Скачать 225.68 Kb.
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ТГПУ) Утверждаю Проректор по учебной работе (Декан) ________________________________ «___» _________________ 2008 года ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ДПП.ДС.01 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ХИМИИ 1. Цели и задачи дисциплины: Основная цель изучения курса компьютерное моделирование в химии - получение знаний студентов в области теории строения атомов и молекул для их использования при проведении квантово-химических расчетов химических объектов. Глубокие знания основ компьютерного моделирования в химии 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. Компьютерное моделирование в химии, или другими словами начала квантовой химии являются источником многих модельных представлений, используемых современной химической теорией. Именно в рамках этой науки нашел объяснение феномен образования химической связи. Задачей данного курса является объяснение происхождения и смысла этих и многих других понятий на уровне, который доступен студентам биолого-химического факультета. 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины: В курсе компьютерное моделирование в химии будущий учитель должен получить и закрепить следующие основные навыки и умения: - владение основными принципами построения химических соединений; - умение составить электронную формулу любой молекулы; - проведение конкретных полуэмпирических и неэмпирических расчетов молекул и химических реакций для установления структуры и реакционной способности соединений на основе использования современных компьютерных квантово-химических программ ChemOffice, HyperChem, Gaussian98; - понимать природу взаимодействия молекул в процессе химических реакций. Успешное усвоение курса строения вещества требует знания следующих дисциплин: высшей математики; физики; вычислительной техники; неорганической химии; физической химии; органической химии. 3. Объем дисциплины и виды учебной работы:
4.Содержание дисциплины: 4.1. Разделы дисциплины и виды занятий (Тематический план):
4.2. Содержание разделов дисциплины:
наименование лабораторных работ изложено в п. 4.2.
6.1. Рекомендуемая литература: а) основная литература:
б) дополнительная литература:
Расчетные квантово-химические программы ChemOffice, HyperChem, Gaussian. 7. Материально-техническое обеспечение дисциплины: Компьютерный класс, оснащенный современным лицензионным программным обеспечением. 8. Методические рекомендации и указания по организации освоения дисциплины: 8.1. Методические рекомендации преподавателю: В четвертом семестре студенты знакомятся с программы химический офис, в пятом – с наиболее мощной программой для расчета электронной структуры молекул-гауссиан. Теоретические знания, полученные из лекционного курса, закрепляются на лабораторных занятиях, на которых также вырабатываются практические умения построения молекулярных структур и их расчета различными квантово-химическими методами. Промежуточные срезы знаний проводятся после изучения основных тем курса. В четвертом семестре: строение атома с точки зрения квантовой механики, теории химической связи, поверхности потенциальной энергии, неэмпирическим методам расчета. В пятом семестре: расчет термодинамических величин и молекулярных орбиталей, расчет ИК-спектров, расчет переходных состояний, расчет возбужденных состояний. Промежуточный срез знаний проводится заданием конкретной молекулы и метода расчета и (или) тестированием по теоретическому курсу. Тестирование проводится в компьютерном классе с использованием специальной программы. Задания находятся на сайте ТГПУ. Тестирование студенты могут осуществлять в свободном доступе в качестве самостоятельной подготовки, как по отдельным темам, так и по семестрам. Четвертый семестр заканчивается зачетом, пятый - итоговым экзаменом. В течение всего обучения студенты выполняют индивидуальные задания, разрабатываемыми преподавателями по всем изучаемым темам курса, могут выполнять курсовую работу или рефераты. 