一、课程名称：结构化学
二、课程代码：CHEM30250
三、学时和学分：48学时，3学分
四、适用专业：化学系、应用化学系
五、先修课程：高等数学、大学物理、无机化学、有机化学、分析化学和物理化学
六、使用教材：周公度、段连运：《结构化学基础》（第4版），北京大学出版社，2010年
七、参考书目
[1] 夏少武：《简明结构化学教程》，化学工业出版社，2001年
[2] 江元生：《结构化学》，高等教育出版社，1997年
[3] 徐光宪、王祥云：《物质结构》，高等教育出版社，1987年，第二版。
[4] 周公度：《结构和物性》，高等教育出版社，2000年
[5] 潘道皑、赵成大和郑载兴：〈物质结构〉，高等教育出版社，1989年，第二版．
八、课程描述
结构化学是研究原子、分子和晶体结构，以及结构与性能关系的一门基础科学，是在物理化学解决反应方向、限度和速率问题的基础上，解决反应本质问题的科学，是培养21世纪化学、化工、生命科学高素质专门人才知识结构和能力的重要组成部分。本课程旨在培养学生树立“结构化学”的观点，通过本课程的学习，培养学生从物质结构与性质（性能）之间相互关系的规律出发，分析和解决问题。了解结构化学研究和解决问题的方法，并掌握结构化学的基础理论和基本知识，从而为以后的学习和工作打下必要的结构基础。
九、教学目标
1. 课程教学目标
《结构化学》是材料化学专业和应用化学专业本科生的主干基础课，在微观层次上介绍分子以及分子中原子核和电子的运动规律，探索物质的微观结构，从理论上阐明化学键和分子间相互作用的本质。通过结构化学课程的学习，使学生掌握结构化学的基本概念、基本理论，领会一些化学现象的理论本质。在整个教学过程中使学生学会用结构化学的理论和方法去分析一些简单的分子结构和性质的问题，培养学生从微观角度分析化学反应和物质结构与性质的关系的能力，同时加强学生抽象思维能力和创新能力以及运用结构化学理论去分析、解决生产、生活中实际问题的能力。为学生进一步获取化学知识，学好以后的各门专业课奠定理论基础，并为培养新时期的化学化工方面的人才打下坚实的化学理论基础。
2. 教学环节对人才培养目标的贡献
① 授课环节：精讲物质几何结构-电子结构-性能之间的关系，将学生的化学知识由表面的现象提升到基本原理层次，培养学生利用基本的理论知识分析化学问题和解决化学问题的能力，具有科学研究、技术开发和技术革新的初步能力。
② 课堂讨论交流环节：训练独立分析问题、解决问题、探索精神和创新能力，还培养学生的良好的表达能力和沟通交流能力。
③ 课程大作业：课程主要目的是训练学生自主利用化学基本原理解决化学问题的能力，学习解决问题的过程和方法。
④ 课后答疑环节：培养学生的交流能力和灵活运用化学基本原理的能力
⑤ 考试环节：起到督促学生综合复习，接受检验。培养学生踏实做事，经得起检验和良好的心理素质。
3. 知识贡献和学时安排
章节名称 |
知识贡献（教学内容） |
教学要求 |
学时 |
第一章 量子力学基础 |
微观粒子的波粒二象性及其特点；测不准关系及其应用；量子力学基本假设（波函数与几率，力学量与算符，薛定谔方程，态叠加原理，电子自旋）；波函数的合格条件；量子力学处理问题的一般步骤；一维势箱中粒子的运动状态的描述及其具体的处理方法。 重点：量子力学的基本假设，氢原子的薛定谔方程及求解要点。 难点：氢原子的薛定谔方程求解要点。 |
了解黑体辐射问题，光电效应和玻尔的原子结构结构理论，以及量子理论的产生。理解量子化、测不准关系等概念的物理意义，理解微观粒子的波粒二象性和物质波统 计解释的物理意义。理解量子力学的五个基本假设，并学会如何用量子力学的基本概念和原理去研究和理解微观粒子运动状态。通过一维势阱的处理，理解利用量子 力学来研究微观系统的方法和自由粒子的基本特征。 |
