Приложение 4
Департамент образования города Москвы
Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования города Москвы
«Московский городской педагогический университет»
Институт математики, информатики и естественных наук
Кафедра химии
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Учебной дисциплины
Строение молекул и основы квантовой химии
Для направления подготовки 020100.62 ХИМИЯ
Профиля «ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ»
Квалификация (степень) выпускника бакалавр
Форма обучения очная
Москва
2014
Программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 020100.62 Химия
Разработчик:
ГБОУ ВПО МГПУ, ИМИЕН, доцент М.Е. Миняев
Рецензент:
ГБОУ ВПО МГПУ, ИМИЕН, профессор В.М. Мапельман
Программа утверждена на заседании кафедры химии
Протокол № 1 от «26» августа 2014 г.
Зав. кафедрой: профессор В.Ю. Котов
© ГБОУ ВПО МГПУ, 2014
© Кафедра химии, 2014
-
Цели и задачи освоения дисциплины:
ЦЕЛЬ КУРСА: Целью курса является практическое усвоение основных понятий теории строения молекул, позволяющее интерпретировать результаты расчетов геометрических и спектральных характеристик многоатомных молекул, полученных при использовании современных квантово-химических программ.
ЗАДАЧИ КУРСА:
-
Сформировать у студентов представление о месте квантовой химии среди других наук, о значении и областях использования вычислительных методов теоретической химии.
-
Сформировать у студентов представления о фундаментальных понятиях молекулярной спектроскопии и строения молекул.
-
Ознакомить студентов с математическим аппаратом квантовой химии.
-
Обучить студентов практическим навыкам работы с современными квантово-химическими программами на персональном компьютере.
-
Научить студентов применять полученные теоретические знания при интерпретации расчетных электронных и спектральных характеристик многоатомных молекул.
-
Место дисциплины в структуре ОП:
Дисциплина «Строение молекул и основы квантовой химии» относится к базовой части цикла профессиональных дисциплин (Б.3.9). Данный курс тесно связан с курсом физической химии (раздел химическая кинетика), и основывается на знаниях, полученных студентами при изучении курса общей физики (раздел молекулярная физика). Знания, полученные студентами в ходе изучения курса «Строение молекул и основы квантовой химии», могут быть использованы для последующего изучения курсов: «Физико-химические методы исследования органических соединений», «Симметрия в химии и спектроскопии», «Элементоорганическая химия непереходных элементов», «Металлоорганическая химия переходных металлов», «Координационная химия». Кроме того, полученные знания могут использоваться в преподавании химии в школе в 11-ом классе в ходе изучения тем «Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и строение атома», «Химическая связь», «Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул».
Дисциплина ориентирует на профессиональную деятельность учителя химии XXI века, готового не только преподносить своим ученикам теоретические основы предмета, но и освещать его прикладные аспекты.
-
Требования к результатам освоения дисциплины:
В процессе изучения дисциплины у студента формируются следующие компетенции:
- умение работать с компьютером на уровне пользователя и способность применять навыки работы с компьютерами как в социальной сфере, так и в области познавательной и профессиональной деятельности (ОК-7);
- способность в условиях развития науки и техники к критической переоценке накопленного опыта и творческому анализу своих возможностей (ОК- 15);
- владение навыками работы на современной учебно-научной аппаратуре при проведении химических экспериментов (ПК-6).
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- теоретические основы современной квантовой химии;
- основные положения современной теории химической связи;
- взаимосвязь между электронной структурой и физико-химическими свойствами молекул;
- возможности основных современных квантово-химических расчетных методов и области их применимости.
уметь:
- грамотно решать задачи по квантовой химии и строению молекул, выбирать оптимальные пути и методы решения теоретических задач;
- обсуждать результаты исследований по квантовой химии, ориентироваться в современной литературе по квантовой химии.