8.2. Методические указания для студентов: 8.2.1. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы: 1. Основные постулаты квантовой механики. Волновые функции и их свойства. 2. Оператор Гамильтона и уравнение Шредингера для молекулярных систем. 3. Волновые функции (орбитали) для атома водорода. 4. В чем заключается адиабатическое приближение? Электронное и ядерное волновые уравнения. 5. Что такое поверхность потенциальной энергии молекулы и каковы её основные характерные особенности? 6. В чем заключается метод Хартри–Фока для решения электронного уравнения? 7. Атомные и молекулярные орбитали. Что это такое? 8. Заряды на атомах и порядки связей. Какую информацию они дают о структуре и свойствах молекулы? Полярность химической связи и её характеристики. 9. Какую информацию о свойствах молекулы можно получить, если известна симметрия её равновесной конфигурации? 10. Метод функционала плотности, его основные особенности. 11. Что Вы знаете о современных полуэмпирических методах квантовой химии? 12. Метод Хюккеля. Привести пример расчета этим методом какой-либо простой молекулярной системы (бутадиен, циклобутадиен, метиленциклопропен, бензол). 13. Путь реакции и координата реакции на потенциальной поверхности. Что это такое? 14. Привести примеры точечных групп симметрии молекул. 8.2. Примерная тематика рефератов, курсовых работ:
8.3. Примерный перечень вопросов к (экзамену) зачету: Тестовые задания 1. Каковы размерности: а) волновой функции одной частицы; б) вероятности обнаружения частицы в элементарном объеме d? 2. Как должно выглядеть соотношение неопределенностей координаты и импульса в классической механике? 3. Можно ли заморозить молекулу при 0 К? 4. Исходя из принципа неопределенности оцените энергию связи в атоме водорода. 5. Найдите наиболее вероятное расстояние от электрона до ядра в ионе Не+ 6. При помощи правил Слэтера определите константы экранирования S для АО 3d атома железа. 7. При помощи правил Слэтера определите эффективный заряд ядра для 6s-электрона атома гадолиния. 8. В какой системе большая энергия диссоциации: молекуле N2 и ионах N2+ и N2-. 9. С точки зрения МО, сколько находится электронов на несвязывающей орбитали в анионе FHF-. 10. Какой порядок понижения относительных энергий sp-, sp2-, sp3-гибридных орбиталей? 11. Какова симметрия распределения электронной плотности в sp2-гибридном атоме углерода? 12. Какой вклад р-орбитали в связывающие гибридные орбитали атома азота в молекуле аммиака (валентный угол равен 107о)? 13. Для какого типа гибридизации sp3-, sp2-, sp- электроотрицательность атома имеет наибольшее значение? 14. Какая из гибридных орбиталей sp-, sp2-, sp3 обладает наибольшим дипольным моментом? 15. Укажите симметрию следующих молекул: SnBr2, GaI3, PF3, BrF4-, SbCl5, SF6. 16. Какие из указанных молекул неполярные: FNO, BrF3, H2S, XeO4? 17. В какой молекуле PH3 или H2S валентный угол больше? 18. Уменьшается ли валентный угол в угловых молекулах АН2 с уменьшением электроотрицательности центрального атома А. 19. Полагая, что в молекулах AHal2 каждый атом галогена вносит в базисный набор по одной АО р-типа, направленной прямо к центральному атому А, какие молекулы будут нелинейными: BeF2, BF2, CF2, ClF2, ClF2-? 20. Как зависят валентные углы молекулы АН3 от уменьшения электроотрицательности центрального атома? 21. Полагая, что каждый атом галогена участвует в связывании только одним валентным электроном, какие молекулы имеют плоское строение BF3, CF3+, NF3, ClF3? 22. Сколько неспаренных электронов у ионов Cr3+, Mn2+, Co3+ в сильном октаэдрическом поле лигандов? 23. Сколько неспаренных электронов у ионов Cr2+, Fe2+, Co2+ в очень слабом октаэдрическом поле? 24. Низкоспиновые тетраэдрические комплексы никогда не были получены, хотя существует много высокоспиновых комплексов с этой геометрией. Какой вывод относительно величины энергии расщепления относительно энергии спаривания можно сделать из этого факта? 