APR 29, 2026

分子几何、键极性和分子间力的计算可视化

我们提出了一项计算研究及教学模块，该模块利用分子建模 工具来阐释化学中的基本结构-键合概念。学生通过开源图形程序（如Avogadro/IQmol）和量子计算，构建并可视化三维结构（例如基于VSEPR理论的分子构型）。在一项示例练习中，学习者选择涵盖VSEPR立体数2–6的模板分子，并通过修改原子来生成新的几何构型。 这种方法会自动确保线性、三角形、四面体等结构的键角正确，如同物理模型套件一样。随后，学生计算并显示每个分子的静电势图和部分原子电荷。例如，Avogadro的工具可以根据静电势对表面进行颜色编码，并在结构上绘制偶极箭头。 正如 Avogadro 文档所指出的，此类静电图“有助于可视化电荷分布”，从而直接揭示键的极性。这些可视化效果使电负性差异和分子偶极子变得显而易见：电负性差距较大的键会显示出较大的表面极化和偶极箭头，而非极性分子则呈现对称的势能面。

我们还将这些模型扩展到分子间作用力：通过使用分子力学(MM) 或动力学模拟（Schrödinger Desmond 、GROMACS等）对小簇或二聚体（如水或氨分子对）进行模拟，我们生动地展示了氢键的形成以及范德华引力。在这些模拟中，每个分子上的静电势有助于解释偶极-偶极相互作用，而轨迹则展示了瞬态接触（色散）力。 例如，一个水二聚体模型显示了部分电荷区域对齐以形成氢键的过程，而非极性分子的气相phase 轨迹则突显了转瞬即逝的伦敦力。在实践中，将几何可视化与静电势面相结合的做法，与计算化学教育领域的先前的研究相呼应：基于MolView的模块和Avogadro项目已被证明能显著提高学生对化学键和极性的概念理解。 我们将这些理念应用于化学会议的演讲中，展示了建模练习的屏幕截图，并讨论了学生的学习成果。