stroenie_molekul_i_osnovy_kvan

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор
по учебно-методической работе
профессор
Елина Е.Г.
« » ------------- 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Строение молекул и основы квантовой химии
Направление подготовки
Педагогическое образование
Профили подготовки
Химия, биология
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов
2011 год
2
1. Цели освоения дисциплины «Строение молекул и основы квантовой химии»
Целью курса является изучение основных теорий строения атомов и молекул, а также основных приближений различных методов (полуэмпирических,
неэмпирических) расчета строения молекулярных систем.
В процессе изучения курса у студентов формируются глубокие знания о
современной естественнонаучной картине мира (природе химической связи,
строения молекул и реакционной способности соединений), что необходимо
педагогам в их профессиональной деятельности учителя химии и биологии, а
именно квалифицированно преподавать соответствующие разделы школьной
программы. Практические занятия, целью которых является реализация конкретных квантовохимических расчетов с использованием ПЭВМ, способствует
приобретению студентами навыков обобщения, математической обработки
информации. В процессе изучения курса «Строение молекул и основы квантовой химии» студенты учатся на примере решения конкретных теоретических задач ставить цели и выбирать оптимальные пути её достижения.
2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Курс «Строение молекул и основы квантовой химии» является вариативной дисциплиной профессионального цикла дисциплин Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ФГОС ВПО) по направлению «Педагогическое образование» (профили
«Химия, биология») бакалавриата.
Для освоения программы по дисциплине «Строение молекул и основы
квантовой химии» студенты должны иметь базовое среднее (полное) общее образование или среднее техническое. Требования к «входным» знаниям студентов предполагают освоение предшествующих дисциплин - «Общая и неорганическая химия» (строение неорганических соединений, теория строения атома),
«Органическая химия и основы супрамолекулярной химии» (понятие гибридизации, строение органических соединений), «Математика» (основные математические действия с матрицами, операторы) бакалавриата, необходимого для
успешного освоении данной дисциплины.
Освоение данной дисциплины необходимо для выполнения выпускных
квалификационных работ профиля «Химия, биология» и профессиональной
деятельности учителя химии.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В совокупности с другими дисциплинами ФГОС ВПО дисциплина «Строение молекул и основы квантовой химии» обеспечивает формирование следующих общекультурных и профессиональных компетенций бакалавра направ-
3
ления «Химия, биология»:
- владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию
информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
- способен использовать знания о современной естественнонаучной картине
мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять методы математической обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4);
Курс направлен на формирование у студентов следующих знаний и умений:
- знать основы строения атомов и молекул, важнейшие современные
квантовохимические методы.
- уметь анализировать информацию, полученную на основе различных
квантовохимических расчетов.
- владеть основными расчетными методами органических и неорганических молекул.
3. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72 часов.
№
п/
п
Раздел дисциплины
Семестр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную работу студентов и
трудоемкость (в часах)
лек
пр.
само- Всеции раб. стояго
тельная
работа
1
Введение
9
1
2
2
Строение
9
молекул и
химическая
связь
2
2
3
Основные
положения
и методы
квантовой
химии
Meтoд MО
9
3
9
4
4
Формы текущего
контроля успеваемости (по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по
семестрам)
4
6
6
4
12
Отчет о выполнении практической
работы
2
6
4
12
Устный опрос, отчет о выполнении
практической работы
2
4
8
14
Отчет о выполне-
4
5
6
7
ЛКАО.
Ocнoвныe
пpиближeн
ия мeтoдa
молекулярных
opбитaлeй
Xюккеля
(МОХ).
Полуэмпи- 9
рические
методы
квантовой
химии
Неэмпири- 9
ческие методы квантовой химии
Интерпре9
тация квантовохимических
расчетов
нии практической
работы
5
2
4
6
Контрольная работа
6
6
8
14
Отчет о выполнении практической
работы
7
4
4
8
Устный опрос, отчет о выполнении
практической работы
26
36
72
Зачет
И
т
о
г
о
10
Содержание дисциплины
Основные этапы развития строения атомов и молекул. Роль в развитии современной теоретической химии.
Уравнение Шредингера. Волновая функция и ее свойства. Квантовомеханическое описание атома водорода. Атомные орбитали. Квантовые числа.
Основные приближения квантовой химии. Адиабатическое приближение. Уравнение Шредингера для движения электронов в поле
ядер. Одноэлектронное приближение. Уравнения Хартри-Фока. Приближение МО ЛКАО. Уравнения Рутана. Вариационный принцип и
теория возмущений в квантовой химии. Понятие атомного базиса.
Приближенные методы ССП. Нулевое дифференциальное перекрывание (НДП). Метод ССП МО ЛКАО в приближении Паризера-ПарраПопла. Расширенный метод Хюккеля (РМХ). Современные всева-
5
лентные полуэмпирические методы.
Неэмпирические (ab initio) квантовохимические методы расчета молекул. Сравнительная оценка квантовохимических методов расчета. Прикладная квантовая химия.
Практические работы
Назввние
Meтoд MО ЛКАО. Pacчeт мaлыx мoлeкyл. Moлeкyлa
вoдopoдa в пpиближeнии ЛКАО. Pacчeт кoнфигypaции мoлeкyляpныx cиcтeм H3, Н3+, Н3мeтoдoм MО ЛКАО.