- проводить базовые квантово-химические расчёты методами молекулярной механики и квантовой химии (полуэмпирические и неэмпирические методы);
- рассчитывать энтальпию реакции и различные физические параметры молекул, включая, геометрию, энтальпию образования, дипольный момент, ИК-спектр;
- применять теоретические знания при интерпретации расчетных электронных и спектральных характеристик многоатомных молекул.
владеть:
- представлениями о месте квантовой химии среди других наук, о значении и областях использования вычислительных методов теоретической химии;
- знаниями основ теории главных разделов квантовой химии и строения молекул, применением основных законов, методикой выполнения расчетов с помощью известных формул и уравнений, справочной литературой по квантовой химии;
- представлениями о фундаментальных понятиях молекулярной спектроскопии и строения молекул;
- практическими навыками работы с современными квантово-химическими программами на персональном компьютере;
- навыками осуществления профессиональной педагогической деятельности.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
|
Всего часов/
зачетных единиц
|
Семестр 7
|
|
Аудиторные занятия (всего)
|
90
|
90
|
|
В том числе:
|
|
|
Лекции
|
36
|
36
|
Практические занятия (ПЗ)
|
|
|
Семинары (С)
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
54
|
54
|
|
Самостоятельная работа (всего)
|
90
|
90
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Выполнение домашнего задания
|
30
|
30
|
Подготовка к контрольным работам
|
30
|
30
|
Оформление результатов лабораторных работ
|
30
|
30
|
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (экзамен)
|
36
|
36
|
|
Общая трудоемкость часы
зачетные единицы
|
216
|
216
|
6
|
6
|
5. Структура и содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
|
Наименование раздела дисциплины
(элемента модуля)
|
Лекции
|
Практические занятия
|
Лабораторные занятия
|
Семинары
|
СРС
|
Всего
|
1
|
Введение. Некоторые базовые понятия молекулярной физики.
|
3
|
|
0
|
|
6
|
9
|
2
|
Качественное рассмотрение спектроскопии молекул.
|
3
|
|
0
|
|
7
|
10
|
3
|
Квантовые числа. Периодическая система элементов.
|
4
|
|
0
|
|
8
|
12
|
4
|
Качественная теория МО. Порядок связи и мультиплетность.
|
4
|
|
0
|
|
5
|
9
|
5
|
Электронные и инфракрасные спектры многоатомных молекул. s-, p– и n орбитали.
|
2
|
|
8
|
|
6
|
16
|
6
|
Математический аппарат квантовой химии.
|
2
|
|
0
|
|
6
|
8
|
7
|
Радиальное уравнение Шредингера. Атом Н.
|
4
|
|
4
|
|
7
|
15
|
8
|
Приближение Борна-Оппенгеймера.
|
2
|
|
4
|
|
4
|
10
|
9
|
Метод молекулярных орбиталей МО ЛКАО. Полуэмпирические методы решения электронного уравнения Шредингера для многоатомных молекул. Неэмпирические методы решения электронного уравнения Шредингера для многоатомных молекул. Методы функционала плотности для многоатомных молекул. Расчет равновесной геометрии молекулы: программы MOPAC и Hyperchem.
|
6
|
|
32
|
|
27
|
65
|
10
|
Поверхность потенциальной энергии, её свойства и расчеты. Понятие о химической кинетике. Путь реакции. Переходное состояние.
|
4
|
|
6
|
|
9
|
19
|
11
|
Химическая связь и теория Бейдера.
|
2
|
|
0
|
|
5
|
7
|
|
Всего
|
36
|
|
54
|
|
90
|
180
|
5.2. Содержание разделов дисциплины
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины (элемента модуля)
|
Содержание раздела
|
|
1
|
Введение. Некоторые базовые понятия молекулярной физики.
|
Предмет и задачи квантовой химии. Краткая история. Микро- и макроскопические характеристики. Взаимосвязь квантовой химии со статистической физикой и термодинамикой.
|
2
|
Качественное рассмотрение спектроскопии молекул.
