ДПП.Ф.2 Строение молекул и основы квантовой химии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ХИМИИ
Специальность — 050101.65 «Химия с дополнительной специальностью
050102.65 Биология»
Форма подготовки (очная)
кафедра естественнонаучного образования
курс 4 семестр 7
лекции 18 (час.)
практические занятия - (час.)
семинарские занятия - (час.)
лабораторные работы 18 (час.)
консультации
всего часов аудиторной нагрузки 36 (час.)
самостоятельная работа 36 (час.)
реферативные работы 0
контрольные работы 2
зачет 7 семестр
экзамен _-_ семестр
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями
государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования
(номер государственной регистрации № 696 пед/сп (новый) от «31» января 2005 г.).
Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры естественнонаучного
образования протокол № 1 «14»
сентября
2011 г.
И.о. заведующего кафедрой: Литвинова Е.А.
Составитель (ли): к.х.н., доцент Максина Н.В.
2011 г.
Содержание
1. Аннотация…………….………………………………………………….…..…3
2.Выписка из ГОС ВПО………….………………………………………….……4
3. Рабочая учебная программа дисциплины (РУПД)………….……………..…5
4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины………………………..….16
2
1. Аннотация
Цель курса: - сформировать у студентов систему знаний и умений по
теоретическим основам строение вещества.
Задачи курса: - установление взаимосвязи между электронным
строением атомов и типом химической связи, между типом связи и типом
кристаллической решетки, между свойствами веществ и их применением.
«Строение молекул и основы квантовой химии» заключается в том,
чтобы обеспечить более высокий научный уровень изучения курса общей и
неорганической химии и других химических дисциплин. В современной
средней школе вопросам строения атомов и молекул уделяется серьезное
внимание. В связи с этим в данном курсе должны быть сформированы
основные понятия, теории и методы, которые используются в науке о
веществе. Специфика содержания и преподавания данного курса
обусловлена тем, что студенты не имеют достаточной математической
подготовки для научно-исследовательских квантово-химических расчетов, но
вполне способны приобрести представления об областях ее практического
использования и изучить основы квантовой химии.
Содержание курса «Строение молекул и основы квантовой химии» для
студентов педагогических специальностей строится на базе знаний по
физике, математике и ранее изученных в вузе химических дисциплин. Курс
является обязательным и входит в цикл дисциплин предметной подготовки.
На освоение данной программы отводится 36 часов аудиторных и 36
часов самостоятельной работы, из них на лекции 18 часов и 18 часов на
лабораторные занятия.
В программу включены материалы, используемые студентами при
самостоятельной работе.
3
2. Выписка из ГОС ВПО
4
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ХИМИИ
Специальность — 050101.65 «Химия с дополнительной специальностью
050102.65 Биология»
Форма подготовки (очная)
кафедра естественнонаучного образования
курс 4 семестр 7
лекции 18 (час.)
практические занятия - (час.)
семинарские занятия - (час.)
лабораторные работы 18 (час.)
консультации
всего часов аудиторной нагрузки 36 (час.)
самостоятельная работа 36 (час.)
реферативные работы 0
контрольные работы 2
зачет 7 семестр
экзамен _-_ семестр
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования (номер
государственной регистрации № 696 пед/сп (новый) от «31» января 2005 г.).
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры естественнонаучного образования
протокол № 1 «14»
сентября
2011 г.
И.о. заведующего кафедрой: Литвинова Е.А.
Составитель (ли): к.х.н., доцент Максина Н.В.
5
2011 г.
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______
И.о. заведующего кафедрой _______________________ _________________
(подпись)
(И.О. Фамилия)
II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 200 г. № ______
И.о. заведующего кафедрой _______________________ _________________
(подпись)
(И.О. Фамилия)
6
СОДЕРЖАНИЕ
3.1. Пояснительная записка…………………………………………….…..8
3.2. Тематический план дисциплины………………………………..….…9
3.3. Содержание учебного материала………………………………….....10
3.4. Требования к знаниям и умениям студентов……………………......12
3.5. Формы контроля……………………………………………………....13
а) текущий контроль…………………………………………………...…..13
б) итоговый контроль…………………………………………………..….14
3.6. Список литературы……………………………………………………15
7
3.1. Пояснительная записка
Цель курса: - сформировать у студентов систему знаний и умений по
теоретическим основам строение вещества.
Задачи курса: - установление взаимосвязи между электронным
строением атомов и типом химической связи, между типом связи и типом
кристаллической решетки, между свойствами веществ и их применением.
