淺談無機化學的結構理論學習方法

華英杰　王崇太

【摘要】對無機化學教材中學生最難于理解的量子化學部分的教學進行了初步探討，增加了部分教學內容，使學生對于薛定諤方程的由來和導出有更深入的了解，加深學生對這一部分知識的理解，避免學生死記硬背，為解決學生在后續課程學習中基礎知識的缺乏提供了新的思路。

【關鍵詞】量子化學 薛定諤方程 非相對論近似 伯恩-奧本海墨近似 軌道近似

【基金項目】海南師范大學第六批校級教學改革研究項目（HSJG201121）資助。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）04-0158-02

無機化學是大學一年級化學專業學生接觸最早的一門基礎課，其中量子化學部分由于內容較抽象，學生普遍反應非常難理解，有些學生甚至因此失去了學習化學的勇氣[1-3]。由于這部分內容關系到學生對于后來原子結構、分子結構、晶體結構和配位化合物等相關知識的理解，所以在教學中歷來是重中之重，講解課時也是安排最多的，但是學生仍然普遍覺得內容晦澀難懂。通過多年的教學經驗以及和學生們的溝通了解，我們認為主要是課本在編排時只引用了了結果，而沒有介紹相關結果的來龍去脈，這一出發點本是為減輕學生的負擔，但反而造成知識鏈條的中斷，學生既不知其然，又不知所以然。因此，我們補充了課本中省略的相關知識點，使學生對于量子化學的處理方法有初步的了解，提高了教學效果。由于這一部分涉及許多數學知識，因此在講解時應突出研究思路，而不是讓學生鉆研數理公式。這樣就會使學生對于微觀粒子的運動方程的由來有初步了解，對于原子結構、分子結構和晶體結構的學習有一定的輔助作用。

1.非相對論近似

薛定諤方程是量子力學的基本方程，其解即為體系的波函數，一旦求得了體系的波函數，原則上體系的所有性質都可以推測出來，這是因為量子力學的理論會告訴我們如何獲取這些信息。但是由于薛定諤方程是一個偏微分方程，除少數幾種情況外，是難于求解的，所以要求采取一系列合理的理論近似及數學處理方法[4-5]。

在研究體系內有有限個原子核和電子，其運動速度遠小于光速，在這里沒有粒子的產生和湮滅的現象，即粒子數是守恒的，因而可以忽略相對論效應，而采用非相對論近似，其相應的薛定諤方程為：

但在實際計算中，一般只取一個或幾個Slater行列式計算，既能滿足要求又不致于使計算過分復雜。

經過上述的處理，才能夠求得多電子體系中電子運動的波函數和原子軌道。學生才能更好地理解多電子體系中對于電子運動狀態的描述，是在基于上述幾個近似后才求得的。

參考文獻：

[1]曹錫章， 宋天佑， 王杏喬. 無機化學[M]. 北京： 高等教育出版社，1994.

[2]許善錦. 無機化學[M]. 北京： 人民衛生出版社， 2005.

[3]吳國慶. 無機化學[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004.

[4]P. W. Atkins. Molecular Quantum Mechanics. London： Oxford University Press， 1983.

[5]徐光憲， 黎樂民， 王德民.量子化學——基本原理和從頭計算法[M]. 北京：科學出版社， 1985.

[6]D.E.Ellis. The Discrete Variational Method and its Applications to Large Molecules and Solidstate Systems. Conselho National de Desenvolvimen to Cientificoe Tecnologico， 1997.

[7]肖慎修， 孫澤民. 量子化學中的離散變分Xα方法及計算程序[M]. 四川：四川大學出版社，1986.

作者簡介：

華英杰，女，吉林省長春市人，博士，教授，主要從事無機化學教學和無機功能材料研究。