|
Взаимодействие электромагнитного излучения с молекулами – основной источник информации об их строении. Области электромагнитного излучения и единицы измерения, применяемые в молекулярной спектроскопии. Различные типы внутри- или межмолекулярных движений и области электромагнитного спектра.
|
3
|
Квантовые числа. Периодическая система элементов.
|
Основные характеристики спектра: длина волны (энергия перехода) и интенсивность (вероятность перехода). Спектр атома водорода: серии Лаймана, Бальмера и Пашена. Основное квантовое число. Спектр Nа: s, p, d орбитали. Правила отбора, азимутальное и магнитное квантовые числа. Теория строения атома Бора. Заряд ядра и порядковый номер элемента. Спин электрона и принцип Паули. Порядок заполнения электронных слоев и оболочек.
|
4
|
Качественная теория МО. Порядок связи и мультиплетность.
|
Интерференция атомных орбиталей, электронная делокализация и обмен. Теория молекулярных орбиталей (МО) химической связи: связывающие, антисвязывающие (разрыхляющие) и несвязывающие орбитали. Молекулы Н2 и Нe2+: порядок связи и мультиплетность. Антисимметричность волновой функции. Двухатомные гомоядерные молекулы: - и -орбитали. Порядок связи. Двухатомные гетероядерные молекулы: n-орбитали.
|
5
|
Электронные и инфракрасные спектры многоатомных молекул.
|
Электронные спектры в видимой и ближней ультрафиолетовой области электромагнитного спектра и переходы одного валентного электрона. Классификация электронных состояний: синглетные и триплетные возбужденные состояния. Спектры поглощения и люминесценции. Интерпретация и классификация электронных спектров многоатомных молекул с их связь с электронным строением молекул. Инфракрасные (ИК) спектры молекул, число колебательных степеней свободы. Нормальные координаты и нормальные колебания. Форма и симметрия нормальных колебаний. Частоты характеристических колебаний.
|
6
|
Математический аппарат квантовой химии.
|
Операторное исчисление. Линейные самосопряженные операторы. Операторы потенциальной энергии, проекции момента импульса и кинетической энергии. Собственные значения и собственные функции линейного самосопряженного оператора. Волновые функции, на которых определены линейные самосопряженные операторы и их свойства.
|
7
|
Радиальное уравнение Шредингера. Атом Н.
|
Стационарное уравнение Шредингера и функция Гамильтона. Приближения, используемые при описании движения электрона в атоме водорода. Сферическая система координат. Два типа решения радиального уравнения Шредингера для атома Н. Атомная орбиталь. Радиальные функции и радиальные функции распределения атома Н и водородоподобных атомов. Узловые поверхности.
|
8
|
Приближение Борна-Оппенгеймера.
|
Система невзаимодействующих частиц: приближение центрального поля, одноэлектронное приближение и уравнение Хартри. Метод самосогласованного поля. Сущность метода Борна-Оппенгеймера или адиабатического приближения. Электронное и ядерное уравнения Шредингера.
|
9
|
Метод молекулярных орбиталей МО ЛКАО. Методы функционала плотности, полуэмпирические, неэмпирические методы решения электронного уравнения Шредингера для многоатомных молекул.
|
Молекулы с замкнутыми электронными оболочками. Основные идеи метода молекулярных орбиталей МО ЛКАО. Гибридизация электронных орбиталей и геометрия молекул. Свойства многоэлектронной волновой функции. Детерминант Слэтера и уравнения Хартри-Фока. Методы решения электронного уравнения Шредингера: неэмпирические, полуэмпирические и методы теории функционала плотности. Равновесная геометрия молекулы.
|
10
|
Поверхность потенциальной энергии, её свойства и расчеты.
|
Понятие о химической кинетике. Механизм химической реакции. Элементарная стадия химической реакции. Константа скорости химической реакции. Уравнение Аррениуса: эффективная энергия активации реакции и предэкспоненциальный множитель. Квантово-химическая интерпретация уравнения Аррениуса: поверхность потенциальной энергии химической реакции. Путь минимальной потенциальной энергии и координата реакции, стационарные точки. Методы расчета поверхности потенциальной энергии.