25. Обнаружено, что некоторые комплексы платины являются активными противораковыми препаратами. К их числу относятся Pt(NH3)2Cl4 и Pt(NH3)2Cl2. Являются ли эти комплексы внутриорбитальными или внешнеорбитальными? 26. Если шесть ионов Br- заместят в Сr(NH3)63+ шесть молекул аммиака, возрастет или уменьшится при этом энергия расщепления кристаллическим полем? 27. В рамках теории кристаллического поля определите вклад d-гибридизации (в %) атома железа в комплексе Fe(CN)64-. 28. Сколько неспаренных d-электронов остается в каждом из следующих комплексов: а) Ni(CN)42- (плоско-квадратная структура), б) CoF63- (высокоспиновый комплекс), в) Co(NH3)63+ (низкоспиновый комплекс)? 29. Какая окраска комплекса [Cu(NH3)2]+? 30. С каким параметром теории кристаллического поля связано то, что комплексы Cu(II) с аминами имеют значительно более интенсивную голубую окраску, чем гексааквоион [Cu(H2O)6]2+? 31. Структура внешнего и предвнешнего электронных слоев атомов элемента 3s23p63d54s1; 4s24p64d55s1. Назовите этот элемент. 32. Укажите, как меняется величина эффективного заряда на атомах галогенов в ряду соединений HF, HCl, HBr, HI. 33. Неопределенность измерения положения электрона в атоме равна 5,3.10-11 м. Скорость электрона равна 2,2.106 м/с. Равна ли неопределенность определения скорости электрона самой скорости? 34. Вычислить энергию, соответствующие фотону, характеризующемуся длиной волны 589 нм. 35. Сколько -связей имеет атом йода в ионе IO3-? 36. В парах PF5 имеет форму бипирамиды. Какую s-гибридизацию (в %) имеет центральный атом? 37. Какую связь образует ион фтора в BF4-? 38. Как вы считаете, справедливо ли утверждение: если в молекуле АВn связи полярные, то и сама молекула будет полярной? 39. По методу МО сравните энергию связей в ряду частиц: O2+, O2, O2-, O22-. 40. Сравните количество неспаренных электронов в частицах: СО-, СО+ и СО. 41. Какое количество энергии несет один квант света с длиной волны 7,5.10-7 м? 42. Вычислите энергию (эВ), которой обладает электрон, находясь на третьем энергетическом уровне в атоме водорода. 43. Определите скорость вращения электрона в атоме водорода, если радиус орбиты равен 2,116.10-10 м. 44. Вычислите скорость движения электрона с длиной волны 0,242.10-7 м. 45. Рассчитайте длину волны электрона, имеющего скорость 2,2.103 м/с. 46. Рассчитайте длину волны де Бройля для молекул фтора, движущихся со скоростью 500 м/с. 47. Какую энергию (эВ) нужно сообщить невозбужденному атому водорода, чтобы он мог испускать излучение с длиной волны 1,5.10-7 м? 48. Сколько свободных d-орбиталей содержится в атоме Sc? 49. Сколько свободных f-орбиталей содержится в атоме с порядковым номером 59? 50. Энергетическое состояние внешнего электрона атома описывается следующими значениями квантовых чисел: n=3, l=0, ml=0. Атомы каких элементов имеют такой электрон? 51. Сколько электронов находится на предвнешних уровнях в атоме Ti? 52. Сколько неспаренных электронов в атоме йода? 53. Зная, что длина волны рентгеновского излучения К марганца равна 2,13.10-10 м, вычислите порядковый номер и укажите элемент, для которого длина волны К равна 3,35.10-10 м. 54. Относительная электроотрицательность йода равна 2,5, а его потенциал ионизации 10,45 эВ. Определите сродство йода к электрону (кДж/моль). 55. Вычислите относительную электроотрицательность углерода, если первый потенциал ионизации равен 11,26 эВ, а его сродство к электрону 1,12 эВ. 56. Исходя из величин потенциалов ионизации, укажите какой из элементов Li, Na, K, Rb, Cs является более сильным восстановителем. 57. Исходя из величин электроотрицательности, укажите, как в приведенном ряду F, Cl, Br, I изменяется способность атомов принимать электроны. 58. Ядро какого элемента получится, если ядро 238 92U потеряет 8 и 6 частиц? 59. Определите номер неизвестного изотопа в уравнении ядерной реакции: 32 16S + 2 1D 1 0n + … 60. Константа радиоактивного распада изотопа 35 16S равна 9,2.10-8 с-1. Определите период полураспада. 