淺談化學(xué)及電腦編程的關(guān)系

1、淺談化學(xué)與電腦編程的關(guān)系隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用范圍及深度也在不斷擴(kuò)展和深入。從專業(yè)文獻(xiàn)的撰寫、實驗數(shù)據(jù)及圖形的處理、工程問題的編程求解，到化學(xué)過程流程的計算與模擬，都需要借助計算機(jī)及相應(yīng)的軟件來完成。因此，學(xué)習(xí)和掌握利用計算機(jī)來解決化學(xué)化工行業(yè)中的各種問題，已是化學(xué)類專業(yè)的本科生的基本要求。在科技飛速發(fā)展的今天，電腦信息技術(shù)與各行各業(yè)進(jìn)行了有效的結(jié)合。在這個平臺上，計算機(jī)已經(jīng)提供了一個全新的人類溝通新方式。面對強(qiáng)大的計算機(jī)功能，它也已經(jīng)開始在化學(xué)這個領(lǐng)域逐漸完善成為一個健全的系統(tǒng)使得化學(xué)功能發(fā)揮的淋漓盡致。 一、計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用計算機(jī)是一種多功能的設(shè)備,可用于計算、擬合

2、模擬、制表、繪圖、選擇、判別、存貯、檢索、統(tǒng)計、管理、自動控制、人工智能、專家系統(tǒng)等方面計算機(jī)在分析化學(xué)中的應(yīng)用簡稱計算分析，其內(nèi)容有：數(shù)據(jù)處理利用一元統(tǒng)計，可對同一項目的若干次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，計算置信區(qū)間、標(biāo)準(zhǔn)誤差、變動系數(shù)等。利用二元統(tǒng)計，可以計算含量與滴定體積或濃度與吸光度之間的直線方程（線性回歸法）。用程序型計算器也能迅速完成這些計算。 二、用Flash開發(fā)有機(jī)化學(xué)實驗CAI課件想象一下，未來的計算機(jī)會成為什么樣子?假如有人說，讓像果凍一樣的物質(zhì)去思考，去表達(dá)同情心，你覺得可能嗎?對于早已習(xí)慣和熟悉了棱角分明的顯示屏、主機(jī)和鼠標(biāo)的現(xiàn)代族而言，把計算機(jī)想象成為一團(tuán)軟軟的、滑滑的、沒

3、有固定形狀的果凍，確實有點異想天開。然而，英國布里斯多大學(xué)計算機(jī)專家安德魯正在做著這樣的夢，他的夢想是，用離子替代電子，用果凍一樣的物質(zhì)替代硅芯片和電路板。大多數(shù)人累了的時候，一般是喝杯咖啡，或者是到戶外去散步，呼吸一下新鮮空氣。安德魯卻與眾不同，當(dāng)他覺得腦子有些不大靈光，需要點額外刺激時，就讓他的機(jī)器人用金屬手指劃拉一下一個盛滿化學(xué)液體的盤子。這一盤子的化學(xué)液體，就是安德魯所設(shè)計的液體計算機(jī)的”大腦”原型。離子波的形成和擴(kuò)散，就是化學(xué)計算機(jī)的“思考”過程。當(dāng)運行速度變慢時，“大腦”就會對機(jī)械手發(fā)出指令，將金屬手指浸到盤子中去，搖晃一下那些神奇的化學(xué)液體。 安德魯現(xiàn)在所設(shè)計的化學(xué)計算機(jī)，還只是

4、簡單地模仿人類的手臂和大腦之間的反饋過程，他的志向是，要設(shè)計化學(xué)處理器，把計算機(jī)硬件裝到瓶子里去。經(jīng)過10多年的研究，安德魯現(xiàn)在已開發(fā)出液體邏輯門，并認(rèn)為他所設(shè)計的陣列具有無限的自我重組和修復(fù)能力。計算機(jī)巨人IBM也認(rèn)為，利用這種陣列技術(shù)，有可能設(shè)計出功能強(qiáng)大的新型計算機(jī)芯片。此外，安德魯還有另外一個雄心勃勃的目標(biāo)，即進(jìn)一步加強(qiáng)“鼓波”的能力，使之無愧于液體腦的稱號。為了證明液體腦的概念潛力無限，前途光明。安德魯特別設(shè)計了液體腦的載體果凍機(jī)器人。它有人造的眼睛，合成的荷爾蒙。也許有一天，果凍機(jī)器人可以感受到周圍的環(huán)境，甚至有可能感受到人類的情感。化學(xué)計算機(jī)有個十分復(fù)雜而又特別迷人之處，稱之為貝

