化学方程式计算学案

化学方程式计算学案（精选4篇）

化学方程式计算学案 第1篇

溶液的pH

4、有关pH的简单计算

【例12】25℃，将pH＝9与pH＝12的两种强碱溶液等体积混合，求混合后溶液的pH

结论:⑷强碱与强碱混合：先计算溶液中，再根据Kw计算溶液中，再运用pH定义式

注意：①等体积混合时，pH混(pH1＋pH2)/2 ②当△pH≥2 pH混＝

【例13】25℃，0.2 mol/L HCl溶液与0.5 mol/LBa(OH)2溶液等体积混合，求混合后溶液的pH 【例14】 25℃，将pH＝2与pH＝11的强酸和强碱溶液等体积混合，求混合后溶液的pH

【例15】 25℃，pH=1强酸溶液和pH=13的强碱溶液等体积混合，求混合后溶液的pH

结论：⑸强酸强碱混合溶液，应先比较n(H)和n(OH)大小

若n(H)＞n(OH)，则酸过量，先求剩余，再求pH 若n(OH)＞n(H)，则碱过量，先求余，再利用_______求 最后求pH。【例16】用纯水稀释pH＝4的盐酸溶液至⑴ 10倍 ⑵ 100倍 ⑶ 1000倍 ⑷ 100000倍

求稀释后溶液的pH。

【例17】pH＝4的CH3COOH溶液稀释100倍，求稀释后溶液的pH变化范围

【例18】25℃，用纯水稀释pH=10的NaOH溶液至⑴ 10倍 ⑵ 100倍 ⑶ 1000倍 ⑷ 100000倍求稀释后溶液的pH。

【例19】 25℃，pH=13的NH3·H2O溶液稀释100倍，求稀释后溶液的pH变化范围 －＋＋－

＋

－

结论：（6）稀释问题

① 若将强酸冲稀10，pH增大 个单位，若弱酸稀释则

但若无限冲稀，pH接近于 但

②若将强碱冲稀10，pH减小 个单位。若是弱碱稀释则

但若无限冲稀，pH接近于 但 练习

1、甲、乙两溶液的pH值分别为6和8，下列叙述中不正确的是 A．甲的H数目是乙的100倍

C．乙不可能是稀醋酸

+nn

B．甲不可能是稀氨水

D．甲不可能是强酸溶液，乙不可能是强碱溶液

2、将pH＝3的H2SO4溶液和pH＝12的NaOH溶液混和，若使混和后溶液的pH＝7，则 H2SO4溶液和NaOH溶液的体积比是

A．1︰20 B．1︰10 C．20︰1 D．10︰1 3、1体积pH＝2.5的盐酸与10体积某一元强碱溶液恰好完全反应，则该碱溶液的pH为 A．9.0 B．9.5 C．10.5 D．11.0

4、现有pH＝a和pH＝b的两种NaOH溶液，已知b＝a＋2，将两种溶液等体积混和后，所 得溶液的pH值接近于

A．a－lg2 B．b－lg2 C．a＋lg2 D．b＋lg2

5、对重水也可用定义pH一样定义pD＝－lgc(D)，现已知重水的离子积为1.6×10下关于pD的叙述正确的是 A．中性溶液pD等于7 B．在D2O中溶解0.01mol DCl配成1升溶液，则pD等于2.0 C．在D2O中溶解0.01mol NaOD配成1升溶液，则pD等于12.0 D．当由重水电离出来的c(D)等于10

+

—1

3+

—1

5，以

mol/L时，溶液的pD等于1或13

6、为更好表示溶液的酸碱性，科学家提出了酸度（AG）的概念，AG＝lg，则下列叙述正确的是 A．中性溶液的AG＝0

B．常温下0.lmol/L氢氧化钠溶液的AG＝12 C．酸性溶液的AG＜0

D．常温下0.lmol/L盐酸溶液的AG＝12

7、在25℃时，水的离子积常数KW＝1×10

—1

4，在100℃时，KW＝1×10

—1，说明

A．水的电离过程是一个吸热过程

B．100℃时，KW较大

C．KW 与电离平衡无直接关系

+

+D．25℃时的c(H)比100℃的时c(H)大

8、往纯水中加入下列物质，能使水的电离平衡发生移动的是 A．NaCl固体

B．NaOH固体 C．乙醇

D．CH3COOH

化学方程式计算学案 第2篇

龙文教育一对一个性化教学学案

一、典型例题

例1.设集合Ax1x2,集合Bx1x3,求AB

举一反三

变式1.若集合A=1,3,x,B1,x2,AB1,3,x,则满足条件的实数x有几个（）A.1个 B。2个 C.3个 D.4个

变式2.集合A=0,2,a,B1,a2，若AB0,1,2,4,16,则a的值为（）A.0, B.1 C.2 D.4 变式3.满足条件0,1A0,1的所有集合A的个数（）

