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第一章 计算机在化学中的应用概述 本世纪最重要的科技进步当属电子计算机的发明和发展了。从四十年代电子计算机在美国诞生起，它已经改变了包括各个科学领域在内的世界面貌。它带给人们快速巨大的冲击，使人们甚至来不及回顾我们身边的一切是如何发生发展的，它已经深入到我们身边的各个角落，并且发挥着越来越大的作用。计算机技术，特别是个人计算机的普及和计算机网络技术的发展，给人们带来的直接感受是工作质量和效率的大大提高，获取信息的能力和范围迅速扩大，并且开辟了许多原来可望而不可及的新领域。化学（包括其他相关学科）作为最早形成的基础学科，也是应用计算机技术较早的学科之一。同其他现代学科一样，目前计算机技术在整个化学学科的各个领域已经获得了广泛应用。无论是复杂的量子化学计算问题的解决，还是海量化学信息的收集与整理；也不论是原子、分子抽象的微观结构的图形化显示，还是多媒体辅助化学教学手段的开发；甚至在复杂化工过程模拟、化学过程的自动化和各类化学专家系统的实现方面，均与计算机技术的发展和推动紧密相关。驾御和掌握计算机技术在化学领域中的应用已经成为化学家的基本技能之一。计算机在化学领域中的应用技术也成为重要的独立学科。 1.1 计算机技术在化学领域的发展历史 计算机在化学中的应用已经有40余年的历史。起初计算机主要用于量子化学计算方面，也称其为计算化学。随着计算机技术在化学中应用领域的扩大，计算化学显然已经不能涵盖其所有内容，人们将其列入一个新学科—“计算机化学”（Computational Chemistry or Computer chemistry）, 但是更多的人将其称为“计算机在化学中的应用”（Computer Application in Chemistry）或者为“化学中的计算机技术”（Computer in Chemistry）。目前人们习惯于称计算机技术为信息技术（IT），与此相对应，“化学信息技术”也是目前常用的名称。在国际上已经将其视为一门新兴学科，有专门的学术组织，如美国化学会中有“计算机化学分会”（ ACS Division of Computers in Chemistry），有专门的学术期刊，定期的学术会议等。其中“REVIEWS IN COMPUTATIONAL CHEMISTRY”杂志从1990年起已经出版了13卷。 计算机在化学中的应用历史基本上与计算机本身的发展同步。计算机技术在化学领域中的应用历史主要体现为以下几个阶段性标志： 1. 以量子化学计算为代表的计算化学发展史。从50年代发展起来的、以计算机为主要工具的量子化学、结构化学的从头计算、不同力场校正的半经验计算等将人类认识分子微观世界的能力大大提高。计算机的介入为将化学由实验科学向理论化发展做出了重大贡献。目前计算机的量子化学计算仍然是重要的研究领域之一。 2. 以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史。以计算机化工控制系统为标志，计算机的实时监测和交互控制大大提高了化学工业的水平，为将经典化学工业发展为现代化学工业奠定了基础。计算机化工控制系统已经成为化学工业结构改造与技术升级的重要内容。 3. 计算数学与分析化学相结合的发展史。傅立叶变换这种强大的数学技术是通过计算机才能与分析化学技术相结合的。计算机化的傅立叶变换技术在红外、质谱和核磁共振波谱分析中的应用为人们获取分子的微观结构信息打开了方便之门，大大提高了分析速度和准确性。今天建立在计算机技术基础之上的傅立叶变换技术和其他数学方法正在加速其在分析化学领域中的普及速度。 4. 计算机网络技术在化学信息收集方面的应用。化学信息的庞大规模曾经使化学家花费大量宝贵的时间去获得这些信息。基于计算机互联网络技术和智能化数据库技术的化学信息收集与检索体系，以及远程计算机登录技术为化学家与海量化学信息之间建立了高速有效的桥梁和纽带，大大增强了人类获取信息的能力。正在逐步成为化学家获取化学信息的主要手段。 5. 计算机模拟技术在化学化工过程模拟中的应用。计算机仿真模拟技术从根本上改变了化学实验技术。许多化学化工过程的高风险性和高消耗性，在一定程度上阻碍了化学学科的发展，基于现代计算机模拟技术的高温、高压、高险等化工过程模拟技术的发展加快了实验化学学科的发展并使化学科技成果的产业化过程加速。 6. 计算机智能化技术在化学专家系统中的应用。基于计算机强大逻辑分析与计算能力的人工智能技术在加工处理化学知识方面起着重大作用。基于计算机智能化技术发展起来的专家咨询、决策、分析系统成为化学工业知识化，或者知识经济走向化学和化工领域的重要生长点。 从二十世纪四十年代电子计算机出现，起初人们对计算机的认识仅是它强大的计算能力。因此，计算机在化学中的应用也是从计算相当复杂的量子化学中起步的。计算机技术使过去难以解决的量子化学从头