Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	Темы дисциплины, необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1	1.2	1.3	2.1	2.2	2.3	3.1	3.2	3.3
	Неорганическая химия	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	Аналитическая химия					+	+	+	+	+
	Органическая химия	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	Физическая химия	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	Физика	+	+	+	+	+	+	–	+	+
	Кристаллохимия	+	+	+						+
	Физические методы исследования	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	Реакционная способность органических соединений					+	+	+		+
	Стереохимия							+		+
	Практикум по спектроскопии				+	+	+	+	+	+

Содержание дисциплины.

Модуль 1

Тема 1.1. Основные понятия теории структур. Теоретические способы описания свойств и строения веществ. Континуально-эмпирические и корпускулярно-структурные теории. Структурный подход (структурализм) и структурные задачи. Основные понятия теории структур: частицы, взаимодействия, структуры, упорядоченность. Структурные уровни, их иерархия. Общие (инвариантные) свойства структур. Математический и физико-химический структурализм. Моделирование как метод науки о строении вещества. Физико-химические и математические модели. Ограниченность и другие особенности структурных моделей.

Тема 1.2. Математические структурные модели. Точечные группы симметрии (ТГС) молекул: элементы и операции симметрии, групповая операция (композиция), таблица умножения группы, классификация ТГС. Классы эквивалентности и типы симметрии (неприводимые представления), их номенклатура, таблицы характеров. Физико-химические приложения ТГС: классификация и построение молекулярных орбиталей и нормальных колебаний, правила отбора и др.

Тема 1.3. Физические структурные модели. Свободная частица, частица в одномерном и трехмерном потенциальном ящике, плоский ротатор, одномерный гармонический осциллятор, многомерный осциллятор и метод нормальных колебаний, системы с двумя состояниями (на примере молекулярного иона водорода) и квантовомеханический резонанс. Волновые функции стационарных состояний и допустимые значения наблюдаемых для каждой модели. Статистические системы и их классификация: закрытые (отсутствие контактов с термостатом и резервуарами частиц), термостатированные (термический контакт с термостатом), открытые (диффузионный контакт с резервуаром частиц). Статистический ансамбль, его разновидности (микроканонический, канонический, большой канонический), статистические суммы, температура и химический потенциал.

Модуль 2

Тема 2.1. Субатомные структуры (элементарные частицы и атомные ядра). Характеристики и классификация элементарных частиц: лептоны и кварки, цветовые взаимодействия, барионы и мезоны. Взаимные превращения элементарных частиц, законы сохранения. Античастицы. Атомные ядра. Характеристики ядер (нуклонный состав, зарядовое и массовое число, спин и магнитный момент, квадрупольный момент). Изотопы и изобары. Ядерные силы, их особенности, проблема стабильности ядер. Понятие об оболочечной модели ядра, энергетические уровни. Ядерная спектроскопия (ЯГР, ЯМР, ЯКР) и ее применение в химии. Ядерные реакции (α-распад, электронный и позитронный распады, К-захват, деление, синтез). Законы сохранения в ядерных реакциях.

Тема 2.2. Одно- и многоэлектронные атомы. Одноэлектронный атом. Стационарные состояния атома водорода. Волновые функции, их типы, узловая структура и симметрия, комплексное и действительное представление, радиальная и угловая части. Электронное облако, его форма и плотность. Наблюдаемые атома: энергия, орбитальный и спиновой моменты и их проекции, полный механический момент и его проекции, их допустимые значения. Квантовые числа (главное, орбитальное, спиновое, магнитное орбитальное и магнитное спиновое, квантовые числа полного механического момента). Многоэлектронные атомы (МЭА). Состав и типы взаимодействий в МЭА. Одноэлектронное приближение и орбитальная модель. Принцип Паули, электронная конфигурация. Построение глобальной волновой функции из атомных спин-орбиталей в виде определителя Слэтера. Понятие о методах оптимизации АО: метод самосогласованного поля, эффективный потенциал и хартри-фоковские АО, приближение центрального поля, модель Слэтера – Зенера. Глобальные характеристики МЭА. Орбитальные энергии и полная электронная энергия, кулоновские и обменные интегралы. Механические моменты: орбитальный, спиновой и полный, их квантовые числа, спин-орбитальное взаимодействие, LS - и jj -модели. Атомные термы, их обозначения. Расщепление термов за счет межэлектронных и спин-орбитальных взаимодействий, влияние слабого и сильного внешнего магнитного поля.