Основная цель курса «Строение молекул и основы квантовой химии»
заключается в том, чтобы обеспечить более высокий научный уровень
изучения курса общей и неорганической химии и других химических
дисциплин. В современной средней школе вопросам строения атомов и молекул уделяется серьезное внимание. В связи с этим в данном курсе должны
быть сформированы основные понятия, теории и методы , которые
используются в науке о веществе. Специфика содержания и преподавания
данного курса обусловлена тем, что студенты не имеют достаточной
математической подготовки для
начно-исследовательских квантовохимических расчетов,, но вполне способны приобрести представления об
областях ее практического использования и изучить основы квантовой
химии.
Содержание курса «Строение молекул и основы квантовой химии» для
студентов педагогических специальностей строится на базе знаний по
физике, математике и ранне изученных в вузе химических дисциплин. Курс
является обязательным и входит в цикл дисциплин предметной подготовки.
На освоение данной программы отводится 36 часов аудиторных и 36
часов самостоятельной работы, из них на лекции 18 часов и 18 часов на
лабораторные занятия.
8
3.2.Тематический план дисциплины
Строение молекул и основы квантовой химии
Самостоятельн
ая работа
студентов
Трудоемкость
(всего часов)
7 семестр
36
18
18
36
72
8
4
4
8
16
8
4
4
8
16
4
2
2
4
8
8
4
4
8
16
4
2
2
4
8
4
2
2
4
8
36
36
18
18
18
18
36
36
72
72
1. Основные
2
положения квантовой
.
механики.
Одноэлектронные и многоэлектронные
атомы: атомные орбитали,
энергетические уровни, квантовые
2. числа.
3
Квантовая теория образования
.
химической
связи. Адиабатическое
приближение и понятие о
поверхностях потенциальной энергии
молекул.
Основные методы решения
электронного уравнения Шредингера
для молекулы: одноэлектронное
приближение и молекулярные
учет корреляционных
3. орбитали;
4
эффектов.
Расчетные методы
.
квантовой химии: неэмпирические и
полуэмпирические. Симметрия
молекул. Строение и свойства сопряженных молекул.
4. Координационные
5
соединения: теория
. и теория поля лигандов.
МО
Структурно нежесткие молекулы.
5. Квантовая
6
теория химических реакций.
.
Сохранение
орбитальной симметрии в
химических реакциях.
6. Теория
7
МО для твердых тел.
.
Итого за 7 семестр
Итого по дисциплине
9
Лаборатор
ные
занятия
Лекции
№
Наименование модулей, разделов, тем
(с указанием семестра)
Всего
Аудиторные занятия
3.3.Содержание учебного материала по дисциплине
Строение молекул и основы квантовой химии
(7семестр, 72 часа)
№
Тема
Содержание
1.
1.
2.
Основные
положения
квантовой механики.
Самостоятельная работа – 8
ч.
Рекомендуемая
основная
литература – 1, 3.
Дополнительная – 2, 4.
3.
Основные
положения
и
постулаты
квантовой
механики. Одноэлектронные и
многоэлектронные
атомы:
атомные
орбитали,
энергетические
уровни,
квантовые числа.
Одноэлектронные и
многоэлектронные атомы:
атомные орбитали,
энергетические уровни,
квантовые числа. Квантовая
теория образования
химической связи.
Адиабатическое
приближение и понятие о
поверхностях потенциальной
энергии молекул.
Самостоятельная работа – 8
ч.
Рекомендуемая
основная
литература – 1, 2.
Дополнительная – 1, 3.
Адиабатическое приближение
и понятие о поверхностях
потенциальной
энергии
молекул. Основные методы
решения
электронного
уравнения Шредингера для
молекулы: одноэлектронное
приближение и молекулярные
орбитали;
учет
корреляционных эффектов.
Основные методы решения
электронного уравнения
Шредингера для молекулы:
одноэлектронное
приближение и
молекулярные орбитали; учет
корреляционных эффектов.
Расчетные методы квантовой
химии: неэмпирические и
полуэмпирические.
Симметрия молекул.
Строение и свойства сопряженных молекул.
Самостоятельная работа – 4
ч.
Рекомендуемая
основная
литература – 2, 4.
Дополнительная – 1, 2.
Характеристика
МО.
Молекулярные
термы.
Симметрия молекул. Строение
и свойства π-сопряженных
молекул.
Структурно
нежесткие молекулы.
Координационные
соединения: теория МО и
теория поля лигандов.
Самостоятельная работа – 8
Координационные
соединения: теория МО
теория поля лигандов.
2.
3.
4.
Кол-во
часов
Ауд.
СРС
4.