A.1

B.2 C.3 D.4 例2.Ax1x4,Bx2x5,求AB

举一反三

A,且1(AB),4(AB),则满足上述条件的集合B的 变式1.集合A1,2,3,4,B个数（）

A.1 B.2 C.3 D.4 变式2.设集合Aa1,3,5,集合B2a1,a22a,a22a1，当AB2,3,求AB

变式3.若集合Axx2axa2190,Bxx5x60,Cxx2x8022,求

(AB)与(AC)同时成立 a的值使得

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化学方程式计算学案 第3篇

关键词：材料计算,材料模拟,材料基因组

随着计算科学与技术的飞速发展, 材料科学与数学、物理、化学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科――计算材料学。计算材料学的内涵可以概括为: 根据材料科学和相关科学基本原理, 通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述, 理解材料结构与性能和功能之间的关系, 引导材料发现发明, 缩短材料研制周期, 降低材料过程成本。计算材料学主要包括两个方面的内容: 一方面是计算模拟, 即从实验数据出发, 通过建立数学模型及数值计算, 模拟实际过程; 另一方面是材料的计算机设计, 即直接通过理论模型和计算, 预测或设计材料结构与性能。

材料计算与模拟在材料性能设计、节约材料与节能、加快产业化进程中发挥着重要的作用。当前仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足新材料研究和发展的要求, 在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究, 也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能, 模拟材料服役条件下的性能演变规律, 进行材料性能改善设计。材料计算与模拟一直以来受到各国的重视, 特别是美国 “材料基因组计划”的发布又引发了新一轮的研究热潮, 引起了众多国家和研究机构的关注。

1 美国

美国在材料计算与模拟领域部署了多个大型项目。美国能源部、国家科学基金会、国家标准与技术研究院、国防部等多个政府机构都开展了相关的研究计划和项目, 并有高级计算科学研究中心、能源前沿研究中心等多个研究机构和基础设施。

2011 年6 月24 日, 美国总统奥巴马宣布了一项超过5 亿美元的 “推进制造业伙伴关系”计划, 通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业, “材料基因组计划”[1] ( 材料基因组是一种新提法, 其本质与材料计算学类似) 是上述计划的重要组成部分, 投资超过1 亿美元。“材料基因组计划”意欲推动材料科学家重视制造环节, 并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等, 构建专门的数据库实现共享, 致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问题。“材料基因组计划”已经开始实施, 旨在通过高级科学计算和创新设计工具促进材料开发, 建立了Materials Ex-plorer、Phase Diagram App、Lithium Battery Explorer、Reaction Calculator、Crystal Toolkit、Structure Predic-tor等基础数据库, 并不断地进行软件升级和数据更新。

2012 年4 月, 材料基因组计划在互联网上开设了名为 “MGI Forum”的论坛。该论坛由美国矿物、金属和材料学会 ( TMS ) 主管, 美国陶瓷学会 ( ACer S) 、美国土木工程师学会 ( ASCE) 、美国机械工程师学会 ( ASME) 、材料信息学会 ( ASM) 、材料研究学会 ( MRS) 、美国国家腐蚀工程师协会 ( NACE) 、美国材料与过程工程促进会 ( SAMPE) 等为论坛成员单位。参与该论坛的各个学会将更新各自有关材料基因组计划的活动, 包括会议、出版物、培训计划、新闻以及其他公告等。

