Волгоградский государственный университет Кафедра биоинженерии и биоинформатики Программа учебной дисциплины Квантовая химия и строение молекул Для обучающихся по основной образовательной программе подготовки бакалавров: 020501 Биоинженерия и биоинформатика. Количество зачетных единиц 5 Автор(ы): Лябин М.П., к.х.н., доцент кафедры биоинженерии и биоинформатики Волгоград 2014 РАЗДЕЛ 1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 1.1 Цели и задачи дисциплины: Основная цель изучения курса строения молекул и основ квантовой химии - обобщение полученных знаний по химическим наукам, подготовка студентов к работе, организации и проведению факультативов в школе по теоретическим проблемам химии. Дисциплина «Квантовая химия и строение молекул» относится к математическому и естественнонаучному циклу подготовки и входит перечень дисциплин изучемых по выбору учащихся. Глубокие знания основ строения молекул необходимы студентам для преподавания школьного курса химии на достаточно высоком научном уровне. Известно, что современная химическая наука уделяет большое внимание исследованию строения молекул и описанию природы связи в них. При этом наряду с интенсивно развивающимися экспериментальными методами, использующими новейшие достижения физики, все более активно привлекаются теоретические подходы. В язык современной химии прочно вошли такие понятия, как атомная орбиталь, молекулярная орбиталь, электронная плотность, зарядовое распределение, резонансные структуры, сопряжение и многие другие. Задачей данного курса является рассмотрение теоретических вопросов химии на уровне школьного материала, который доступен школьникам профильного обучения. Кроме того, в практической деятельности большое значение имеет бионеорганическая химия, теоретические аспекты которой основываются на использовании представлений квантовой химии применительно к биологическим объектам и их моделям. 1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины: В курсе строения молекул и основ квантовой химии будущий учитель должен получить и закрепить следующие основные навыки и умения: - владение основными принципами построения химических соединений; - умение составить электронную формулу любого атома; - понимать природу взаимодействия молекул в процессе химических реакций. 1.3 Учебные задачи дисциплины (в результате изучения дисциплины студент должен овладеть компетенциями): - способностью к осуществлению просветительной и воспитательной деятельности в сфере публичной и частной жизни, владеть методами пропаганды научных достижений (ОК -3); - способностью проводить экспериментальные работы с клетками и культурами клеток и владеть методами исследования и анализа живых систем, а также математическими методами обработки результатов биологических исследований (ПК-16). 1.4 Формы работы студентов: лекции, лабораторные занятия, написание рефератов, выполнение домашних заданий и контрольные работы. 1.5 Виды контроля: для контроля знаний студентов проводятся: модульные контрольные, проверка домашних заданий, ответы на лабораторных занятиях, проверка протоколов практикума, рефераты. 1.6 Методика формирования результативной оценки. Итоговая оценка складывается как средняя по результатам всех оцениваемых работ на протяжении семестра, куда входят посещение лекций и семинаров, ответы и дополнения на семинарах, контрольные работы (контрольные срезы по итогам месяца). Максимальная сумма баллов за дисциплину - 100. Итоговая оценка определяется суммой баллов, набранных в течение семестра: 1-59 –не зачтено; 60-100 - зачтено. Дисциплина 2/2 (раз в неделю лекция и раз в неделю лабораторное занятие). РАЗДЕЛ 2. СТРУКТУРА ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Всего часов (общая трудоемкость в часах) 180 В.