Ocнoвныe пpиближeния мeтoдa молекулярных
opбитaлeй Xюккеля (МОХ). Pacчeт coпpяжeнныx углеродных мoлeкyл мeтoдoм MOX.
Pacчeт coпpяжeнныx мoлeкyл мeтoдoм MOX
(yглepoдныe cиcтeмы).
Koнmpoльнaя paбoma 1 (pacчem мemoдoм MOX
yглepoдныx cucmeм).
Pacчeт pacпpeдeлeния элeктpoннoй плoтнocти
мoлeкyл в вoзбyждeнныx cocтoянияx, pacчeт
элeктpoннoгo cпeктpa мoлeкyл. Boзмoжнocть pacчeтa
молекул с BMBC квaнтoвo-xимичecкими мeтoдaми.
Meтoд Пapизepa-Пappa-Пoплa. Pacчeт элeктpoнныx
cпeктpoв мoлeкyл мeтoдoм ППП. Сpaвнeниe
peзyльтaтов, пoлyчeнных в мeтoдe MOX, с данными
расчета методом ППП.
Полуэмпирические методы квантовой химии. Знакомство с программой Hyper Chem.
Pacчeт гeoмeтpии и тepмoдинaмичecкиx
xapaктepиcтик мoлeкyляpныx cиcтeм различными
полуэмпирическими методами.
Чacы
2
4
4
2
4
4
2
4
Форма контроля
Письменный
отчет
Письменный
отчет
Письменный
отчет
Контрольная
работа
Письменный
отчет
Письменный
отчет
Письменный
отчет
Письменный
отчет
6
5. Образовательные технологии
Методы преподавания дисциплины:
- лекции (с мультимедийными презентациями);
- практические работы
- самостоятельная работа студентов (освоение теоретического материала)
Лекции составляют основу теоретического обучения и должны давать систематизированные основы научных знаний по дисциплине, концентрировать
внимание студентов на наиболее сложных вопросах, стимулировать активную
познавательную деятельность студентов и способствовать формированию
творческого мышления.
Ведущим методом в лекции является устное изложение учебного материала,
сопровождающееся мультимедийными презентациями. На вводной лекции
студентам сообщается план и особенности изучения дисциплины, а также рекомендуемая литература.
Практические работы имеют целью практическое освоение теоретического
материала, овладение навыками теоретических расчетов и анализа полученных
результатов, выполнение правил техники безопасности при работе с электрическими приборами (компьютерами).
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению «Педагогическое образование» реализация компетентного подхода предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм
проведения занятий.
Все практические работы носят характер самостоятельных химических
задач, которые каждый студент решает самостоятельно. Всего интерактивное
обучение составляет 26 часов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа:
- Освоение теоретического материала.
- Оформление практических работ.
При освоении теоретического материала и выполнении практических заданий студентам рекомендуется использовать основную и дополнительную литературу
Формы контроля:
- Письменное домашнее задание
- Отчет о выполнении практической работы
7
- Контрольная работа
- Отчет по вопросам для самоподготовки к зачету (Приложение 1).
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Строение молекул и основы квантовой химии»
а) Основная литература:
Муштакова С.П., Бурмистрова Н.А., Горячева И.Ю., Капустина Е.В., Монахова Ю.Б. Основы квантвой механики и квантовой химии. Меоды расчета
элктронной структуры и свойств молекул: Учеб. пособие для студентов хим.
фак. – Саратов: Изд-во «Новый ветер», 2009. – 107 с.: ил.
б) дополнительная литература:
Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия. М.: изд-во МГУ,
2001.
в) программное обеспечение (Hyperchem – 7, программное обеспечение для
методов ППП, МОХ) и Интернет ресурсы: поисковые системы, база данных
спектров NIST и другие информационные ресурсы.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лекционная аудитория
Дисплейный класс (12 компьютеров, программный комплекс Hyperchem – 7,
программное обеспечение для методов ППП, МОХ).
Поисковые системы, электронные библиотеки, информационные сети, базы
данных и другие информационные ресурсы.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению «Педагогическое
образование» по профилю подготовки «Химия, биология».
Автор
Монахова Ю.Б.
Программа одобрена на заседании кафедры общей и неорганической химии от 5 мая 2011 года, протокол № 12.
Подписи:
Зав.кафедрой
проф. д.х.н.
Директор
Института химии
проф. д.х.н.
С.П. Муштакова
О.В. Федотова
8
Приложение 1 Вопросы к курсу
1. Основные этапы развития теории строения молекул.
2. Принцип неопределенности Гейзенберга.
3. Уравнение Шредингера. Волновые функции и их свойства.
4. Волновые функции (орбитали) для атома водорода. Квантовые числа.
5. Основные приближения квантовой химии.
6. Метод Хюккеля для углеводородных систем и молекул с гетероатомами.
8. Уравнения Хартри-Фока-Рутаана.
9. Атомные и молекулярные орбитали. Что это такое?
10. Заряды на атомах и порядки связей. Качественная теория реакционной способности молекул. Полярность химической связи и ее характеристики.
11. Приближения нулевого дифференциального перекрывания. Основные
схемы.
12. Что Вы знаете о современных полуэмпирических методах квантовой химии?
13. Одноэлектронное приближение в квантовой механике.
14. π-Электронное приближение. Метод МО ЛКАО ССП и КВ ПаризераПарра-Попла.
15. Неэмпирические квантовохимические методы. Метод самосогласованного поля.
16. Прикладная квантовая химия