5.
4
4
6.
Решение задач по квантовой
механике
(уравнение
де
Бройля,
Гейзенберга).
Строение
электронных
оболочек атомов. Принципы
заполнения АО. Электронные
формулы
атомов.
Многоэлектронные
атомы.
Термы атомов.
Периодичность
изменения
свойств атомов.
(индивидуальное задание)
Уравнение
Шредингера,
принципы и примеры его
решения.
4
10
Оборудование
7.
ПСЭ
Д.И.
Менделеева.
Таблицы свойств
атомов или
справочники.
ПСЭ
Д.И.
Менделеева.
Таблицы свойств
атомов или
справочники.
4
Характеристика МО.
Молекулярные термы.
Строение и свойства πсопряженных молекул.
(индивидуальное задание)
2
и
4
Самостоятельная работа
студентов
2
4
Координационные
соединения: теория МО и
теория
поля
лигандов.
(индивидуальное задание)
ПСЭ
Д.И.
Менделеева
таблицы свойств
атомов или
справочники
ч.
Рекомендуемая
основная
литература – 1, 2.
Дополнительная – 2, 4.
5.
6.
Структурно нежесткие
молекулы. Квантовая теория
химических реакций.
Сохранение орбитальной
симметрии в химических
реакциях.
Самостоятельная работа – 4
ч.
Рекомендуемая
основная
литература – 2, 3.
Дополнительная – 1, 4.
Теория МО для твердых тел.
Самостоятельная работа – 4
ч.
Рекомендуемая
основная
литература – 2, 4.
Дополнительная – 2, .
Квантовая
химических
Сохранение
симметрии
в
реакциях.
теория
реакций.
орбитальной
химических
Электронная плотность.
Порядок связи. Реакционная
способность молекул.
(индивидуальное задание)
2
2
Теория МО для твердых тел.
Теория МО для твердых тел
(индивидуальное задание)
2
11
2
3.4.Требования к знаниям и умениям (компетенциям) студентов
Компетенции: знать теоретические основы дисциплины в объеме,
необходимом для решения типовых расчетных задач, уметь решать
типовые задачи изучаемой дисциплины.
Связь с другими дисциплинами: все дисциплины химического цикла.
12
3.5.Формы контроля (7 семестр)
а) текущий контроль
Текущий контроль знаний студентов проводится в виде устного опроса на
занятиях
ОБРАЗЦЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
Контрольная работа «Основные положения квантовой механики»
Вариант 1
1. Квантовая теория света. Уравнения Планка-Эйнштейна.
2. Дуализм свойств микрочастиц. Уравнение де Бройля.
3. Рассчитать длину волны де Бройля и окружность первой боровской
орбиты (радиус равен 0.0529 нм) для электрона, движущегося со
скоростью 2.185 106 м с.
Вариант 2
1. Соотношение неопределённостей Гейзенберга.
2. Уравнение Шредингера. Волновая функция и его физический
смысл.
3. Рассчитать неопределённость координаты электрона, движущегося
со скоростью 2.185 106 м с и сравнить с размером атома водорода
по Бору.
Контрольная работа «Электронное строение атома»
Вариант 1
1. Квантовые числа, их физический смысл.
2. Периодичность изменения свойств атомов.
3. Изобразите примерный график радиального распределения волновой
функции для электронов 6р-подуровня.
Вариант 2
1. Принципы заполнения атомных орбиталей.
2. Термы атомов.
3. Запишите возможные значения квантовых чисел для электронов
внешнего электронного уровня в атоме радона
Контрольная работа «Химическая связь»
13
Вариант 1
1. Молекулярные термы молекулы кислорода.
2. Энергетическая диаграмма молекулы СО.
3. Объяснить образование связи в ионе гексааквамарганца /II/,
учитывая с позиций МВС, что комплекс содержит пять неспаренных
электронов и имеет октаэдрическое строение.
Вариант 2
1. Молекулярные термы молекулы углерода.
2. Энергетическая диаграмма молекулы аммиака.
3. Объяснить образование связи в комплексе тетрахлоро /II/ манганат
калия, (содержит 5 н спаренных электронов).
б) Итоговый контроль
В качестве итогового контроля по дисциплине «Строение молекул и
основы квантовой химии» предусмотрен зачёт в конце 7 семестра. К зачёту
допускаются студенты, прошедшие курс обучения и успешно отчитавшиеся
по промежуточному контролю.
Вопросы к зачету (7 семестр)
1. Атом как сложная микросистема.
2. Корпускулярно-волновой дуализм излучения и частиц.
