表面活性剂界面化学实验改进：实验与模拟融合的综合设计

doi:10.3866/PKU.DXHX202308097

摘要/Abstract

摘要：

本实验聚焦化学领域科技前沿，关注智慧教学发展，将计算化学相关理念及方法融入传统实验，对数据分析和体系可视化进行了改进。利用Packmol软件构建与实验体系相符的模型，用Gromacs软件计算分析各体系中表面活性剂的倾斜角、回转半径、径向分布函数、氢键及溶剂可及表面积等数据，从微观层面研究吸附特性。本综合实验能够使学生从原子尺度认识表面活性剂的吸附和乳化过程的微观变化，激发学生学习兴趣，提升了学生的软件应用能力及空间想象能力，丰富物理化学实验有关界面化学实验的课程设计。

关键词: 界面化学, 表面活性剂, 分子动力学模拟, 物理化学实验, 计算化学, 智慧教学

Abstract:

This experiment focused on the forefront and technology in chemistry, paid attention to the development of intelligent teaching, integrated computational chemistry concepts and methods into traditional experiments, and improved data analysis. Packmol was used to build models consistent with the experiment. Gromacs was used to calculate and analyze the tilt angle, rotation radius, radial distribution function, hydrogen bond and solvent-accessible surface area to study the adsorption characteristics from the microscopic level. This comprehensive experiment could enable students to understand the microstructure changes in the adsorption and emulsification process of surfactants from the atomic scale, stimulate students' interest in learning, improve their software application and spatial imagination ability, and enrich the course design of physical chemistry experiments related to interface chemistry experiments.

Key words: Interface chemistry, Surfactant, Molecular dynamics simulation, Physical chemistry experiment, Computational chemistry, Intelligent teaching

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链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202308097

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2024/V39/I3/283

图/表 16

图1

表1

图2

表2

本实验和模拟实施流程"

实验体系	教学活动	课前准备		课堂教学		课后学习
气液体系	教学(教师)	实验准备	实验：腰果酚表面活性剂模拟： 1.学习通上传表面活性剂、水参数文件 2.准备气液模拟计算参数文件	实验指导	实验： 1. 讲解实验理论内容 2. 指导学生使用表面张力仪模拟：指导学生构建气液体系模型、模拟计算	理论讲解	1. 利用学习通线上线下讲解实验数据处理方法 2. 讲解VMD软件的使用方法，指导学生处理气液模拟相关数据
气液体系	学习(学生)	预习	学习通平台预习实验相关理论知识，利用Avogadro软件优化表面活性剂结构模型	实验过程	实验： 1. 配制表面活性剂溶液 2. 调试仪器，测表面张力，并记录数据模拟： 1. 使用Packmol构建模型 2. 使用Gromacs软件模拟计算	数据处理	1. 结合物理化学理论知识，处理实验数据，分析规律 2. 利用Gromacs软件处理模拟数据，并绘图分析，结合实验数据，得到相关研究性结论
液液体系	教学(教师)	实验准备	实验：腰果酚表面活性剂，正己烷模拟： 1. 学习通上传正己烷参数文件 2. 准备液液体系模拟计算参数文件	实验指导	实验： 1. 讲解实验理论内容 2. 指导学生使用界面张力仪模拟：指导学生构建液液体系模型、模拟计算	理论讲解	1. 利用学习通线上线下讲解实验数据处理方法 2. 讲解VMD软件的使用方法，指导学生处理液液模拟相关数据
液液体系	学习(学生)	预习	利用Avogadro软件优化正己烷结构模型	实验过程	实验： 1. 配制表面活性剂溶液 2. 调试仪器，测界面张力，并记录数据模拟： 1. 使用Packmol构建模型 2. 使用Gromacs软件模拟计算	数据处理	1. 结合物理化学理论知识，处理实验数据，分析规律 2. 利用Gromacs软件处理模拟数据，并绘图分析，结合实验数据，得到相关研究性结论
固液体系	教学(教师)	实验准备	实验：腰果酚表面活性剂，二氧化硅模拟： 1. 学习通上传SiO₂-OH参数文件 2. 准备固液体系模拟计算参数文件	实验指导	实验：讲解实验理论内容模拟：指导学生构建固液体系模型、模拟计算	理论讲解	1. 配合学习通相关课程资料，线上线下混合讲解实验数据处理方法 2. 讲解VMD软件的使用方法，指导学生处理固液模拟相关数据
固液体系	学习(学生)	预习	利用Avogadro软件优化SiO₂-OH结构模型	实验过程	实验： 1. 配制固液体溶液 2. 调试仪器，测表面张力，并记录数据模拟： 1. 使用Packmol构建模型 2. 使用Gromacs软件模拟计算	数据处理	1. 结合物理化学理论知识，处理实验数据，分析规律 2. 利用Gromacs软件处理模拟数据，并绘图分析，结合实验数据，得到相关研究性结论

表2

图3

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图9

图10

表3

图11

图12

图13

体系类型	初始模型大小/nm³			体系分子数/个				NPT-1/ns	NVT/ns	NPT-2/ns
体系类型	EO-1	EO-5	EO-10	Surfactant	H₂O	C₆H₁₄	SiO₂-OH	NPT-1/ns	NVT/ns	NPT-2/ns
气-液	4 × 4 × 10	4 × 4 × 10	4 × 4 × 10	8	1600	–	–	1	10	–
液-液	4 × 4 × 8	4 × 4 × 9	4 × 4 × 11	8	1600	220	–	1	–	10
固-液	6 × 6 × 6	6 × 6 × 6	6 × 6 × 6	6	7100	–	2	1	–	4

表面活性剂	吸附后体系总能量(kJ∙mol⁻¹)	表面活性剂能量 (kJ∙mol⁻¹)	水和SiO₂-OH能量(kJ∙mol⁻¹)	吸附能 (kJ∙mol⁻¹)
EO-1	−445915.00	118.24	−367607.00	−13169.58
EO-5	−443114.00	688.94	−367607.00	−13273.44
EO-10	−439529.00	1434.02	−367607.00	−13421.02

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