《结构化学》课程教学大纲

1、结构化学课程教学大纲课程名称：结构化学英文名称：Structural Chemistry课程编码：x4030201学 时 数：32其中实践学时数：0 课外学时数：0学 分 数：2.0适用专业：应用化学 一、 课程简介 结构化学是应用化学专业一门比较重要的专业选修程。课程内容包括量子力学基础和原子结构、实物微粒的波动性、实物微粒运动状态的表示方法、实物微粒的运动规律、定态薛定谔（Schrodinger）方程的算符表达式、氢原子与类氢离子定态薛定谔方程、多电子原子的结构和原子轨道、电子自旋、氢分子离子和共价键本质、分子轨道理论。为后续毕业论文和科学研究提供微观方面的初步知识和基本理论。通过结构化学

2、课程的学习，使学生初步认识原子、分子中电子的运动规律，达到能够运用原子、分子中电子的运动以及相互作用规律的基本知识，认识、分析、解释学习专业课程中所遇到的相关实验结果，并获得合理有效的结论；通过本课程的学习一方面使同学们系统地了解结构化学的基本概念、原理、方法、科学发展的规律，为他们打下必要初步的理论基础,更主要的是培养同学们求实的科学态度、严密的逻辑思维以及解决问题的能力，使同学对化学微观理论有一定认识，运用微观结构知识对相关实验数据进行关联、分析和解释，获得合理结论。二、课程目标与毕业要求关系表课程目标毕业要求（1）掌握量子力学研究实物粒子基本理论知识。4-4能够对实验结果进行关联、建模、

3、分析和解释，获得合理有效的结论。（2）掌握经典实验结果与量子力学建立的基本关系。4-4能够对实验结果进行关联、建模、分析和解释，获得合理有效的结论。（3）具备合理运用微观粒子运动规律和特征合理解释宏观实验结果的能力。4-4能够对实验结果进行关联、建模、分析和解释，获得合理有效的结论。三、课程教学内容、基本要求、重点和难点（一）量子力学基础和原子结构1. 教学内容：静态结构、动态结构、黑体、黑体辐射、物理现象给经典物理学带来的冲击、经典物理学的困难和旧量子论的局限性、对普朗克旧量子论。2. 基本要求：了解结构化学发展简史，掌握黑体辐射及成功解释黑体辐射的意义。3. 重点是：如何理解普朗克对黑体辐

4、射的解释。4. 难点是；对普朗克旧量子论的理解；对量子态、量子化、量子数的理解。（二）实物粒子的波动性1. 教学内容：光电效应、原子光谱、基态、激发态、稳定态、玻尔原子结构理论、爱因斯坦光子说、实物粒子的波动性、物质波的实验证明。2. 基本要求：掌握光电效应现象及解释；掌握玻尔原子结构理论。3. 重点是：爱因斯坦光子说；玻尔原子结构理论；实物粒子的波动性。4. 难点是：对实物粒子波动性的理解；对玻尔原子结构理论的理解。（三）实物粒子运动状态表示1. 教学内容：波粒二象性的统计解释、海森堡测不准原理、波函数、正交性、归一化、波节、节点、波幅、驻波、合格波函数条件。2. 基本要求：掌握波粒二象性的

5、统计解释；理解不确定关系；理解掌握波函数的内涵。3. 重点是：海森堡测不准原理；波函数。4. 难点是：如何理解波粒二象性；如何理解对波粒实物粒子二象性的描述。（四）实物粒子的运动规律定态薛定谔方程1. 教学内容：一维势箱粒子模型、波函数表达式、能量表达式、三维势箱定态薛定谔方程、零点能、节点数与量子数之间关系、对简并、简并态、简并度。2. 基本要求：理解掌握微观粒子运动规律；理解一维势箱粒子模型；清楚波函数、能量表达式的物理意义。3. 重点是：一维势箱粒子模型；三维势箱定态薛定谔方程的物理意义；对波函数、能级的物理意义的理解。4. 难点是：一维无限深势阱模型的解析；对简并、简并态、简并度的认识

6、和理解。（五）定态薛定谔方程的算符表达式1. 教学内容：定态薛定谔方程的算符表达式、能量算符本征方程、本征值、本征函数、算符、算符表示、算符法规则、微观物理量的平均值。2. 基本要求：理解算符的意义；掌握本征方程、本征值、本征函数；理解并掌握微观体系力学量的算符表示。3. 重点是：本征方程、算符法规则。4. 难点是：对本征方程物理意义的真正理解；微观体系物理量平均值的计算。（六）氢原子与类氢离子定态薛定谔方程1. 教学内容：氢原子与类氢离子定态薛定谔方程、波恩奥本海默近似、直角坐标与球级坐标的变换关系、氢原子与类氢离子基态、激发态波函数形式、类氢离子、电子云、等密度面、径向分布函数、电子云界面

