177
Abstract:
经典有机合成教学实验中，学生实验的产率通常不高，且结果不稳定。通过实验，学生通常只能了解到实验原理、实验流程和实验注意事项，对如何提高合成产品的产率和纯度缺乏深层次的探讨。为此，我们提出了高效实用的“逆向-逐级优化法”。本文以乙酸乙酯合成实验为例，采用色谱内标法分析产品的纯度和产率，将乙酸乙酯合成实验分解为反应蒸馏、洗涤干燥和产品蒸馏三个实验阶段，并按照从后向前的方式，对各阶段影响纯度和产率的主要因素进行优化。经过优化后，乙酸乙酯合成实验主要的影响因素和最优条件得以确定，不同学生在不同地区进行实验，均能保证产品纯度稳定在96%–99%之间，产率稳定在72%–75%之间。在经典有机实验中融入“逆向-逐级优化法”，不仅能帮助学生夯实基础，增强对基本操作技能的掌握和对理论知识的理解，还能培养学生的科研思维和解决问题的能力，从而让经典实验焕发新的活力。
经典有机合成教学实验中，学生实验的产率通常不高，且结果不稳定。通过实验，学生通常只能了解到实验原理、实验流程和实验注意事项，对如何提高合成产品的产率和纯度缺乏深层次的探讨。为此，我们提出了高效实用的“逆向-逐级优化法”。本文以乙酸乙酯合成实验为例，采用色谱内标法分析产品的纯度和产率，将乙酸乙酯合成实验分解为反应蒸馏、洗涤干燥和产品蒸馏三个实验阶段，并按照从后向前的方式，对各阶段影响纯度和产率的主要因素进行优化。经过优化后，乙酸乙酯合成实验主要的影响因素和最优条件得以确定，不同学生在不同地区进行实验，均能保证产品纯度稳定在96%–99%之间，产率稳定在72%–75%之间。在经典有机实验中融入“逆向-逐级优化法”，不仅能帮助学生夯实基础，增强对基本操作技能的掌握和对理论知识的理解，还能培养学生的科研思维和解决问题的能力，从而让经典实验焕发新的活力。
2025, 40(3): 342-348
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405181
Abstract:
聚焦学科前沿，结合教师的科研成果，设计了一项综合有机化学实验——磷钨酸催化三苯甲醇的直接转化制备肟醚类化合物。实验以绿色固体酸磷钨酸为催化剂，碳酸二甲酯为绿色溶剂，用三苯甲醇与二苯甲酮肟在室温下反应生成肟醚和水，并考察了催化剂用量对产率的影响。此外，结合催化转化验证实验和紫外光谱分析结果推断了反应机理——亲核取代反应碳正离子历程。该实验具有绿色环保、反应条件温和、前沿新颖等优点，不仅能够提升学生的实验技能、综合能力和环保意识，还可以激发学生的科研兴趣和创新思维，适合作为高校教学实验。
聚焦学科前沿，结合教师的科研成果，设计了一项综合有机化学实验——磷钨酸催化三苯甲醇的直接转化制备肟醚类化合物。实验以绿色固体酸磷钨酸为催化剂，碳酸二甲酯为绿色溶剂，用三苯甲醇与二苯甲酮肟在室温下反应生成肟醚和水，并考察了催化剂用量对产率的影响。此外，结合催化转化验证实验和紫外光谱分析结果推断了反应机理——亲核取代反应碳正离子历程。该实验具有绿色环保、反应条件温和、前沿新颖等优点，不仅能够提升学生的实验技能、综合能力和环保意识，还可以激发学生的科研兴趣和创新思维，适合作为高校教学实验。
2025, 40(3): 349-354
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406109
Abstract:
介绍了一个普通化学实验“化学能驱动的非平衡态变色”，主要包括基于三溴乙酸引发的pH跳跃导致的甲基红变色反应，并利用pH计对这一过程的机制进行了探究。通过本实验，可以帮助学生理解热力学稳态、动力学控制的非平衡态和能量耗散的非平衡态；掌握缓冲溶液、pH指示剂的基本概念；以及巩固一些常用仪器的使用方法。
介绍了一个普通化学实验“化学能驱动的非平衡态变色”，主要包括基于三溴乙酸引发的pH跳跃导致的甲基红变色反应，并利用pH计对这一过程的机制进行了探究。通过本实验，可以帮助学生理解热力学稳态、动力学控制的非平衡态和能量耗散的非平衡态；掌握缓冲溶液、pH指示剂的基本概念；以及巩固一些常用仪器的使用方法。
2025, 40(3): 355-362
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406067
Abstract:
