《物质结构基础》课程教学大纲
课程代码：080331005
课程英文名称：Structural basis of material 课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0 适用专业：应用化学专业
大纲编写（修订）时间：2017.7
一、大纲使用说明
（一）课程地位及教学目标
“物质结构基础”是应用化学专业的专业基础必修课，其教学目标是使学生掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子及晶体结构的基本理论、基础知识，了解物质的结构与性能关系，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法的基本原理，加深对前修课程，如无机化学、有机化学等有关内容的理解，为专业课程的学习打下必要的基础；通过本课程的学习，培养学生能从物质结构与物质性质相互关系的基本规律出发，分析和解决问题。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1、学生必须掌握的知识内容
掌握实物微粒的运动规律，能够通过定态薛定谔方程求解简单的分子离子的原子轨道模型，能较系统地阐明元素周期律的本质。掌握化学键的三种基本类型，即离子键、共价键和金属键。对价键理论、分子轨道理论和配位场理论有较深入的了解。重点掌握分子轨道理论及其在分子结构中的应用，一般了解分子对称性的概念。掌握络和物的价键理论包括电价配键、共价键配键及分子轨道理论在络和物中的应用。重点掌握晶体场理论。掌握晶体周期性结构的特点及由此特点决定的晶体的各种性质；金属键和金属的一般性质，固体能带理论，密堆积结构；离子键和点阵能，离子配位多面体极其连接规律；分子间作用力对其物质性质的影响；氢键及氢键型晶体、分子型晶体、混合键型晶体的特性。 2、能力及技能方面的基本要求
研究物质结构主要采用两种途径，其一是以演绎的方法为主，即是从微观质点运动的普遍规律出发进而研究原子是如何组成分子的或组成晶体的。其二是以归纳法为主，应用一些物理测试手段，来研究物质内部原子的排列及运动状况、原子和分子中电子的运动状态等。当对很多个别具体对象进行测量后，再总结成规律。
在结构化学的学习中，学生应具备一定的演绎推理的能力及归纳、应用能力，并应用物质结构的基本规律分析、解决化学、化工理论与实践中遇到的问题。 （三）实施说明
1、“物质结构基础”是一门理论性较强的课程，通常学生会感觉较难，因此应尽量避免与理论性较强或难度较大的必修课程如物理化学等同时开设。教师在课堂教学中应以概念的介绍为主，尽量减少不必要的理论推导，以使学生明确结构化学的基本内容，了解结构化学的主要方法，掌握一些简单实用的计算方法。
2、大纲实施时应强调化学的整体性、综合性。摒弃单纯传授具体知识的观念，强调培养分析、启发思路、解决问题的能力和创新精神，强调充分发挥学生积极性和主动性，充分应用现代教育技术进行双向教学，使学生具有自我开拓和获得知识的能力。
3、课程性质为专业基础课，为使学生更好掌握学习内容，每章节后面都有大量的习题，根据使用教材，选择习题。
（四）对先修课的要求
物质结构决定了物质的物理、化学性质及其变化规律。金属、无机、有机化合物的结构正是物质结构的研究内容。从无机、有机、物化到结构化学的学习正是从感性认识到理性认识再从理性认识到感性认识的过程，其中要大量应用的高等数学知识，也涉及到大学物理知识，因此结构化学学习之前要求先学完无机化学、有机化学、高等数学。 （五）对习题课、实验环节的要求
应根据学生学习的具体情况布置作业。学习中应至少包含1次习题课。
现代物理测试方法在物质结构的研究中具有重要的意义，由于条件所限，暂时不能开设实验。
（六）课程考核方式 1.考核方式：考查。
2.考核目标：考核学生对于该课程基本知识、基本原理和基本方法的掌握，重点考核学生应用物质结构基础解决所学课程中涉及的物质结构与性能关系的理论问题。
3.成绩构成：考核总成绩包括理论考试、作业、小测验、提问、小论文等至少三种考核方式的成绩之和，教师根据当前学期教学情况决定。
（七）参考书目
《简明结构化学教程》第二版，夏少武，化学工业出版社，2005年5月 《结构化学基础》，周公度，段连云编著，北京大学出版社，2008年1月
二、中文摘要
物质结构基础是研究微观物质结构以及结构和性质关系的科学。是化学、应用化学等专业的专业基础必修课。该课程在学习了无机化学、有机化学的基础上，应用量子力学的基础知识系统学习原子、分子、晶体的结构以及结构与性质的关系；学习共价键理论、配位场理论以及结晶化学理论。使学生对于微观物质世界有更深刻的了解，对后续课程有着重要的指导意义。
三、课程学时分配表
序号 1 教学内容 量子力学基础知识 学时 6 2 2 2 6 2 2 2 8 2 2 2 2 2 2 讲课 6 2 2 2 6 2 2 2 8 2 2 2 2 2 2 实验 上机 1.1 绪论 1.2 量子力学实验基础 2 量子力学基本假设 原子的结构和性质 角量子数和磁量子数的物理意义，类氢原子的原子轨道和电子云图形 多电子原子的结构，电子的自旋，基态原子的电子排布 共价键理论和分子结构 分子轨道理论，分子轨道的类型、符号和能级顺序 2.1 类氢原子的Schr?dinger方程及其解 2.2 2.3 3 3.1 氢分子离子 3.2 3.3 双原子分子的结构和性质 3.4 休克尔分子轨道理论和共轭分子 4 5 配位场理论和络合物结构 分子光谱 6 晶体结构与结晶化学 6 2 2 2 2 32 6 2 2 2 2 32 6.1 晶体结构的周期性和点阵 6.2 金属键和金属一般性质 6.3 离子晶体和点阵能计算 7 总结、习题及考核 合计 四、教学内容及基本要求