2012 年5 月, 美国对材料基因组计划作出更多承诺。170 多位来自学界、业界、政界的代表参加了在白宫召开的研讨会议, 宣布将进一步推动材料基因组计划。会议的部分关键承诺包括: ( 1) 超过60 家机构将建立产业合作关系: 超过60 家企业和大学承诺将通过商业、研究和教学活动推动材料基因组计划。 ( 2) 建立区域合作关系促进相关工作: 阿贡国家实验室将与西北大学、芝加哥大学以及地方企业合作, 组建新的跨学科团队, 以更好地利用阿贡实验室的先进材料研究与开发能力。 ( 3) 将开放数百万分子数据: 与沃尔夫勒姆研究公司展开合作并参与了IBM世界共同体网格计划的哈佛大学承诺将公开披露700 万种新发现的分子的性质。 ( 4) 丰富教学新工具: 欧特克软件公司承诺将向教育界提供8000 种材料的制造技术和资料库, 这将完善他们在先进材料方面教育资源的开放获取。 ( 5) 预测纳米材料性质: 10 所参加了国家纳米技术倡议的联邦机构宣布了一项新的 “签名倡议”, 以激励纳米材料建模、模拟工具和数据库的开发, 这些都将有助于对纳米材料特殊性质的预测[2]。

2012 年11 月, 美国材料信息学会 ( ASM Inter-national) 创立了计算材料数据网络 ( ComputationalMaterials Data Network) 。该网络在起步阶段将由管理与技术咨询公司Nexight Group负责数据收集、发布、管理等事物。该网络当前正在组织专家团队对加工过程中的材料数据、航空结构材料数据、国家材料研究数据库等的小规模试验项目进行调研[3]。该网络将组建由材料科学与工程领域专家组成的咨询团队, 团队成员主要来自美国国家标准与技术研究院、美国材料信息学会、NASA马歇尔太空飞行中心、Thermo - Calc软件公司、空军研究实验室、普惠公司、Granta Design公司、剑桥大学、普惠发动机公司等。团队将提供技术建议、经验洞悉、推广支持、关键评论等, 以保证该网络成为产业界和研究界有价值的资源[4]。

1. 1 美国能源部

美国能源部主导的 “材料和化学计算创新项目” ( Computational Materials and Chemistry for Inno-vation) 重点关注以下7 个研究方向[5]: 分别为极端条件材料, 化学反应, 薄膜、表面和界面, 自组装与软物质, 强关联电子系统和复杂材料、超导、铁电、磁材料; 电子动力学、激发态、光捕获材料和工艺, 分离和流体工艺等。主要参与机构有洛斯阿拉莫斯国家实验室、阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室、桑迪亚国家实验室、西北太平洋国家实验室、密歇根大学、爱荷华州立大学、加州大学伯克利分校、加州大学戴维斯分校、范德比尔特大学、赖斯大学等。

始于2001 年的美国能源部 “高级计算科学发现项目” ( Scientific Discovery through Advanced Compu-ting, Sci DAC) [6]项目, 是开发新一代科学模拟计算机的综合计划。在新材料设计、未来能源资源开发、全球环境变化研究、改进环境净化方法以及微观物理和宏观物理方面的研究方面发挥了重要作用。

2009 年8 月, 美国能源部提供3. 77 亿美元在全国各大学、国家实验室、非盈利组织、私营企业建立46 个能源前沿研究中心。旨在利用纳米技术、高强度光源、中子散射源、超级计算机及其他先进仪器方面的最新发展, 解决太阳能、生物燃料、交通运输、能源效率、电力存储和传输、洁净煤和碳捕获与封存, 以及核能源方面的关键问题。材料计算模拟在该项目中发挥了重要作用[7]。

2012 年10 月, 在美国材料基因组计划的支持下, 密歇根大学John Allison教授正主导一个材料计算项目, 旨在发现和制造先进材料, 并使先进材料的开发速度加倍, 缩短开发和产业化周期。该项目获得了美国能源部1 100 万美元的资助, 密歇根大学还将匹配130 万美元, 项目研究期为5 年。该项目将建立一个名为 “结构材料预测集成科学中心” ( Predictive Integrated Structural Materials Science Cen-ter) 的软件创新中心。该中心将建立一套集成的、开放源码的计算软件工具, 使材料学术界和工业界的研究人员可以用它来模拟材料实际的使役行为。该中心研究团队将展示在汽车、航空航天、电子等行业广泛应用的镁金属的新材料计算方法[8]。