该研究探讨化学实验教学改革，结合光能存储技术和信息加密技术，旨在提升学生实践能力、创新精神和问题解决能力。通过制备碳点-无机盐复合材料，使学生理解光能存储原理；设计信息加密实验，强化信息安全意识和环保理念。强调实验教学培养学生素质、团队合作，为化学教育改革提供新思路和实践案例。
该研究探讨化学实验教学改革，结合光能存储技术和信息加密技术，旨在提升学生实践能力、创新精神和问题解决能力。通过制备碳点-无机盐复合材料，使学生理解光能存储原理；设计信息加密实验，强化信息安全意识和环保理念。强调实验教学培养学生素质、团队合作，为化学教育改革提供新思路和实践案例。
2025, 40(3): 363-370
doi: 10.12461/PKU.DXHX202407108
Abstract:
结合计算化学，对现有的物理化学实验教材中的“偶极矩测定”实验进行拓展，通过势能曲线探究乙酸乙酯的可能结构，并将偶极矩计算与结构相联系，同时考虑不同条件对偶极矩计算结果的影响。实验能够从微观角度对宏观现象进行辨析，并帮助理解结构与性质之间的关系。整个实验坚持“教-学-评”一体化，实验设计与课程思政有机融合，通过案例分享、知识探究，可有效激发学习兴趣和热情，培养思辨的科学研究能力。
结合计算化学，对现有的物理化学实验教材中的“偶极矩测定”实验进行拓展，通过势能曲线探究乙酸乙酯的可能结构，并将偶极矩计算与结构相联系，同时考虑不同条件对偶极矩计算结果的影响。实验能够从微观角度对宏观现象进行辨析，并帮助理解结构与性质之间的关系。整个实验坚持“教-学-评”一体化，实验设计与课程思政有机融合，通过案例分享、知识探究，可有效激发学习兴趣和热情，培养思辨的科学研究能力。
2025, 40(3): 371-380
doi: 10.12461/PKU.DXHX202405150
Abstract:
在追求培养高素质应用型人才的教育目标指引下，本文提出了一个综合性实验模块，该模块融合了高分子化学、生物医学工程和仪器分析等学科领域的基础知识与实验技能。本实验以磷酸钙作为凝胶化的钙源，通过精确调控氯化钙与磷酸钠溶液混合比例及过程，实现了磷酸钙颗粒在天然高分子海藻酸钠溶液中的均匀分散。这些颗粒在搅拌作用下缓慢释放钙离子，与海藻酸钠发生交联反应，从而形成粒径在微米范围内的海藻酸钙凝胶颗粒，并在此过程中实现对药物的高效包载。实验中运用了动态光散射技术来评估颗粒的粒径及分布，通过荧光分光光度法来分析其药物包载效率及释放行为。本实验方案立足于当前科研领域的热点，并采用了经过广泛验证的环保材料与方法，保证了实验的生态友好性。同时，该实验模型具有潜在的拓展性，可适用于其他响应型高分子及药物载体的研究。本实验设计旨在同步促进学生的基础实验技能与高级研究素养，通过在探索性学习环境中对学生进行指导，进一步激发和提升他们的创新思维和自主研究能力，从而培育出能够引领未来科研领域发展的创新型人才。
在追求培养高素质应用型人才的教育目标指引下，本文提出了一个综合性实验模块，该模块融合了高分子化学、生物医学工程和仪器分析等学科领域的基础知识与实验技能。本实验以磷酸钙作为凝胶化的钙源，通过精确调控氯化钙与磷酸钠溶液混合比例及过程，实现了磷酸钙颗粒在天然高分子海藻酸钠溶液中的均匀分散。这些颗粒在搅拌作用下缓慢释放钙离子，与海藻酸钠发生交联反应，从而形成粒径在微米范围内的海藻酸钙凝胶颗粒，并在此过程中实现对药物的高效包载。实验中运用了动态光散射技术来评估颗粒的粒径及分布，通过荧光分光光度法来分析其药物包载效率及释放行为。本实验方案立足于当前科研领域的热点，并采用了经过广泛验证的环保材料与方法，保证了实验的生态友好性。同时，该实验模型具有潜在的拓展性，可适用于其他响应型高分子及药物载体的研究。本实验设计旨在同步促进学生的基础实验技能与高级研究素养，通过在探索性学习环境中对学生进行指导，进一步激发和提升他们的创新思维和自主研究能力，从而培育出能够引领未来科研领域发展的创新型人才。
2025, 40(3): 381-386
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406087
Abstract:
高效液相色谱(HPLC)是重要的仪器分析方法之一，然而大学仪器分析课程对于其固定相仅是粗略讲解，不能使学生将van Deemter方程理论知识与色谱柱固定相实际结构切实联系起来。本文介绍了一类新型核壳固定相，并从核壳型固定相的发展沿革、分离原理、结构优势几个方面分析了其教学应用。便于学生理解van Deemter方程应用并激发学生的学习兴趣。
