楚雄师范学院化学本科专业结构化学教学大纲化学与生命科学学院.docx

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楚雄师范学院化学本科专业结构化学教学大纲化学与生命科学学院

楚雄师范学院化学与生命科学系

科学教育专业结构化学（理论）课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码032306004

课程中文名称结构化学

课程英文名称StruaturalChemistry

课程性质专业选修课程

使用专业化学教育

开课学期第六学期

总学时50

总学分3

预修课程普通化学、有机化学、分析化学、高等数学、普通物理

课程简介

本课程是化学教育专业第四学年开设的一门必修课程，54学时，3学分。

它是一门在原子、分子水平上讨论物质微观结构的课程。

它以量子化学为基础，结合无机化学、有机化学的实验事实，讨论原子、分子的化学键理论。

主要内容包括四大部分：

量子力学基础、原子结构、分子结构（双原子、多原子分子）、晶体结构（金属、离子晶体）。

教材建议：

周公度、段连运等编《结构化学基础》（第四版）。

北京大学出版社

参考书

1、林梦海、林银钟等编《结构化学基础》2005年，高等教育出版社。

2、夏树伟、夏少武主编《简明结构化学学习指导》化学工业出版社2004

3、周公度、段连运等编《结构化学基础习题解》北京大学出版社

二、课程性质、目的及总体教学要求

课程的基本特性

结构化学是一门在原子、分子水平上讨论物质微观结构的课程。

它是以量子化学为基础，结合无机化学、有机化学的实验事实，讨论原子、分子有化学键理论。

主要内容包括四大部分：

量子力学基础、原子结构、分子结构（双原子、多原子分子）、晶体结构（金属、离子晶体）。

教材注重介绍结构化学的基本原理，同时也反映结构化学的新成就、新进展。

本书主要内容：

量子力学基础、原子结构、分子对称性与点群、双原子分子、多原子分子结构、晶体学基础、金属和合金结构、离子化合物等内容。

课程的教学目的：

要求学生在掌握无机化学、有机化学、分析化学等专业基础课程和高等数学、大学物理、线性代数等公共课程基础上再进行学习。

本课程阐述原子间以什么样的结合力形成分子、原子的组成及连接方式是怎样决定分子的几何构型，并表现出独特的物理与化学性质。

通过学习引导他们注意实验基础，注意理论和实际的联系，了解：

“结构决定性质，性质反映结构，”的结构和性能的相互联系的原则，从而在高层次上解释各种化学现象。

三、章节教学内容与要求

第一章量子力学基础知识（6课时）

第二章原子的结构和性质（9课时）

第三章共价键和双原子分子的结构化学（7课时）

第四章多原子分子中的化学键（6课时）

第五章配位化合物的结构和性质（5课时）

第六章晶体的点阵结构和晶体的性质（7课时）

第七章金属的结构和性质（4课时）

第八章离子化合物的结构化学（4课时）

模型课程（2课时）

第一章量子力学基础知识（7课时）

本章主要介绍微观粒子的运动特征，量子力学的5个基本假设，箱中粒子的Schrodinger方程及其解。

重点掌握黑体辐射和能量量子化，光电效应和光子学说，实物微粒的波粒二象性，不确定度关系，量子力学的基本假设，势箱中自由粒子的运动状态（波函数、能量）。

理解量子化、不确定度关系、波函数、几率、几率密度、物理量和算符、本征态、本征值、薛定谔方程、零点能、简并态和简并度等概念。

了解微观粒子的波粒二象性。

难点是箱中粒子的Schrodinger方程及其解。

主要内容：

1.1微观粒子的运动特征

1.2量子力学基本假设

1.3.箱中粒子的Schrodinger方程及其解

各节内容的教学要求

第一节微观粒子的运动特征（2课时）

了解：

经典物理学理论的发展历史。

理解：

量子化、光电效应、波粒二象性、不确定度关系等概念。

掌握：

三个重要的实验（黑体辐射、光电效应、不确定度关系）。

灵活运用：

德布罗意波长的计算，用不确定度关系比较宏观客体与微观客体的特性。

主要内容：

1.1.1黑体辐射和能量量子化

1.1.2光电效应和光子学说

1.1.3实物微粒的波粒二象性

1.1.4不确定度关系

第二节量子力学基本假设（2课时）

了解：

波函数和微观粒子的状态。

理解：

合格的波函数、定态波函数、几率、几率密度、算符、本征态、本征值等概念。

掌握：

Schrodinger方程的表达式，Pauli原理。

灵活运用：

学会用算符判断本征函数，会计算本征值。

主要内容：

1.2.1波函数和微观粒子的状态

1.2.2物理量和算符

1.2..3本征态、本征值和Schrodinger方程

1.2..4态重加原理

1.2..5Pauli原理

第三节箱中粒子的Schrodinger方程及其解（2课时）

了解：

一维势箱中粒子的Schrodinger方程解法，三维势箱中粒子的Schrodinger方程表达式。

理解：

零点能、简并态和简并度概念。

掌握：

一维势箱中粒子的Schrodinger方程解的结论

主要内容：

1.3箱中粒子的Schrodinger方程及其解

第二章原子的结构和性质（8课时）