61. В природной смеси кислорода атомы стабильных изотопов кислорода находятся в соотношении 16О: 17О: 18О = 2545:1:5. Чему равна атомная масса кислорода, если точные массовые числа изотопов равны 15,994914; 16,999133; 17,999159? 62. Определите массовое число неизвестного изотопа в ядерной реакции: 27 13Al + 4 2He30 15P +… 63. Определите период полураспада изотопа, если в течение 1 часа распадается 52% начального количества атомов. 64. Рассчитайте длину связи в молекуле IСl, если межъядерные расстояния в молекулах I2 и Cl2 равны 2,67 и 1,99Å. 65. Какую максимальную ковалентность проявляет бром в своих соединениях? 66. Какая из связей H-N, H-S, H-Te, H-Li наиболее полярна? 67. Какая из связей Cs-Cl, Ca-S, Ba-F наиболее приближается к ионной? 68. Электрический момент диполя молекулы SO2 равен 5,4.10-30 Кл.м. Определите длину диполя S-O. 69. Рассчитайте эффективные заряды атомов водорода и йода, образующих ковалентную связь, если дипольный момент молекулы HI равен 1,3.10-30 Кл.м, а длина связи H-I равна 1,61Å. 70. В каком из соединений LiF, BeF2, CF4 связь Э-F больше всего приближается к ковалентной? 71. Определите полярность молекулы HBr, если длина диполя молекулы равна 0,18Å. 72. Каков вклад р-орбиталей атома кремния (в %) в гибридизацию молекулы SiCl4? 73. Каким образом меняется значение валентного угла в ряду соединений H2O, H2S, H2Se, H2Te? 74. Сколько электронов находится на связывающих орбиталях в молекуле F2? 75. Какую пространственную конфигурацию имеют молекулы с sp2-гибридизацией центрального атома? 76. Каков вклад s-гибридизации (в %) в молекуле BBr3? 77. Сколько р-орбиталей атома кислорода участвует в связывании в молекуле воды? 78. Сколько разрыхляющих электронов находится в молекуле кислорода? 79. Сколько несвязывающих электронов находится в молекуле СО? 80. Рассчитайте эффективный заряд атома кальция по правилам Слэтера. 81. Определите, какой из галогенов наиболее склонен образовывать ион Х+. 82. Определить номер группы элементов, имеющих наибольшее сродство к электрону. 83. Определить номер группы элементов, имеющих наименьшие потенциалы ионизации. 84. Как меняется число разрыхляющих электронов в ряду: NO+, NO, NO-? 85. Как меняется порядок связи в частицах: О2+, О2, О2-, О22-? 86. Сколько неподеленных электронных пар имеет атом селена в молекуле SeO3? 87. Какой из катионов оказывает большее поляризующее действие: Li+ или Be2+? 88. Какой из анионов больше подвергается поляризации: О2- или Se2-? 89. Сколько неподеленных электронных пар принадлежит атому кислорода в молекуле POF3? 90. Сколько неспаренных электронов содержит комплекс [Fe(CN)6]3-? 91. Сколько несвязывающих электронов находится на молекулярных орбиталях в комплексе [Co(NH3)6]3+? 92. Какой функцией описываются волновые свойства электрона в атоме? 93. Какой физический смысл имеет 2? 94. Что понимают под атомной орбиталью? 95. Какой смысл вкладывают в понятие s-, p-, d-электронных облаков? 96. Что такое энергетический уровень электрона в атоме? 97. С каким квантовым числом связано правило Хунда? 98. С каким квантовым числом связано второе правило Клечковского? 99. Какой смысл вкладывается в понятие орбитальный радиус? 100. Что такое эффект экранирования? 101. Что такое эффект проникновения? 102. Какую информацию дает разность электроотрицательностей двух атомов? 103. Какие существуют механизмы образования ковалентной связи? 104. Что понимают под валентностью элемента? 105. Какая зависимость существует между длиной связи и ее кратностью? 106. Сколько различных способов перекрывания s- и р-орбиталей? 107. Есть ли разница в энергии - и -связей? 108. Что называется молекулярной орбиталью? 109. Каковы энергетические условия линейной комбинации атомных орбиталей в молекулярные? 110. Как меняется энергия электрона на связывающих МО в отличие от атомных? 111. Как определяется порядок связи в молекуле по методу МО? 112. Что показывают энергетические диаграммы образования молекулярных орбиталей? 