ч. Аудиторных занятий 68 Из них лекций 34 Семинарских/практических занятий 0 Лабораторных занятий 34 Практикумов 0 Самостоятельных занятий 112 Изучение основной и дополнительной литературы 25 Написание курсовых работ, эссе, рефератов 24 Выполнение письменных домашних заданий, расчетов, проектов 19 Выполнение контрольных работ, тестов 18 Подготовка к экзамену, экзамен 26 РАЗДЕЛ 3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Тема 1. Экспериментальные доказательства сложности строения атома 2. Волновые свойства электрона. Содержание (перечень дидактических единиц) Вид занятий Форма занятий (аудиторные, самостоятельные) (лекции, семинары, практические занятия), (изучение основной и дополнительной литературы, электронных библиотечных ресурсов, выполнение письменных домашних работ, учебнотренировочное тестирование и т.д.) лекции . Атомные спектры. Виды спектров. аудиторные лаб. занятия Факты, подтверждающие наличие дискретных уровней энергии электронов. История развития представлений о строении атома. самостоятельные изучение основной и Квантовая модель атома Н. Бора. дополнительной Теория строения многоэлектронных литературы атомов Зоммерфельда. Двойственная природа света. Закон взаимосвязи массы и энергии. Волны де Бройля. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц. Дуализм электрона. Принцип неопределенности Гейзенберга. Расчет минимальной энергии аудиторные самостоятельные Количество часов Форма контроля (опрос, проверка домашних заданий, защита проектов, контрольное тестирование и т.д.) 4 4 опрос 12 лекции лаб. занятия 4 4 выполнение письменных домашних работ учебно- 10 опрос проверка домашних заданий электрона. Сравнение с теорией Н. Бора. Уравнение Шредингера. Физический смысл волновой функции. Требования, предъявляемые к волновой функции. 3. Частные случаи Решение уравнения Шредингера для решения уравнения одномерного потенциального ящика. Шредингера. Расчет вероятности нахождения частицы и ее энергии. Трехмерный потенциальный ящик. Квантовые числа. Вырожденные уровни энергии. Вращательный момент импульса. Одномерный ротатор. 4. Периодический закон и Современная формулировка Периодическая система периодического закона. элементов Д. И. Периодические изменения радиуса Менделеева. атома, энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности. Объяснение периодического закона с точки зрения строения атома. s, p, d, fэлементы. Научное значение периодического закона. Открытия новых элементов. Устойчивость элементов. История развития представлений о химической связи и валентности: гравитационная, электрохимическая, электровалентная, ковалентная. Основные характеристики тренировочное тестирование аудиторные самостоятельные аудиторные самостоятельные лекции лаб. занятия 2 2 выполнение письменных домашних работ 10 лекции лаб. занятия 3 3 изучение основной и дополнительной литературы 10 опрос проверка домашних заданий контрольное тестирование опрос 5. Основные типы химической связи 6. Метод молекулярных орбиталей химической связи: длина, направленность, прочность. Валентные углы. Расчет средней энергии связи. Физические методы определения структуры молекул: электронография, рентгеноструктурный анализ, радиоспектроскопия. . Ионная и ковалентная связь. Энергия ионной связи, энергия кристаллической решетки. Поляризация и поляризуемость ионов. Квантово-химическое объяснение ковалентной связи. Метод валентных связей. Решение уравнения Шредингера с использованием приближенных функций. Метод линейной комбинации атомных орбиталей. Выражение для волновых функций простейших молекул. Условия комбинирования АО с образованием МО. Связывающие, несвязывающие и разрыхляющие МО. Энергия МО. Порядок расположения МО по энергии. Электронные формулы и энергетические диаграммы гомонуклеарных и гетеронуклеарных молекул элементов первого и второго аудиторные самостоятельные аудиторные самостоятельные лекции лаб. занятия 3 2 выполнение письменных домашних работ учебнотренировочное тестирование лекции лаб. занятия 10 выполнение письменных домашних работ учебнотренировочное тестирование 10 3 3 опрос проверка домашних заданий опрос проверка домашних заданий контрольное тестирование 7. Химическая связь в комплексных соединениях. 