Тема 2.3. Молекулы: электронная оболочка и ядерный остов. Электронная оболочка молекул.Квантово-механическая модель молекулы и ее отношение к классической структурной модели. Типы механических движений в молекулах, разделение ядерных и электронных движений, приближение Борна – Оппенгеймера. Ядерная и электронная составляющие волновой функции молекулы. Понятие о поверхности потенциальной энергии молекулы. Электронная волновая функция, ее построение из одноэлектронных функций, методы ВС и МО. Выбор базисного набора и проблема его оптимизации. Вариант МО ЛКАО. Понятие о неэмпирических и полуэмпирических вариантах метода МО. Метод МО Хюккеля.

Орбитальная модель молекулы. Типы молекулярных орбиталей (канонические, локализованные, многоцентровые), их классификация по симметрии, узловой структуре, относительной энергии, заселенности. Электронная конфигурация молекулы. Орбитальные энергии (остовный и резонансный интегралы) и полная энергия молекулы (кулоновские и обменные интегралы), понятие о конфигурационном взаимодействии. Расчет молекулярных характеристик в методе МО: электронная плотность и заряд атома, порядки связей, поляризуемости, индексы свободной валентности.

Ядерный остов молекул.Поверхность потенциальной энергии (ППЭ). Топология молекулы, топологические графы и матрицы. Пространственная конфигурация (форма) молекулы и ее определение, метод ОЭПВО. Структурно-нежесткие молекулы. Флуктуации структуры и их типы: таутомерные переходы, инверсии (пирамидальные, циклические, плоские), псевдовращения, конформационные повороты. ППЭ и химические формы.

Спиновые состояния ядерного остова молекулы. Построение и оптимизация спиновых волновых функций молекулы, понятие о спин-гамильтониане. Принципы ЯМР-спектроскопии. Колебания и вращения молекул. Колебательные и вращательные стационарные состояния, их энергии и квантовые числа. Модель нормальных колебаний. Взаимодействие с окружающей средой, колебательные и вращательные суммы по состояниям.

Модуль 3

Тема 3.1. Химическая реакционная способность молекул. Химические реакции. Механическая модель элементарного химического акта (ЭА): траектория ЭА, энергетический профиль, потенциальный барьер, энергетический эффект и энергия активации. Вероятность ЭА и скорость химической реакции. Реакционная способность молекул, индексы реакционной способности. Адиабатические и неадиабатические реакции. Принцип сохранения орбитальной симметрии. Методы Вудворда – Хоффмана, Фукуи, Дьюара – Циммермана.

Тема 3.2. Молекулы во внешних полях. Постоянное электрическое поле: индукционная и ориентационная поляризуемость молекул. Постоянное магнитное поле: магнитная восприимчивость, диа- и пара-магнетизм молекул. Переменные поля: резонансные взаимодействия, молекулярная спектроскопия, ее типы и химические приложения, нерезонансные взаимодействия (рассеяние, преломление, вращение плоскости поляризации и другие эффекты). Применение в элементном и структурном химическом анализе.

Тема 3.3. Межмолекулярные взаимодействия и макроструктуры. Межмолекулярные взаимодействия, их типы и особенности. Структурирование макросистем. Равновесные структуры. Кристаллические и аморфные структуры, промежуточные типы. Описание геометрических и электронно-энергетических характеристик. Поверхность, особенности ее строения и свойств. Дефекты, их типы. Релаксационные процессы в макросистемах. Микроскопический механизм и направление релаксации. Релаксационные уравнения. Время релаксации и релаксационный спектр.

Диссипативные структуры (ДС). Условия образования. Типы ДС: пространственные, временные, волновые. Устойчивость ДС, принцип Пригожина. Детерминированные и случайные характеристики ДС. Квантовые эффекты в макросистемах: сверхтекучесть, сверхпроводимость, ферромагнетизм.

Тема 3.4. Итоговое тестирование. См. содержание предыдущих тем.

Планы семинарских занятий.

Тема 1.1. Основные понятия теории структур (4 час.). Структурные задачи и их типы. Основные понятия теории структур: частицы, взаимодействия, структуры, упорядоченность. Структурные уровни, их иерархия. Математический и физико-химический структурализм. Физико-химические и математические структурные модели. Ограниченность и другие особенности структурных моделей.