1. 2 美国国家科学基金会

美国国家科学基金会 “21 世纪科学与工程网络基础设施框架” ( Cyberinfrastructure Framework for 21stCentury Science and Engineering ) [9]旨在开发和部署综合的、集成的、可持续的、安全的网络基础设施, 加快计算和数据密集型科学与工程的研究和教育, 解决复杂科学和社会问题。主要的研究方向包括数据驱动的科学、研究网络社区、新的计算基础设施、网络基础设施访问和链接; 还包括2 个优先发展的关键领域, 纳米技术、纳米制造、材料科学、数学和统计科学、化学、工程、软件应用等领域的材料 ( 物质) 设计; 能源、环境、社会等领域的研究活动。美国国家科学基金会主导的 “计算纳米技术网络” ( Network for Computation Nanotechnology) 重点的研究方向包括纳米生物技术与器件的计算和模拟工具、纳米制造计算和模拟软件、纳米工程电子器件模拟等[10]。

2012 年10 月, 在材料基因组计划的总体框架下, 美国国家科学基金会宣布首次为 “设计材料以彻底改变和规划未来” ( Designing Materials to Revo-lutionize and Engineer our Future, DMREF) 计划投入资金支持。NSF数学与物理科学部、工程学部总共为14 个不同的DMREF项目设立了22 笔共计1200万美元的资金, 支持以下领域的研发: 新型轻质刚性聚合物、飞机引擎和电厂用高耐久度多层材料、基于自旋电子学的新数据存储技术、热电转换复合材料、新型玻璃、生物膜材料、特种硬质涂层技术等。DMREF计划的参与方将与企业合作完成材料基因组计划的主要目标之一: 将新材料从实验室走向市场化原本可能长达20 年的时间与成本缩减至目前的一半。DMREF资助项目中有3 个还得到了NSF“促进学术界与产业网络关系专款” ( Grant Opportu-nities for Academic Liaison with Industry, GOALI) 的联合资助, DMREF计划的一个关键要素是促进发现材料设计和实验的有效工具和方法, 而这需要研究人员与产业合作伙伴就新发现的重大需求和潜在机会进行沟通[11]。

1. 3 美国国家标准与技术研究院

美国国家标准与技术研究院是美国从事测量科学和标准化领域研究的最大机构, 为美国提供了独一无二的测量能力以及测量工具和设施。该研究院的材料计量实验室、纳米科技中心从事针对纳米材料、生物材料和能源材料等先进材料的标准与科学计量研究, 并建有参考材料和标准参考数据库。在2012 年的预算中, 纳米产品制造相关的科学计量和标准开发投入达到952. 6 万美元, 产业相关新材料的投入达到1424. 2 万美元。在 “材料基因组计划”中, 美国国家标准与技术研究院主导的 “先进材料设计” ( Advanced Materials by Design) 项目将针对标准基础设施、参考数据库和卓越中心的发展, 使材料的发现和优化计算建模和仿真更可靠。

1. 4 美国国防部

美国国家研究委员会早在2003 年, 针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究, 并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。2010 年春季, 美国国防部确定了6 个基础研究子领域用于服务军队, 其中计算材料科学是其中之一。而在“材料基因组计划” 中提出, 美国国防部将重点投资计算材料的基础研究和应用研究, 提高材料性能满足广泛的国家安全需求, 在材料防御系统保持技术优势。陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同进行该项目研究。美国陆军研究实验室材料科学部设有材料设计计划, 旨在对材料行为进行预测和控制, 并对其性能和稳定性予以优化。计划的一个重点领域是表面和界面工程, 另一个重点领域是适合维度下材料的原地和异地分析方法开发。海军研究办公室下属的材料科学与技术部成立有计算材料科学中心, 目前针对计算生物物理、计算方法、能源存储、磁性材料、磁性半导体材料、材料机械性能、量子信息、辐射材料、超导材料、界面和表面展开研究。

2012 年8 月, 美国陆军宣布新增拨款1. 2 亿美元用于未来10 年与约翰霍普金斯大学、加州理工学院、特拉华州立大学、罗格斯大学、犹他州立大学、波士顿大学、伦斯勒理工学院、宾夕法尼亚州立大学、哈佛大学、布朗大学、加州大学戴维斯分校以及意大利都灵理工大学等12 所高校在材料科学领域进行基础研究合作。这笔资金将资助两项美国陆军研究实验室与上述12 所高校组成的两大合作研究联盟。一个联盟的主要负责单位是约翰霍普金斯大学, 主要研究主题是极端动态环境 ( MEDE) 材料, 通过建模与仿真研究特定的动态环境 ( 特别是高负荷、高应变速率条件下) 材料的使役性能及其加工、合成技术; 另一个联盟的主要负责单位是犹他州立大学, 研究重点是多尺度跨学科电子材料模型 ( MSME) , 开发电化学能源器件、异构变质电子器件以及混合光子器件等先进器件[12]。

