Квантовая химия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан ______________Цупак Е.Б.
"_____"__________________200__ г.
Рабочая программа дисциплины
Квантовая химия
Направление подготовки
020100 Химия
Квалификация (степень) магистр
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону, 2011
Цели освоения дисциплины:
1.
-изучить основные разделы квантовой механики, освоить ее методы;
-научиться описывать состояния микрочастиц и их систем, изменение
этих состояний во времени, уровни энергии систем частиц, их импульсные и
пространственные характеристики как в стационарном состоянии, так и во
времени, а также переходы между состояниями;
-расширить знания о строении атомов и молекул, природе химических
связей, а также движущих силах химической реакции;
-раскрыть связь дисциплины с другими разделами науки
2.Место дисциплины в структуре ООП подготовки специалиста
Курс «Квантовая химия» входит в общенаучный цикл дисциплин и
изучается в 9 семестре.
Курс «Квантовая химия» тесно связан со многими дисциплинами. Его
важнейшей
содержательно-методической
основой
являются
курсы
«Элементарная математика», «Высшая математика», «Общая физика»,
«Общая химия».
Перед изучением курса рекомендуется вспомнить такие разделы
высшей математики, как комплексные числа и функции комплексной
переменной, техника дифференцирования и интегрирования, векторная
алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения. Необходимо также
иметь базовые знания химии, физики.
Освоение «Квантовой химии» необходимо как предшествующее для
таких дисциплин, как «Органическая химия», «Координационная химия»,
«Основы компьютерного моделирования и конструирования лекарственных
препаратов». Понятия и методы, используемые в курсе «Квантовая химия»,
будут применены при выполнении выпускной квалификационной работы.
3.
Компетенции
обучающегося,
освоения дисциплины Квантовая химия
формируемые
в
результате
Изучение дисциплины направлено на частичное формирование
компетенций ОК-1,ОК-6, ПК-1, ПК-2, ПК-5, ПК-10.
Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, будут:
 Знать:
- основные этапы и закономерности развития квантовой механики;
-основные положения и методы данной дисциплины;
-сущность данной дисциплины и ее место среди других разделов
науки.
 Уметь:
-использовать в профессиональной деятельности знания, полученные в
ходе изучения дисциплины;
-на основе расчетов организовать свой труд;
-анализировать полученные результаты, делать необходимые выводы;
-описывать строение атомов и молекул;
-производить расчеты методами данной дисциплины.
 Владеть:
-методами отбора материала по данной дисциплине;
-представлениями о строении вещества;
-методами решения уравнения Шредингера.
4.
Содержание и структура дисциплины.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, из
1
Семестр
№
п/
п
Раздел
Дисциплины
Предмет квантовой
механики.
5
Неделя семестра
них 30 часов - аудиторных.
1
Виды учебной
работы,
включая
самостоятельну
ю работу
студентов и
трудоемкость (в
часах)
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Форма
промежуточно
й аттестации
(по семестрам)
лекция
Сам.р.
2
5
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Математический
аппарат квантовой
механики.
Постулаты квантоваой
механики. Волновые
функции, их свойства.
Оператор Гамильтона.
Соотношение
неопределенностей
Гейзенберга. Теорема
Эренфеста.
Уравнение
Шредингера. Точно
решаемые задачи
квантовой механики.
Водородноподобный
атом. Квантовые
числа.
Приближенные
методы решения
квантовомеханически
х задач
Многоэлектронный
атом
Переходы под
влиянием
электромагнитного
излучения.
Квантовая химия
Методы Хартри и
Хартри-Фока.
Представление МО в
виде ЛКАО.
Классификация
состояний и МО по
симметрии. Расчеты
двухатомных молекул.
МО малых
многоатомных
молекул
Элементы и операции
симметрии. Точечные
группы.
Корреляционные
диаграммы Уолша.
Простой метод
Хюккеля
Гибридизация в базисе
функций s-, p- и dтипов.
Квантовохимическое
5
2
2
5
5
3
2
5
5
4
2
5
5
5
2
5
5
6
2
5
5
7
2
5
5
8
2
5
5
9
2
5
5
10
2
5
5
11
2
5
5
12
2
5
5
13
2
5
Тестовый
контроль
Тестовый
контроль
Тестовый
контроль
14
15
описание химических
реакций.
Принцип ВудвордаХоффмана
Основные
направления развития
квантовой химии.
Методы
компьютерной
квантовой химии.
5
14
2
5
5
15
2
5
Тестовый
контроль
4.1 Содержание курса
Лекционный курс.
Предмет квантовой механики. Основные этапы развития квантовой
теории. Математический аппарат квантовой механики. Операторы, их
свойства. Эрмитовы операторы, их собственные значения и собственные
функции. Вырождение.