113. Укажите главное отличие методов ВС и МО. 114. Укажите главное отличие ионной связи от ковалентной. 115. Приведите наиболее прочное межмолекулярное взаимодействие. 116. В чем отличие внешнеорбитальных и внутриорбитальных комплексов? 117. Какие факторы определяют тип гибридизации атомных орбиталей центрального атома? 118. С чем связана окраска комплексных соединений в растворах? 119. Какое главное отличие в описании природы химической связи в комплексах по методу ВС и в рамках теории кристаллического поля? 120. Одинаковой или разной будет электроотрицательность атома серы в SO42- и SF6? Программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 050101.65 «Химия». Программу составил: д.х.н., профессор, зав. кафедрой органической химии _____________ Полещук О.Х. Программа учебной дисциплины утверждена на заседании кафедры органической химии протокол № 1___ от _29 августа 2008 года. Зав. кафедрой органической химии _____________________ Полещук О.Х. Программа учебной дисциплины одобрена методической комиссией биолого-химического факультета ТГПУ протокол № 1_ от _12 сентября_ года. Председатель методической комиссии биолого-химического факультета ________________________ И.А. Шабанова Согласовано: Декан БХФ __________________Минич А.С. |
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель: сформировать представление у студентов о сущности процесса торфообразования | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Мхов – Покрытосеменных; основные вопросы фитоценологии, рационального использования и охраны растительного покрова | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель – приобретение студентами знаний о разнообразии растений Сибири и о возможностях их использования в качестве лекарственных | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цели и задачи дисциплины: Цель: приобретение студентами знаний, умений и навыков по аранжировке растений | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Физическая химия является одной из фундаментальных дисциплин современного естествознания, формирующих научное представление об окружающем... | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель ознакомить студентов с основами химии высокомолекулярных соединений в объеме соответствующем обязательному минимуму, изложенному... | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель ознакомить студентов с основами химии высокомолекулярных соединений в объеме соответствующем обязательному минимуму, изложенному... | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Целью дисциплины является изучение студентами материала по истории химической мысли и методологии науки на протяжении длительного... | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель данной дисциплины: дать современные научные представления о развитии органического мира на Земле и основных механизмах биологической... | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель дисциплины: формирование у студентов знаний о составе, строении, преобразованиях в процессе жизнедеятельности соединений, входящих... | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель: сформировать у студентов представление о торфе как природном образовании, в котором физические, химические и биологические... | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Цель дисциплины: освоение студентам основных закономерностей наследования и изменчивости признаков организмов, их генетической основы... | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Данная дисциплина должна вооружить студентов разнообразными методиками химического эксперимента, приобрести опыт экспериментальной... | ||
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Целью курса является приобретение студентами знаний, отражающих с химической точки зрения картину мира, развивающих их способности... | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Целью курса является приобретение студентами знаний, отражающих с химической точки зрения картину мира, развивающих их способности... |