《结构化学》教学大纲
一、课程基本信息
课程编号： 课程中文名称 课程英文名称 课程类别 适用专业 开课学期 总 学 时 总 学 分 先修课程 02060703026C 结构化学 Structural Chemistry 专业基础课 应化（工业分析方向）、材化、化学 第六学期 64（理论教学64学时） 4 无机化学、有机化学、分析化学、物理化学 结构化学是在原子、分子的层次上研究原子、分子、晶体结构的运动规律，揭示物质的微观结构与性能之间关系的一门基础科学。它以电子构型和几何构型为两条主线，系统讲授三种理论和三类结构：量子理论和原子结构、课程简介 化学键理论和分子结构、点阵理论和晶体结构。为本科生打下两方面基础：量子化学基础、结晶化学基础。这些基础对于建立微观结构概念和原理、掌握现代测试方法具有不可替代的作用。 建议教材 周公度等.结构化学基础(第四版)[M]，北京：北京大学出版社，2008. [1] 潘道皑等.物质结构(第二版)[M]，北京：高等教育出版社，1989. [2] 徐光宪等.物质结构(第二版)[M]，北京：科学出版社，2010. 参考资料 [3] 江元生.结构化学[M]，北京：高等教育出版社，2003. [4] 郭用猷等.结构化学[M]，济南：山东大学出版社，1998. [5] 周公度等.结构化学习题解析(第四版)[M]，北京：北京大学出版社，2008. 二、课程教学目标
1. 了解用量子力学研究原子结构的基本方法，理解波函数和电子云的径向分布函数和角度分布及核
外电子排布的基本原理，掌握原子、分子和晶体中电子运动的基本规律。
2. 了解用量子力学研究分子结构和配合物结构的基本方法，掌握分子轨道理论和配位场理论的基本
原理，深入了解化学键的本质。初步了解研究分子结构的近代物理实验方法的基本原理。 3. 了解晶体点阵结构的特点，理解X-射线衍射的基本原理及Laue和Bragg方程，了解粉末法物相
分析的基本原理。
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4. 了解金属键的自由电子模型和固体能带理论，掌握球的密堆积、金属单质的结构和离子晶体的若
干简单结构型式，了解离子配位多面体及其连接规律。
三、理论教学内容与要求
1 绪 论（2 学时） 教学内容 （1）结构化学的研究内容 （2）结构化学发展的历史 （3）学习结构化学的重要性 （4）结构化学课程的特点，学习方法 2 量子力学基础知识（6 学时） 教学内容 要求程度 了解三个著名实验黑体辐射、光电效应、氢原子光谱的基本实验现象；Planck量子假设，Einstein光子学说和Bohr原子结构理论的基本内容。 （1）微观粒子的运动特征 理解实物微粒的波粒二象性的本质及其统计解释；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。 掌握实物微粒的de Broglie波长计算，实物微粒和光子运动规律的差别。 了解量子力学的五个基本假设，态叠加原理，Pauli原理的实质。 理解波函数和微观体系运动状态的描述方法；波函数的物理意义、性质；力学量算符的定义和算符化规则；本征函数、本征态和本征值等概念，Schr?dinger方程的建立（2）量子力学的基本假设 过程及其物理涵义。 掌握合格波函数的条件及应用；波函数的正交归一性的数学式作一般的证明、计算；线性算符和厄米算符的定义和性质及常见物理量的算符表达式；用算符判断本征态，求解波函数的本征值；力学量平均值的概念及平均值的计算。 了解量子力学处理微观体系的一般步骤。 理解量子力学处理一维势箱模型的处理方法、求解过程（3）箱中粒子的Schr?dinger方程及其解 和所得的基本结论（能量量子化现象，零点能效应，节点现象，隧道效应）。 掌握一维势箱Schr?dinger方程的求解结果及某些物理量
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要求程度 一般了解 （动量，能量，平均位置，最大吸收波长）在共轭分子体系中的简单应用的计算。 3 原子结构和性质（12 学时） 教学内容 要求程度 了解变数分离法求解氢原子的Schr?dinger方程的求解过程，ΘΦ和R(r)方程的求解结果；能量状态和Virial定理。 （1）单电子原子的Schr?dinger方程及其解 理解量子力学处理单电子原子的思想方法和处理过程；实波函数与复波函数的联系与区别。 掌握Ф方程的求解过程和结果；单电子原子状态的表示-原子波函数，及物理性质与波函数的关系 理解量子数s，j，mj的物理意义及取值规则。 （2）量子数的物理意义 掌握四个量子数n，l，m，ms的物理意义及取值规则；单电子原子的能级公式；轨道运动和自旋角动量、轨道运动和自旋磁矩的意义和表达式。 了解波函数ψ和电子云ψ2的径向分布图和原子轨道等值线图和角度分布图的作图方法。 （3）波函数电子云图形 理解原子轨道的意义、性质和空间图形；波函数ψ和电子云ψ2的图形的物理意义。 掌握s、p、d原子轨道轮廓图及其特征。 