《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程教學(xué)大綱

《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程教學(xué)大綱課程代碼：ABCL0408課程中文名稱：結(jié)構(gòu)化學(xué)課程英文名稱：StructuralChemistry課程性質(zhì)：選修課程學(xué)分?jǐn)?shù)：1.5課程學(xué)時(shí)數(shù)：24授課對(duì)象：材料化學(xué)專業(yè)本課程的前導(dǎo)課程：無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等一、課程簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)化學(xué)是在原子、分子的層次上研究原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門基礎(chǔ)科學(xué)。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(xué)鍵理論和分子結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣?yán)碚摵途w結(jié)構(gòu)。為本科生打下兩方面基礎(chǔ)：量子化學(xué)基礎(chǔ)、結(jié)晶化學(xué)基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)對(duì)于建立微觀結(jié)構(gòu)概念和原理、掌握現(xiàn)代測(cè)試方法具有不可替代的作用。二、教學(xué)基本內(nèi)容和要求課程教學(xué)內(nèi)容：1量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：（1）微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征，（2）量子力學(xué)的基本假設(shè)，（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(jià)鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)：（1）化學(xué)鍵的概述，（2）H2+的結(jié)構(gòu)和共價(jià)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(jià)層電子對(duì)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(jià)鍵理論、晶體場(chǎng)理論、配位場(chǎng)理論；7晶體的點(diǎn)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(diǎn)陣，（2）晶體的衍射。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：1量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：（1）微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征，（2）量子力學(xué)的基本假設(shè)；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(jià)鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)：（1）化學(xué)鍵的概述，（2）H2+的結(jié)構(gòu)和共價(jià)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(jià)鍵理論、晶體場(chǎng)理論、配位場(chǎng)理論；7晶體的點(diǎn)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(diǎn)陣。課程教學(xué)要求：1量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（1）微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征了解三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)黑體輻射、光電效應(yīng)、氫原子光譜的基本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；Planck量子假設(shè)，Einstein光子學(xué)說和Bohr原子結(jié)構(gòu)理論的基本內(nèi)容。理解實(shí)物微粒的波粒二象性的本質(zhì)及其統(tǒng)計(jì)解釋；測(cè)不準(zhǔn)原理的涵義并能用于判斷客體運(yùn)動(dòng)符合量子力學(xué)還是經(jīng)典力學(xué)。掌握實(shí)物微粒的deBroglie波長(zhǎng)計(jì)算，實(shí)物微粒和光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差別。（2）量子力學(xué)的基本假設(shè)了解量子力學(xué)的五個(gè)基本假設(shè)，態(tài)疊加原理，Pauli原理的實(shí)質(zhì)。理解波函數(shù)和微觀體系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述方法；波函數(shù)的物理意義、性質(zhì)；力學(xué)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(yīng)用；波函數(shù)的正交歸一性的數(shù)學(xué)式作一般的證明、計(jì)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(dá)式；用算符判斷本征態(tài)，求解波函數(shù)的本征值；力學(xué)量平均值的概念及平均值的計(jì)算。（3）箱中粒子的Schr?dinger方程及其解了解量子力學(xué)處理微觀體系的一般步驟。理解量子力學(xué)處理一維勢(shì)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(diǎn)能效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)現(xiàn)象，隧道效應(yīng)）。掌握一維勢(shì)箱Schr?dinger方程的求解結(jié)果及某些物理量（動(dòng)量，能量，平均位置，最大吸收波長(zhǎng)）在共軛分子體系中的簡(jiǎn)單應(yīng)用的計(jì)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(xué)處理單電子原子的思想方法和處理過程；實(shí)波函數(shù)與復(fù)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(guān)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(gè)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(jí)公式；軌道運(yùn)動(dòng)和自旋角動(dòng)量、軌道運(yùn)動(dòng)和自旋磁矩的意義和表達(dá)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(jiǎn)單多電子原子體系的Schr?dinger方程的表示方法；量子力學(xué)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(chǎng)方法的基本思想；Zeeman效應(yīng)；電子自旋假設(shè)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(chǎng)法）大意和主要結(jié)果；中心立場(chǎng)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(guān)物理量（原子軌道能，電離能，電子結(jié)合能和互斥能）的計(jì)算；簡(jiǎn)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(jià)鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)（1）化學(xué)鍵的概述了解化學(xué)鍵的定義和類型；幾種簡(jiǎn)單化合物或單質(zhì)中存在的化學(xué)鍵類型。