6 |
第二章 原子结构和性质 |
类氢粒子体系的薛定谔方程及其简单求解（坐标变换，分离变量，F方程求解），波函数有关图形；角动量及量子数的物理含义；多电子原子结构；屏蔽效应与钻穿效应，基态原子核外电子排布规律，原子光谱项。 重点：原子结构的认识，原子轨道的意义、性质和空间图象，波函数和电子云的图形和原子光谱项。 难点：多电子原子中心力场近似法及He原子的变分法处理。 |
理解BO近似，单电子原子的Schrödinger方程，以及如何用量子力学研究原子结构。了解极坐标变换，变量分离法以Schrödinger方程的求解过程。理解量子力学的原子轨道和量子数的含义，单电子原子体系的状态是由一组量子数确定的。掌握单电子原子的运动状态的力学量与量子数间的关系，并了解维里定理。理解原子轨道和电子云的径向分布和角度分布的特征。了解多电子原子运动状态的Schrödinger方程，理解单电子波函数近似和中心力场模型，理解原子轨道能与量子数的关系，掌握如何近似求解简单的多电子原子的轨道能和体系能量的估算方法。掌握泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则，会依序排布原子核外电子，理解原子的电子层结构。了解元素性质的周期性变化及化学元素周期表，理解元素的周期性质与能级组的关系，理解元素的一些基本性质如原子轨道、电离能、电子亲和势、电负性等，以及其周期性规律。 |
8 |
第三章 双原子分子结构 |
氢分子离子的薛定谔方程及其线性变分法处理；共价键的本质；分子轨道理论基本要求；分子轨道的类型、符号和能级顺序；双原子分子的结构和性质，价键理论基本要点以及对简单分子的应用；转动光谱、震动光谱。Raman光谱和分子电子光谱；光电子能谱。 重点：分子轨道理论、价键理论，分子光谱，线性变分法处理H2+ 和H2，共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。 难点：线性变分法处理H2+ 和H2，分子轨道理论。 |
了解化学键理论的发展，化学键的各种类型和分子间相互作用。理解如何用用量子力学研究分子的结构，理解变分法的基本原理和步骤，了解H2+的Schrödinger方程求解的基本过程。理解库仑积分、交换积分、重叠积分的含义，理解体系能量与核间距之间的关系，进一步理解共价键的本质。理解化学键的分子轨道理论，掌握分子轨道的书写，掌握如何运用分子轨道理论分析双原子分子分子的结构与性质。了解H2的量子力学处理步骤，理解化学键的价键理论，掌握如何运用价键理论分析双原子分子的结构与性质。了解分子的自旋波函数和完全波函数。 |
8 |
第四章 分子的对称性 |
对称操作和对称元素；对称操作群与对称元素的组合；分子的点群；分子的偶极矩和极化率；分子的对称性和旋光性；*群的表示（不作要求）。 重点：对称操作与对称元素组合，分子点群，分子对称性、偶极矩和极化率 难点：分子的点群和群的表示。 |
了解分子的对称性、对称元素和对称操作，以及分子点群的概念。学会判断简单分子的所属点群及其对称元素。了解分子点群与分子性质的关系。 |
6 |
第五章 多原子分子的结构 |
