Theoretical Chemistry

znajomość podstaw z chemii kwantowej.

przedmiot obowiązkowy

1.Godziny realizowane z udziałem nauczycieli (godziny kontaktowe) 65 h.

2.Praca własna studenta (przygotowanie do laboratorium i egzaminu) 100 h.

Razem: 165 h (5 ECTS)

Student poznaje podstawowe metody i algorytmy numeryczne współczesnej

teoretycznej chemii obliczeniowej z perspektywy zastosowań praktycznych.

(K_W01, K_W02, K_W08 ).

Student wie jakie metody obliczeń struktury, właściwości cząsteczek, reakcji chemicznych, widm IR itd., proponuje współczesna chemia kwantowa. Student powinien wiedzieć jaki jest zakres stosowanych przybliżeń w tych metodach i jak ich używać w praktyce do badania konkretnych zagadnie# chemicznych. Powinien umieć posługiwać się, na poziomie podstawowym, pakietem Gamess, wykonywać obliczenia, analizować wyniki i określać ich jakość.. (K_U01, K_U10)

Student zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego uczenia się przez całe życie; potrafi samodzielnie podjąć działania w celu poszerzania i pogłębiania wiedzy chemicznej. Potrafi współdziałać w zespole i kreatywnie rozwiązywać problemy dotyczące badań naukowych.

Potrafi odpowiednio określić priorytety służące rozwiązaniu określonego przez siebie lub innych problemu chemicznego. Ma świadomość profesjonalizmu, doceniania uczciwości intelektualnej i przestrzegania etyki zawodowej, zarówno w działaniach własnych, jak i innych osób.Potrafi formułować i przedstawiać opinie na temat podstawowych zagadnień chemicznych i osiągnięć w tej dyscyplinie.Potrafi formułować i przedstawiać opinie na temat podstawowych zagadnień chemicznych i osiągnięć w tej dyscyplinie.

K_K01, K_K02, K_K05, K_K06, K_K07

Metody dydaktyczne eksponujące – pokaz.

Metody dydaktyczne podające - wykład informacyjny (konwencjonalny), wykład konwersacyjny.

Metody dydaktyczne poszukujące – laboratorium komputerowe.

Student w czasie każdego cotygodniowego spotkania w laboratorium komputerowym otrzymuje zadania, które wykonuje przy pomocy prowadzącego. W drugiej części zajęć student otrzymuje samodzielne zadanie do wykonania, które jest oceniane.

- pokaz

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

- laboratoryjna

Głównym celem zajęć będzie zaznajomienie się, teoretyczne i praktyczne, studentów z nowoczesnymi metodami obliczeniowymi chemii kwantowej. Część praktyczna, czyli laboratorium komputerowe, oparta będzie na pakietach obliczeniowych GAMESS (obliczenia kwantowochemiczne) oraz NAMD i VMD (dynamika molekularna i projektowanie białek). Wybrano te pakiety obliczeniowe, gdyż są one dostępne bezpłatnie. W czasie zajęć w laboratorium komputerowym studenci zapoznają się z zastosowaniem metod kwantowo-chemicznych do różnorodnych zagadnień chemicznych. Duży nacisk położony będzie na analizę zakresu stosowalności metod, źródeł błędów, oraz ich wady i zalety. W czasie każdych zajęć komputerowych studenci otrzymają samodzielne zadanie do wykonania. Wykonanie tych zadań będzie podstawą zaliczenia.

Treści programowe:

Wykłady:

1. Ogólne wprowadzenie do edytora vi i do systemu Linux (Unix).

2. Ogólne wprowadzenie do pakietu programów Gamess. Przygotowanie inputu do programu Gamess. Określenie struktury cząsteczek przy pomocy macierzy-Z. Molden – graficzna wizualizacja cząsteczek i wyników obliczeń. Wykonywanie obliczeń programem Gamess.

3. Symetria cząsteczek i Teoria Grup. Operacje i elementy symetrii. Systematyczne określanie punktowej grupy symetrii. Reprezentacje grup. Reprezentacje nieprzywiedlne i przywiedlne. Tabele charakterów. Konstrukcja orbitali o zadanej symetrii.

4. Bazy atomowe. Minimalne bazy typu STO-nG. Bazy oparte na funkcjach Gaussa. Bazy prymitywne i skontraktowane. Funkcje polaryzacyjne i dyfuzyjne.

5. Ograniczona zamknięto-powłokowa metoda Hartree-Focka. Otwarto-powłokowe metody Hartree-Focka. Metoda SCF. Obliczenia metodą bezpośredniego SCF (Direct SCF).

