Modelowanie molekularne metodami chemii kwantowej

przedmiot obligatoryjny

1. Godziny realizowane z udziałem nauczycieli:

udział w wykładach: 20 h

udział w laboratorium i projekty własne 40 h

konsultacje 20 h

2. Praca własna

przygotowanie do wykładu 20 h

przygotowanie do laboratorium 20 h

przygotowanie do egzaminu 30 h

Razem 150 h (6 pkt. ECTS)

W1: Student zna teoretyczne podstawy metod obliczeniowych chemii kwantowej;

W2: Zna dobrze co najmniej jeden pakiet oprogramowania

służący do obliczeń struktury elektronowej , właściwości i reaktywności atomów i cząsteczej; zna relacje pomoędzy wynikami obliczeń teoretycznych a różnymi technikami eksperymentalnymi.

K_W08

U1: Student umie posługiwać się, na poziomie podstawowym, pakietem Gamess USA .

U2: Student potrafi, używając metod teoretycznych, wyznaczać właściwości cząsteczek, w tym spektroskopowe oraz badać ścieżki reakcji chemicznych, świadomie wybrać optymalną metodę ; potrafi samodzielnie przeprowadzić obliczenia , użyć ich do analizy danych eksperymentalnych i w sposób krytyczny ocenić wyniki.

K_U10

K1: Student samodzielnie i efektywnie pracuje z dużą ilością informacji , dostrzega zależności pomiędzy zjawiskami i poprawnie wyciąga wnioski posługując się zasadami logiki.

K2: Myśli twórczo w celu udoskonalenia istniejących bądź stworzenia nowych rozwiązań.

K3: Jest nastawiony na nieustanne zdobywanie wiedzy, umiejętności i doświadczeń; widzi potrzebę ciągłego doskonalenia się i podnoszenia kompetencji zawodowych; zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia.

K4: Pracuje systematycznie i ma pozytywne podejście do trudności stojących na drodze do realizacji założonego celu; dotrzymuje terminów; rozumie konieczność systematycznej pracy nad wszelkimi projektami.

K5: Rozumie znaczenie informatyki i obliczeniowej chemii kwantowej w naukach chemicznych i praktyce.

K6: W pełni samodzielnie realizuje uzgodnione cele, podejmując samodzielne i czasami trudne decyzje; potrafi samodzielnie wyszukiwać informacje w literaturze fachowej.

K_K01, K_K02, K_K03, K_K05, K_K06, K_K07

Wykład oparty będzie przede wszystkim na przygotowanych specjalnie do zajęć notatkach wykładowców i uzupełniony o podaną literaturę. Wykłady prowadzone będą w różnej formie; wykład przy tablicy, slajdy, ilustracje numeryczne i graficzne. Zajęcia w laboratorium, czyli pracowni komputerowej, będą praktyczną ilustracją tematyki wykładów. Każde zajęcia w pracowni komputerowej będą składały się z dwóch części. Pierwsza część polegać będzie na pracy wspólnie z prowadzącym zajęcia a druga na pracy samodzielnej.

Głównym celem zajęć będzie zaznajomienie się, teoretyczne i praktyczne, studentów z nowoczesnymi metodami obliczeniowymi chemii kwantowej. Część praktyczna, czyli laboratorium komputerowe, oparta będzie na pakiecie obliczeniowym GAMESS

Wykłady:

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

• 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.

• 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.

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

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

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

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

Laboratorium

Część praktyczna, czyli laboratorium komputerowe, oparta będzie na pakiecie obliczeniowym GAMESS Wybrano pakiet obliczeniowy GAMESS, gdyż jest on dostępny 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 samodzielny projekt do wykonania. Wykonanie tych projektów będzie podstawą zaliczenia.

1. Lucjan Piela, Ideas of Quantum Chemistry, Elsevier, London, 2007.

2. Frank Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, Germany, 2008.

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

4. A. Hinchliffe, Modelling molecular structures, Wiley, 2000.

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

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

W1: Student zna teoretyczne podstawy metod obliczeniowych chemii kwantowej;

W2: Zna dobrze co najmniej jeden pakiet oprogramowania

służący do obliczeń struktury elektronowej , właściwości i reaktywności atomów i cząsteczej; zna relacje pomoędzy wynikami obliczeń teoretycznych a różnymi technikami eksperymentalnymi.

K_W08

U1: Student umie posługiwać się, na poziomie podstawowym, pakietem Gamess USA .

U2: Student potrafi, używając metod teoretycznych, wyznaczać właściwości cząsteczek, w tym spektroskopowe oraz badać ścieżki reakcji chemicznych, świadomie wybrać optymalną metodę ; potrafi samodzielnie przeprowadzić obliczenia , użyć ich do analizy danych eksperymentalnych i w sposób krytyczny ocenić wyniki.

K_U10

K1: Student samodzielnie i efektywnie pracuje z dużą ilością informacji , dostrzega zależności pomiędzy zjawiskami i poprawnie wyciąga wnioski posługując się zasadami logiki.

K2: Myśli twórczo w celu udoskonalenia istniejących bądź stworzenia nowych rozwiązań.

K3: Jest nastawiony na nieustanne zdobywanie wiedzy, umiejętności i doświadczeń; widzi potrzebę ciągłego doskonalenia się i podnoszenia kompetencji zawodowych; zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia.

K4: Pracuje systematycznie i ma pozytywne podejście do trudności stojących na drodze do realizacji założonego celu; dotrzymuje terminów; rozumie konieczność systematycznej pracy nad wszelkimi projektami.

K5: Rozumie znaczenie informatyki i obliczeniowej chemii kwantowej w naukach chemicznych i praktyce.

K6: W pełni samodzielnie realizuje uzgodnione cele, podejmując samodzielne i czasami trudne decyzje; potrafi samodzielnie wyszukiwać informacje w literaturze fachowej.

K_K01, K_K02, K_K03, K_K05, K_K06, K_K07

Egzamin pisemny i zaliczenie laboratorium w oparciu o projekty własne.