Постулаты квантовой механики. Волновые функции, их свойства.
Нормировка волновых функций. Вероятность результатов измерения
физических
величин,
средние
значения
наблюдаемых.
Плотность
вероятности нахождения частиц в элементе объема пространства.
Принцип соответствия и операторы квантовой механики. Оператор
Гамильтона.
Соотношение
неопределенностей
Гейзенберга.
Системы
тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Антисимметрия волновой
функции для системы электронов. Принцип дополнительности Бора. Теорема
Эренфеста.
Уравнение Шредингера. Точно решаемые задачи квантовой механики.
Модельные задачи о прямоугольном ящике и гармоническом осцилляторе.
Жесткий ротатор. Понятие о туннельном эффекте. Модель свободного
электрона. Теорема Гильберта.
Решение уравнения Шредингера для водородоподобного атома.
Атомные орбитали, их радиальные и угловые компоненты. Квантовые числа,
их физический смысл. Теория момента импульса. Спин: операторы,
собственные значения, собственные функции. Правила сложения моментов
импульса. Спин-орбитальное взаимодействие.
Приближенные методы решения квантовомеханических задач. Теория
возмущений для стационарных состояний в отсутствие вырождения
энергетических уровней. Вариационная теорема и линейный и нелинейный
вариационные методы.
Многоэлектронный атом. Квантовые числа многоэлектронного атома.
Термы многоэлектронного атома. Правила Хунда. L,S-связь. Правила и
орбитали Слэтера-Зенера.
Переходы под влиянием электромагнитного излучения. Правила
отбора, коэффициенты Эйнштейна. Влияние внешнего поля. Эффекты
Штарка, Зеемана и Пашена-Бака.
Квантовая
Адиабатическое
химия.
Молекулярное
приближение.
уравнение
Приближение
Шредингера.
Борна-Оппенгеймера.
Вращение системы ядер как целого и колебания ядер. Электронное волновое
уравнение. Электронная плотность и ее изменения при образовании
химических соединений. Подход Бейдера.
Методы Хартри и Хартри-Фока. Самосогласованное поле (ССП).
Уравнения метода ХФ. Представление МО в виде ЛКАО. Уравнения ХартриФока-Рутаана. Базисные функции Слэтера и Гаусса.
Классификация состояний и МО по симметрии. Расчеты двухатомных
молекул.
Корреляционные
диаграммы
двухатомных
молекул.
МО
двухатомных гомо- и гетероядерных молекул. (He2, Li2, Be2, B2, C2, N2, O2, F2,
CO, HF, LiF).
МО малых многоатомных молекул (BeH2, BH3, BF3, NH3, H2O, CH4,
C2H4, NO2).
Элементы и операции симметрии. Точечные группы. Таблицы
характеров.
Разложение
приводимых
представлений.
Оператор
проектирования.
Качественный подход к анализу геометрических конфигураций
различных состояний молекул. Корреляционные диаграммы Уолша. Простой
метод Хюккеля (МОХ) для π-электронных систем. σ- и π-МО. π-Электронное
приближение. Расчеты простейших углеводородных и гетероатомных
сопряженных систем методом МОХ.
Орбитали симметрии и эквивалентные орбитали. Гибридизация в
базисе функций s-, p- и d-типов. Локализованные МО и классическая теория
химического строения.
Квантовохимическое описание химических реакций. Переходное
состояние
на
поверхности
потенциальной
энергии
(ППЭ).
индексы
реакционной способности (ИРС). Теория граничных орбиталей Фукуи. Типы
химических реакций. Согласованные (концертные) и ступенчатые процессы.
Термические и фотохимические реакции.
Сохранение орбитальной симметрии (принцип Вудворда-Хоффмана).
Примеры применения принципа и границы его применимости.
Основные
направления
развития
квантовой
химии.
Методы
компьютерной квантовой химии. Полуэмпирические и неэмпирические
расчеты.
Современные
основные
программные
квантовохимические
комплексы MOPAC, Gaussian, HyperChem.
Самостоятельная работа.
Разделы курса «Квантовая химия» для самостоятельной работы
студентов.
Тема 1. Основные этапы развития квантовой теории. Квантовая химия
как основа современной химической науки.
Тема 4. Жесткий ротатор. Модель свободного электрона.
Тема 5. Решение уравнения Шредингера для точно решаемых задач.
Тема 6. Теория возмущений. Вариационная теорема.
Тема 7. Гелиоподобная задача. L-S связь. Определители Слетера.
Тема 9. Приближение Борна-Оппенгеймера. Подход Бейдера.