7、图。2. 基本要求：熟练掌握直角坐标与球级坐标的转换；明确基态波函数形式的确定；理解并掌握定核近似。3. 重点是：基态、激发态波函数形式的确定；波恩奥本海默近似；含节面激发态波函数形式的确定。4. 难点是：含角节面、径向节面激发态波函数形式的确定；理解整个求解基态、激发态波函数的过程。（七）多电子原子的结构和原子轨道（6学时）1. 教学内容：氢原子与类氢离子定态薛定谔方程的一般解、氢原子与类氢离子解的讨论、变数分离法、氢原子与类氢离子完全波函数表达式、径向分布函数、径向密度函数、钻穿效应、电子独立运动模型、自洽场模型、中心力场模型、原子轨道、屏蔽效应、屏蔽常数。2. 基本要求：理解掌握变数分离

8、法的本质及内涵；明确量子数n、l、m的获得、取值及主要用途；熟练画出径向分布函数图；掌握多电子原子体系的定态薛定谔方程；理解轨道近似模型；理解掌握屏蔽效应、屏蔽常数的物理意义。3. 重点是：变数分离法；全波函数表达式；含节面激发态波函数形式的确定；量子数n、l、m的功能；径向分布函数节点、极值点与量子数之间关系；多电子原子能量算符表示；自洽场模型、中心力场模型；屏蔽效应。4. 难点是：量子数n、l、m的获得；利用变数分离法获得量子数的数学处理过程；磁量子数的取值及物理意义；钻穿效应；角动量、角动量分量的计算；哈特利自洽场模型；单电子薛定谔方程；有效核电荷计算。（八）原子整体的状态与原子光谱项（

9、4学时）1. 教学内容：原子整体的状态；电子自旋；自旋轨道波函数；自旋量子数；自旋磁量子数；全同粒子；自旋轨道波函数运算法则；置换算符；对称函数；反对称函数；费米子；波色子；原子的电子组态；多重度；光谱项及光谱支项；洪特规则；等价电子；等价组态；开壳层及闭壳层；全充满、半充满、全空。2. 基本要求：理解电子自旋的含义；掌握保里不相容原理；清楚表示原子整体的状态所用的量子数；理解掌握洪特规则；会写原子的光谱项及光谱支项。3. 重点是：电子自旋、保里不相容原理的物理意义、自旋轨道波函数的表达、洪特规则的内涵、光谱项及光谱支项的表示方法、多重度。4. 难点是：对自旋两种取向的理解；对保里不相容原理的

10、理解；正确写出原子的光谱项及光谱支项；对表征原子整体的状态量子数的认识理解。（九）氢分子离子和共价键本质（4学时）1. 教学内容：原子轨道能级次序；原子核外电子排布规则；离子电子层结构；元素周期表；定核近似下氢分子离子薛定谔方程；变分原理；线性变分法；氢分子离子分子轨道能级图；共价键本质；久期行列式；重叠积分、库伦积分、交换积分。2. 基本要求：掌握原子内电子的排布规律；熟悉元素周期律；理解掌握共价键本质；学会使用变分原理处理分子体系。3. 重点是：原子电子排布规则、离子电子排布规则、元素周期律、变分原理、氢分子离子薛定谔方程。4. 难点是：书写元素周期表中任一元素原子的电子组态；熟练掌握电子

11、排布规则；试探变分函数选择；对共价键本质的认识。（十）分子轨道理论1. 教学内容：分子轨道；单电子近似；LCAO-MO基本原则；分子轨道中电子的填充规则；轨道类型；单电子波函数；原子轨道。2. 基本要求：了解单电子近似的基本思想；理解并掌握LCAO-MO的理念；掌握分子轨道的符号表示。3. 重点是：分子轨道的表示方法、分子轨道中电子的填充规则；LCAO-MO的基本原则。4. 难点是：对单电子近似思想的理解；对分子轨道类型定义及表示的理解；对原子轨道线性组合成分子轨道的理解。四、教学方式及学时分配序号主要内容主要教学方式学时分配辅导答疑比例一1. 量子力学基础和原子结构1.1 发展简史1.2经典