高效液相色谱(HPLC)是重要的仪器分析方法之一，然而大学仪器分析课程对于其固定相仅是粗略讲解，不能使学生将van Deemter方程理论知识与色谱柱固定相实际结构切实联系起来。本文介绍了一类新型核壳固定相，并从核壳型固定相的发展沿革、分离原理、结构优势几个方面分析了其教学应用。便于学生理解van Deemter方程应用并激发学生的学习兴趣。
2025, 40(3): 387-389
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406032
Abstract:
学术界在表述环加成反应时，(m + n + …)和[m + n + …]环加成混用，不利于准确的学术交流。本文介绍了国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定的两种环加成反应表述方式，指明了它们的准确含义和使用环境。
学术界在表述环加成反应时，(m + n + …)和[m + n + …]环加成混用，不利于准确的学术交流。本文介绍了国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定的两种环加成反应表述方式，指明了它们的准确含义和使用环境。
2025, 40(3): 390-401
doi: 10.12461/PKU.DXHX202409134
Abstract:
本文从底层逻辑出发，基于平衡体系中的平衡表达式与基本定量关系式推导了滴定曲线反函数的通式，并基于此对滴定曲线的重要信息(包括化学计量点和滴定突跃范围)进行了简单讨论。
本文从底层逻辑出发，基于平衡体系中的平衡表达式与基本定量关系式推导了滴定曲线反函数的通式，并基于此对滴定曲线的重要信息(包括化学计量点和滴定突跃范围)进行了简单讨论。
2025, 40(3): 402-407
doi: 10.12461/PKU.DXHX202406003
Abstract:
碳自由基是有机化学反应中的一类重要活性中间体，研究不同类型碳自由基的结构及稳定性对阐明有机反应机理及反应选择性具有重要意义。本文运用密度泛函理论，探讨了碳自由基的结构及稳定性，旨在帮助学生理解其结构特征及稳定性规律，并为理解相关反应提供坚实的理论基础。此外，我们还深入探讨了烷烃氯代反应的选择性，加强了学生对烷烃自由基取代反应的认识，使他们更全面地掌握这一主题。
碳自由基是有机化学反应中的一类重要活性中间体，研究不同类型碳自由基的结构及稳定性对阐明有机反应机理及反应选择性具有重要意义。本文运用密度泛函理论，探讨了碳自由基的结构及稳定性，旨在帮助学生理解其结构特征及稳定性规律，并为理解相关反应提供坚实的理论基础。此外，我们还深入探讨了烷烃氯代反应的选择性，加强了学生对烷烃自由基取代反应的认识，使他们更全面地掌握这一主题。
2025, 40(3): 408-414
doi: 10.12461/PKU.DXHX202407066
Abstract:
有质量微观粒子的“波粒二象性”和“量子化”等是初学量子化学过程中必须理解但又难以理解的基本概念。本文以电子的能量方程和动量算符出发讨论微观粒子的波粒二象性、运动空间的限域化和能量的量子化，推理得出限域导致量子化的结论。
有质量微观粒子的“波粒二象性”和“量子化”等是初学量子化学过程中必须理解但又难以理解的基本概念。本文以电子的能量方程和动量算符出发讨论微观粒子的波粒二象性、运动空间的限域化和能量的量子化，推理得出限域导致量子化的结论。
2025, 40(3): 415-424
doi: 10.12461/PKU.DXHX202408063
Abstract:
基于跃迁偶极矩阵元的基本公式，澄清了结构化学教材中关于原子光谱选律的几个疑惑问题，讨论了双原子分子转动和振动光谱、多原子分子红外光谱与拉曼光谱、紫外-可见电子光谱及圆二色谱选律的具体表述形式，并给出了相关等价判据。同时对多种光谱选律的含义与合理性进行了阐释。
基于跃迁偶极矩阵元的基本公式，澄清了结构化学教材中关于原子光谱选律的几个疑惑问题，讨论了双原子分子转动和振动光谱、多原子分子红外光谱与拉曼光谱、紫外-可见电子光谱及圆二色谱选律的具体表述形式，并给出了相关等价判据。同时对多种光谱选律的含义与合理性进行了阐释。