5、洛索夫-恰鮑廷斯基反應(yīng)(BZ反應(yīng))，它是由3個不同的反應(yīng)組成的化學(xué)振蕩反應(yīng)。每個反應(yīng)都有不同的分子和離子，當(dāng)加入特定的化學(xué)成分后，首先觸發(fā)第一個反應(yīng)，所產(chǎn)生的生成物可以觸發(fā)第二個反應(yīng)，隨后第二個反應(yīng)的生成物又可以觸發(fā)第三個反應(yīng)，第三反應(yīng)的生成物再觸發(fā)第一個反應(yīng)，由此循環(huán)往復(fù)。更為迷人的是，各個不同的反應(yīng)會產(chǎn)生不同的顏色，因此可以形成紅藍(lán)交替的波。BZ反應(yīng)之所以重要，在于利用它可以解決一些數(shù)學(xué)難題，尤其是一些現(xiàn)在的計算機(jī)難以解決的問題。比如，迷宮最短路徑問題。用傳統(tǒng)的計算機(jī)解這一問題必須要窮盡所有的路徑，然后再進(jìn)行比較，這需要耗費大量的時間。而利用BZ反應(yīng)則不同。由于波在傳播和擴(kuò)散時，總是走最短

6、的路徑。只要利用照相機(jī)，記錄下波的運動軌跡，就可以解決這一難題。三 化學(xué)軟件的應(yīng)用 計算機(jī)輔助有機(jī)合成就是利用計算機(jī)給出某種有機(jī)化合物的合成方法、途徑并且給出可能的反應(yīng)條件。計算機(jī)有很強(qiáng)的邏輯推理能力，這才使得有機(jī)合成計算機(jī)化得以實現(xiàn)。計算機(jī)輔助有機(jī)合成設(shè)計系統(tǒng)分為經(jīng)驗型和非經(jīng)驗型7，在合成路線的推理上可以將計算機(jī)輔助有機(jī)合成設(shè)計系統(tǒng)分為反合成型和合成型。該軟件是一個綜合性的有關(guān)化學(xué)品電子手冊軟件。內(nèi)容包括化學(xué)礦物、金屬和非金屬、無機(jī)化學(xué)品、有機(jī)化學(xué)品、基本有機(jī)原料、化肥、農(nóng)藥、樹脂、塑料、化學(xué)纖維、膠粘劑、醫(yī)藥、染料、涂料、顏料、助劑、燃料、感光材料、炸藥、紙、油脂、表面活性劑、皮革、香料等

7、常用化學(xué)品的中文名稱、英文名稱、分子式或結(jié)構(gòu)式、物理性質(zhì)、毒性、用途和制備方法、消耗定額、生產(chǎn)單位等3。 從科學(xué)的前瞻性出發(fā)，可以從當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)發(fā)展動態(tài)和化學(xué)領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C(jī)技術(shù)最迫切的需求兩個角度，對計算機(jī)技術(shù)在化學(xué)科學(xué)中的發(fā)展趨勢做出預(yù)測：在復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的精確計算方面將會加速發(fā)展、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在化學(xué)各個領(lǐng)域中將得到進(jìn)一步發(fā)展，化學(xué)信息的獲得將更快、更準(zhǔn)確，計算機(jī)遠(yuǎn)程化學(xué)教學(xué)將越來越普及，化工生產(chǎn)和化學(xué)實驗室的自動控制將得到快速發(fā)展，人工智能化技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域?qū)@得快速發(fā)展。四 計算機(jī)繪制圖形技能AutoCAD是美國Autodesk公司首次于1982年生產(chǎn)的自動計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，用于二維繪圖