12、物理学的困难和旧量子论的局限性1.3光能的不连续性1.4原子能量的不连续性讲授/讨论41:0.5二2. 实物微粒的波动性2.1 从光子说到物质波2.2 物质波的实验证明2.3 二象性的统计解释2.4 微观二象性的必然结果讲授/讨论21:0.5三3. 实物微粒运动状态的表示方法3.1 波函数3.2 波函数的性质3.3 原子中电子运动的定态是驻波性质的反映讲授/讨论21:0.5四4. 实物微粒的运动规律定态薛定谔方程4.1 得来线索4.2 定态薛定谔方程4.3 方程的求解4.4 实例：一维势箱运动的粒子模型讲授/讨论21:0.5五5. 定态薛定谔（Schrodinger）方程的算符表达式5.1能量

13、算符本征方程、本征值、本征函数5.2 算符和力学量的算符表示5.3 物理量的平均值讲授/讨论21:0.5六6. 氢原子与类氢离子定态薛定谔方程，球级坐标表达式及几个简单的特解6.1 氢原子与类氢离子定态薛定谔方程6.2 氢原子与类氢离子定态薛定谔方程的球级坐标表达式6.3 基态6.4 基态波函数的性质6.5 激发态讲授/讨论21:0.5七7多电子原子的结构和原子轨道7.1氢原子与类氢离子定态薛定谔方程的一般解7.2变数分离法7.3 方程的解7.4 方程的解7.5 R方程的解7.6氢原子与类氢离子解的讨论7.7 量子数7.8 波函数图像7.9电子独立运动模型7.10自洽场模型7.11中心力场模型

14、讲授/讨论61:0.5八8. 原子整体的状态与原子光谱项8.1 电子自旋8.2 电子自旋问题的提出8.3 自旋波函数和自旋轨道8.4 全同粒子和保里不相容原理8.5 原子整体状态描述8.6光谱项、光谱支项讲授/讨论41:0.5九9. 氢分子离子和共价键本质9.1 原子内电子的排布和元素周期律9.2 原子轨道能级次序9.3 原子轨道核外电子排布规则9.4 离子的电子结构9.5 元素周期律9.6定核近似氢分子离子薛定谔方程9.7 线性变分法9.8 氢分子离子基态和第一激发态9.9 积分Saa、Haa、Hab和能量9.10 氢分子离子两种状态和共价键本质讲授/讨论41:0.5十10. 分子轨道理论1

15、0.1 单电子波函数10.2 原子轨道的线性组合10.3 LCAO-MO的基本原则10.4分子轨道的类型、符号及能级顺序10.5 电子填充原则10.6 双原子分子10.7 同核双原子分子10.8异核双原子分子讲授/讨论41:0.5五、课程其他教学环节要求作业的基本要求序号主要内容学时布置作业题数及类型讨论题简答题计算题综合题1量子力学基础和原子结构42222实物微粒的波动性21123实物微粒运动状态的表示方法211114实物微粒的运动规律定态薛定谔方程211115定态薛定谔（Schrodinger）方程的算符表达式21116氢原子与类氢离子定态薛定谔方程211117多电子原子的结构和原子轨道6

16、33118原子整体的状态与原子光谱项42229氢分子离子和共价键本质422210分子轨道理论2221合计321616810六、本课程与其他课程的联系在学习本课程之前，学生应先修课程是：基础化学、无机化学、有机化学、普通物理及高等数学， 物理化学课需要化学基础知识及较高的数理基础为前提，为高等有机化学等后续课程学习、科技文献阅读、进一步科学研究奠定基础。 七、建议教材及教学参考书目 结构化学潘道皑，人民教育出版社,1992； 结构化学江元生，南京大学出版社,2000； 量子化学徐光宪，高等教育出版社,1988； 化学成健A. L. Companion，南开大学出版社,1988；Physical

17、Chemistryedited by David W. Ball, 2003 Brooks/Cole ,a division of Thomson Learning, Inc. Electronic Structure and Magnetism of Complex Materialsedited D. J. Singh, 2003, Springer-Verlag Heideberg, Printed in Germany.八、课程考核方式与成绩评定办法 课堂教学注重理论联系实际，做到基本概念、基本理论讲授清楚、重点突出，针对需掌握的内容布置作业，以加强学生对基本概念、基本理论的理解、掌握及应用。每周安排一次辅导答疑，对于普遍存在的共性问题在课堂教学中集中讲授。本课程考核采用考试与平时作业、课堂提问、论文相