2012 年9 月, 美国空军选取约翰霍普金斯大学工程师领导的研究团队设立了一个空天先进结构材料和设计中心, 通过开发新型计算和试验方法以支撑下一代军用飞机的研发。这个集成材料建模卓越中心 ( Center of Excellence on Integrated Material Mod-eling, CEIMM) 将推进计算集成材料科学和工程计划 ( Computational Integrated Materials Science and En-gineering Initiative) , 关注于数字框架下材料的应用, 开发未来飞行器结构和引擎相关的轻质、耐用、高性能器件和组件。除了霍普金斯大学之外, 卓越中心的研究人员还包括来自伊利诺伊大学香槟分校以及加州大学圣芭芭拉分校的研究者。这个卓越中心将得到美国空军未来三年300 万美元资助, 未来还将继续寻求来自美国空军和其他政府部门以及产业界的资助。新中心将暂时与霍普金斯极端材料研究所 ( Hopkins Extreme Materials Institute, 成立于2012年4 月) 共享部分基础设施和研究人员[13]。

1. 5 其他机构

美国的其他研究机构和基础设施还包括美国能源部的高级计算科学研究中心、能源前沿研究中心、能源科学网、橡树岭国家实验室的国家计算科学中心及OLCF领先计算设施、阿贡国家实验室的ALCF领先计算设施、劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心、美国麻省理工学院材料科学与工程院材料科学计算与分析组、北卡罗来纳州立大学、桑迪亚国家实验室、康奈尔大学先进计算中心计算材料研究所等。在该计划下, 麻省理工学院G. Ceder领导的研究组开展了高通量计算材料设计 ( Materials Design with High - Throughput Computation) 等研究。

2 欧盟及成员国

欧盟第七框架计划下的 “纳米科学、纳米技术、材料与新制造技术” ( NMP) 主题研究领域, 在其最新工作计划 “Work Programme 2012”中并没有将材料的计算、模拟等技术单独列出, 但是, 计划仍然认为, 无论纳米科技还是其他材料, 表征、设计、建模与模拟等技术对于理解和控制材料性质都非常重要, 并在工程纳米粒子的毒性研究、纳米材料的精确合成、多材料复合、自修复材料、高温电厂用先进材料、离岸风涡轮机叶片材料等领域提到了材料的设计和建模概念。

欧洲科学基金会下的 “研究网络计划”有关材料模拟的计划有 “材料从头计算模拟先进概念计划”和 “生物系统与材料科学的分子模拟” 计划。前者致力于开发凝聚态材料在原子层级的 “从头计算”计算方法, 后者关注开发计算工具, 用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。

欧盟的研究机构包括英国科学与技术设施委员会计算科学工程部、英国爱丁堡大学凝聚态物理研究组、英国苏塞克斯大学理论化学与计算材料研究组、法国国家科学研究中心、德国马普钢铁研究所等。

英国科学与技术设施委员会计算科学工程部主要研究计算生物学、计算化学、计算工程、计算材料等, 在材料性能的计算机模拟方面, 重点是第一性原理计算模拟方法, 与英国工程和自然科学研究委员会开展了表面界面合作计算项目、全球同步加速器研究理论网络开发方法、平面波赝势方法与高性能计算机等。英国爱丁堡大学凝聚态物理研究组下设统计力学与计算材料物理方向, 其主要研究领域有材料缺陷和纳米结构、分子物理、非平衡相变等[8]。英国苏塞克斯大学理论化学与计算材料研究小组主要进行富勒烯等大分子的密度泛函模拟、金属离子系统、原子与分子碰撞理论等研究。

法国国家科学研究中心提出位错动力学方法用于实际材料的变形, 如疲劳、蠕变等, 过程中, 对大量位错的自组织结构的形成机制及其对力学性质的影响进行了细致研究, 给出整体位错群的结构演化, 可同时处理大量位错的集体行为。该方法已成功应用于研究晶体辐射损伤缺陷对材料强度的影响, 塑性形变局域化等的形成机制。通过这类位错动力学模型, 人们对位错集体行为获得了更深入的了解。