本章通过对H原子薛定谔方程的求解，了解原子结构中量子数的来源，类氢离子波函数的图形及其

物理意义；掌握多电子原子的原子轨道能级、电离能的求解，简单的基态原子谱项、支谱项的推算法。

难点是H原子薛定谔方程的求解，原子谱项的推求。

主要内容：

2.1单电子原子的Schrodinger方程及其解

2.2量子数的物理意义

2.3波函数和电子云的图形

2.4多电子原子的结构

2.5元素周期表与元素周期性性质

2.6原子光谱

第一节单电子原子的Schrodinger方程及其解（2课时）

了解：

单电子原子的Schrodinger方程的建立和解法，变数分离法，R、Φ、Θ方程的解法。

理解：

主量子数、角量子数、磁量子数概念。

掌握：

单电子原子的Schrodinger方程表达式，R、Φ、Θ方程的解结果。

主要内容：

2.1.1单电子原子的Schrodinger方程及其解

2.1.2变数分离法

2.1.3Φ方程的解

2.1.4单电子原子的波函数

第二节量子数的物理意义（1课时）

了解：

总量子数和总磁量子数。

理解：

自旋量子数、轨道角动量、自旋角动量等概念。

掌握：

四个量子数的取值、意义。

灵活运用：

氢原子的能量计算公式应用

主要内容：

2.2量子数的物理意义

第三节波函数和电子云的图形（1课时）

了解：

图和

图、原子轨道等值线图、电子云分布图、原子轨道轮廓图。

理解：

径向分布图、概率。

掌握：

径向分布函数物理意义。

主要内容：

2.3.1

图和

图

2.3.2径向分布图

2.3.3原子轨道等值线图

第四节　多电子原子的结构（2课时）

了解：

多电子原子的Schrodinger方程及其近似解的方法。

理解：

单电子近似、自洽场法、屏蔽效应、钻穿效应等概念。

掌握：

原子轨道能和电子结合能的实验测定，电子互斥能对基态原子电子组态的影响。

灵活运用：

由屏蔽常数近似计算原子轨道能。

主要内容：

2.4.1多电子原子的Schrodinger方程及其近似解

2.4.2原子轨道能和电子结合能

2.4.3基态原子的电子排布

第五节　元素周期表与元素周期性性质（1课时）

了解：

原子结构参数。

理解：

原子的电离能、电子亲和能、电负性、（6S）2惰性电子对效应。

掌握：

元素周期性质变化规律。

主要内容：

2.5.1元素周期表

2.5.2原子结构参数

2.5.3原子的电离能

2.5.4电子亲和能

2.5.5电负性

2.5.6相对论效应对元素周期性质的影响

第六节原子的光谱项（2课时）

了解：

氢原子光谱项的推引方法，原子光谱的应用。

理解：

原子的光谱、基态、激发态、原子光谱项、光谱支项。

掌握：

氢、氮、氧、碳、氦、氖原子光谱项和光谱支项的推求方法。

主要内容：

2.6.1原子的光谱项

2.6.2电子的状态和原子的能态

2.6.3单电子原子的光谱项和原子光谱

2.6.4多电子原子的光谱项

2.6.5原子光谱项的应用

第三章共价键和双原子分子的结构化学（7课时）

本章学习使学生了解化学键理论的三大流派；掌握变分法处理H2+，用分子轨道理论讨论同核、异核双原子分子；分子轨道必须满足的三个条件；σ、π、δ轨道的特点。

难点是异核双原子分子轨道图的排布。

主要内容：

3.1化学键概述

3.2H2+的结构和共价键的本质

3.3分子轨道理论和双原子分子的结构

第一节化学键概述（略）

了解：

键型的多样性。

理解：

共价键、离子键、金属键的区别。

掌握：

若干单质或化合物中存在的化学键类型。

主要内容：

3.1.1化学键的定义和类型

3.1.2键型的多样性

第二节H2+的结构和共价键的本质（3课时）

了解：

H2+的Schrodinger方程的原子单位表示式，变分法解H2+的Schrodinger方程的方法。

理解：

Born-Oppenheimer近似、库仑积分、交换积分、重叠积分。

掌握：

H2+的能量及函数表示式、共价键的本质

主要内容：

3.2.1H2+的Schrodinger方程

3.2.2变分法解Schrodinger方程

3.2.3Haa、Hbb、Sab的物理意义

3.2.4共价键的本质

第三节分子轨道理论和双原子分子的结构（4课时）

了解：

H2+的Schrodinger方程的原子单位表示式，变分法解H2+的Schrodinger方程的方法。

理解：

分子轨道、成键轨道、反键轨道、非键轨道、σ轨道、π轨道、δ轨道、键级、磁性、等电子分子等概念。

掌握：

同核双原子分子（F2、O2、N2、C2、B2），异核双原子分子（CO、HF、NO）的分子轨道排布式、价电子组态、键级、磁性、分子结构。

主要内容：

3.3.1简单分子轨道理论

3.3.2分子轨道的分类和分布特点

3.3.3同核双原子分子的结构

3.3.4异核双原子分子的结构

第四章多原子分子中的化学键（6课时）

本章主要学习价电子对互斥理论、杂化轨道理论、离域分子轨道理论。

重点掌握中心原子spn杂化和dspn、d2spn杂化与分子构型的关系，离域Π键化合物的结构与性质的关系；HMO方法求解简单共轭体系分子轨道、能级和分子图；硼烷等缺电子化合物的多中心键。