价电子对互斥理论（VSEPR）；杂化轨道理论和离域分子轨道理论 ；HMO法；离域键和共扼效应；分子轨道对称性和反应机理；缺电子多中心键和硼烷的结构（自学）；非金属元素的结构特征（自学）和共价键的键长和键能（自学）。 重点：价电子对互斥理论（VSEPR）， 杂化轨道理论和离域分子轨道理论，HMO方法及其在共轭分子中的应用，前线轨道理论，范德华引力等分子间作用力的本质。 难点：HMO方法及其在共轭分子中的应用，前线轨道理论。 |
理解杂化轨道的涵义和杂化轨道的基本原则和特点，理解等性杂化和不等性杂化的含义，了解一些常见的杂化类型，掌握一些简单杂化轨道的计算，掌握利用多原子分 子中原子的杂化轨道类型判断分子的几何构型。了解多原子分子的离域分子轨道和定域分子轨道模型。了解缺电子分子及其结构。了解Koopmans定理，理解影响分子键长和键角的因素，理解价电子对互斥理论。 |
8 |
第六章 配合物的化学键理论 |
配合物的价键理论；晶体场理论（中心离子d轨道的分裂，配合物的紫外可见光谱；中心离子轨道的排布；晶体场稳定化能；姜-泰勒效应）；金属多重键和过渡金属簇合物的结构；过渡金属簇合物的结构，18电子规则及金属-金属键的个数；物质的磁性。 重点：配位场理论。 难度：姜-泰勒效应、金属骨架的判断和物质的磁性 |
理解配合物价键理论，掌握晶体场理论，能够判断在不同晶体场中d轨道的分裂情况和d电子的排布情况，并学会计算晶体场稳定能的方法，掌握18电子规则和计算金属-金属键的个数，判断簇合物的骨架。 |
6 |
第七章 晶体结构 |
晶体结构的周期性和点阵；晶体的对称性；空间点阵与晶体；晶胞中的微粒；晶棱和晶面指标；晶体的宏观对称性；晶体学点群；晶体的X射线衍射原理，晶体的微观对称性；实际晶体的缺陷。 |
了解直线、平面和空间点阵结构，晶体中微粒的分数坐标，晶体的宏观对称操作，三大晶族，七大品系，32个点群，230个空间群。掌握布拉格方程应用。 |
4 |
第八章 金属的结构和性质 |
金属的性质和金属键；球的密堆积和金属单质的结构；合金的结构和性质。 |
掌握固体能带理论和3种典型的密堆积形式。 |
2 |
第九章 离子化合物的结构化学 |
典型离子化合物的结构；离子键和点阵能；离子半径；离子配位多面体及其连接方式；硅酸盐的结构化学。 |
本章是了解内容 |
0 |
第十章 非金属元素的结构化学 |
氢键；非氢键型次级键；范德华力和范德华半径；分子的形状和大小；超分子结构化学。 |
本章是了解内容 |
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4. 素质贡献：
4.1 化学思维方法的进一步养成和化学直觉的培育
化学学科中的概念是反映现象和过程的本质属性的思维方式，是科学事实的抽象。正确概念的形成，靠的是正确的思维方法，也就是辩证思维的方法。概念教学，首先是要引导学生认识要引入概念的必要性，然后是创设思维情境及有关感性材料进行分析、抽象、概括从而正确地形成概念。然而，概念有时也是发展着的，需要不断深化，因此，概念的深化发展也可以促进学生的思维方法、思维品质得到提高。在结构化学的教学中，从理论角度讲解结构和性质的关系，重视对学生思维方法的培养，这对学生整体思维素质的提高起着积极的作用。常见的思维方法有理想化方法、类比方法、分析方法和综合方法、抽象和概括、演绎方法、数学物理方法等等。在教学中，应该着重培养如下几种思维方法。
① 理想化的思维方法:人们为了科学研究，通常需要建立一种理想化的模型，抛开具体事物中的无关因素和次要因素，抓住影响事物的主要因素，从而使科学问题得到简化。理想化的方法是科学家们常用的一种思维方法。教学中我们应充分利用好教材，向学生渗透这种思维方法，从而使学生逐步认识科学家们为简化实际问题所采用的这种思维方法。用与研究对象有差别的、便于处理的简化形式，代替研究对象进行研究的方法。