德国马普钢铁研究所在计算材料设计方面的主要研究有: 多尺度从头计算, 半导体纳米结构电子和光学性能多尺度模拟, 金属储氢第一性原理研究, 表面和相图中被吸附相的从头计算研究, 铁铝合金第一性原理研究, 生物钛合金相稳定和机械性能研究, 铁结构与磁性的从头计算, 铁材料中C - C相互作用的第一性原理研究, 形状记忆合金温度效应的从头计算研究[14]。

3 日本

日本的材料计算模拟研究与材料开发相结合的特色突出, 日本文部科学省和经济产业省部署了相关的战略和计划。日本国立物质材料研究机构、产业技术综合研究所、东京大学、东北大学以等各研究机构均有专门研究中心和团队。

日本文部科学省2002 年启动了 “生产技术先进仿真软件”的开发, 目的是在纳米生物技术、能源和环境领域开发出世界一流的软件。研究课题包括: ( 1) 下一代量子化学模拟; ( 2) 量子分子相互作用分析; ( 3) 纳米级器件模拟; ( 4) 下一代流体动力学模拟; ( 5) 下一代结构分析; ( 6) 问题解决环境平台; ( 7) 中间件高性能计算。2009 年文部科学省和经济产业省联合推行 “分子技术战略”主要研究课题包括电子状态控制、形态结构控制、集成和合成控制、分子离子传输控制、分子变换技术、分子设计与创造技术等[15]。

“间隙控制材料利用技术” 于2009 年10 月26日起实施。 “间隙控制材料设计和利用技术” 是日本科学技术未来战略研讨会提议的 “间隙控制材料利用技术”计划的重要研究课题[16]。间隙控制材料设计和利用技术主要有3 项研究内容: ( 1) 间隙控制材料设计与合成: 优化性能; ( 2) 间隙技术的实现差距: 促进应用; ( 3) 通用平台技术: 观察分析技术、原理。文部科学省 “实现能源安全的纳米结构控制材料研究和开发” 战略、 “柔性、大面积、轻量、薄型器件基础技术研究开发”等项目都涉及材料计算设计和模拟。

日本的主要研究机构包括日本产业技术综合研究所计算科学研究所、日本理化学研究所、日本国立材料科学研究所、东京大学计算材料科学实验室、东北大学材料计算中心等。

日本产业技术综合研究所下设计算科学研究所, 主要研究方向有纳米科学与技术的模拟技术、计算机辅助材料设计、能源与环境模拟技术、生物模拟技术、模拟技术基础理论以及集成模拟系统。

日本理化学研究所[17]设有计算科学研究中心、仁科加速器研究中心、下一代计算科学研究开发机构、下一代超级计算机开发实施部等。计算材料科学中心结合高温钛合金、贵金属耐热合金、超级钢、纳米结构与分子开关等实验研究开展了深入、持续的计算材料设计研究。

日本国立材料科学研究所[18]结合高温钛合金、贵金属耐热合金、超级钢、纳米结构与分子开关等实验研究计划开展了深入、持续的计算材料设计研究。研究所设有计算材料科学中心, 主要研究目标通过计算机模拟分析和预测材料的现象, 多尺度分析裂纹扩展, 纳米材料的仿真技术, 材料超导电性和磁性等现象的理论认识, 计算机模拟材料的辐射损伤, 晶界和界面的分子动力学研究, 材料设计虚拟实验平台系统。涉及金属间化合物, 材料的表面/界面科学, 纳米材料, 材料科学的计算机设计与仿真, 分子动力学, 新材料的超导性理论, 纳米器件材料, 超高频波装置, 发展先进的仿真技术, 高温超导体, 计算机模拟方法, 纳米技术材料, 热障涂层材料, 材料设计系统的显微结构和性能, 计算机模拟的微观组织形成等。

东京大学计算材料科学实验室[19], 主要研究领域包括计算材料科学、计算材料工程、计算凝聚态物理、计算化学等。使用的材料计算方法主要有从头计算、分子动力学和紧束缚方法等。东京大学物性研究所的材料设计与表征研究室也主要进行新材料材料的设计、合成与表征。主要包括2 个研究部门即材料设计部和材料合成与表征部。

