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结构化学课程教学指南
2012-03-16 12:36  

一、课程的一般信息

课程名称:结构化学

课程代码:0711319

开设学期: 4(周3学时)学期;总学时:48学时

教材与主要教学参考书目

1. 王荣顺《结构化学》高等教育出版社2006

2. 周公度《结构化学基础》(第三版)北京大学出版社2002

3. 周公度《结构化学基础》(第四版)北京大学出版社2007

4. 潘道恺 《物质结构》(第二版)高等教育出版社1989

5. 江元生《结构化学》高等教育出版社1997

6. 李宗和《结构化学》高等教育出版社2001

7. 李炳瑞《结构化学》,高等教育出版社2004年(兰州大学教材)

8.王军《结构化学》科学出版社2008

9. 周公度结构化学习题解析北京大学出版社1997

二、课程介绍

本科程的目的和任务

结构化学是高等学校化学专业一门主干基础课程。是物理化学的重要分支。它是在原子、分子的水平上研究原子、分子、晶体结构的运动规律以及物质微观结构和其性能间的关系的科学。结构化学总结归纳出的许多重要的概念(如原子轨道和分子轨道)、效应(如量子效应和离域效应)、原理或理论(如点阵理论和化学键理论)、规律(如对称性和对称原理)以及许多重要的实验手段(如衍射、光谱、能谱和磁共振)对化学学科及相关科学有重要的指导作用,在培养人的世界观和科学的方法论方面亦有突出的作用。结构化学是在化学、物理学、材料学、分子生物学、药学和许多新的科学技术相互渗透,相互交叉的基础上形成发展起来的一门学科。上述这些学科的许多理论问题以及许多新的测试方法都要以结构化学的基本理论、基本概念及基本方法为基础。因此结构化学不仅是理科化学专业的一门基础课,而且随着科学技术的不断发展,结构化学的重要性将日益增强。
   由于该课程涉及的面广,又比较抽象,要求学生具有较多的数理知识和较强的空间想象能力,该课程是大多数学生大学阶段最难学的课程之一。学习这门课程的目的在于使学生在前修课程的基础上进一步掌握微观物质运动的基本规律——量子力学基础,获得原子、分子和晶体结构的基本理论和基础知识,深入理解结构和性能之间的关系,深化对前修课程的理解,为学习后续课程,阅读化学文献,从事科学研究和中学化学教学打下基础,培养学生能运用结构化学的基本原理和方法去分析和解决实际问题的能力。进一步培养他们的辨证唯物主义世界观,以期在毕业后能更好地完成中学化学的教学任务。

结构化学课的基本任务:

学习这门课程的目的在于使学生在前修课程的基础上进一步掌握微观物质运动的基本规律——量子力学基础,获得原子、分子和晶体结构的基本理论和基础知识,深入理解结构和性能之间的关系,深化对前修课程的理解,为学习后续课程,阅读化学文献,从事科学研究和中学化学教学打下基础,培养学生能运用结构化学的基本原理和方法去分析和解决实际问题的能力。进一步培养他们的辨证唯物主义世界观,以期在毕业后能更好地完成中学化学的教学任务。

本课程的基本要求:

  1.量子力学基础和原子结构。这部分内容在第一、二章中讲授。要求了解量子力学的基本假设,掌握氢原子的薛定谔方程及求解要点,提高对原子结构的认识,深入理解原子轨道的意义、性质和空间图象。了解多电子原子中心力场近似法及He原子的变分法处理,了解核外电子排布的依据,了解角动量的偶合及原子光谱的意义。

  2.化学键理论和分子结构。这部分内容主要在第三、五及六章中讲授。要求重点掌握化学键的三个基本理论:分子轨道理论、价键理论和配位场理论。其中第三章要求了解线性变分法处理H2+ H2,了解共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。第五章要求掌握价键理论在多原子分子结构中的应用,了解SP杂化轨道的组成及键角公式。掌握HMO方法及其在共轭分子中的应用,了解前线轨道理论,.第六章要求掌握配位场理论在配合物结构中的应用,以及s - p配键配合物和多原子p键配合物的结构。

  3.点阵理论和晶体结构。这部分内容主要在第八、九、十章中讲授。要求掌握晶体周期性结构的特点及由此特点决定晶体的各种性质。了解单晶、多晶衍射法的基本原理,了解金属、离子化合物、分子化合物等各类晶体结构的基本型式及规律。

  4.分子性质及测定分子和晶体结构的实验方法。这部分内容主要分散在第三、四、六及第八章中讲授。要求根据分子的几何构型确定分子所属的点群,了解群的表示和特征标表的意义。了解偶极矩、磁化率与分子结构的关系。要求着重了解分子光谱、X射线衍射等方法所依据的基本原理,以及这些方法在测定结构中的作用和应用范围,为了解与掌握现代化学中的重要实验方法打下初步的基础。