|
11
|
Химическая связь и теория Бейдера.
|
Поиск, классификация, теоретический анализ и расчет межатомных и межмолекулярных взаимодействий. Квантово-топологическая теория молекулярной структуры Бейдера, основанная на анализе электронной плотности. Четыре типа критических точек. Критическая точка химической связи (3,-1). Лапласиан электронной плотности, ковалентные и нековалентные взаимодействия.
|
5.3. Компетенции обучающегося, формируемые в процессе освоения дисциплины (дисциплинарного модуля)
Наименование дисциплинарного модуля
|
Количество часов / зачетных единиц
|
Формируемые компетенции
|
Общее количество компетенций
|
Введение. Некоторые базовые понятия молекулярной физики.
|
9 / 0.250
|
ОК- 15
|
|
|
|
|
1
|
Качественное рассмотрение спектроскопии молекул.
|
10 / 0.278
|
ОК- 15
|
|
|
|
|
1
|
Квантовые числа. Периодическая система элементов.
|
12 / 0.333
|
ОК- 15
|
|
|
|
|
1
|
Качественная теория МО. Порядок связи и мультиплетность.
|
9 / 0.250
|
ОК- 15
|
|
|
|
|
1
|
Электронные и инфракрасные спектры многоатомных молекул.
|
16 / 0.444
|
ОК- 15
|
ПК-6
|
ОК-7
|
|
|
3
|
Математический аппарат квантовой химии.
|
8 / 0.222
|
ОК- 15
|
|
|
|
|
1
|
Радиальное уравнение Шредингера. Атом Н.
|
15 / 0.417
|
ОК- 15
|
ПК-6
|
ОК-7
|
|
|
3
|
Приближение Борна-Оппенгеймера.
|
10 / 0.278
|
ОК- 15
|
ПК-6
|
ОК-7
|
|
|
3
|
Метод молекулярных орбиталей МО ЛКАО. Методы функционала плотности, полуэмпирические, неэмпирические методы решения электронного уравнения Шредингера для многоатомных молекул.
|
65 / 1.806
|
ОК- 15
|
ПК-6
|
ОК-7
|
|
|
3
|
Поверхность потенциальной энергии, её свойства и расчеты.
|
19 / 0.528
|
ОК- 15
|
ПК-6
|
ОК-7
|
|
|
3
|
Химическая связь и теория Бейдера.
|
7 / 0.194
|
ОК- 15
|
|
|
|
|
1
|
6. Образовательные технологии
Вид занятия (лекционное, практическое, лабораторное)
|
Тема занятия
|
Образовательные технологии
(в том числе интерактивные)
|
Объем, ауд.
часов/в том
числе в интерактивной
форме
|
лабораторное
|
Выполнение лабораторных работ
|
Для обработки результатов расчетов и их графического представления, расширения коммуникационных возможностей обучающиеся имеют возможность работать с использованием специализированного современного программного обеспечения по квантовой химии в компьютерном классе.
|
54 / 54
|
|
лекции
|
Лекции по всем темам дисциплины.
|
Использование мультимедийных технологий для представления презентаций и демонстрации мультимедийных учебно-научных материалов
|
36 / 36
|
7. Методические рекомендации преподавателям по дисциплине (модулю) наиболее эффективными для освоения обучающимися учебной дисциплины «Строение молекул и основы квантовой химии» представляется изучение студентами научно-учебной литературы по дисциплине, предоставление им возможности заниматься научной работой, с использованием квантово-химических расчетов. Научно-исследовательская работа способствует формированию и закреплению профессиональных компетенций выпускников. Она включает обязательное участие обучающихся в научной работе кафедр в восьмом семестре, участие обучающихся в научной работе по линии научного студенческого общества на лабораторном оборудовании лаборатории физической химии и выполнение выпускной квалификационной работы по научной тематике кафедры
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (дисциплинарного модуля):
а) основная литература
-
Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. -М. : Наука, 1987, Т. 1, – 432 с.