第1部分 量子力学基础知识
总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 第1.1部分 绪论（讲课2学时） 具体内容：
1）了解量子力学的发展概况
2）理解光的波粒二象性和实物粒子的波粒二象性 3）掌握不确定关系式
第1.2部分 量子力学实验基础（讲课2学时） 具体内容：
1）理解量子力学的基本假定和薛定谔方程的意义，理解主要的力学量算符 2）掌握本征值的计算方法 3）理解波函数的物理意义 4）掌握波函数的归一化方法
第1.3部分 量子力学基本假设（讲课2学时） 具体内容：
1）了解用定态薛定谔方程求解势箱中粒子平动的能级和波函数的方法 2）理解能量量子化的概念和零点能的概念
3）掌握一维势箱中自由粒子运动的能级计算方法 重 点：
1）微观粒子运动的基本特征
2）量子力学的基本假设，薛定谔方程 3）原子轨道的意义、性质和空间图象 难 点：
量子力学的基本假设，薛定谔方程 第2部分 原子的结构和性质
总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 第2.1部分 类氢原子的Schr?dinger方程及其解（讲课2学时） 具体内容：
1）理解原子结构的薛定谔方程的建立方法和分离变量法求解氢原子及类氢离子薛定谔方程 的过程
2）理解中心力场模型和单电子近似法求解多电子原子薛定谔方程的方法。
第2.2部分 角量子数和磁量子数的物理意义，类氢原子的原子轨道和电子云图形（讲课2学时）
具体内容：
1） 明确解的结果和三个量子数的物理意义 2） 掌握三个量子数的取值
3） 掌握原子轨道能级的计算方法和Slater规则计算屏蔽常数的方法 4） 明确原子轨道角动量的计算方法
5） 掌握原子轨道的角度分布和角度电子云的形状 6） 明确径向分布函数的物理意义和形态
第2.3部分 多电子原子的结构，电子的自旋，基态原子的电子排布（讲课2学时） 具体内容：
1） 明确电子自旋的概念，掌握自旋磁量子数的取值
2） 明确原子波函数的概念，了解Slater行列式和保里原理 3） 掌握基态原子的电子排布方式 重 点：
1）氢分子离子和共价键的本质
2）分子轨道理论，杂化轨道理论
3）简单HMO法和共轭分子键级、自由价和分子图 第3部分 分子的结构和性质
总学时(单位：学时):8 讲课:8 实验:0 上机:0 第3.1部分 氢分子离子（讲课2学时） 具体内容：
1）明确氢分子离子薛定谔方程的建立方法和线性变分法求解该方程的原理
2）掌握解的结果
3）明确三个积分的意义
第3.2部分 分子轨道理论，分子轨道的类型、符号和能级顺序（讲课2学时） 具体内容：
1）掌握简单分子轨道理论的要点
2）掌握双原子分子轨道的类型和双原子分子电子组态，能够分析成键情况、进行简单的性质预测
第3.3部分 双原子分子的结构和性质（讲课2学时） 具体内容：
1） 了解氢分子薛定谔方程的海特勒—伦敦近似解法 2） 明确价键理论的要点
3）掌握杂化轨道理论的要点和杂化轨道的基本类型
第3.4部分 休克尔分子轨道理论和共轭分子（讲课2学时） 具体内容：
1） 掌握休格尔分子轨道理论的基本要点 2） 掌握离域π键的类型和形成条件 3） 掌握电荷密度、键级和自由价的计算 重 点：
1）分子轨道理论，价键理论，共价键本质及典型的双原子分子的电子排布
2）HMO方法及其在共轭分子中的应用 难 点：
HMO方法及其在共轭分子中的应用 第4部分 配位场理论和络合物结构
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0 具体内容：
本单元分别从分子轨道理论和价键理论入手，介绍了晶体场理论和配位场理论的基本思想
及其应用。通过本单元学习，应重点掌握晶体场理论和配位场理论的基本内容及其应用，理解羰基化合物，π络合物中σ－π配键的形成过程，了解d－p配键的概念，了解夹心化合物，了解氮分子络合物及其活化。 重 点：
晶体场理论，配位场理论 难 点：
晶体场理论，配位场理论 第5部分 分子光谱
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0 具体内容：
1） 了解分子光谱的构成和表示方法
2） 了解双原子分子转动光谱和振动光谱的量子力学处理方法
3） 掌握转动光谱和振动光谱的能级计算方法，掌握转动光谱和振动光谱的选律 4） 了解多原子分子的振动光谱，明确简正振动的概念和简正振动的模式 重 点：
物质结构的近代分析方法原理 难 点：
分子光谱，磁共振谱的基本原理 第6部分 晶体结构与结晶化学
总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 第6.1部分 晶体结构的周期性和点阵（讲课2学时） 具体内容：
晶体化学的基础知识，其中重点论述了金属晶体、离子晶体和分子晶体等的结构的基本型式及规律。
第6.2部分 金属键和金属一般性质（讲课2学时）
具体内容：通过本单元学习，应掌握晶体周期性结构的特点及由此特点决定晶体的各种性质。 第6.3部分 离子晶体和点阵能计算（讲课2学时） 具体内容：了解X光衍射法的基本原理。 重 点：
晶胞和晶胞参数的概念，金属晶体的结构（最密堆积和密堆积）、离子晶体的结构。 难 点：
晶体结构
第7部分 总结、习题及考核
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容：总结光子、黑体、自由粒子、一维无限深势肼模型中粒子、原子、分子、晶体等微粒运动状态，动能、势能、薛定谔方程等。考核大纲中要求掌握的重点内容。
应用化学 物质结构基础 教学大纲
