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《耶魯大學開放課程:新生有機化學》(Open Yale Courses:Freshman Organic Chemistry)[MP4]
下載分級 教育资源
資源類別 學習教程
發布時間 2017/7/14
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《耶魯大學開放課程:新生有機化學》(Open Yale Courses:Freshman Organic Chemistry)[MP4] 簡介: 資料介紹 相關專題學習資料: 數學物
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"《耶魯大學開放課程:新生有機化學》(Open Yale Courses:Freshman Organic Chemistry)[MP4]"介紹

資料介紹

相關專題學習資料:
  • 數學物理化學/理論科學
  • 理學資料
  • 大學開放視頻課程

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關於這門課程
這是兩學期課程的第一學期,著重於介紹有機化學結構及機制之當前理論,歷史發展及實驗觀察基礎。本課程開放給在化學和物理方面有良好准備之新生,旨在開發科學起源和創造性研究所需知識技能等兩方面之體驗。

課程結構
這是門每周3堂,每堂50分鐘的耶魯大學校內教學課程,於2008年秋季錄制,作為耶魯大學開放式課程使用。

關於 J. Michael McBride教授
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J. Michael McBride是耶魯大學Richard M. Colgate化學教授。在伍斯特學院和哈佛大學完成學士學業後,McBride教授於哈佛大學獲得物理有機化學博士學位。他於1966年起任教於耶魯大學化學系,研究晶體生長和有機固體反應。他獲得的獎項包括普賴洛格獎章、研究生教育之諾貝爾榮譽獎,及美國化工制造商協會之本科生教育促進獎。他的生活,研究及教學詳見《晶體生長與設計》Crystal Growth & Design, 2005, 5 (6), pp 2022–2035。

第一講概述
McBride 教授概述了課程目標和要求,包含必需的實驗課程。對課程的首要問題:“如何了解?”他提出了兩個不能令人信服的答案(神權和人權)和兩個可接受的答案(實驗和邏輯)。他說明了17世紀實驗和邏輯造成科學源起的豐碩成果。並舉了倫敦皇家學會及艾薩克‧牛頓的“關鍵”光線實驗等例子。在與牛頓的通信中,身為日記作者和海軍采購專員的塞缪爾‧佩皮斯顯示出對新進科學家來說最重要的態度和習慣,特別是那些想在這門課程中獲得成功者。本講以介紹上半學期應理解的目標做終結:了解描述化學鍵結的作用力定律。

問題集 ∕ 閱讀作業
閱讀作業,問題集,PowerPoint簡報,及有關這個講座的其他資源,可參照McBride教授為2008年秋季課程學生所制作的校園課程網站。請參閱以下資源的部分。

資源
McBride教授的CHEM 125課程網站資源(2008年秋季)
http://webspace.yale.edu/chem125_oyc/#L01

第二講概述
McBride 教授遵循牛頓的想法,以尋找描述化學鍵結的作用力定律為開場。不論是正比(虎克定律),或反比(庫侖力,引力)於距離,都需以摩斯勢能理論將其整合在一起。G. N. 路易斯根據電子的新發現,制定了“立方體-八隅體”理論,並將其發展為共享電子對模型,用以解釋鍵結。討論過路易斯點符號和形式電荷後,McBride教授解說了在某些“單一最小值”例子中,路易斯結構理論有所不足,補救之道必須透過令人困惑的“共振”概念。

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McBride教授的CHEM 125課程網站資源(2008年秋季)
http://webspace.yale.edu/chem125_oyc/#L02

第三講概述
繼續討論之前講座中所談過的路易斯結構和化學作用力,McBride教授介紹了臭氧分子的雙勢能井及其結構的平衡。遵循平方反比力定律無法使帶電粒子做穩定的排列,這是來自恩紹定理所述,這個理論可藉由力線觀察到。J.J. 湯姆生運用恩紹對結構限制的理論,假設出“葡萄干布丁”原子。當拉塞福證明,原子核是一個點時,湯姆生得出的結論是,庫侖定律在小距離時不適用。

