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江苏自考02053《结构化学》教材大纲

2022年01月10日信息来源:江苏教育考试院

江苏教育学院编 (高纲号 0797)    


    一、课程性质及其设置目的与要求
    (一)课程性质和特点
    《结构化学》课程是我省高等教育自学考试化学教育专业的一门重要的基础理论课,其理论和实验方法已越来越广泛地被应用到化学各个学科中去。通过该课程的学习,应考者应掌握微观物质运动的基本规律,获得原子、分子和晶体结构的基础理论、基本知识,理解物质结构与性能的关系,了解研究分子和晶体结构近代实验方法的基本原理,了解结构化学的现状、发展趋势及最新进展,加强对先行课程有关内容的理解,为后续课程和科学研究以及中学化学教学打下必要的基础。
    (二)本课程的基本要求
    本课程内容分为八部分。通过该课程的学习,应考者应对结构化学有一个全面和正确的认识。具体要求如下:
    1、在量子力学基础知识的基础上,弄清原子、分子和晶体中电子运动的基本规律,了解Schrödinger方程得来的线索和用量子力学研究原子、分子结构的基本方法,理解波函数及波函数的各种图形表示,掌握原子光谱项的推求。
    2、了解分子轨道理论的基本原理,理解化学键的本质,掌握双原子分子结构与性质间的关系,掌握双原子分子的振动和转动光谱的基本原理。
    3、掌握分子的对称性和分子点群,了解分子对称性在研究分子结构中的作用。
    4、了解杂化轨道理论,掌握一些常见的杂化轨道类型,了解休克尔分子轨道理论,理解分子图及其应用,理解离域p键的形成、类型和共轭效应。
    5、了解用量子力学研究配合物结构的基本方法,掌握晶体场理论的基本原理及其应用。
    6、掌握晶体周期性结构的特点及晶体的各种性质。了解各类晶体结构的基本形式,理解X-ray衍射的基本原理及其应用。
    (三)本课程与相关课程的关系
    《结构化学》是以量子力学理论为基础,联系无机化学、有机化学等大量实验事实讨论原子、分子化学键理论的一门学科。学习本课程需具备高等数学、大学物理 、线性代数、无机化学、有机化学等课程基础。
                       
    二、课程内容与考核目标
    第一章  量子力学基础知识              
    (一)课程内容
    本章简要介绍了量子力学产生的背景、量子力学基本原理及其简单应用。
    (二)学习要求
    了解量子力学产生的背景,理解微观粒子的运动规律,理解量子力学的基本假设,掌握量子力学基本原理的简单应用。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:微观粒子的运动规律,能量量子化,光的波粒二象性,薛定谔方程的意义及其算符表示式,波函数的正交归一性,力学量和算符之间的关系,本征方程、本征值和本征函数,量子数、零点能、节点和离域效应,简并态和简并度,量子力学处理微观体系的一般方法,量子力学处理结果的物理意义和说明。
    2、掌握:实物微粒的波粒二象性及不确定关系,波函数和微观粒子的状态、概率和概率密度,波函数的合格化条件,一维势箱模型及其应用。
   
    第二章  原子的结构与原子光谱
    (一)课程内容
    本章介绍了单电子原子的Schrödinger方程及其解、量子数与波函数、多电子原子结构与原子轨道、电子自旋与Pauli原理以及原子的状态和原子光谱。
    (二)学习要求
    懂得H原子及类H离子Schrödinger方程一般解的结果,掌握量子数的取值和物理意义;理解原子轨道、电子云、径向分布函数以及原子轨道能量和能级等基本概念;了解波函数和电子云的各种图示法,了解电子自旋与Pauli原理,掌握原子光谱项和基谱项的推求。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:单电子原子的波函数,实函数和复函数之间的区别和联系,波函数和电子云的各种图形表示(电子云图、径向分布图、原子轨道角度分布图及空间分布图)及物理意义,中心势场模型,屏蔽效应和钻穿效应,电子自旋与Pauli原理,氢原子光谱和碱金属原子光谱。
    2、掌握:量子数(主量子数、角量子数、磁量子数、电子自旋量子数和自旋磁量子数)的取值、物理意义及相关计算,概率、概率密度、平均距离等物理量的计算。原子光谱项、光谱支项和基谱项的推求。
    