理解杂化轨道、离域Π键、共轭效应、缺电子多中心理键等概念。

了解价电子对互斥理论要点，离域分子轨道理论。

难点是休克尔分子轨道法（HMO）处理共轭多烯分子。

主要内容：

4.1价电子对互斥理论（VSEPR）

4.2杂化轨道理论

4.3离域分子轨道理论

4.4休克尔分子轨道法（HMO）

4.5离域Π键和共轭效应

4.6缺电子多中心键和硼烷的结构

第一节价电子对互斥理论（VSEPR）（1课时）

了解：

价电子对互斥理论要点。

理解：

成键最子对、孤对电子对

掌握：

用VSEPR方法判断原子A周围配位体和孤对电子对的空间排布。

主要内容：

4.1价电子对互斥理论（VSEPR）

第二节杂化轨道理论（1课时）

了解：

杂化轨道理论要点、杂化轨道的形成过程。

理解：

等性杂化、非等性杂化、成键能力

掌握：

常见杂化轨道与分子构型的关系，H2O、NH3分子非等性杂化过程、分子结构。

主要内容：

4.2杂化轨道理论

第三节离域分子轨道理论（略）

了解：

用分子轨道理论处理多原子分子的方法，CH4的分子轨道组合以及分子轨道能级图。

主要内容：

4.3离域分子轨道理论

第四节休克尔分子轨道法（HMO）（2课时）

了解：

HMO法的基本内容，环状共轭多烯的HMO法处理。

理解：

分子图、离域能、σ-π分离、电荷密度、键级、自由价、分子图。

掌握：

HMO法处理丁二烯的方法、会计算离域π键键能、离域能。

主要内容：

4.4.1HMO法的基本内容

4.4.2丁二烯的HMO法处理

4.4.3环状共轭多烯的HMO法处理

第五节离域Π键和共轭效应（1课时）

了解：

肽键和超共轭效应

理解：

共轭效应、超共轭效应

掌握：

等电子、多电子、缺电子离域Π键三种类型分子的表示，共轭效应对分子的性质的影响。

灵活运用：

讨论离域Π键形成对一些物质的电性、颜色、酸碱性、化学反应性的影响。

主要内容：

4.5.1离域Π键的形成和表示法

4.5.2共轭效应

4.5.3肽键

4.5.4超共轭效应

第六节缺电子多中心键和硼烷的结构（1课时）

了解：

复杂硼烷和碳硼烷的结构特点。

理解：

缺电子分子、缺电子原子、B-H-B三中心键。

掌握：

硼烷的结构特点和键的类型。

主要内容：

4.6.1硼烷中的缺电子多中心键

4.6.2硼烷结构描述

第五章配位化合物的结构和性质（5课时）

本章主要学习配位化合物结构理论的发展。

重点掌握晶体场理论、配位场理论的要点，σ-π配键与有关配位化合物的结构和性质。

难点是σ-π配键与有关配位化合物的结构。

主要内容：

5.1概述

5.2配位场理论

5.3σ-π配键与有关配位化合物的结构和性质

第一节概述（1课时）

了解：

价键理论要点。

理解：

配位体、单齿配位体、非螯合多齿配位体、螯合配位体、π键配位体。

掌握：

晶体场理论、配位场理论要点以及发展情况。

主要内容：

5.1.1配位体

5.1.2配位化合物结构理论的发展

第二节配位场理论（2课时）

了解：

ML6八面体配位化合物的分子轨道及能级图。

理解：

分裂能、成对能、配位场稳定化能。

掌握：

金属d轨道在各种场中分裂情况。

解释配位场稳定化能与配位化合物的性质关系，配位化合物的热力学稳定性。

主要内容：

5.2.1ML6八面体配位化合物的分子轨道

5.2.2八面体场的分裂能

5.2.3配位场稳定化能与配位化合物的性质