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第四講概述
本次講座提出的問題為,是否可能藉由感覺或目視證實鍵的真實性。先由20世紀初期“透視眼”騙子所做的實驗談起。他們聲稱可以“看見”原子和分子的詳細結構,目的在於討論科學信仰的真正基礎。然而,此舉顯示了分子的規模並非難以想象的小,牛頓和富蘭克林因而進行了能夠測量到如此小距離的簡單實驗。近25年來,各式各樣掃描式探針顯微鏡的實現,使化學家能夠“感覺”到個別分子和原子,但無法感覺到鍵。

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第五講概述
McBride教授以帶電粒子來介紹光的衍射理論及其應用,即藉由 X光衍射,研究電子在分子中的分布情形。並藉由激光穿過衍射光罩所產生的圖形模式,回溯這些受X光照射之有序固體的研究,藉以闡述分子模式和晶格重復性的關系。

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第六講概述
McBride 教授以六邊形的“苯”圖形,及富蘭克林的DNA-X光衍射圖,繼續他對X光衍射晶體學的討論。解釋“倒數空間”中的衍射圖形,與分子中電子的分布及晶體晶格中分子的重復現象有何關聯。他還使用電子密度差異圖來顯示鍵、未共享電子對及它們的形狀。並顯示出其密度僅為由路易斯共享電子對所預測出的二十分之一。碳-氟鍵中異常的密度差異帶出本課程第二個大問題,就是“與什麼做比較”?

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第七講概述
在指出一些電子密度差異結果與路易斯鍵結理論間的差異後,課程進行到量子力學,藉以尋求對化學鍵的基本認識。波函數Ψ使初級學生感到困惑,但它同樣也使創造量子力學的物理學家們感到困惑。薛定谔方程式藉由Ψ的形狀來計算動能。當Ψ的曲線向零點趨近時,動能為正值;但是當曲線遠離零點時,動能為負值!

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第八講概述
McBride 教授藉由解說波函數曲率大小與系統動能的關系,以及波函數平方與電子機率密度的關系,詳述了近期發展出的波函數觀念。因為波函數在負動能區域不可發散的限制,導致只有特定能量被允許;此特性可用以探索其簡諧振蕩,莫斯勢能和庫侖勢能。考慮質量的影響,而顯示了一個在動力學、能量、振動頻率、及鍵長上的“同位素效應”。

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第九講概述:
McBride 教授在講述如何用雙重最小值位能得出一維鍵結後,接著講述多維波函數。求薛定谔三維微分方程式解可能會是艱巨的工作,事實上卻並非如此;因為必要的公式早在一個多世紀前,即因聲學的發展而建立。聲學“克拉尼”圖形顯示出節點圖形與頻率的關聯性。這個類似性藉由研究“似氫”單電子原子波函數形式得出。將歸一化常數從相似軌域公式中移除,顯現出軌域基本的簡單形狀。

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第十講概述:
到目前為止,關於薛定谔方程式的討論,描述的不是一維系統,就是包含單電子的系統。在討論了核電荷的增加如何影響單電子原子的能量後,接著討論混成軌道。這一講最後描述了一個簡單的事實,就是以單電子軌道無法正確描述多電子系統。

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資源:
McBride教授CHEM 125課程的網站資源(2008年秋季)
http://webspace.yale.edu/chem125_oyc/#L10

第十一講概述
這堂課以講述一些技巧(“有效核電核”及“自洽場”)開場,使我們能將使用軌道理論時,因電子間斥力所產生的誤差近似值做修正。此誤差以“相關能量”命名而隱藏。McBride教授修正J.J.湯姆遜的葡萄干布丁原子模型,用以闡述分子,並合理解釋分子軌道的形狀。甲烷及氨分子軌道,與氖原子軌道有相同數目的質子與中子,其軌道形狀相當近似。動能造成的基本軌道形狀,因質子從氖原子核中被拉出,與氫原子作用而扭曲。

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