什么是计算化学？

这个专业对于很多化学专业小伙伴来讲都有点陌生，但是化学专业的同学在本科期间或多或少涉及一些关于计算化学内容，有些反应要计算反应的能量变化和反应历程，这都是计算化学的内容，只是本科期间学得内容过于皮毛，压根没有想过这些内容会跟计算化学这个专业扯上关系，而且这个专业只有博士研究生才会开设专业，甚至硕士生都很少开设。

计算化学（computational chemistry）是理论化学的一个分支，主要目的是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质，例如总能量、偶极矩、四极矩、振动频率、反应活性等，并用以解释一些具体的化学问题。计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。

理论化学泛指采用数学方法来表述化学问题，而计算化学作为理论化学的一个分支，常特指那些可以用电脑程序实现的数学方法。计算化学并不追求完美无缺或者分毫不差，因为只有很少的化学体系可以进行精确计算。不过，几乎所有种类的化学问题都可以并且已经采用近似的算法来表述。

理论上讲，对任何分子都可以采用相当精确的理论方法进行计算。很多计算软件中也已经包括了这些精确的方法，但由于这些方法的计算量随电子数的增加成指数或更快的速度增长，所以他们只能应用于很小的分子。对更大的体系，往往需要采取其他一些更大程度近似的方法，以在计算量和结果的精确度之间寻求平衡。

计算化学主要应用已有的电脑程序和方法对特定的化学问题进行研究。而算法和电脑程序的开发则由理论化学家和理论物理学家完成。计算化学在研究原子和分子性质、化学反应途径等问题时，常侧重于解决以下两个方面的问题：

• 为合成实验预测起始条件
• 研究化学反应机理、解释反应现象

计算化学的子学科主要包括：

• 原子和分子的计算机表述
• 利用计算机协助存储和搜索化学信息数据 （参见化学数据库）
• 研究化学结构与性质之间的关系 （参见定量构效关系(QSAR)及定量构性关系(QSPR)）
• 根据对作用力模拟对化学结构进行理论阐释
• 计算机辅助化合物合成
• 计算机辅助特性分子设计（例如计算机辅助药物设计）

2013年因“为复杂化学系统创造了多尺度模型”，马丁·卡普拉斯、迈可·列维特和阿里耶·瓦舍尔一同获得诺贝尔化学奖。

计算化学发展简史

计算化学建立在量子力学历史的发现和理论之一，1927年，Walter Heitler和Fritz London首先进行了化学理论计算。早期影响计算量子化学发展的著作包括Linus Pauling和E.Bright Wilson1935年撰写的“Introduction to Quantum Mechanics-with Applications to Chemistry”，Eyring、Walter和Kimball在1944年出版的“Quantum Chemistry”、Heitler于1945年出版的“Elementary Wave Mechanics上面提到的撰写书籍和著作成为化学家几十年里重要的参考文献。
20世纪40年代，随着计算机技术的发展，阐述复杂原子系统的波方程开始成为一个可以实现的目标。20世纪50年代早期，进行了第一个半经验的原子轨道计算。理论化学家开始成为早期的数字计算机的广大用户。Smith和Sutcliffe对在英国这样使用给出了一个非常详细的解释。1956年，在麻省理工学院开展了双原子分子的从头Hartree-Fock计算，使用的是一套Slater轨道基础。1960年，Nesbet和Ransil分别用最小基组和最大基轨道分布进行了第一种多原子轨道计算。20世纪50年代，Boys与同事在Cambridge大学的EDSAC计算机上采用GAUSSIAN轨道第一次进行了配置相互作用的计算。到1971年，一部关于从头计算的参考书出版，书中罗列的最大的分子包括萘和甘菊环烃。Schaefer公开了从头计算的许多早期发展的摘要。
1964年，Hückel计算方法即使用一个简单的线性组合的原子轨道法(LCAO)法测定的共轭烃系统中π电子的分子轨道的电子能量，在加州大学Berkeley分校和Oxford大学的计算机上生成。这些经验方法在20世纪60年代被CNDO等方法替代。
在20世纪70年代早期，高效的计算机程序如ATMOL、GAUSSIAN、IBMOL、POLYAYTOM开始被用于加快分子轨道的从头计算。这四个项目只有GAUSSIAN现在仍然被大量使用，但是其他许多程序现在也在使用。在此期间，Norman Allinge发展了分子力学方法MM2。
术语“计算化学”第一次出现在Sidney Fernbach and Abraham Haskell Taub在1970年出版的著作《Computers and Their Role in the Physical Sciences》当中。计算化学终于可以越来越多的成为现实。20世纪70年代，广泛的不同的方法开始被视为计算化学这门新兴学科的一部分。1980年，《Journal of Computational Chemistry（计算化学杂志）》创刊。