-
Минкин, В.И. Теория строения молекул / В.И. Минкин, Б.Я. Симкин, Р.М. Миняев. Ростов-на-Дону: Феникс, 1997, – 560 с.
-
Степанов, Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия / Н.Ф. Степанов.- М. : Мир, 2001, – 519 с.
-
Сивухин, Д.В. Общий курс физики: В 5-ти тт. / Д.В. Сивухин. – Т. 5. – М. : Физматлит, 2002, – 784 c.
-
Физическая химия: В 2-х тт. / Под ред. К.С. Краснова.– 2 изд. – Т. 1. – М. : Высшая школа, 1995, – 512 с.
-
Кларк, Т. Компьютерная химия / Т. Кларк. - М. : Мир, 1990, – 383 c.
-
Бердетт, Дж. Химическая связь / Дж. Бердатт. - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2008, – 245 c.
-
Грибов, Л.А. Квантовая химия : учеб. для студентов хим. и биол. спец. Вузов / Л.А. Грибов, С.П. Муштакова. - М. : Гардарики, 1999, - 389 с.
-
Венер, М.В. Строение молекул и основы квантовой химии: учеб. Пособие / М.В. Венер. - М. : МГПУ, 2010. - 89 с.
-
Цирельсон, В. Г. Квантовая химия : молекулы, молекуляр. системы и твердые тела : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по химико-технол. направлениям и спец / В.Г. Цирельсон. - М. : БИНОМ. Лаб. знаний, 2010. - 495 с.
б) дополнительная литература
-
Пентин, Ю.А. Основы молекулярной спектроскопии / Ю.А. Пентин, Г.М. Курамшина. - М. : Мир, 2008. – 398 с.
-
Бейдер, Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория / Р.Бейдер. - М. : Мир, 2001. – 532 c.
-
Цирельсон, В.Г. Квантовая химия молекул. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева / В.Г. Цирельсон, М.Ф. Бобров. 2000. – 83 с.
-
Эммануэль, Н.М. Курс химической кинетики / Н.М. Эммануэль, Д.Г. Кнорре. – М. : Высшая школа, 1984. – 463 с.
-
Нурмухаметов, Р.Н., Поглощение и люминесценция ароматических соединений / Р.Н. Нурмухаметов. – М. : Наука, 1971. – 216 c.
-
McQuarrie, D.A. Quantum Chemistry / D.A. McQuarrie. – Sausalito, CA: University Science Books, 1983. – 517 p.
-
Минкин, В.И. Квантовая химия органических соединений / В.И. Минкин, Б.Я. Симкин, Р.М. Миняев. – М. : Химия, 1986, – 248 с.
-
Даниэльс, Ф. Физическая химия / Ф. Даниэльс, Р. Олберти, - М. : Мир, 1978, – 645 с.
-
Эткинс, П. Физическая химия / П.Эткинс. - М. : Мир, 1980, Т. 1-2.
-
Попков И.И. Молекулы элементов. Краткое описание / И.И. Попков. - Смоленск : Смолен. гор. типография, 2010. – 237 с.
в) перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса и программное обеспечение
Компьютерный класс и современные квантово-химические программные пакеты для проведения лабораторных работ; мультимедийное оборудование для проведения презентаций на лекциях по дисциплине; доступ к электронным ресурсам: книгам, методическим пособиям, презентациям и т.д.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://quant.distant.ru/konspekt_atom.htm
http://quant.distant.ru/files/pdf/MOL_razd.pdf
http://quant.distant.ru/files/pdf/chbond.pdf
http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/kovba-pupyshev/welcome.html
http://openmopac.net/
http://www.orbitals.com/orb/ov.htm
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Книги и методические пособия по курсу, мультимедийное оборудование для демонстрации презентаций по темам дисциплины, компьютерный класс и необходимое программное обеспечение для проведения лабораторных работ.
|