了解简单多电子原子体系的Schr?dinger方程的表示方法；量子力学处理多电子原子体系的思想方法-轨道近似(Born-Oppenheimer近似)；自洽场方法的基本思想；Zeeman效应；电子自旋假设的基本涵义，Pauli原理的物理意义。 （4）多电子原子的结构 理解近似求解方法（单电子近似和中心力场法）大意和主要结果；中心立场近似和屏蔽模型的物理意义。 掌握掌握用屏蔽模型(Slater屏蔽系数法)和单电子近似处理多电子原子的过程及相关物理量（原子轨道能，电离能，电子结合能和互斥能）的计算；简单多电子原子的全波函数表示-Slater行列式。 了解电子的填充顺序和电离顺序。 （5）元素周期表和元素周期性质 理解元素周期律的本质。 掌握基态原子核外电子排布原则，第三周期前任一元素的电子层结构。 （6）原子光谱
了解角动量的偶合及多电子原子量子数；等价多电子组3
态原子光谱项的推求过程；原子光谱的应用。 理解原子状态和角动量加和规则的物理意义；原子光谱选律及其在碱金属原子中的应用。 掌握原子光谱项及支项的定义及简单非等价电子组态原子光谱项的推求方法，根据Hund规则推求基谱项和支项。 4 共价键和双原子分子的结构化学（10 学时） 教学内容 要求程度 了解化学键的定义和类型；几种简单化合物或单质中存（1）化学键的概述 在的化学键类型。 理解共价键、离子键和金属键之间的联系和区别。 了解用量子力学处理单电子H2+时建立的Schr?dinger 方程；变分法求解单电子分子的Schr?dinger方程的过程。 理解Born-Oppenheimer近似的物理意义；分子轨道理论处（2）H2+的结构和共价键的本质 理H2+分子的基本假设（变分函数的构成）和主要结论（Haa，Hbb，Sab的物理意义，体系能量曲线，电子云分布）。 掌握线性变分法的基本要点；共价键的本质-离域效应，极化效应和收缩效应。 了解简单分子轨道理论；双原子分子的光谱项的推求。 理解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）。 （3）分子轨道理论和双原子分子的结构 掌握LCAO-MO三原则，双原子分子轨道的类型、符号表示方式、能级次序及电子的排布规则；前二周期同核和部分异核双原子分子的电子组态，并能计算键级、判断磁性，解释键的强度、键长、键型和有关性质。 了解量子力学变分法处理H2的思想方法。 理解价键理论处理双原子分子结构的一般过程，表示方（4）H2分子的结构和价键理论 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。 掌握价键理论的基本要点。 了解分子光谱及其所在的波段；Raman光谱的原理。 （5）分子光谱 理解双原子分子的转动光谱（刚性转子模型）的能级、跃迁选律、振转光谱（简谐振子模型）的能级、跃迁选律；双原子分子振动-转动光谱的能级、跃迁选律。 （6）光电子能谱 了解Frank-Condon原理。 理解H2、N2的紫外光电子能谱的特点。 4
掌握垂直电离能，绝热电离能的定义及应用。 5 多原子分子的结构和性质（10 学时） 教学内容 要求程度 了解价层电子对互斥理论的要点。 理解价电子对构型和分子构型的特点和区别；等电子体（1）价层电子对互斥理论（VSEPR） 原理。 掌握应用价层电子对互斥理论判断分子或离子的几何构型，并能结合重键、孤对电子、元素电负性等因素比较相近分子的性质差异（如键长、键角等）。 了解杂化轨道理论提出的背景；原子轨道杂化的目的和动力、弯键和共价键的饱和性。 掌握杂化轨道理论的要点：杂化、杂化轨道、杂化轨道（2）杂化轨道理论 的正交归一性、等性杂化和不等性杂化、杂化轨道夹角；等性s-p类杂化sp，sp2，sp3杂化轨道的推求；不等性s-p类杂化轨道的杂化轨道指数的计算及轨道中s和p轨道成分的计算；能用杂化轨道理论解释分子的几何构型。 了解甲烷离域分子轨道中氢原子的群轨道的构建过程。 理解甲烷的离域分子轨道能级图和光电子能谱图之间的（3）离域分子轨道理论 关系。 掌握多原子分子的定域分子轨道和离域分子轨道区别和联系。 了解HMO法处理简单分子结构的方法，σ-π分离和π电子近似等概念；休克尔行列式的求解过程及分子轨道能、离域能的计算；休克尔4m+2芳香性规则，学会用Frost图表示单环共轭分子的能级。 （4）休克尔分子轨道法（HMO法） 理解HMO法的基本内容，HMO法近似处理共扼有机分子时引进的基本假定；丁二烯及链状共轭烯烃的HMO处理过程；苯及环状共轭烯烃的HMO处理过程。 掌握共轭有机分子休克尔行列式的列法；根据已知Hückel分子轨道波函数计算各种物理量（电荷密度、键级和自由价）；简单分子图的绘制及图中各数据的物理意义。 了解离域π键的形成条件。 （5）离域π键共轭效应 理解共轭效应及超共轭效应的形成机理。 掌握离域π键的表示方法；能够写出简单分子的离域π键；用共轭效应解释共轭分子性质及某些分子的反应活性。
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