8. Строение вещества в конденсированном состоянии. периодов. Диамагнетизм, парамагнетизм, порядок связи. Сравнение методов валентных связей и МО. Комплексные соединения. Координационная теория Вернера. Роль комплексов в биологии. Классификация комплексных соединений. Объяснение химической связи в комплексах на основании электростатических представлений. Квантово-химические методы трактовки химической связи в комплексных соединениях: метод валентных связей, теория кристаллического поля, молекулярные орбитали в комплексных соединениях, теория поля лигандов. Агрегатное состояние. Межмолекулярные взаимодействия: водородная связь, силы Ва-дерВаальса. Особенности кристаллического состояния. Типы кристаллических решеток: атомные, молекулярные, ионные, металлические. Металлы и полупроводники. Собственная и примесная проводимость. Растворы аудиторные самостоятельные аудиторные самостоятельные лекции лаб. занятия 2 2 изучение основной и дополнительной литературы 10 лекции лаб. занятия 2 2 выполнение письменных домашних работ учебнотренировочное тестирование 10 опрос опрос проверка домашних заданий электролитов: сольватация, гидратация, теплота гидратации, кристаллогидраты.функции. Требования, предъявляемые к волновой функции. 9. Общая Классификация катионов на fудиторные характеристика ионов и основании их электростатистических молекул, и ковалентных характеристик. взаимодействующих с самостоятельные биолигандами. аудиторные 10. Физические методы изучения строения координационных соединений биометаллов с биолигандами Рентгеноструктурный анализ, рентгеноэлектронная и фотоэлектронная спектроскопия, колебательная спектроскопия, абсорбционная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс, эффект Мёссбауэра. 11. Биологические функции биометаллов. aудиторные Металлоферменты, катализирующие гидролитические процессы. Металлоферменты, самостоятельные катализирующие окислительновосстановительные реакции. Металлополинуклеотиды. самостоятельные лекции лаб. занятия 2 2 выполнение письменных домашних работ учебнотренировочное тестирование 10 лекции лаб. занятия 2 2 выполнение письменных домашних работ учебнотренировочное тестирование лекции лаб. занятия 10 выполнение письменных домашних работ 10 2 2 опрос проверка домашних заданий контрольное тестирование опрос проверка домашних заданий опрос проверка домашних заданий контрольное тестирование Прикладные аспекты бионеорганической химии. гомонуклеарных и гетеронуклеарных молекул элементов первого и второго периодов. Диамагнетизм, парамагнетизм, порядок связи. Сравнение методов валентных связей и МО. учебнотренировочное тестирование РАЗДЕЛ 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ПРЕДМЕТУ 1. Энергетический спектр простейших систем: частицы в прямоугольном потенциальном ящике, гармонического осциллятора и жесткого ротатора. 2. Классификация молекулярных орбиталей по симметрии. s- и pорбитали. p-электронное приближение. 3. Локализованные молекулярные орбитали. Гибридные орбитали и гибридизация. 4. Теория кристаллического поля. Расщепление d- и f-уровней в полях различной симметрии. 5. Химическая связь в комплексных соединениях на основании локализованных орбиталей. 6. Атом водорода с точки зрения теории Бора. 7. Основные характеристики химической связи. 8. Методы исследования структурных свойств молекул и кристаллических соединений. 9. Поясните, что собой представляют конформации молекул и приведите примеры молекул с конформационной изомерией. 10. Каковы основные составляющие и основные типы межмолекулярных взаимодействий? 