    第三章  分子的对称性和点群
    (一)课程内容
    本章介绍了分子对称性、分子点群、群的表示以及分子对称性与分子偶极矩和分子旋光性的关系。
    (二)学习要求
    理解分子的对称性,能判断常见分子所属的点群,理解分子对称性与分子旋光性和偶极矩的关系,了解群的表示。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:对称操作的矩阵表示,群的定义和表示,特征标和特征标表。
    2、掌握:旋转轴和旋转操作、镜面和反映操作、对称中心和反演操作、象转轴和旋转反映操作,分子点群的判别,分子对称性与分子偶极矩的关系,分子对称性与分子旋光性的关系。
   
    第四章  双原子分子结构和性质
    (一)课程内容
    本章从最简单的分子体系H2+入手,介绍分子轨道理论及其对双原子分子结构的应用,并讨论了双原子分子光谱。
    (二)学习要求
    通过H2+的量子力学处理,了解线性变分法的基本原理及共价键本质,了解分子轨道理论要点,掌握第二周期同核及异核双原子分子结构与性质的关系,掌握双原子分子光谱。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:共价键的本质,分子轨道理论,分子轨道的类型、符号、能级顺序,分子的电子组态及键级,分子光谱的分类及其选律,双原子分子的电子光谱。
    2、掌握:LCAO-MO的成键三原则,第二周期同核及异核双原子分子结构与性质的关系。刚性转子模型下双原子分子的转动光谱及其相关计算,简谐振子模型下双原子分子的振动光谱及其相关计算。
    
    第五章  多原子分子结构和性质
    (一)课程内容
    本章介绍了饱和分子的离域、定域轨道和杂化轨道理论,共轭分子结构与HMO法,缺电子分子与多中心键,多原子分子的振动光谱以及分子的磁共振谱与光电子能谱。
    (二)学习要求
    理解杂化轨道理论,掌握一些常见的杂化轨道类型,掌握价层电子对互斥理论。了解HMO法以及1,3-丁二烯、苯等共轭分子的结构和性质,理解分子图及其应用,理解离域π键的形成、类型和共轭效应,了解硼烷等一些缺电子分子的结构与成键,了解多原子分子的振动光谱,了解分子的磁共振谱与光电子能谱。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:杂化轨道理论、等性杂化和不等性杂化,HMO法及其对1,3-丁二烯、苯等共轭分子的结构和性质的讨论,三中心双电子氢桥键、三中心双电子硼键、硼烷等一些缺电子分子的结构、分子的振动自由度、分子的红外光谱及其应用,核磁共振的一般原理、核磁共振的条件和影响化学位移的主要因素,电子顺磁共振的一般原理和应用,光电子能谱的一般原理和应用,分子的磁性。
    2、掌握:一些常见分子杂化轨道类型的判别,价层电子对互斥理论,休克尔行列式的书写,分子图的计算及其应用,离域π键的形成、类型和共轭效应。
   
    第六章  配位化合物和簇合物的结构和性质
    (一)课程内容
    本章讨论了配位化合物的结构和性质以及原子簇化合物的结构和性质。
    (二)学习要求
    掌握晶体场理论的基本原理及其应用,了解配位场理论,了解羰基配合物及N2配合物的结构和性质,了解有机金属配合物的结构和成键,了解原子簇化合物的结构与性质。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:配位场理论,σ-π配键、羰基配合物及N2配合物的结构和性质,蔡斯盐和夹心式配合物的结构和成键,簇合物的18电子规则和核骨架的几何构型的关系,簇合物的9n-L规则。
    2、掌握:晶体场理论的基本原理及其应用(d轨道能级分裂、d电子的排布、磁性、晶体场稳定化能、光谱化学序、颜色、Jahn-Teller效应等)。
   