1998年10月13日，瑞典皇家科学院宣布：将1998年度诺贝尔化学奖授予两位成就卓著的量子化学家—加利福尼亚大学Walter Kohn和西北大学John A. Pople，以奖励Walter Kohn的密度泛函理论和John A. Pople的量子化学计算方法对化学的巨大贡献。Pople提出波函数方法并发展了化学中的计算方法，这些方法是基于对Schrodinger方程中的波函数作不同的描述。他创建了一个理论模型化学，其中用一系列越来越精确的近似值，系统地促进量子化学方程的正确解析，从而可以控制计算的精度，这些技术是通过高斯计算机程序向研究人员提供的。今天这个程序在所有化学领域中都用来作量子化学的计算。Walter 在20世纪60年代就提出：一个量子力学体系的能量仅由其电子密度所决定，这个量比Schrodinger方程中复杂的波函数更容易处理得多。他同时还提供一种方法来建立方程，从其解可以得到体系的电子密度和能量，这种方法称为密度泛函理论，已经在化学中得到广泛应用，因为方法简单，可以应用于较大的分子。

计算化学专业全国高校排名

由于计算化学专业开设过少，全国基本上没有几个高校会开这么专业，这是一个在化学领域非常冷门的专业，目前排名尚未查到专业排名，敬请谅解。

计算化学研究方向

① 数值计算

数值计算即利用计算数学方法 ，对化学各专业的数学模型进行数值计算或方程求解，例如 ，量子化学和结构化学中的演绎计算、分析化学中的条件预测、化工过程中的各种应用计算等。

②化学模拟

化学模拟包括：数值模拟，如用曲线拟合法模拟实测工作曲线；过程模拟，根据某一复杂过程的测试数据，建立数学模型，预测反应效果；实验模拟，通过数学模型研究各种参数（如反应物浓度、温度、压力）对产量的影响，在屏幕上显示反应设备和反应现象的实体图形，或反应条件与反应结果的坐标图形。

③模式识别应用

最常用的方法是统计模式识别法，医学|教育|网搜集整理这是一种统计处理数据、按专业要求进行分类判别的方法，适于处理多因素的综合影响，例如，根据二元化合物的键参数（离子半径、元素电负性、原子的价径比等）对化合物进行分类，预报化合物的性质。模式识别广泛用于最优化设计，根据物性数据设计新的功能材料。

④数据库及检索

在化学数据库中，数据、常数、谱图、文摘、操作规程、有机合成路线、应用程序……都是数据。数据库能存贮大量信息，并可根据不同需要进行检索。根据谱图数据库进行谱图检索，已成为有机分析的重要手段，首先将大量的谱图（红外、核磁、质谱等）存入数据库，作为标准谱图，然后由实验测出未知物的各种谱图，把它们和标准谱图进行对照，就可求得未知物的组成和结构。

⑤化学专家系统

化学专家系统是数据库与人工智能结合的产物，它把知识规则作为程序，让机器模拟专家的分析、推理过程，达到用机器代替专家的效果。如酸碱平衡专家系统，内容包括知识库和检索系统，当你向它提出问题时，它能自动查出数据，找到程序，进行计算、绘图 、推理判断等处理，并用专业语言回答你的问题，如溶液pH值的计算，任意溶液用酸、碱进行滴定时操作规程的设计。

计算化学就业前景怎么样？

计算化学专业在化学领域是一个极其冷门专业，也只有在研究生阶段才会招生，就业方向极其狭隘，博士毕业只能进高校或者研究所做科研，或者毕业后转行做跟化学相关的行业，所以我不建议考研时或者考博报考此专业，所以在读研或者读博之前一定要了解所选导师的方向，只有这样才能避开这个坑。