《結(jié)構(gòu)化學》課程教學大綱

《結(jié)構(gòu)化學》課程教學大綱課程代碼：ABCL0408課程中文名稱：結(jié)構(gòu)化學課程英文名稱：StructuralChemistry課程性質(zhì)：選修課程學分數(shù)：1.5課程學時數(shù)：24授課對象：材料化學專業(yè)本課程的前導課程：無機化學、物理化學等一、課程簡介結(jié)構(gòu)化學是在原子、分子的層次上研究原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)的運動規(guī)律，揭示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間關系的一門基礎科學。它以電子構(gòu)型和幾何構(gòu)型為兩條主線，系統(tǒng)講授三種理論和三類結(jié)構(gòu)：量子理論和原子結(jié)構(gòu)、化學鍵理論和分子結(jié)構(gòu)、點陣理論和晶體結(jié)構(gòu)。為本科生打下兩方面基礎：量子化學基礎、結(jié)晶化學基礎。這些基礎對于建立微觀結(jié)構(gòu)概念和原理、掌握現(xiàn)代測試方法具有不可替代的作用。二、教學基本內(nèi)容和要求課程教學內(nèi)容：1量子力學基礎知識：（1）微觀粒子的運動特征，（2）量子力學的基本假設，（3）箱中粒子的Schr?dinger方程及其解；3原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：（1）單電子原子的Schr?dinger方程及其解，（2）量子數(shù)的物理意義，（3）波函數(shù)電子云圖形，（4）多電子原子的結(jié)構(gòu)，（5）元素周期表和元素周期性質(zhì)；4共價鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學：（1）化學鍵的概述，（2）H2+的結(jié)構(gòu)和共價鍵的本質(zhì)，（3）分子軌道理論和雙原子分子的結(jié)構(gòu)；5多原子分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：（1）價層電子對互斥理論（VSEPR），（2）雜化軌道理論；6配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：（1）概述，（2）價鍵理論、晶體場理論、配位場理論；7晶體的點陣結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)：（1）晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣，（2）晶體的衍射。課程的重點、難點：1量子力學基礎知識：（1）微觀粒子的運動特征，（2）量子力學的基本假設；3原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：（1）量子數(shù)的物理意義，（2）波函數(shù)電子云圖形，（3）多電子原子的結(jié)構(gòu)；4共價鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學：（1）化學鍵的概述，（2）H2+的結(jié)構(gòu)和共價鍵的本質(zhì)；5多原子分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：（1）雜化軌道理論；6配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：（1）價鍵理論、晶體場理論、配位場理論；7晶體的點陣結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)：（1）晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣。課程教學要求：1量子力學基礎知識（1）微觀粒子的運動特征了解三個著名實驗黑體輻射、光電效應、氫原子光譜的基本實驗現(xiàn)象；Planck量子假設，Einstein光子學說和Bohr原子結(jié)構(gòu)理論的基本內(nèi)容。理解實物微粒的波粒二象性的本質(zhì)及其統(tǒng)計解釋；測不準原理的涵義并能用于判斷客體運動符合量子力學還是經(jīng)典力學。掌握實物微粒的deBroglie波長計算，實物微粒和光子運動規(guī)律的差別。（2）量子力學的基本假設了解量子力學的五個基本假設，態(tài)疊加原理，Pauli原理的實質(zhì)。理解波函數(shù)和微觀體系運動狀態(tài)的描述方法；波函數(shù)的物理意義、性質(zhì)；力學量算符的定義和算符化規(guī)則；本征函數(shù)、本征態(tài)和本征值等概念，Schr?dinger方程的建立過程及其物理涵義。