6. Znajdowanie minimów i punktów siodłowych na powierzchni energii potencjalnej. Obliczanie gradientów i Hessianów. Metody optymalizacji. Numeryczne i analityczne gradienty. Macierz Hessa, stałe siłowe i częstości drgań harmonicznych. Punkty stacjonarne i siodłowe. Analiza częstości oscylacji. Energia punktu zerowego.

7. Metody obliczeniowe dla dużych układów. Metody efektywnych i modelowych potencjałów wewnętrznych, ECP, MCP. Metody półempiryczne. Przybliżenie zerowego-różniczkowego nakładania. Metody MNDO, AM1, PM3, ZINDO, CNDO.

8. Pojęcie korelacji elektronowej. Metody uwzględniające korelację elektronową. Metoda mieszania konfiguracji z pojedynczymi , podwójnymi i potrójnymi wzbudzeniami (CIS, CISD, CISDT). Metoda Pełnego Mieszania Konfiguracji (FCI). Metoda wielokonfiguracyjna SCF (MCSCF). Wieloreferencyjna metoda mieszania konfiguracji. Ekstensywność i konsystentność wymiarowa metod.

9. Wprowadzenie do metody DFT (Density Functional Theory). Twierdzenie Hohenberga-Kohna. Równanie Kohna-Shama. Przybliżenie lokalnej i nielokalnej gęstości(LDA i NLDA). Jakość wyników metody DFT.

10. Ogólne wprowadzenie do metod opartych na rachunku zaburzeń. Rachunek zaburzeń Mollera-Plesseta, MP2. Właściwości metody MPn. Jakość otrzymywanych wyników.

11. Badanie mechanizmów reakcji chemicznych. Funkcje termodynamiczne. Stałe równowagi i stałe szybkości reakcji. Teoria stanu przejściowego. Lokalizacja stanów przejściowych i drogi reakcji chemicznych. Termochemia w obliczeniach programem Gamess. Obliczanie ciepła reakcji dla różnych wartości temperatur i ciśnienia.

12. Właściwości elektryczne cząsteczek. Momenty multipolowe. Rozwinięcie multipolowe. Właściwości pierwszo- i drugo-rzędowe. Obliczanie stałych sprzężenia . Analiza populacyjna.

13. Oddziaływania międzycząsteczkowe. Metoda supermolekularna. Rachunek zaburzeń o adoptowanej symetrii, SAPT. Fizyczna interpretacja oddziaływań elektrostatycznych, indukcyjnych , dyspersyjnych i wymiennych. Oddziaływania dwu- i trój-ciałowe. Wiązanie wodorowe.

14. Mechanika i dynamika molekularna. Bank Danych Białek. Pole siłowe CHARMM. Symulacje przy użyciu programów VMD i NAMD. Modelowanie i analiza struktury białek.

Laboratorium:

Część praktyczna, czyli laboratorium komputerowe, oparta będzie na pakietach obliczeniowych GAMESS (obliczenia kwantowochemiczne) oraz NAMD i VMD (dynamika molekularna i projektowanie białek). Wybrano te pakiety obliczeniowe, gdyż są one dostępne bezpłatnie. W czasie zajęć w laboratorium komputerowym studenci zapoznają się z zastosowaniem metod kwantowo-chemicznych do różnorodnych zagadnień chemicznych. Duży nacisk położony będzie na zakres stosowalności metod, źródeł błędów, ich wady i zalety. W czasie każdych zajęć komputerowych studenci otrzymają samodzielne zadanie do wykonania. Wykonanie tych zadań będzie podstawą zaliczenia.

1. Frank Jensen, 'Introduction to Computational Chemistry' , Wiley, Germany, 2008.

2. A. Szabo and N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry, Dover, 1996.

3. A. Hinchlife, Modelling molecular structures, Wiley, 2000.

4. A. Hinchliffe, Computational quantum chemistry, Wiley, 1988.

5. C. J. Cramer, Essentials of computational chemistry: theories and models, Wiley, 2002.

Student po ukończeniu zajęć z przedmiotu Chemia Teoretyczna powinien wiedzieć jakie metody obliczeń struktury, właściwości cząsteczek, reakcji chemicznych itp. proponuje współczesna chemia kwantowa. Student powinien wiedzieć jaki jest zakres stosowanych przybliżeń w tych metodach i jak je używać w praktyce do badania konkretnych zagadnień chemicznych. Powinien umieć posługiwać się, na poziomie podstawowym, pakietem Gamess, wykonywać obliczenia, analizować wyniki i określać ich jakość. Studenci poznają też podstawy mechaniki i dynamiki molekularnej. Zastosowanie tych metod do analizy i projektowania białek będzie ilustrowane programami VMD i NAMD.

Wykłady: Egzamin pisemny

Laboratorium: Ocena samodzielnych zadań do wykonania

nie dotyczy