11. Каковы основные типы кристаллических решеток? Каковы основные типы дефектов в реальных кристаллах? 12. Сформулируйте правила Гиллеспи-Найхольма. Для частиц BF3, NH3, IF3, NH4+, SeO2, ClO2−изобразите структурные формулы, определите число связывающих и неподеленных электронных пар, стерическое число и геометрию частиц. 13. Структуры внешнего и предвнешнего электронных слоев атомов элементов следующие: 3s23p63d54s1; 4s24p64d55s1; 5s25p65d46s2. Назовите эти элементы. 14. Составьте уравнение ядерной реакции: 1632S + 12D 01n + … 15. Укажите как меняется величина эффективного заряда на атомах галогенов в ряду соединений HF, HCl, HBr, HI (эксп. для HF равен 6,3.10-30 Кл .м). 16. Фотон -излучения с энергией 1,024.106 эВ может образовать пару частиц: электрон и позитрон. Какова масса позитрона? 17. Вычислить энергию и массу, соответствующие фотону, характеризующемуся длиной волны 589 нм. 18. Покажите, какие орбитали и как участвуют в образовании связей в соединении K(NH3)4. 19. Какую геометрическую форму имеет ион IO3-? 20. В парах PF5 имеет форму бипирамиды, а PCl5 в кристаллическом состоянии состоит из ионов PCl4+и PCl6-. Какие гибридные орбитали атомов фосфора образуют связи в обоих случаях? 21. Составьте схему образования частиц BF4- и NH4+. Укажите валентность и степень окисления атомов бора и азота. 22. Как вы считаете, справедливо ли утверждение: если в молекуле АВn связи полярные, то и сама молекула будет полярной? Ответ подтвердите на примере следующих молекул: BeF2, BF3, CH4, NH3, SF6, H2O, CO2 и SO2. 23. По методу МО сравните кратность и энергию связей в ряду частиц: O2+, O2, O2-, O22-. 24. Сравните кратность, энергию связей и магнитные свойства частиц: СО+, СО- и СО. 25. Определите геометрическое строение комплексных ионов. Какого типа гибридные орбитали комплексообразователя участвуют в образовании связей с лигандами:[Pt(NH3)4]2+- диамагнитный; [PdCl4]2-- диамагнитный; [Cu(NH3)4]2+; [AuCl4]-- диамагнитный; [NiF4]-- парамагнитный. 26. На основе теории кристаллического поля установите, будут ли диамагнитными или парамагнитными комплексы, в которых лиганды создают сильное поле: [Fe(CN)6]4-; слабое поле: [Cr(H2O)6]2+. РАЗДЕЛ 5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ . 1. Рекомендуемая литература: Базовый учебник. 1.Методы квантовой химии для исследования электронного строения молекул и кристаллов : учебное пособие [для бакалавров и магистрантов]: в 3ч.Теория функционала плотности/ авт. Н.Г.Лебедев, А.О. Литинский; ВолГУ.Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2011 а) основная литература: 1. Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия / Н. С. Ахметов. - М. : Высшая школа, 1981. - 743 с. 2. Некрасов, Б. В. Учебник общей химии / Б. В. Некрасов. - М. : Химия, 1972. - 541 с. 3. Ивановский, А.Л. Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1999. – 172 с. б) дополнительная литература: 1. Дей, К. Теоретическая неорганическая химия / К. Дей, Д. М. Селбин. - М. : Химия, 1976. - 265 с. 2. Полинг, Л. Химия / Л. Полинг, М. Полинг. - М. : Мир, 1978. - 650 с. 3. Дикерсон, Р. Основные законы химии / Р. Дикерсон, Г. Грей, Дж. М. Дейт. - М. : Мир, 1982. - 503 с. 4. Фримантл, М. Химия в действии / М. Фримантл. - М. : Мир, 1991. - 528 с. 5. Яцимирский, К. Б. Введение в бионеорганическую химию / К. Б. Яцимирский. - Киев, Наукова Думка : 1976. - 198 с. 6. Ладик Я. Квантовая биохимия для химиков и биологов / Я. Ладик. - М. : Мир, 1975. - 256 с. 7. Полещук, О. Х. Компьютерное моделирование химических реакций : учебное пособие / Томск : ТГПУ, 2007. - 176 с. 5.2. Реестр электронных библиотечных ресурсов № Электронный адрес Название ресурса 1. http://window.edu.ru/ Образовательный портал МОН РФ 2. http://www.qchem.ru Портал квантомеханического сообщества 5.3. Ссылка на ПТК «УМКа» http://umka.volsu.ru/newumka3/