三 讲授大纲与各章基本要求

内容

绪论(学时)

结构化学课程的任务、内容、在现代化学各学科中的应用及学习方法

 

第一章 量子力学基础知识(8学时)

要求和说明:

1-1 实物微粒的波粒二象性
1-2
微观粒子的运动状态及其运动规律
1-3
量子力学基本假设
1-4
势箱中运动的粒子共轭分子的自由电子模型

总体要求:正确理解微观粒子的量子性和波粒二象性的特点。掌握描述微观世界运动规律的量子力学的主要基本假设的内容和运用这些规律处理问题的步骤。

了解:黑体辐射,光电效应,氢原子光谱的基本现象;用量子力学求解上述体系的基本数学过程。Planck量子假设,Einstein光子学说和Bhor原子结构理论的基本内容;

理解:测不准原理的涵义并能用于判断客体运动符合量子力学还是经典力学;波函数的基本涵义和性质,及态叠加原理的意义;Schrodinger方程的建立过程及其物理涵义;量子力学用于微观体系的一般步骤;量子力学处理一维势箱粒子,简谐振子,刚性转子所得的基本结论(能量量子化现象,零点能效应,节点现象,隧道效应)。

掌握:微观粒子波粒二象形的本质及其统计解释;算符的基本概念,特别是关于厄米算符的定义和性质;本征函数,本征值和本征态的概念;力学量平均值计算,量子力学的基本假设。

第二章 原子的结构和性质(8学时)

要求和说明:

2-1 单电子原子的薛定谔方程及其解
2-2
量子数及其意义
2-3
波函数和电子云的图形
2-4
多电子原子的结构
2-5
原子光谱

总体要求:通过H原子和类氢离子的薛定谔方程的求解及讨论,理解波函数和电子云的径向分布和角度分布,四个量子数的物理意义,多电子原子的结构特点,保里原理和洪特规则的微观实质及核外电子排布的基本原理。

理解:自洽场方法的基本思想;Zeemann效应;中心立场近似和屏蔽模型的物理意义;氢原子的Schrodinger方程的求解过程;能量状态和Virial定理;原子状态和角动量加和规则的物理涵义;原子光谱选律及其在碱金属原子中的应用;正确理解元素周期律的本质和核外电子排布规律。

掌握:量子力学讨论微观体系的方法和步骤;氢原子Schrodinger方程解的物理意义(量子数nlm,原子轨道及其表示方法,波函数和电子云的图象及其特征);电子自旋假设的基本涵义,Pauli原理的物理意义,单电子假设的基本思想及其在处理多电子体系中的作用;正确书写原子光谱项的方法。

第三章 共价键与双原子分子的结构和性质(8学时

要求和说明:

3-1 H2+的结构和共价键的本质
3-2
分子轨道理论双原子分子的结构
3-3
异核及双原子分子的结构
3-4 H2
分子的结构和价键理论
3-5
分子光谱
3-6
光电子能谱

总体要求:掌握线性变分法处理分子结构的步骤,掌握分子轨道理论的基本原理,深入理解化学键本质,

理解:Born-ppnheimer近似的物理意义;理解价键理论处理双原子分子结构的一般过程,表示方法;组态和分子角动量耦合的物理意义,分子轨道理论和价键理论的差异。

掌握:线性变分法对双原子分子的应用;分子轨道理论处理H2+分子的基本假设(变分函数的构成)和主要结论(HaaHbbSab的物理意义,体系能量曲线,电子云分布);分子轨道理论的基本要点(单电子近似,LCAO-MO方法,成键三原则);分子轨道的类型,符号能级次序及电子的排布规则;分子轨道理论处理双原子分子结构的一般过程和重要结论。要会正确熟练地写出双原子分子的电子组态,并能正确给出分子键级、磁性等

第四章 分子的对称性(4学时)

要求和说明:

4-1 对称操作和对称元素
4-2
对称操作群与对称元素的组合
4-3
分子的点群
4-4
分子对称性与偶极矩和旋光性的关系

总体要求: 熟练正确判断分子所属点群,初步了解分子对称性及与物质偶极矩,旋光性间的关系。

理解:对称操作的组合规则和对易规则,熟悉群的基本概念;分子对称性和分子物理性质之间的关系(偶极距,旋光性)。

掌握:对称元素和对称操作的基本概念(恒等,旋转,反映,象转,反演);分子点群的分类方法;对称操作矩阵表示的意义和方法

 

第五章 多原子分子的结构和性质(6学时

 

要求和说明:

5-1 杂化轨道理论和离域分子轨道理论
5-2 HMO

5-3
分子轨道对称性和反应机理
5-4
共价键的键长和键能
5-5
分子间作用力和分子形状
5-6
核磁共振谱

总体要求:掌握杂化轨道和价电子对互斥理论用以判断分子几何构型的方法,通过共轭分子的HMO法处理初步理解共轭分子同系物性质的递变规律和分子图的应用。

理解:杂化轨道波函数的构造方法,Huckle处理共扼有机分子时引进的假设等

掌握:杂化轨道理论的基本要点,以及等性和不等性杂化轨道的计算方法;Huckle分子轨道理论的基本要点及对共扼有机分子和简单无机分子的处理方法;大P键的概念,类型及形成条件;用Huckle分子轨道理论计算分子图的方法和分子图中各数据的物理意义。

第六章 配位化合物的结构和性质(2学时)

要求和说明:

6-l 配位场理论要点

6-2 s - p配键与有关配合物的结构和性质

6-3 原子簇化合物的结构与性质

总体要求:掌握配位化合物的晶体场理论,初步理解用分子轨道理论解释光谱化学序列及σ—π配合物的化学成键问题。

理解:分子轨道图形理论的基本思想;原子簇化合物的基本特征和结构规则。

掌握:晶体场理论的基本思想和晶体场稳定化能的计算方法;中央金属离子和配体对分裂能的影响;配位化合物的结构特征和Jahn-Teller效应;配位化合物分子轨道理论的基本内容,和σπ配键的成键过程及有关配位化合物的基本特征,以及σπ配键的形成对配合物性质的影响。

 第七章 次级健和超分子化学*

本章暂不独立讲授,主要内容分散在有关章节

第八章 晶体的点阵结构和晶体的性质(8学时)

要求和说明:

8-1 晶体结构的周期性和点阵
8-2
晶体的对称性
8-3
晶体的结构的表达和应用
8-4
晶体的点群和群符号
8-5
晶体的X射线衍射原理

总体要求:掌握晶体结构的点阵理论和晶体的宏观对称性;晶体对X射线的衍射原理

掌握:点阵,点阵单位,晶胞,晶面等基本概念;布拉维规则和晶面的表示方法;晶体的宏观对称元素和微观对称元素及取对称操作的内容;晶体的对称性定理和晶体的划分情况(国际符号,七个晶系,十四种空间点阵形式,32点群及其相互关系);掌握衍射方向、Laue方程及Bragg方程,认知衍射强度及结构因子,了解系统消光,掌握立方晶系粉末线的指标化,熟练掌握立方晶系X射线物相分析、确定晶胞参数、点阵形式,了解实际图谱的解

 第九章 金属的结构和性质(2学时)

要求和说明:

9-1 金属的性质和金属键
9-2
球的密堆积和金属单质的结构
9-3
合金的结构和性质

总体要求: 掌握金属晶体密堆积的类型和特点

掌握:等径圆球密堆积原理及其在金属晶体中的应用(A1A3型);晶体金属键的本质和金属半径的概念

第十章 离子化合物的结构化学(2学时)

要求和说明:

10-1 离子键和点阵能
10-2
离子半径
10-3
离子配位多面体及其连接方式
10-4
若干典型离子化合物的结构
10-5
硅酸盐的结构化学

总体要求:掌握典型离子晶体结构特点

了解: SiO2型晶体结构特点及压电材料,CaF2型晶体结构特点及储氢材料,钙钛矿型晶体结构特点、非线形光学材料及超导材料, A2型晶体结构及固体离子导体等。

掌握:半径比临界值,常见的离子晶体类型(NaClCsCl,立方ZnS,六方ZnSCaF2TiO2)结构型式;离子晶体点阵能的理论计算方法;离子的堆积规则;典型共价化合物──金刚石的结构。

 

参考书目:

1. 周公度《结构化学基础》(第三版)北京大学出版社2002
2.
林梦海《结构化学》,科学出版社2004
年(厦门大学教材)
3.
李炳瑞《结构化学》,高等教育出版社2004年(兰州大学教材)
4.
潘道恺 《物质结构》(第二版)高等教育出版社1989
5.
何福成《结构化学》人民教育出版社
1979
6.
唐作华《基础结构化学》四川大学出版社
1994
7.
郭用猷《结构化学》山东大学出版社
1998
8.
江元生《结构化学》高等教育出版社
1997
9. McWeeny R, Coulson C A
著《原子价》余敬曾译北京科学出版社
1986
10.
徐光宪《物质结构》第二版北京高等教育出版社
1987
11.
邓景发《物理化学》北京高等教育出版社
1993
12.
范康年《物理化学学习指导》复旦大学出版社
1996
13.
周公度结构化学习题解析北京大学出版社
1997
14.
倪行,高剑南《物质结构学习指导》科学出版社
1999
15.
郭用猷《物质结构基本原理》北京高等教育出版社1987

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