掌握合格波函數(shù)的條件及應用；波函數(shù)的正交歸一性的數(shù)學式作一般的證明、計算；線性算符和厄米算符的定義和性質(zhì)及常見物理量的算符表達式；用算符判斷本征態(tài)，求解波函數(shù)的本征值；力學量平均值的概念及平均值的計算。（3）箱中粒子的Schr?dinger方程及其解了解量子力學處理微觀體系的一般步驟。理解量子力學處理一維勢箱模型的處理方法、求解過程和所得的基本結(jié)論（能量量子化現(xiàn)象，零點能效應，節(jié)點現(xiàn)象，隧道效應）。掌握一維勢箱Schr?dinger方程的求解結(jié)果及某些物理量（動量，能量，平均位置，最大吸收波長）在共軛分子體系中的簡單應用的計算。3原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（1）單電子原子的Schr?dinger方程及其解了解變數(shù)分離法求解氫原子的Schr?dinger方程的求解過程，ΘΦ和R(r)方程的求解結(jié)果；能量狀態(tài)和Virial定理。理解量子力學處理單電子原子的思想方法和處理過程；實波函數(shù)與復波函數(shù)的聯(lián)系與區(qū)別。掌握Ф方程的求解過程和結(jié)果；單電子原子狀態(tài)的表示-原子波函數(shù)，及物理性質(zhì)與波函數(shù)的關系（2）量子數(shù)的物理意義理解量子數(shù)s，j，mj的物理意義及取值規(guī)則。掌握四個量子數(shù)n，l，m，ms的物理意義及取值規(guī)則；單電子原子的能級公式；軌道運動和自旋角動量、軌道運動和自旋磁矩的意義和表達式。（3）波函數(shù)電子云圖形了解波函數(shù)ψ和電子云ψ2的徑向分布圖和原子軌道等值線圖和角度分布圖的作圖方法。理解原子軌道的意義、性質(zhì)和空間圖形；波函數(shù)ψ和電子云ψ2的圖形的物理意義。掌握s、p、d原子軌道輪廓圖及其特征。（4）多電子原子的結(jié)構(gòu)了解簡單多電子原子體系的Schr?dinger方程的表示方法；量子力學處理多電子原子體系的思想方法-軌道近似(Born-Oppenheimer近似)；自洽場方法的基本思想；Zeeman效應；電子自旋假設的基本涵義，Pauli原理的物理意義。理解近似求解方法（單電子近似和中心力場法）大意和主要結(jié)果；中心立場近似和屏蔽模型的物理意義。掌握掌握用屏蔽模型(Slater屏蔽系數(shù)法)和單電子近似處理多電子原子的過程及相關物理量（原子軌道能，電離能，電子結(jié)合能和互斥能）的計算；簡單多電子原子的全波函數(shù)表示-Slater行列式。（5）元素周期表和元素周期性質(zhì)了解電子的填充順序和電離順序。理解元素周期律的本質(zhì)。掌握基態(tài)原子核外電子排布原則，第三周期前任一元素的電子層結(jié)構(gòu)。4共價鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學（1）化學鍵的概述了解化學鍵的定義和類型；幾種簡單化合物或單質(zhì)中存在的化學鍵類型。理解共價鍵、離子鍵和金屬鍵之間的聯(lián)系和區(qū)別。（2）H2+的結(jié)構(gòu)和共價鍵的本質(zhì)了解用量子力學處理單電子H2+時建立的Schr?dinger方程；變分法求解單電子分子的Schr?dinger方程的過程。理解Born-Oppenheimer近似的物理意義；分子軌道理論處理H2+分子的基本假設（變分函數(shù)的構(gòu)成）和主要結(jié)論（Haa，Hbb，Sab的物理意義，體系能量曲線，電子云分布）。掌握線性變分法的基本要點；共價鍵的本質(zhì)-離域效應，極化效應和收縮效應。（3）分子軌道理論和雙原子分子的結(jié)構(gòu)了解簡單分子軌道理論；雙原子分子的光譜項的推求。理解分子軌道理論的基本要點（單電子近似，LCAO-MO方法，成鍵三原則）。掌握LCAO-MO三原則，雙原子分子軌道的類型、符號表示方式、能級次序及電子的排布規(guī)則；前二周期同核和部分異核雙原子分子的電子組態(tài)，并能計算鍵級、判斷磁性，解釋鍵的強度、鍵長、鍵型和有關性質(zhì)。5多原子分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（1）價層電子對互斥理論（VSEPR）了解價層電子對互斥理論的要點。理解價電子對構(gòu)型和分子構(gòu)型的特點和區(qū)別；等電子體原理。掌握應用價層電子對互斥理論判斷分子或離子的幾何構(gòu)型，并能結(jié)合重鍵、孤對電子、元素電負性等因素比較相近分子的性質(zhì)差異（如鍵長、鍵角等）。