② 类比思维方法:“类比思维”方法是解决陌生问题的一种常用策略，从而创造性地解决问题。类比思维是化学学习中的基本方法之一。类比思维包括两方面的含义：（a）联想，即由新信息引起的对已有知识的回忆；（b）类比，在新、旧信息间找相似和相异的地方，即异中求同或同中求异。通过类比思维，在类比中联想，从而升华思维，既有模仿又有创新。许多科学规律的建立，都采用了类比的思维方法。因此，在结构化学课程教学中，我们也应重视对学生进行类比思维方法的训练，使学生逐步领会这一思维方法。
③ 分析与综合的思维方法:任何事物和现象，都是由许多要素，许多属性组成的统一体。分析就是以事物的整体与部分为客观基础，为了从总体上把握事物的性质以及运动规律，就必须了解其各个组成部份和要素的性质、特点和相互联系。客观事物的整体与部分的这种关系，使得运用分析解决化学问题不仅成为可能，而且成为现实。综合是把事物各个部分、侧面和综合的基础，分析以综合为前提。分析与综合所关心和强调的面不同，但都是重要的思维方法。掌握分析与综合的方法，训练分析与综合的思维方法，提高分析与综合的能力，是结构化学科学方法教育的最主要内容。因此，教师应充分重视对学生进行分析与综合思维方法的训练。
④ 抽象与概括: 抽象是在人脑中把事物的本质属性抽出来的过程。概括是在人脑中把抽象出来的事物的本质属性加以综合，推广到同类事物的过程。抽象与概括也是形成概念与规律的常用思维方法。即从思想中把某些具有一些相同属性的事物中抽取出来的本质属性，推广到具有这些属性的一切事物，从而形成关于这类事物的普遍概念。没有抽象就不能进行概括。在进行抽象和概括时，要注意舍弃次要的、非本质的属性，把主要的、本质的属性抽取出来，再通过概括代表同类事物的全体。
4.2 辩证唯物主义哲学思想的培养
哲学是关于自然界、社会和人类思维共同的、普遍的规律和原则,是自然科学和社会科学的概括和总结,是系统化、理论化的世界观，同时又是观察、分析、解决各种问题的方法! 结构化学是化学学科中的一大分支,它的基本概念、理论及其内在机理等,蕴含着丰富的辩证唯物主义思想,因此,在结构化学教学过程中,在传授科学知识的同时,加强对大学生哲学思想的培养,不仅有助于他们学习和掌握所学的知识,而且有助于他们树立正确的世界观和方法论。
综上所述，结构化学是一门蕴涵着丰富的马克思主义哲学原理的学科。辩证唯物主义作为方法论对结构化学教学具有重要的指导作用! 应用辩证唯物主义原理于结构化学教学，把蕴含于各种化学现象之中的辩证关系阐述清楚，引导学生灵活地学习运用化学知识最终达到化学知识传授、各种能力培养、思想教育效果的统一。这值得每位化学教师去探索和实践!
十、教学方法
（1）精讲:突出核心基础思想、概念，讲细、讲透；
（2）对课程内容做了精简，减少简单介绍性部分，部分采用学生自学的方式；
（3）增加背景与前沿，使学生进一步体会结构原理的重要性与应用前景；
（4）为解决电子结构难懂，空间结构难学的难题，采用多媒体技术制作了高水平的电子课件，针对性地采用计算化学软件制作了大量函数图和动画，描述原子、分子轨道性质以及分子轨道形成的动态过程，在课件中嵌入晶体、分子结构演示软件，并设计制作了大量分子、晶体3D结构数据、图片和动画，激发学生的学习积极性，成功解决了理论课程课堂教学的难点；
（5）习题课和小论文相结合。
十一、考核及成绩评定方式
考试成绩由3部分组成：
（1）期末考试为闭卷考试，成绩占70%；
（2）平时作业占20%；
（3）检测和讨论占10%。
大纲制定人：陈效华
大纲审定人：法焕宝
制定时间：2014-03