理解共價(jià)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(jià)鍵的本質(zhì)了解用量子力學(xué)處理單電子H2+時(shí)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(shè)（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(diǎn)；共價(jià)鍵的本質(zhì)-離域效應(yīng)，極化效應(yīng)和收縮效應(yīng)。（3）分子軌道理論和雙原子分子的結(jié)構(gòu)了解簡(jiǎn)單分子軌道理論；雙原子分子的光譜項(xiàng)的推求。理解分子軌道理論的基本要點(diǎn)（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(hào)表示方式、能級(jí)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(jì)算鍵級(jí)、判斷磁性，解釋鍵的強(qiáng)度、鍵長(zhǎng)、鍵型和有關(guān)性質(zhì)。5多原子分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（1）價(jià)層電子對(duì)互斥理論（VSEPR）了解價(jià)層電子對(duì)互斥理論的要點(diǎn)。理解價(jià)電子對(duì)構(gòu)型和分子構(gòu)型的特點(diǎn)和區(qū)別；等電子體原理。掌握應(yīng)用價(jià)層電子對(duì)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(duì)電子、元素電負(fù)性等因素比較相近分子的性質(zhì)差異（如鍵長(zhǎng)、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(dòng)力、彎鍵和共價(jià)鍵的飽和性。掌握雜化軌道理論的要點(diǎn)：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(jì)算及軌道中s和p軌道成分的計(jì)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(guān)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(jià)鍵理論、晶體場(chǎng)理論、配位場(chǎng)理論了解電價(jià)配鍵和共價(jià)配鍵的形成過程；八面體配合物的分子軌道的能級(jí)圖；配位場(chǎng)穩(wěn)定化能對(duì)離子水化熱、點(diǎn)陣能和離子半徑的影響。理解強(qiáng)場(chǎng)低自旋和弱場(chǎng)高自旋；分裂能在配位場(chǎng)中和晶體場(chǎng)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(duì)分裂能大小的影響；配位化合物的光譜化學(xué)序列。掌握在晶體場(chǎng)中五個(gè)d軌道在不同配位環(huán)境中（四面體場(chǎng)、八面體場(chǎng)合平面正方形場(chǎng)）的能級(jí)分裂情況；分裂能和成對(duì)能的概念及影響因素；根據(jù)分裂能和成對(duì)能的相對(duì)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(chǎng)理論解釋絡(luò)合物的磁性，Jahn-Teller效應(yīng)的基本概念，絡(luò)合物的畸變的原因及判據(jù)；配位場(chǎng)效應(yīng)及配位場(chǎng)作用下d軌道能級(jí)分裂；配位場(chǎng)穩(wěn)定化能的計(jì)算及意義。7晶體的點(diǎn)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(diǎn)陣了解晶體的特性；直線點(diǎn)陣、平面點(diǎn)陣、空間點(diǎn)陣的特點(diǎn)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(diǎn)陣與結(jié)構(gòu)基元的關(guān)系。掌握晶體，點(diǎn)陣、點(diǎn)陣點(diǎn)、結(jié)構(gòu)基元、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶面、晶面指標(biāo)，晶面間距、衍射面指標(biāo)、衍射面間距等基本概念；晶胞的定義及兩個(gè)要素、正當(dāng)晶胞及劃分原則；平面點(diǎn)陣的指標(biāo)化及晶面指標(biāo)與晶面間距之間的關(guān)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(dǎo)，衍射強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)因子；系統(tǒng)消光的機(jī)理；XRD實(shí)際圖譜的解。掌握衍射方向、Bragg方程；立方晶系粉末線的指標(biāo)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(diǎn)陣形式。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及基本要求無。四、教學(xué)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(jìn)行授課。五、教學(xué)學(xué)時(shí)分配章節(jié)（或內(nèi)容）講課習(xí)題課實(shí)驗(yàn)其它合計(jì)1量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)443原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)884共價(jià)鍵和雙原子分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)44合計(jì)2424六、考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)1、考核方法：考查。2、成績(jī)?cè)u(píng)定：學(xué)生成績(jī)按：優(yōu)秀、良、中、及格、不及格五個(gè)等級(jí)評(píng)定。結(jié)合課堂提問、聽課表現(xiàn)（結(jié)合平時(shí)考勤）、撰寫課程綜述報(bào)告質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)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(shí)間收回。本課程學(xué)生成績(jī)=課堂提問10%+綜述報(bào)告70%+聽課表現(xiàn)20%成績(jī)等級(jí)優(yōu)秀良好中等及格不及格對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)90-10080-8970-7960-69＜60優(yōu)秀的評(píng)定依據(jù)：（1）能結(jié)合《結(jié)構(gòu)化學(xué)》內(nèi)容并與實(shí)際相結(jié)合，舉出2-3個(gè)應(yīng)用實(shí)例；或結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容寫出自己的體會(huì)與收獲及對(duì)課程的建議；（2）字?jǐn)?shù)在2000以上；（3）書寫工整、認(rèn)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(bào)告者；（2）綜述報(bào)告明顯抄襲者；（3）曠課次數(shù)超過學(xué)生守則規(guī)定次數(shù)以上者；七、教學(xué)參考資源教材：周公度編著，