C9920 Úvod do kvantové chemie

Přírodovědecká fakulta
podzim 2023
Rozsah
2/1/0. 3 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (přednášející)
Mgr. Hugo Semrád, Ph.D. (cvičící)
Garance
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Čt 12:00–13:50 B11/305
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
C9920/01: Út 16:00–16:50 A08/309, H. Semrád
C9920/02: Út 17:00–17:50 A08/309, H. Semrád
Předpoklady
Jakýkoli z VŠ kurzů matematiky, stačí v rozsahu běžném pro studenty CH nebo BCH, včetně matematiky pro studenty programu se zaměřením na vzdělávání.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
předmět má 7 mateřských oborů, zobrazit
Cíle předmětu
Jedná se o jednosemestrální uvedení do problematiky základů metod kvantové chemie a jejich aplikace na reprodukci, interpretaci a predikci experimentálních dat pro reálné chemické systémy. Kurz je zaměřen na poskytnutí teoretického základu potřebného pro studenty, kteří uvažují o využití metod kvantové chemie ve svých vlastních výzkumných úkolech nebo kteří tak již činí. Využití matematiky je omezeno na nezbytné minimum; základní kvantově-mechanické koncepty jsou zavedeny v rámci přednášky na konkrétních příkladech. Hlavním cílem předmětu je pochopení základních konceptů kvantové mechaniky na jednoduchých reálných chemických systémech; dále pak osvojení principu výpočetní metody HMO a osvojení základních pravidel kvalitativní teorie MO.
Výstupy z učení
Na konci kurzu budou mít studenti následující dovednosti: porozumění základním kvantově chemickým konceptům; pochopení principů výpočetní kvantové chemie a vytváření orbitálně-interakčních diagramů jednoduchých reálných molekul.
Osnova
  • 1. Základní pojmy kvantové mechaniky 1.1 Co je kvantová mechanika (QM), stav systému v klasické a kvantové mechanice 1.2 Pojem funkce jedné proměnné, Postulát o vlnové funkci 1.3 Jak získat informace obsažené v Ψ? 1.4 Dodatek k Postulátu o vlnové funkci: Bornova pravděpodobnostní interpretace 1.5 Hodnoty fyzikálních veličin, operátory, vlastní funkce a vlastní hodoty 1.6 Důležité QM operátory 1.7 Postulát o operátorech, základní vlastnosti QM operátorů 2. Atom vodíku 2.1 Schrödingerova rovnice pro elektron v poli jádra 2.2 Symetrie problému, sférické polární souřadnice, atomové jednotky 2.3 Dovolené hodnoty energie a atomová spektra 2.4 Názvosloví vlnových funkcí 2.5 Popis vlastních funkcí: Funkce 1s, 2s a 2p 2.6 Radiální hustota pravděpodobnosti 3. Atomy s více elektrony 3.1 Orbitální aproximace, součet energií orbitalů vs. celková energie 3.2 Matematický popis a názvosloví atomových orbitalů 3.3 Výměnná symetrie VF, elektronový spin 3.4 Elektronová konfigurace Li, antisymetrie VF (Pauliho princip) 3.5 Elektronové konfigurace atomů: Aufbau proces, Klechowského pravidlo 3.6 Hundovo pravidlo, vnitřní a valenční elektrony 3.7 Parametry mnohaelektronových atomů: Stínění, efektivní náboj a Slaterova pravidla, Orbitální poloměry a velikost atomu 3.8 Vývoj atomových vlastností v PT– efektivní náboje, atomové poloměry, orbitální energie 3.9 Vztahy k měřitelným vlastnostem: Ionizační potenciál a elektronová afinita, elektronegativita 4. Interakce dvou atomových orbitalů na různých centrech 4.1 Základní aproximace: Bornova-Oppenheimerova, orbitální, MO-LCAO 4.2 Konstrukce MO: Interakce dvou identických AO, interakce dvou různých AO, orbitaly s