5.2.4配位化合物的热力学稳定性

第三节σ-π配键与有关配位化合物的结构和性质（2课时）

了解：

环多烯和过渡金属的配位化合物的结构。

理解：

σ-π配键

掌握：

金属羰基配位化合物和小分子配位化合物结构特点。

主要内容：

5.3.1金属羰基配位化合物和小分子配位化合物

5.3.2不饱和烃配位化合物

5.3.3环多烯和过渡金属的配位化合物

第六章晶体的点阵结构和晶体的性质（7课时）

本章主要学习晶体学的基础知识。

重点掌握晶体的周期性结构特点，结构基元和点阵与晶体结构的关系。

晶体对称性、对称元素、对称操作；14种晶体的空间点阵型式，晶面指标表示法。

晶体的衍射方向和强度；了解空间群、32个晶体学点群。

单晶衍射和多晶衍射法以及物相分析。

难点是晶体结构的对称元素和对称操作，32个点群。

主要内容：

6.1晶体结构周期性和点阵

6.2晶体结构的对称性

6.3空间群及晶体结构的表达

6.4晶体的衍射

第一节晶体结构周期性和点阵（1课时）

了解：

晶体的分类。

理解：

点阵、结构基元、直线点阵、平面点阵、素单位、复单位、空间点阵等概念。

掌握：

晶体结构的特征。

主要内容：

6.1.1晶体结构的特征

6.1.2点阵和结构基元

6.1.3点阵单位

第二节晶体结构的对称性（2课时）

了解：

晶体的分类。

理解：

对称元素、对称操作、晶胞、晶系、点群、等概念。

掌握：

晶体的对称元素和对称操作。

主要内容：

6.2.1晶体的对称元素和对称操作

6.2.2晶胞

6.2.3晶系

6.2.4晶体的空间点阵型式

6.2.5晶体学点群

6.2.6点阵点、直线点阵和平面点阵的指标

第三节空间群及晶体结构的表达（1课时）

了解：

空间群的推导和表达、晶体结构的表达及应用。

理解：

空间群概念。

主要内容：

6.3.1空间群的推导和表达

6.3.2晶体结构的表达及应用

第四节晶体的衍射（2课时）

了解：

X射线的产生及性质，单晶衍射法和多晶衍射法原理，物相分析；晶体的电子衍射和中子衍射。

理解：

X射线衍射、Laue方程、Bragg方程、衍射方向、、衍射强度、单晶衍射、多晶衍射法等概念。

掌握：

X射线衍射二要素，Laue方程和Bragg方程表达式，

主要内容：

6.4.1X射线的产生及其性质

6.4.2衍射方向

6.4.3衍射强度

6.4.4单晶衍射法

6.4.5多晶衍射法

6.4.6晶体的电子衍射和中子衍射

第七章金属的结构和性质（4课时）

本章主要学习金属键理论，球的密堆积和金属单质的结构。

重点掌握金属键的“自由电子”模型，等径球几种密堆积（A1、A2、A3、A4），典型合金化合物。

理解满带、导带、允带、禁带等概念。

了解固体能带理论，合金结构分类，固体表面的结构和性质。

难点是金属的几种密堆积空间结构特点。

主要内容：

7.1金属键和金属的一般性质

7.2球的密堆积和金属单质的结构

7.3合金结构分类和性质

7.4固体表面的结构和性质

第一节金属键和金属的一般性质（1课时）

了解：

固体能带理论，导体、绝缘体、半导体的能带结构特征。

理解：

满带、导带、允带、禁带等概念。

掌握：

金属键的“自由电子”模型理论，“自由电子”模型与离域π键的区别。

主要内容：

7.1.1金属键的“自由电子”模型

7.1.2固体能带理论

第二节球的密堆积和金属单质的结构（2课时）

了解：

金属单质的结构概况，金属原子半径变化与配位数关系。

