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模块一:基础理论课程仿真实验

发布时间:2014-09-18  点击:次   来源:化学化工虚拟仿真实验教学中心

课程名称:化学模拟实验

实验项目1. 平面环烃化合物的芳香性研究

用GaussView软件画出环烃化合物的分子结构,并进行结构优化计算,运用Multiwfn软件计算各分子的HOMA(Harmonic oscillator model of armaticity谐振模型)芳香指数。休克尔规则是判断环状闭合共轭分子是否具有芳香性的一般规则,即单环化合物只要具有平面离域体系,它的 π 电子数为 4n+2(n=0,1,2,3,…整数),就有芳香性。对化合物芳香性的判断难于通过真实实验实现,通过分子模拟实验则可以将芳香指数量化,有助于对化合物芳香性的理解,激发学生研究的兴趣。

实验项目2. 苯、甲苯、硝基苯亲电取代反应特性的研究

用GaussView软件画出苯、甲苯、硝基苯的分子结构,在G09上进行结构优化计算,并计算苯环上亲电反应位点的活性指数,进行比较。苯环上如果连有给电子基团,亲电取代反应讲发生在邻对位上,如果连有拉电子基团,亲电取代将发生在间位上,这中性质与苯环上C的电荷密度或活性有关。对苯环上取代反应的空间选择性的判断通过真实实验耗材耗时而且要求非常严格,通过分子模拟实验则可以将苯环取代的空间选择性数量化,有助于对空间选择行的理解,激发学生研究的兴趣。

实验项目3. CO+H2→HCOH基元反应模拟

用GaussView软件构建反应物和产物,在G09上进行结构优化计算,寻找过渡态。可以看到整个反应过程中能量的变化,原子相对位置的变化等等,彻底理解基元反应过程。基元反应是组成各种反应的基础,有过渡态的形成,有能垒的形成,有反应物和产物稳定性的差异等等。基元反应无法通过真实实验看到反应过程。通过仿真模拟实验则可以将反应过程图形化视觉化,有助于对基元反应的理解,激发学生研究的兴趣。

实验项目4. 醛酮酸烃类化合物的红外光谱模拟

用GaussView软件画出丙醛,丙酮,丙酸分子,用G09优化并计算频率,计算结果不仅会给出拟合的红外光谱图,而且还能把红外光谱一对一地归属,有助于理解红外光谱产生的原因,以及不同振动模式引起的不同红外数据值。醛酮酸烃类化合物的红外光谱是本科有机化学中的重点内容,真实实验中无法让每个学生操作,而且峰值的归属只能凭借书本经验值。通过仿真模拟实验则可以将红外光谱峰值归属,有助于每位学生对红外光谱的理解,激发学生研究的兴趣。

C=O伸缩振动频率:丙酮在1823.79cm-1处;丙酸在1849.27cm-1处;丙醛在1838.51cm-1处

课程名称:大型分析仪器虚拟仿真实验

本系列仿真软件运用三维仿真教学手段,使学生对仪器的结构、工作原理和实验操作有一个全方位的了解,极大地提高了理论和实验教学的效果。它是仪器分析理论和实验教学的补充和外延,教师能把知识讲得更透彻,学生更容易理解,有效提高教学效果。

实验项目1. 色谱系列仪器仿真实验

色谱系列仪器主要包括气相色谱分析仪、液相色谱分析仪等。色谱法(chromatography)又称“色谱分析”、“色谱分析法”、“层析法”,是一种应用十分广泛的分离和分析方法,利用不同物质在不同相态的选择性分配,以流动相对固定相中的混合物进行洗脱,混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动,最终达到分离的效果。气相色谱和液相色谱是进行混合有机物分离分析的有力手段。

实验项目2. 气相色谱质谱联用仪仿真实验

气相色谱法–质谱法联用仪(GC-MS)是一种结合气相色谱和质谱的特性,在试样中鉴别不同物质的方法。气相色谱仪是用于分离复杂样品中的化合物的化学分析仪器。气相色谱仪中有一根色谱柱。在色谱柱中,不同的样品因为具有不同的物理和化学性质,与特定的柱填充物(固定相)有着不同的相互作用而被气流(载气,流动相)以不同的速率带动。当化合物从柱的末端流出时,它们被检测器检测到,产生相应的信号,并被转化为电信号输出。在色谱柱中固定相的作用是分离不同的组分,使得不同的组分在不同的时间(保留时间)从柱的末端流出。而再联用质谱仪,质谱(MS)能够对色谱柱中分离出的不同组分逐个进行分析,得到其分子量,结构(在某些情况下)和浓度(定量分析)的信息,就可以有效鉴别不同的物质。气相色谱法–质谱法联用仪主要应用于工业检测、食品安全、环境保护等众多领域。如农药残留、食品添加剂等;纺织品检测如禁用偶氮染料、含氯苯酚检测等。化妆品检测如二恶烷,香精香料检测等;电子电器产品检测,如多溴联苯、多溴联苯醚检测等;物证检验中可能涉及各种各样的复杂化合物,气质联用仪器对于这些司法鉴定过程中复杂化合物的定性定量分析提供强有力的支持。

实验项目3. 原子吸收光谱仿真实验

原子吸收光谱(Atomic Absorption Spectroscopy,AAS),即原子吸收光谱法,是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法,是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。此法是20世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种新型的仪器分析方法,它在地质、冶金、机械、化工、农业、食品、轻工、生物医药、环境保护、材料科学等各个领域有广泛的应用。该法主要适用样品中微量及痕量组分分析。

实验项目4. 紫外分光光度分析仿真实验

紫外分光光度计,就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。紫外分光光度计可以在紫外可见光区任意选择不同波长的光。物质的吸收光谱就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量,相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构,其吸收光能量的情况也就不会相同,因此,每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线,可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量。

实验项目5. 红外分光光度分析仿真实验

红外分光光度分析的工作原理是将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上,某些特定波长的红外射线被吸收,形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的,分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动,多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时,这种振动方式称简正振动(例如伸缩振动和变角振动)。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应,因此当分子的振动状态改变时,就可以发射红外光谱,也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁,使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。

红外光谱具有高度特征性,可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版,可将这些图谱贮存在计算机中,用以对比和检索,进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型,并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用,使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。此外,在高聚物的构型、构象、力学性质的研究,以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域,也广泛应用红外光谱。

课程名称:化工原理仿真实验

化工原理是化工、制药、应化、资源循环、生物技术等化学化工类相关专业的必修课,是学生由理及工的过渡性课程。学生工程观念的初步建立以及工程能力的培养需要通过化工原理实验来实现,但真实化工原理实验由于实验学时有限以及对设备内部结构和微观过程缺乏了解,因此需采用化工原理实验仿真的形式深化学生对化工单元操作的认识。它形象生动且快速灵活,集知识掌握和能力培养于一体,是提高化工原理实验教学效果的一项十分有力的措施。

该系列仿真软件包括流体阻力系数测定、流量计的认识和校验、换热器实验、精馏实验、吸收实验、干燥实验等6个实验项目,以浙江中控实验装置为主要仿真对象,兼顾华东理工大学的实验装置,涵盖了大多数典型化工原理实验装置。该系列软件利用动态数学模型实时模拟真实实验数据,通过人机交互操作,使实验者能亲自动手做实验,观察实验现象,记录实验数据、验证公式和原理。学生先进行仿真实验预习,以求对实验原理、设备结构、设备操作等有一基本认识和了解,在此基础上再进行实际实验。

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