8、、詳細(xì)繪制、設(shè)計文檔和基本三維設(shè)計。AutoCAD經(jīng)過不斷的完善，目前最新版本為AutoCAD2008，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具?；ぴO(shè)計中，雖有各種專業(yè)的三維設(shè)計軟件出現(xiàn)，如PDS、PDMS等，但到目前為止，在各大化工設(shè)計院中，AutoCAD仍是主流的設(shè)計軟件。因此學(xué)會如何使用AutoCAD，并使之更好地與化工設(shè)計相結(jié)合，也是化工專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的專業(yè)技能之一。五 化學(xué)化工數(shù)據(jù)處理和分析技能處理收集的化學(xué)數(shù)據(jù)是使用計算機(jī)的主要優(yōu)勢之一。這不但要求學(xué)生具有一定的計算機(jī)應(yīng)用能力，還應(yīng)具有一定的數(shù)學(xué)知識背景。常用的數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)學(xué)模型包括：最小二乘擬合、線性回歸分析、方差分析、插值、數(shù)據(jù)

9、平滑、實驗設(shè)計等。目前兩款通用的軟件為：Origin。它們可根據(jù)需要對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計算、統(tǒng)計、傅里葉變換、曲線擬合以及制圖等等。另外，MATLAB由于其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力也正日益受到化工分析領(lǐng)域的重視。Origin是美國公司推出的數(shù)據(jù)分析和制圖軟件，是公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。目前最新版本為Origin7.5。Origin7.5是功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及科學(xué)繪圖軟件，利用其計算命令能夠非常方便地進(jìn)行線形和非線形擬合、插值、微分、積分等數(shù)值計算，是解決化工動力學(xué)、熱力學(xué)、工藝優(yōu)化設(shè)計及化學(xué)分析中數(shù)值計算問題

10、的有力工具。MATLAB是由美國公司開發(fā)的數(shù)學(xué)分析工具，目前，該軟件已經(jīng)更新到MATLAB7.7。MATLAB是一種高性能數(shù)值計算的科學(xué)計算語言，它以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單位，適用于線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、動態(tài)系統(tǒng)仿真、自動控制等領(lǐng)域。MATLAB在化工的數(shù)值計算和化工流程模擬等領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢。六 化學(xué)教育輔助軟件 計算機(jī)在教育領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成功，如我們常用的PPT教學(xué)以及各種教學(xué)仿真軟件等等。尤其在化工領(lǐng)域，由于涉及到復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和許多化學(xué)實驗，利用計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等電子化教育大大增加了化學(xué)教育的形象性和直觀性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時，這些教學(xué)性質(zhì)的軟件也可應(yīng)用于各種培訓(xùn)和工

11、程咨詢領(lǐng)域，因此，了解一些化工方面的專業(yè)教育軟件也是必備技能之一。虛擬化學(xué)實驗室。它是一個交互式的化學(xué)實驗?zāi)M工具，可以像在實驗室做實驗一樣操作其中的各種儀器和設(shè)備來進(jìn)行各種預(yù)設(shè)的實驗，也可利用該軟件提供的實驗平臺進(jìn)行用戶自己設(shè)計的實驗。虛擬化學(xué)實驗室使用戶可以用相對實際實驗很少的一部分時間來快速預(yù)習(xí)化學(xué)實驗，當(dāng)實際實驗中我們就可以著重強(qiáng)調(diào)危險因素和實驗技術(shù)。它是預(yù)習(xí)實驗、演示實驗、準(zhǔn)備實驗、進(jìn)行危險實驗和由于時間原因不能進(jìn)行的實驗的理想工具?；瘜W(xué)平面符號錄入軟件。是加拿大ACD公司專門開發(fā)的用于編輯化學(xué)分子式、化學(xué)儀器等化學(xué)圖形的工具軟件?，F(xiàn)在可從該公司網(wǎng)站上得到免費的ACD/ChemSketch11.0。它主要解決有機(jī)化學(xué)，生物化學(xué)中常見的化學(xué)論文、化學(xué)試卷以及平面化學(xué)教學(xué)課件中化學(xué)符號、反應(yīng)方程式、軌道反應(yīng)方程式和結(jié)構(gòu)式的構(gòu)建與表達(dá)問題。并且提供了模擬三維分子結(jié)構(gòu)的工具以建立分子微觀三維立體結(jié)構(gòu)，還可以按各種模式、各種角度隨意進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、觀察。Ms功能強(qiáng)大的三維化學(xué)空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與表示軟件，該軟件是由美國公司公司生產(chǎn)的，能很好表現(xiàn)生化大分子的三維空間結(jié)構(gòu)。其主要用于有機(jī)高分子、生物大分子和各類氨基酸、蛋白質(zhì)立體空間的表示。該軟件自帶了