Тема 10. Уравнения метода ХФ. Базисные функции Слэтера и Гаусса.
Метод МО ЛКАО
Тема
11.
Корреляционные
Активные формы кислорода.
диаграммы
двухатомных
молекул.
Тема 12. МО малых многоатомных молекул (NH3, H2O).
Тема 14. Диаграмма Уолша для молекулы метана. Расчет молекулы
бутадиена-1,3 по методу Хюккеля.
Тема 18. Основные направления развития квантовой химии. Методы
компьютерной квантовой химии.
5. Образовательные технологии:
В процессе обучения используются традиционные образовательные
технологии
(лекции,
семинары,
практические
работы)
и
активные
инновационные образовательные технологии:
1.
Семинар в диалоговом режиме применяется в основном при
обсуждении выступлений студентов с докладами (рефератами)
2.
Групповой разбор результатов контрольных работ
3.
Встречи
лабораторий
и
с
сотрудниками
предприятий
-
и
руководителями
потенциальными
профильных
работодателями
выпускников.
В целом при изучении курса активные и интерактивные формы
проведения занятий составляют не менее 30% аудиторных занятий.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
При изучении курса студенты самостоятельно прорабатывают учебный
материал по лекциям и учебникам (основная и дополнительная литература).
Перечень тем курса для контроля
1.
Операторы квантовой механики.
2.
Постулаты квантовой механики.
3.
Точно решаемые квантово-механические задачи.
4.
Водородоподобный атом.
5.
Основы теории групп.
6.
Угловой момент.
7.
Приближенные методы квантовой механики.
8.
Спектры и электронные оболочки атомов.
9.
МО двухатомных молекул.
10. МО многоатомных молекул.
11. Метод валентных связей для двухатомных молекул.
12. Электронное строение сопряженных молекул.
13. Метод корреляционных диаграмм Уолша.
14. Концепция локализованных МО. Гибридизация.
15. Реакционная
способность
молекул.
Индексы
реакционной
способности.
16. Методы компьютерной квантовой химии.
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины (модуля).
Основная литература:
1.
Берсукер
И.Б.
Электронное
строение
и
свойства
координационных соединений. Введение в теорию. – Л.: Химия,1986.
2.
Блохинцев А.И. Основы квантовой механики. –М.: Наука, 1976.
3.
Гиллеспи Р. Геометрия молекул. – М.: Мир, 1975.
4.
Дей К. , Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. –М.:
Химия, 1976.
5.
Карапетьянц М.Х. Дракин С.Н. Строение вещества. -М.: Высшая
школа, 1977.
6.
Краснов К.С. Молекулы и химическая связь. –М.: Высшая школа,
7.
Лер Р. , Марчанд А. Орбитальная симметрия в вопросах и
1977.
ответах. –М.: Мир, 1976.
8.
1980.
Маррел Дж. , Кеттл С., Теддер Дж. Химическая связь. –М.: Мир,
9.
Мелешина А. М. Курс квантовой механики для химиков.-М.:
Высшая школа, 1980.
10.
Минкин В.И. , Миняев Р.М.
Неклассические структуры
органических соединений. – Ростов-на-Дону: РГУ,1985.
11.
Минкин В.И., Олехнович Л.П. , Жданов Ю.А. Молекулярный
дизайн таутомерных систем. – Ростов-на-Дону: РГУ,1977.
12.
Минкин В.И. , Миняев Р.М., Симкин Б. Я. Теория строения
молекул. –М.: Высшая школа, 1979.
13.
Минкин В.И. , Миняев Р.М., Симкин Б. Я.. Квантовая химия
органических соединений. Механизмы реакций. –М.: Химия, 1986.
14.
Фларри Р. Квантовая химия. –М.: Мир, 1985.
15.
Харгитаи И., Харгитаи М. Симметрия глазами химика. –М.: Мир,
16.
Папулов Е. Г., Строение молекул. –Тверь: ТГУ, 1995.
17.
Симкин Б.Я., Клецкий М. Е., Глуховцев М.Н. Задачи по
1989.
квантовой теории молекул. – Ростов-на-Дону: РГУ, 1992.
18.
Хофман Р. Строение твердых тел и поверхностей: взгляд химика
– теоретика. –М.: Мир, 1990.
19.
Эткинс П. Кванты. Справочник концепций. –М.: Мир,1997.
20.
Яцимирский К.Б., Яцимирский В.К. Химическая связь. – Киев:
Вища школа, 1976.
21.
Савельев И.В. Курс общей физики, том 3, Санкт-Петербург,
Москва, Краснодар: Лань, 2007.
Дополнительная литература:
1.