理解：

等径球最密堆积、等径球密堆积、非等径球堆积

掌握：

等径球几种密堆积（A1、A2、A3、A4）方式、配位数、空间利用率。

主要内容：

7.2.1等径园球密堆积

7.2.2金属单质的结构概况

7.2.3金属原子半径

第三节合金的结构和性质（0.5课时）

了解：

金属固溶体和金属间隙化合物的结构。

理解：

金属固溶体、金属间隙化合物

掌握：

金属化合物的结构（CaCu5、电子化合物）

主要内容：

7.3.1金属固溶体的结构

7.3.2金属化合物的结构

7.3.3金属间隙化合物的结构

第四节固体表面的结构和性质（0.5课时）

了解：

固体表面的结构和性质,研究固体表面的结构和性质的方法。

理解：

固体表面吸附、单层自发分散

主要内容：

7.4固体表面的结构和性质

第八章离子化合物的结构化学（4课时）

本章主要学习离子化合物的结构特点。

重点掌握二元典型离子晶体NaCl、CsCl、ZnS、CaF2、TiO2点阵结构型式和配位数。

了解结构、离子半径比、离子极化对晶体晶型的影响。

难点是离子晶体空间点阵结构。

主要内容：

8.1离子晶体的若干简单结构型式

8.2离子键和点阵能

8.3离子半径

8.4离子配位多面体及其连接规律

8.5硅酸盐的结构化学

第一节离子晶体的若干简单结构型式（1课时）

了解：

NiAs、CaTiO3等几种氧化物超导体的结构。

理解：

八面体空隙、四面体空隙

掌握：

二元典型离子晶体NaCl、CsCl、ZnS、CaF2、TiO2点阵结构型式和配位数。

主要内容：

8.1离子晶体的若干简单结构型式

第二节离子键和点阵能（0.5课时）

了解：

点阵能的计算和测定方法。

理解：

点阵能、Madelung常数

掌握：

点阵能的应用、键型变异原理。

主要内容：

8.2.1点阵能的计算和测定

8.2.2点阵能的应用

8.2.3键型变异原理

第三节离子半径（0.5课时）

了解：

点阵能的计算和测定方法。

理解：

离子半径、有效离子半径

掌握：

离子半径的变化趋势。

主要内容：

8.3.1离子半径的测定

8.3.2有效离子半径

8.3.3离子半径的变化趋势

第四节离子配位多面体及其连接规律（1课时）

了解：

配位多面体的连接，Pauling离子晶体结构规则。

理解：

半径比、共点、共棱、共面等概念。

掌握：

八面体配位中正负离子的接触情况及配位多面体的极限半径比。

灵活运用：

根据离子半径数据推测其结构。

主要内容：

8.4.1正负离子半径比和离子的配位多面体

8.4.2配位多面体的连接

8.4.3Pauling离子晶体结构规则

第五节硅酸盐的结构化学（1课时）

了解：

各类硅酸盐的结构特点，沸石分子筛的结构特点和应用。

理解：

离子半径、有效离子半径

掌握：

SiO2的结构。

主要内容：

8.5.1概述

8.5.2SiO2的结构

8.5.3各类硅酸盐的结构特点

8.5.4沸石分子筛

模型教学实习课（2课时）

实习1多面体与对称点群

（1）制做多面体模型

（2）判断分子所属的对称点群

实习2空间点阵与等径球密堆

实习3离子晶体

（1）二元离子晶体

（2）离子极化后的晶型改变

（3）多元离子晶体

四、习题教学内容与要求

每章布置4-5题作业，期中测验。

考核方式：

笔试闭卷考试

五、其他可以利用的资源

本课程的全部教案┄┄