C9920: Úvod do kvantové chemie a elektronové struktury molekul

                                  Sylabus pro období podzim 2015



1.                  ÚVOD DO STRUKTURY ATOMŮ A MOLEKUL

1.1     Základní pojmy kvantové mechaniky

1.1.1        Co je kvantová mechanika (QM) a na čem je založena?

1.1.2        Stav systému v klasické a kvantové mechanice

1.1.3        Pojem funkce jedné proměnné, Postulát o vlnové funkci

1.1.4        Jak získat informace obsažené v Ψ?

1.1.5        Dodatek k Postulátu o vlnové funkci: Bornova pravděpodobnostní interpretace

1.1.6        Hodnoty fyzikálních veličin, operátory, vlastní funkce a vlastní hodoty

1.1.7        Důležité QM operátory

1.1.8        Postulát o operátorech

1.1.9        Základní vlastnosti QM operátorů

1.2     Atom vodíku

1.2.1        Schrödingerova rovnice pro elektron v poli jádra

1.2.2        Symetrie problému, sférické polární souřadnice, atomové jednotky

1.2.3        Dovolené hodnoty energie a atomová spektra

1.2.4        Názvosloví vlnových funkcí

1.2.5        Popis vlastních funkcí

(a)              Analytický tvar

(b)              Funkce 1s (n = 1, l = 0, m = 0) a 2s (n = 2, l = 0, m = 0)

(c)              Funkce 2p (n = 2, l = 0, m = +1, 0, −1)

(d)              Radiální hustota pravděpodobnosti

1.3    Atomy s více elektrony

1.3.1    Orbitální aproximace, součet energií orbitalů vs. celková energie

1.3.2    Matematický popis a názvosloví atomových orbitalů

1.3.3    Výměnná symetrie VF, elektronový spin

1.3.4    Elektronová konfigurace Li, antisymetrie VF

1.3.5    Elektronové konfigurace atomů

(a)   Pauliho princip výlučnosti

(b)   Aufbau proces, Klechowského pravidlo

1.3.6    Hundovo pravidlo

1.3.7    Vnitřní a valenční elektrony

1.3.8    Elektronové parametry mnohaelektronových atomů

            (a)   Stínění

            (b)   Efektivní náboj: Slaterova pravidla

            (c)  Orbitální poloměry a velikost atomu

1.3.9    Vývoj atomových vlastností v periodické tabulce

            (a)  Trendy v efektivních nábojích vnímaných valenčními elektrony

            (b)  Trendy v atomových poloměrech

            (c)  Trendy v orbitálních energiích

1.3.10  Vztahy k měřitelným vlastnostem

            (a)  Ionizační potenciál a elektronová afinita

            (c)  Škály elektronegativity

2.                  VÝSTAVBA MO A ELEKTRONOVÁ STRUKTURA

2.1     Interakce dvou atomových orbitalů na různých centrech

2.1.1        Základní aproximace:

(a)    Bornova-Oppenheimerova

(b)   Orbitální

(c)     MO-LCAO

2.1.2        Konstrukce MO

(a)    Interakce dvou identických AO

(b)   Interakce dvou různých AO

(c)    Orbitaly s nulovým překryvem

2.1.3        Aplikace na některé jednoduché dvouatomové molekuly

(a)    Pravidla pro zaplňování hladin

(b)   Systémy se 2, 4, 1 a 3 elektrony

2.1.4        Překryv a symetrie

(a)    Překryv 1s/1s, p-překryv 2p/2p, překryv 1s/2p

(b)   Překryvové integrály nulové díky symetrii

(c)    Elementy symetrie

2.1.5    Aplikace konceptů symetrie na některé polyatomické molekuly

(a) s/p separace

(b) p MO ethylenu a formaldehydu

2.2     Metoda fragmentrových molekulových orbitalů

2.2.1        MO některých modelových systémů, H[n]

(a)    Čtvercově planární a obdélníková H[4]

(b)   Lineární H[3]

(c)    Lineární H[4]

(d)   Triangulární H[3]

(e)    Tetraedrální H[4]

(f)     Hexagonální H[6]

2.2.2        Vliv elektronegativity na tvar a energii MO

2.3     Interakce mezi dvěma fragmentovými orbitaly

2.3.1        Lineární molekuly AH[2]

(a)    Symetrické[ ]vlastnosti fragmentových orbitalů

(b)   MO lineární AH[2] a aplikace na BeH[2]

2.3.2        Trigonálně planární molekuly AH[3]

(a)    Symetrické[ ]vlastnosti fragmentových orbitalů

(b)   MO trigonálně planární AH[3] a aplikace na BH[3]

2.3.3        Tetraedrální molekuly AH[4]

(a)    Symetrické[ ]vlastnosti fragmentových orbitalů

(b)   MO tetraedrální AH[4] a aplikace na CH[4]


2.4     Interakce mezi třemi fragmentovými orbitaly

2.4.1        Pravidla pro interakci tří orbitalů

(a)    Formulace problému

(b)   Pravidla pro konstrukci MO

2.4.2        Elektronová struktura molekul AH

(a)    Formulace problému a tvary MO

(b)   Elektronová struktura LiH, BH a FH

2.4.3        Lomené molekuly AH2

(a)    Symetrie fragmentových orbitalů

(b)   Interakční diagram a MO pro H[2]O

2.4.4        Pyramidální molekuly AH3

(a)    Symetrie fragmentových orbitalů

(b)   Interakční diagram a MO pro NH[3]

2.5     Interakce mezi čtyřmi  fragmentovými orbitaly

2.5.1        Homonukleární diatomické molekuly A[2]

2.5.2        Heteronukleární diatomické molekuly AB

2.6     Velké molekuly

2.6.1        MO acetylenu, ethylenu a ethanu

2.6.2        Konjugované polyeny

3.                 ÚVOD DO STUDIA GEOMETRIE A REAKTIVITY

3.1    Orbitální korelační diagramy: Modelové systémy H[3]^+ a H[3]^-

3.1.1    Pravidla pro kreslení orbitálních korelačních diagramů

3.1.2    Orbitální korelační diagram pro ohýbání H[3]

3.1.3    Geometrie H[3]^+

3.1.4    Geometrie H[3]^− a pravidlo nejvyššího obsazeného MO

3.2    Geometrie molekul AH[2] a AH[3]

3.2.1    Molekuly AH[2]

(a) Orbitální korelační diagram mezi lineární a lomenou strukturou

(b) Geometrie molekul AH[2]

3.2.2    Molekuly AH[3]

(a) Orbitální korelační diagram mezi trigonální a pyramidální strukturou

(b) Geometrie molekul AH[3]

3.3    Úvod do studia chemické reaktivity

3.3.1    Popis chemické reakce

3.3.2    Aproximace hraničních orbitalů

3.3.3    Cykloadiční reakce


Literatura:

Y. Jean, F. Volatron, An Introduction to Molecular Orbitals, Oxford University Press, Oxford, 1993.

John P. Lowe: Quantum Chemistry - 2nd ed, Academic Press, San Diego, California, 1993.

Obě učebnice budou zveřejněny ve studijních materiálech ISu.


Zkouška: Písemná + ústní v rámci řádného ZK období.