    第七章  晶体的点阵结构理论
    (一)课程内容
    本章讨论了晶体的点阵结构与晶体的缺陷、晶体的对称性以及X-ray晶体结构分析原理。
    (二)学习要求
    掌握晶体结构的特征,掌握晶体的点阵结构理论,了解晶体的缺陷,了解晶体的对称性,理解X-ray晶体结构分析原理。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:晶体的缺陷及其对性质的影响,晶体的宏观对称性和微观对称性,劳埃方程和布拉格方程,点阵型式与系统消光条件的关系,单晶结构分析的回转晶体法和衍射仪法。
    2、掌握:晶体结构的特征,点阵,点阵结构,点阵单位,结构基元,晶胞及其二要素,晶面和晶面指标,7个晶系和14种空间点阵型式,衍射指标,立方晶系的布拉格方程及相关计算。
   
    第八章  晶体的结构与晶体材料
    (一)课程内容
    本章讨论了晶体结构的能带理论与密堆积原理、金属晶体的结构与应用、离子晶体的结构与应用以及共价键型晶体、分子型晶体和混合键型晶体的结构与应用。
    (二)学习要求
    了解晶体结构的能带理论,掌握晶体结构的密堆积原理及其应用,了解金属晶体的性质与金属键的本质,了解合金的结构与性质,了解离子晶体的典型结构型式和离子键的本质,了解点阵能的计算及其应用,了解键型变异原理,了解离子半径的概念及在周期表中的变化趋势,了解正负离子的半径比和配位数的关系,了解典型的共价晶体结构、混合键型晶体及分子型晶体的结构与应用。
    (三)考核知识点和考核要求
    1、领会:晶体结构的能带理论,导体、半导体和绝缘体的能带特征,金属键的本质,金属单质的结构概况和金属原子半径的变化规律,合金的结构分类和性质。几种典型离子晶体的结构型式,离子键本质,点阵能的计算及其应用,离子极化和键型变异现象,离子半径的概念及在周期表中的变化趋势,正负离子的半径比和离子的配位多面体的关系,共价键型晶体、分子型晶体和混合键型晶体的结构和性质,氢键和氢键型晶体的结构和性质,
    2、掌握:A1、A2 、A3和A4型堆积以及几种典型离子晶体(CsCl、 NaCl、立方ZnS、CaF2)结构的计算(配位数、分数坐标、晶胞参数、结构基元数、半径、密度、空间利用率等)。    
    
    选用教材意见
    使用教材
    《结构化学》,王荣顺主编,高等教育出版社,2003年
    参考教材
    《结构化学基础》(第三版),周公度、段连运编著,北京大学出版社,2002
    《结构化学习题解析》,周公度、段连运编著,北京大学出版社,2002
    《物质结构学习指导》,倪行、高剑南编著,科学出版社,1999
   
    附录  题型举例
    一、选择题
    如:某晶体属于立方晶系,一晶面截x轴于a/2、y轴于b/3、z轴于c/4,则该晶面的指标为  
    (A) (3、6、4)   (B) (2、3、4)   (C) (2、1、2/3)  (D) (4、6、8)
    二、填空题
    如:某AB型晶体,属于正交晶系,底心格子,每个晶胞中含有    个A原子,       个B原子。
    三、简答题
    如:某一立方晶系晶体,晶胞的顶点位置全为 A占据,面心为 B占据,体心为 C占据,(1)写出此晶体的化学组成(2)写出 A,B,C的分数坐标(3)给出晶体的点阵型式。
    四、计算题
    如:已知金刚石立方面心晶胞的边长为 356.6pm ,计算金刚石中C原子的空间利用率。 

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