nulovým překryvem 4.3 Aplikace na některé jednoduché dvouatomové molekuly: Pravidla pro zaplňování hladin, systémy se 2, 4, 1 a 3 elektrony 4.4 Překryv a symetrie: Překryv 1s/1s, překryv 2p/2p, překryv 1s/2p, překryvové integrály nulové díky symetrii, elementy symetrie 4.5 Aplikace konceptů symetrie na některé polyatomické molekuly: / separace, MO ethylenu a formaldehydu 5. Metoda fragmentových molekulových orbitalů (FMO), interakce mezi dvěma FMO 5.1 MO některých modelových systémů, Hn: Čtvercově planární a obdélníková H4, lineární H3 a H4, triangulární H3, tetraedrální H4, hexagonální H6 5.2 Vliv elektronegativity na tvar a energii MO 5.3 Lineární molekuly AH2: symetrické vlastnosti fragmentových orbitalů, MO a aplikace na BeH2 5.4 Trigonálně planární molekuly AH3: symetrické vlastnosti FMO, MO a aplikace na BH3 5.5 Tetraedrické molekuly AH4: Symetrické vlastnosti fragmentových FMO, MO a aplikace na CH4 6. Interakce mezi třemi fragmentovými orbitaly 7.1 Pravidla pro interakci tří orbitalů: formulace problému, pravidla pro konstrukci MO 7.2 Elektronová struktura molekul AH: formulace problému a tvary MO, elektronová struktura LiH, BH a FH 7.3 Lomené molekuly AH2: symetrie FMO, interakční diagram a MO pro H2O 7.4 Pyramidální molekuly AH3: symetrie FMO, interakční diagram a MO pro NH3 7. Interakce mezi čtyřmi fragmentovými orbitaly a MO velkých molekul 7.1 Homonukleární diatomické molekuly A2 7.2 Heteronukleární diatomické molekuly AB 7.3 MO acetylenu, ethylenu a ethanu 7.4 Konjugované polyeny 8. Orbitální korelační diagramy: Modelové systémy H3+ a H3- 8.1 Pravidla pro kreslení orbitálních korelačních diagramů 8.2 Orbitální korelační diagram pro ohýbání H3 8.3 Geometrie H3+ 8.4 Geometrie H3− a pravidlo nejvyššího obsazeného MO 9. Geometrie molekul AH2 a AH3 9.1 Molekuly AH2: Orbitální korelační diagram mezi lineární a lomenou strukturou 9.2 Geometrie molekul AH2 9.3 Molekuly AH3: Orbitální korelační diagram mezi trigonální a pyramidální strukturou, geometrie molekul AH3 10. Úvod do studia chemické reaktivity 3.3.1 Popis chemické reakce 3.3.2 Aproximace hraničních orbitalů 3.3.3 Cykloadiční reakce
Literatura
    doporučená literatura
  • LOWE, John P. Quantum chemistry. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993, xx, 711. ISBN 0124575552. info
  • JEAN, Yves a François VOLATRON. An introduction to molecular orbitals. Edited by Jeremy K. Burdett. New York: Oxford University Press, 1993, xiv, 337. ISBN 0195069188. info
Výukové metody
Přednášky, cvičení, konzultace.
Metody hodnocení
Písemná zkouška založená ze 75% na praktických dovednostech procvičených v semináři, z 25% z odpřednášené teorie. Teoretické otázky budou motivovány úlohami "Multiple-choice questions" na konci kapitol Loweho učebnice z oblastí, které probereme. Studenti mají možnost dobrovolně absolvovat ústní dozkoušení, při němž známka z písemné části může být zlepšena nebo nezměněna, nemůže být zhoršena.
Informace učitele
Co nejkonkrétnější vyjádření ke kurzu (po jeho skončení a uzavření zkouškou) prostřednictvím Předmětové ankety ISu je maximálně vítáno. Anonymní odpovědi budou průběžně zveřejňovány v ISu.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2010 - akreditace, podzim 2008, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, podzim 2012, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2024.