電荷，我可能最早在小學(xué)自然課程里就學(xué)到，例如摩擦生電、同性電荷排斥而異性相吸等，中學(xué)階段我們從原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中了解了電子、質(zhì)子，可能對電荷理解更深了。但此時的知識結(jié)構(gòu)，還停留在把電子當(dāng)作實物粒子一樣對待，好像一個個乒乓球，就是小點。大學(xué)時，當(dāng)我接觸到量子力學(xué)和波粒二象性，首次把電子作為波來理解，著實難以接受，甚至聽著都別扭。

等從事計算模擬，有更多機會去面對各種物質(zhì)中各類元素的價態(tài)變化，這大大豐富了我對電荷的理解。尤其是當(dāng)我自己能通過密度泛函程序，第一次繪制出H2分子的電子密度圖，興奮了好一陣，好像真的看到了電子似的，也忽然領(lǐng)悟量子化學(xué)老師總掛在嘴邊的話：“不要只看到原子，要看到電子！”

這種不間斷學(xué)習(xí)，也夾雜著對過往知識的不斷審視和批判，因為量子力學(xué)框架把我最初“電子像很小的乒乓球”的概念擊得粉碎，同時也讓我對大學(xué)教材里各種帶電離子的價態(tài)開始懷疑 – 如果電子不是一個個粒子，憑什么在不同化合物中還能得到整數(shù)電荷，例如Fe2+, Fe3+等，這隱隱觸發(fā)了我對“電荷”的懷疑。加之后來學(xué)到各種電荷，如Bader電荷、Mulliken電荷等，我更為迷茫。但得益于大量科研實踐，我慢慢理解電荷僅僅是表觀概念，好比窮人、富人一樣，而電子的空間分布才是本質(zhì)。把握了這一點，一切電荷相關(guān)分析，只需要抓住電子及其分布就抓住了源頭。

4月25日，老司機把整理的很多案例，通過小班課的形式來分享討論，理論配合實際操作，包含建模、參數(shù)測試（如磁矩）、計算、數(shù)據(jù)分析。三個操作案例分別是：陰離子吸附、混合價態(tài)計算與塊體點電荷缺陷。利用案例浸入式學(xué)習(xí)，對理論和方法的理解更具體！

第一節(jié)：電子密度分布

密度泛函理論(DFT)的核心就是用電子密度作為變量，研究原子間作用，因此電子密度是DFT計算自然而言得到的結(jié)果。同時借用波函數(shù)的幾率解釋，量子化學(xué)計算也同樣可以很方便得到電子分布信息。通過對電子分布(Electron Density)進行各種解析，尤其是可視化，能顯著幫助我們獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。第一節(jié)課，我們會迅速建立電子密度與電荷分析的宏觀知識框架，幫助我們明確平時如何選取合適工具和指標(biāo)進行分析。

第二節(jié)：電荷定量計算與分析

電荷計算的難處在于電子歸屬方案難以統(tǒng)一。不同于實物例子“我的就是我的，你的就是你的”，電子的波動特性導(dǎo)致我們不能明確把某個價電子屬于到某特定原子，因此理論上任何波都能全局分布。正因為這樣，各種對電子進行歸屬的方法就提出來了，對應(yīng)于不同的電荷方案。這種定量計算毫無疑問帶來了極大便利，使得我們很輕松地將價態(tài)、氧化還原、電子傳遞等關(guān)聯(lián)起來，而這些同實驗結(jié)果又緊密聯(lián)系，因此用途極廣。一個經(jīng)典案例是碳正離子，如下圖，用電子分布能輕松看到CH3碳正離子、自由基、陰離子的差別，同時用經(jīng)典的Mulliken電荷也能解釋其差別，但經(jīng)典價態(tài)以及雜化理論就存在極大困難。

第三節(jié)：電子密度投影與分解

電子結(jié)構(gòu)有多種表達方式，如態(tài)密度、能帶、軌道等，如果采用投影、積分等方法，還能獲得更多信息。一方面，我們能通過定量電荷計算，理解催化、電池充放電中特定元素的價態(tài)變化，另一方面也能將電荷分析同其它電子結(jié)構(gòu)，如態(tài)密度積分分析等結(jié)合而互為佐證。本節(jié)課我們展示多個案例，將電荷同多種數(shù)據(jù)源進行融合分析。

如果您對電子空間分布和電荷分析，歡迎聯(lián)系老司機了解更多。