3. Принцип неопределенности Гейзенберга.
4. Классическая и квантовая механика и соотношение между ними.
5. Электронное облако. Атомные орбитали. Энергетические уровни.
6. Уравнение Шредингера: волновая функция и ее физический смысл.
7. Уравнение Шредингера, принципы и примеры его решения.
8. Квантовые числа, их физический смысл.
9. Принципы заполнения атомных орбиталей.
10.Квантовая теория образования химической связи.
11.Основные методы решения электронного уравнения Шредингера
для молекулы.
12.Метод валентных связей.
13.Описание химической связи методом валентных связей.
14.Метод молекулярных орбиталей.
15.Сравнение методов ВС и МО.
16.Координационные соединения: теория ВС.
17.Координационные соединения: теория .МО.
18.Координационные соединения: теория кристаллического поля
19.Координационные соединения: теория поля лигандов
20.Квантовая теория химических процессов. Сохранение орбитальной
симметрии в химических реакциях.
14
3.6 Список литературы
Основная литература:
1.Глинка, Н.Л. Общая химия: учебное пособие / Н.Л. Глинка. — М:
КНОРУС, 2009. — 752 c.
2.Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов.— М.:
Высшая школа. – 2006.
Дополнительная литература:
1.Зисман, Г.А. Курс общей физики. Т. 3, Оптика. Физика атомов и
молекул. Физика атомного ядра и микрочастиц: учебное пособие для вузов: в
3-х т. / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. — Изд. 6-е, стер. — СПб: Лань, 2007. — 499
c.
2.Шамина, Н.К. Введение в теоретическую электрохимию: Учебное
пособие / Н.К. Шамина, Н.В. Максина. – Уссурийск, Издательство УГПИ,
2007. – 104 с.
Электронные информационные образовательные ресурсы:
1.Новиков, А.Ф. Строение вещества (Электронные оболочки атомов.
Химическая связь. Конденсированное состояние вещества). Учебное пособие
А.Ф. Новиков. - СПб.: СПбНИУ ИТМО, 2013. - 92 с. [Электронный ресурс]
(медиатека научной библиотеки ДВФУ). // ЭБС window.edu.ru НИЦ
«ИНФРА-М»  Режим доступа: http://window.edu.ru
2.Луканина, Т.Л. Химический минимум. Классы неорганических
соединений. Строение вещества. Растворы. (для самостоятельной работы
студентов): Учебное пособие / Т.Л. Луканина, Т.Т. Овчинникова. - СПб.:
СПбГТУРП, 2010. - 126 с. [Электронный ресурс] (медиатека научной
библиотеки ДВФУ). // ЭБС window.edu.ru НИЦ «ИНФРА-М»  Режим
доступа: http://window.edu.ru
15
4. Учебно-методический комплекс дисциплин
Методические указания для преподавателей и студентов.
1. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов.— М.:
Высшая школа. – 2006.
2. Коровин, Н.В. Общая химия : учеб. для студ. вузов, обуч. по
техническим направл. и спец. / Н.В. Коровин. - 5-е изд., стер.. - М.: Высшая
школа, 2009.
Карта обеспеченности литературой
Сведения об обеспеченности образовательного процесса учебной
литературой или иными информационными ресурсами
Образовательная программа ОП-05.01
Карта обеспеченности литературой
Кол-во
Наименование экземпляров Автор, название, место издания,
дисциплин,
в
издательство, год издания
входящих в
библиотеке
учебной литературы, вид и
образовательную
ДВФУ
характеристика иных
программу
(филиал в г.
информационных ресурсов
Уссурийск)
1
2
3
Химия
Основная литература:
9
Коровин, Н.В. Общая химия : учеб.
для
студ.
вузов,
обуч.
по
техническим направл. и спец. / Н.В.
Коровин. - 5-е изд., стер.. - М.:
Высшая школа, 2009.
12
Тамм, М.Е. Неорганическая химия:
В 3 т./ Под ред. Ю.Д. Третьякова. Т
1:
Физико-химические
основы
неорганической химии: Учебник
для студ. высш. учеб. Заведений /
М.Е. Тамм, Ю.Д. Третьяков;- М.:
Издательский центр «Академия»,
2004.
Дополнительная литература:
16
46
4
Ахметов,
Н.С.
Общая
и
неорганическая химия / Н.С.
Ахметов.— М.: Высшая школа. –
2006.
Шамина, Н.К. Введение в
теоретическую электрохимию:
Учебное пособие / Н.К. Шамина,
Н.В. Максина. – Уссурийск,
Издательство УГПИ, 2007. – 104 с.
17