东北大学材料计算中心[20]改进计算精度和新型纳米结构与分子器件设计等方面开展了深入的研究工作。金属材料研究所下设材料设计研究部, 有晶体缺陷物理、高纯金属材料、材料计算模拟、核辐射效应及相关材料、核材料科学、核材料工程、电子材料物理、先进电子材料科学等研究组。其中材料计算模拟研究组由川添 ( Kawazoe) 教授领导, 该小组主要进行凝聚态物理、量子化学、材料科学领域软件的开发和应用。

4 对我国的启示和建议

许多国家都加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入, 都在争夺该领域某个方面的领先地位和知识产权。计算和模拟对材料研究具有两方面的重要作用: ( 1) 为高技术新材料研制提供理论基础和优选方案, 对新型材料与新技术的发明产生先导性和前瞻性的重大影响; ( 2) 促进材料科学与工程由定性描述跨入到定量预测阶段, 提高材料性能和质量, 大幅缩短从研究到应用的周期, 对经济发展和国防建设作出重要贡献。

国外的材料计算与模拟研究进展对我国的启示和建议如下:

( 1) 重视前瞻布局, 做好发展部署和规划。目前学术界对材料计算模拟设计有一些不同的看法。部分学者认为在计算设计方法上应该用量子理论、原子水平的设计。部分学者认为从头算起的方法实用性不大, 从材料的实用性角度还是难以实现的。但从国际发展趋势来看, 材料设计对先进技术、高端制造以至国民经济的支撑作用将愈来愈强烈, 如原子能应用材料、航空与航天用超高强度材料、高温合金、低温材料、电子信息材料、各种特殊功能材料等。材料计算模拟是交叉综合学科, 我国在这一领域的布局, 需要考虑大型、高性能计算设施, 包括软件、应用程序和数据管理工具的开发, 以及智能/功能材料、结构材料、电子材料、纳米结构材料、生物材料等数据库的建设。

( 2) 开发材料集成计算与模拟工具、计算基础设施, 助力高级科学发现。计算材料科学与工程正在改变着新材料的发现、开发和应用。开发贯穿材料合成、制造、表征、理论、模拟与仿真等全周期的材料集成计算与模拟工具, 将提高新材料中高级科学发现的能力。通过材料计算等工具的应用, 材料的开发到产业化的周期将大大缩短。建立大型的高级计算设备和中心, 是进行材料计算研究的基础。软件也等同于基础设施, 是有效地将庞大实验数据阵列转换成有用科学认识的重要基础设施。

( 3) 建立服务国家战略和需求的学科领域项目计划, 解决社会重大问题。能源环境、国防安全、人类健康等都属于国家战略和需求领域, 材料计算和模拟工具能更加有效地解决这些领域的关键问题。如, 美国能源部的能源前沿研究中心利用各种先进的试验设备如散裂中子源、超级计算机等计算工具和技术开展了太阳能、生物燃料、运输、能效、电力储存与传输、洁净煤、碳捕获与封存以及核能系统方面的前沿基础研究。

化学实验蒸馏装置的新设计 第4篇

本人设计的化学实验蒸馏装置，包括蒸发装置、冷凝装置和电源装置三个部分。装置的详细结构如下图：

蒸发装置和冷凝装置通过蒸气出气管连接，冷凝装置固定在铁架台上，在蒸发装置下方放置电源底座对蒸馏烧瓶进行加热。电源底座外侧设置有通电指示灯，电源底座内部设置有发热电管，且通电指示灯与发热电管通过连接导线连接。

在具体操作时，先将液态混合物倒入蒸馏烧瓶内，然后接通电源，发热电管会对混合物进行加热。混合物中低沸点液体蒸发后，蒸气通过蒸气出气管进入液化瓶内，液化瓶内的蒸气经过冷凝后流入接液杯中，当蒸馏烧瓶内剩下的混合溶液不多时，关闭电源即可。

这种实验蒸馏装置经技术改进后，蒸馏烧瓶上有容量刻度线，便于实验人员观察瓶内混合溶液的容量；蒸馏瓶把手上设置了防滑螺纹，防止实验时蒸馏瓶滑脱；蒸气出气管和冷凝瓶连接处有密封固定胶带，可以防止蒸气溢出；电源导线上设置了可熔断保险丝，当电流过大时，保险丝会自动熔断防止电源发生短路。