PřF:C9920 Úvod do kvantové chemie - Informace o předmětu

C9920 Úvod do kvantové chemie

Rozsah

2/1/0. 3 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučováno kontaktně

Vyučující

doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (přednášející)
Mgr. Hugo Semrád, Ph.D. (cvičící)
Bc. et Bc. Lukáš Volejníček (pomocník)

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

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 8 mateřských oborů, zobrazit

Anotace

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.

Klíčová témata

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

Studijní zdroje a literatura

povinná literatura
• LOWE, John P. a Kirk A. PETERSON. Quantum chemistry. 3rd ed. Amsterdam: Elsevier, 2006, xxii, 703. ISBN 012457551X. info

doporučená literatura
• 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

Přístupy, postupy a metody používané ve výuce

Přednášky, cvičení, konzultace.

Způsob ověření výstupů z učení a požadavky na ukončení

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.

Odkaz a informace vyučujících

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

Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.

Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů

• C9930 Metody kvantové chemie
  C9920  

• Statistika zápisu (nejnovější)
  
• Permalink: https://is.muni.cz/predmet/sci/podzim2026/C9920