淺談化學(xué)與電腦編程的關(guān)系

淺談化學(xué)與電腦編程的關(guān)系隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)算與模擬，都需要借助計(jì)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(jì)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(gè)平臺(tái)上，計(jì)算機(jī)已經(jīng)提供了一個(gè)全新的人類溝通新方式。面對(duì)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)功能，它也已經(jīng)開始在化學(xué)這個(gè)領(lǐng)域逐漸完善成為一個(gè)健全的系統(tǒng)使得化學(xué)功能發(fā)揮的淋漓盡致。一、計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)是一種多功能的設(shè)備,可用于計(jì)算、擬合模擬、制表、繪圖、選擇、判別、存貯、檢索、統(tǒng)計(jì)、管理、自動(dòng)控制、人工智能、專家系統(tǒng)等方面計(jì)算機(jī)在分析化學(xué)中的應(yīng)用簡(jiǎn)稱計(jì)算分析，其內(nèi)容有：

數(shù)據(jù)處理

利用一元統(tǒng)計(jì)，可對(duì)同一項(xiàng)目的若干次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算置信區(qū)間、標(biāo)準(zhǔn)誤差、變動(dòng)系數(shù)等。利用二元統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)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(jì)算器也能迅速完成這些計(jì)算。二、用Flash開發(fā)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)CAI課件想象一下，未來的計(jì)算機(jī)會(huì)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(duì)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(jì)算機(jī)想象成為一團(tuán)軟軟的、滑滑的、沒有固定形狀的果凍，確實(shí)有點(diǎn)異想天開。然而，英國(guó)布里斯多大學(xué)計(jì)算機(jī)專家安德魯正在做著這樣的夢(mèng)，他的夢(mèng)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(shí)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(diǎn)額外刺激時(shí)，就讓他的機(jī)器人用金屬手指劃拉一下一個(gè)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(jì)的液體計(jì)算機(jī)的”大腦”原型。離子波的形成和擴(kuò)散，就是化學(xué)計(jì)算機(jī)的“思考”過程。當(dāng)運(yùn)行速度變慢時(shí)，“大腦”就會(huì)對(duì)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(jì)的化學(xué)計(jì)算機(jī)，還只是簡(jiǎn)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(jì)化學(xué)處理器，把計(jì)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(jì)的陣列具有無限的自我重組和修復(fù)能力。計(jì)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(jì)出功能強(qiáng)大的新型計(jì)算機(jī)芯片。此外，安德魯還有另外一個(gè)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(hào)。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(jì)了液體腦的載體——更好地與化工設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)之一。這不但要求學(xué)生具有一定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，還應(yīng)具有一定的數(shù)學(xué)知識(shí)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)平滑、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等。目前兩款通用的軟件為：Origin。它們可根據(jù)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、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(guó)公司推出的數(shù)據(jù)分析和制圖軟件，是公認(rèn)的簡(jiǎn)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(jí)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(jì)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(jì)算，是解決化工動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及化學(xué)分析中數(shù)值計(jì)算問題的有力工具。MATLAB是由美國(guó)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(jì)算的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)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(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。MATLAB在化工的數(shù)值計(jì)算和化工流程模擬等領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)。六化學(xué)教育輔助軟件計(jì)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(shí)驗(yàn)，利用計(jì)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(shí)，這些教學(xué)性質(zhì)的軟件也可應(yīng)用于各種培訓(xùn)和工程咨詢領(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(shí)驗(yàn)室。它是一個(gè)交互式的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M工具，可以像在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，也可利用該軟件提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行用戶自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用戶可以用相對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)很少的一部分時(shí)間來快速預(yù)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們就可以著重強(qiáng)調(diào)危險(xiǎn)因素和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。它是預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)和由于時(shí)間原因不能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的理想工具?；瘜W(xué)平面符號(hào)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(fèi)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(hào)、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(guó)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。該軟件自帶了一個(gè)復(fù)雜化學(xué)分子圖庫(kù)，其中有一些生化分子可供選擇。我們也可以利用該軟件制作具有三維結(jié)構(gòu)的分子。制作好的分子可以查