Абаренков И.В., Братцев В.Ф., Тулуб А.В. Начала квантовой
химии. –М.: Высшая школа, 1989.
2.
Бальхаузен К. Введение в теорию поля лигандов. –М.: Мир, 1964.
3.
Блюменфельд Л.А., Кукушкин А.К. Курс квантовой химии и
строения молекул. –М.: МГУ, 1980.
4.
Введение в квантовую химию. –М.: Мир, 1982.
5.
Вудворд Р., Хофман Р. Сохранение орбитальной симметрии. –М.:
Мир, 1976.
6.
Давтян О.К. Квантовая химия. –М.: Высшая школа, 1962.
7.
Джаффе Г., Орчин Н. Симметрия в химии. –М.: Мир,1967.
8.
Джилкрист Т., Сторр Р. Органические реакции и орбитальная
симметрия. –М.: Мир, 1976.
9.
Джонсон К. Численные методы в химии. –М.: Мир,1983.
10.
Дмитриев И.С. Молекулы без химических связей. –Л.: Химия,
11.
Дьюар М. Теория молекулярных орбиталей в органической
1980.
химии. –М.: Мир,1972.
12.
Дьюар М., Догерти Р. Теория возмущенных молекулярных
орбиталей в органической химии. –М.: Мир,1977.
13.
Дяткина М.Е. Основы теории молекулярных орбиталей. –М.:
Наука. 1975.
14.
Заградник Р., Полак Р. Основы квантовой химии. –М.: Мир, 1979.
15.
Кларк Т. Компьютерная химия. –М.: Мир, 1990.
16.
Стрейтвизер Э. Теория молекулярных орбит для химиков –
органиков. – М.: Мир, 1965.
17.
Теддер Дж., Нехватал Э. Орбитальная теория в контурных
диаграммах. –М.: Мир, 1988.
18.
Флайгер У. Строение и динамика молекул. –М.: Мир, 1982. Т. 1,2.
19.
Фларри Р. Группы симметрии. Теория и химические приложения.
М.: Мир, 1983.
20.
Футзинага С. Метод молекулярных орбиталей. – М.: Мир, 1983.
21.
Хигаси К., Баба Х., Рембаум А. Квантовая органическая химия. –
М.: Мир, 1967.
22.
Хьюи Дж. Неорганическая химия. Строение вещества и
реакционная способность. – М.: Химия, 1987.
23.
Цюлике Л. Квантовая химия. – М.: Мир, 1976.
Ресурсы интернета:
1. http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/
2. http://www.chemport.ru/?cid=29
3. http://www.pxty.ru/f/otf/quant/method/lectures/lectures.htm
4. http://jarosh.by.ru/science.shtml
5. http://ftp.kinetics.nsc.ru/chichinin/rindex.htm
Поддержка самостоятельной работы и семинарских занятий
(сборники тестов, задач, упражнений и др.).
Симкин Б.Я., Клецкий М.Е., Глуховцев М.Н. Задачи по теории
строения молекул. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1997.
Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул.
Ростов-на-Дону: Феникс, 1997.
Савельев И.В. Курс общей физики, том 3, Санкт-Петербург, Москва,
Краснодар: Лань, 2007.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля):
- лекционные аудитории;
- аудитории для семинарских занятий;
- проекционное оборудование и компьютер;
- интерактивные доски;
Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ
Перечень компьютерных программ, используемых на семинарах
по курсам:
1.
MOPAC (Molecular Orbital PACkage)
Пакет полуэмпирических программ, содержащих MNDO, MINDO/3,
AM1 и PM3 параметризации.
5.
ChemWindow (Bio-Rad Laboratories, Sadtler Division). Программа
для химических презентаций. Изображение 2D и 3D структур, формул
реакций, схем экспериментальных установок, диаграмм, таблиц.
6.
Chemistry Experiments and Exercises (David N. Blauch, Department
of Chemistry, Davidson College). Пакет java-приложений для проведения
виртуальных химических экспериментов, иллюстрации свойств атомных и
молекулярных орбиталей молекул и кристаллической структуры твердых
тел.
7.
Wave Function Explorer (WFE) (Kansas State University, Physics
Education group.
Пакет java- приложений для исследования свойств волновой функции
в одномерном случае.
5. CACAO (Computer Aided Composition of Atomic Orbitals) (Davide M.
Proserpio,Universita di Milano Istituto di Chimica Strutturistica Inorganic). Пакет
расчета электронной структуры и анализа молекулярных орбиталей молекул
в рамках расширенного метода Хюккеля.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению 020100.68 - Химия.
Автор: Клецкий М.Е.
Рецензент: Гулевская А.В.
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ
от ___________ года, протокол № ________.