（2）雜化軌道理論了解雜化軌道理論提出的背景；原子軌道雜化的目的和動力、彎鍵和共價鍵的飽和性。掌握雜化軌道理論的要點：雜化、雜化軌道、雜化軌道的正交歸一性、等性雜化和不等性雜化、雜化軌道夾角；等性s-p類雜化sp，sp2，sp3雜化軌道的推求；不等性s-p類雜化軌道的雜化軌道指數(shù)的計算及軌道中s和p軌道成分的計算；能用雜化軌道理論解釋分子的幾何構(gòu)型。6配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（1）概述了解配位化合物的定義和分類，關于配位化合物結(jié)構(gòu)的幾種理論。掌握配位化合物的組成、命名規(guī)則及配體的分類。（2）價鍵理論、晶體場理論、配位場理論了解電價配鍵和共價配鍵的形成過程；八面體配合物的分子軌道的能級圖；配位場穩(wěn)定化能對離子水化熱、點陣能和離子半徑的影響。理解強場低自旋和弱場高自旋；分裂能在配位場中和晶體場中的差別；配位體群軌道(SALC)建造；配體與中心原子π鍵形成對分裂能大小的影響；配位化合物的光譜化學序列。掌握在晶體場中五個d軌道在不同配位環(huán)境中（四面體場、八面體場合平面正方形場）的能級分裂情況；分裂能和成對能的概念及影響因素；根據(jù)分裂能和成對能的相對大小判斷d軌道中電子的排布方式（高自旋和低自旋）；用晶體場理論解釋絡合物的磁性，Jahn-Teller效應的基本概念，絡合物的畸變的原因及判據(jù)；配位場效應及配位場作用下d軌道能級分裂；配位場穩(wěn)定化能的計算及意義。7晶體的點陣結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)（1）晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣了解晶體的特性；直線點陣、平面點陣、空間點陣的特點及單位；晶體的缺陷。理解晶體和非晶體的區(qū)別；晶體結(jié)構(gòu)和點陣與結(jié)構(gòu)基元的關系。掌握晶體，點陣、點陣點、結(jié)構(gòu)基元、點陣結(jié)構(gòu)、晶面、晶面指標，晶面間距、衍射面指標、衍射面間距等基本概念；晶胞的定義及兩個要素、正當晶胞及劃分原則；平面點陣的指標化及晶面指標與晶面間距之間的關系。（2）晶體的衍射了解X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)，勞埃方程和布拉格方程的推導，衍射強度及結(jié)構(gòu)因子；系統(tǒng)消光的機理；XRD實際圖譜的解。掌握衍射方向、Bragg方程；立方晶系粉末線的指標化；立方晶系X射線物相分析、立方晶系系統(tǒng)消光的條件，確定晶胞參數(shù)、點陣形式。三、實驗教學內(nèi)容及基本要求無。四、教學方法與手段以多媒體展示、板書、課堂講授相結(jié)合的方式進行授課。五、教學學時分配章節(jié)（或內(nèi)容）講課習題課實驗其它合計1量子力學基礎知識443原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)884共價鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學445配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)226配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)227晶體的點陣結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)44合計2424六、考核方式與成績評定標準1、考核方法：考查。2、成績評定：學生成績按：優(yōu)秀、良、中、及格、不及格五個等級評定。結(jié)合課堂提問、聽課表現(xiàn)（結(jié)合平時考勤）、撰寫課程綜述報告質(zhì)量進行綜合評分。綜述題在課程結(jié)束前由教師布置并提出要求，按規(guī)定時間收回。本課程學生成績=課堂提問10%+綜述報告70%+聽課表現(xiàn)20%成績等級優(yōu)秀良好中等及格不及格對應分數(shù)90-10080-8970-7960-69＜60優(yōu)秀的評定依據(jù)：（1）能結(jié)合《結(jié)構(gòu)化學》內(nèi)容并與實際相結(jié)合，舉出2-3個應用實例；或結(jié)合學習內(nèi)容寫出自己的體會與收獲及對課程的建議；（2）字數(shù)在2000以上；（3）書寫工整、認真；（4）無曠課現(xiàn)象；以下情況之一者定為不及格：（1）不交綜述報告者；（2）綜述報告明顯抄襲者；（3）曠課次數(shù)超過學生守則規(guī)定次數(shù)以上者；七、教學參考資源教材：周公度編著，