Chemia kwantowa II - Wydział Chemii UMK

CHEMIA KWANTOWA II
Rok akademicki 2009/2010, semestr zimowy
Wyklad: 30 godz. Ćwiczenia w grupach: 30 godz.
Wyklad: wtorki, godz. 10:15 – 12:45, Aula II
Zalożenia ogólne
Przedmiot Chemia kwantowa II jest przedmiotem obowia̧zkowym dla studentów 4 roku studiów 5–letnich
oraz studentów 1 roku studiów magisterskich. Kurs Chemia Kwantowa II zaklada opanowanie w stopniu
co najmniej dostatecznym materialu z zakresu matematyki, fizyki, Podstaw Chemii Teoretycznej, i Chemii
Kwantowej I, zgodnie z obowia̧zuja̧cymi standardami nauczania w zakresie tych przedmiotów.
Wyklad bedzie prowadzony w wymiarze okolo 115 min tygodniowo. W konsekwencji planowane jest
zakończenie wykladów nie później niż w polowie stycznia 2010 r. Egzamin pisemny odbedzie sie w dniu
1 lutego 2010 r w Hali Technologicznej WCh UMK, w godzinach 10:00 – 13:00.
Elementami skladowymi kursu Chemia kwantowa II sa̧: wyklad, ćwiczenia oraz uzupelniaja̧ce studia
wlasne podlug podanej literatury przedmiotu. Podany niżej program ogólny wykladu bedzie uzupelniany
w każdym tygodniu zajȩć wykazem tematów objȩtych kolejnym wykladem oraz informacjami na temat
literatury dodatkowej, której opanowanie konieczne jest przed kolejnymi ćwiczeniami.
Ćwiczenia w n-tym tygodniu zajȩć zobowia̧zuja̧ do co najmniej dostatecznego opanowania calości materialu wszystkich poprzednich wykladów (tygodnie zajȩć 1 do n-1). Ćwiczenia bȩda̧ regularnie poprzedzane
krótkim sprawdzianem pisemnym nabytej wiedzy. Bardziej dokladne informacje, dotycza̧ce ćwiczeń oraz
zasad oceny postȩpów i zaliczenia ćwiczeń podane zostana̧ oddzielnie. Zasady te ustala prowadza̧cy
ćwiczenia.
Zaliczenie przedmiotu
Kurs Chemia Kwantowa II zakończony zostanie egzaminem pisemnym. Zaliczenie kursu chemii kwantowej obejmuje zaliczenie ćwiczeń i zdanie egzaminu pisemnego. Ćwiczenia i egzamin oceniane bȩda̧
niezależnie w skali 100–punktowej każde. Do zaliczenia ćwiczeń wymagane jest uzyskanie minimum 50
punktów na 100 możliwych. Jest to warunek umożliwiaja̧cy przysta̧pienie do egzaminu pisemnego i zaliczenie przedmiotu jako calości. Ostateczna ocena stanowi sumȩ punktów uzyskanych z ćwiczeń (z waga̧
0.4) i punktów uzyskanych z egzaminu pisemnego (z waga̧ 0.6). Minimum zaliczaja̧ce przedmiot wynosi
50 punktów sumarycznych (na 100 możliwych).
Osoby, które z ćwiczen uzyskaja̧ ocenȩ nie niższa̧ niż dobra, tj. co najmniej 66 % punktów, zostaja̧
zwolnione z egzaminu pisemengo z wpisem oceny uzyskanej przy zaliczeniu ćwiczeń.
Obowia̧zuja̧ca literatura uzupelniaja̧ca
(LP): L. Piela, Idee chemii kwantowej, Warszawa, PWN 2003.
(WK): W. Kolos, Chemia kwantowa, Warszawa, PWN 1978.
Ogólny program zajȩć i studiów wlasnych
1. Mechanika klasyczna: opis ukladu wielu cza̧stek, równania ruchu, funkcja Lagrange’a i funkcja
Hamiltona. Elementy elektrostatyki: oddzialywanie kulombowskie, potencjal i energia potencjalna
ukladu ladunków. Równanie fali.
2. Teoria kwantów i jej geneza: hipoteza Plancka, teoria Bohra, hipoteza de Broglie’a i dualizm
falowo–korpuskularny. Zasada nieoznaczoności Heisenberga.
3. Postulaty mechaniki kwantowej. Równanie Schrödingera, funkcja falowa i jej interpretacja.
Mechanika kwantowa stanów stacjonarnych.
4. Proste modele kwantowo–mechaniczne i ich rozwia̧zania: cza̧stka swobodna, cza̧stka w jamie potencjalu, uklad dwóch mas punktowych, oscylator harmoniczny i rotator sztywny.
5. Mechanika kwantowa elektronu w polu kulombowskim. Rozwia̧zania równania Schrödingera dla
atomu wodoru i jonów wodoropodobnych. Orbitale atomowe i ich ksztalty.
6. Metody przybliżone chemii kwantowej: metoda wariacyjna, rachunek zaburzeń.
7. Przybliżenie jednoelektronowe w ukladach wieloelektronowych. Spin i spinorbitale. Wieloelektronowa funkcja falowa: warunki symetrii, wyznacznik Slatera. Metoda Hartree-Focka.
8. Struktura elektronowa atomów wieloelektronowych. Konfiguracje elektronowe atomów. Termy
atomowe i ich wyznaczanie. Reguly Hunda.
9. Niedostatki modelu jednoelektronowego. Korelacja elektronowa. Metoda mieszania konfiguracji.
10. Przyblizenie Borna–Oppenheimera. Energia elektronowa, oscylacyjna i rotacyjna molekuly.
Widma rotacyjne i oscylacyjne molekul.
11. Hamiltonian elektronowy. Struktura elektronowa jonu molekularnego H+
2 . Orbitale molekularne.
12. Przybliżenie jednoelektronowe w molekulach. Teoria orbitali molekularnych. Przybliżenie LCAO.
13. Struktura elektronowa homo– i heteroja̧drowych molekul dwuatomowych. Diagramy energetyczne.
Konfiguracja elektronowa.
14. Teoria wia̧zań walencyjnych. Molekula H2 w modelu teorii wia̧zań walencyjnych. Wia̧zanie
chemiczne.
15. Teoria wia̧zań skierowanych i geometria prostych molekul wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali
atomowych.
16. Przybliżenie MO dla molekul wieloatomowych. Teoria struktury elektronowej ukladów π–
elektronowych. Metoda Hückela. Analiza wyników metody Hückla: gȩstość elektronowa, rza̧d
wia̧zania, wolna wartościowość. Indeksy reaktywności.
Szczególowy program wykladów.
Wyklad #1 (dn. 06.10.2009)
Repetytorium z zakresu podstawowych pojȩć mechaniki klasycznej oraz teorii ruchu falowego: opis ukladu fizycznego, charakterystyka cza̧stek, sily, równania ruchu, pȩd, energia kinetyczna, sily potencjalne,
potencjal i energia potencjalna. Uklady zachowawcze i prawa zachowania.
Obowia̧zuja̧ce uzupelnienia. WK: Uzup. B, C.
Wyklad #2 (dn. 13.10.2009)
Źródla teorii kwantów: hipoteza Plancka, fotony, energia i pȩd fotonu. Model Bohra i jego konsekwencje. Hipoteza de Broglie’a. Energia i pȩd cza̧stki swobodnej oraz dlugość fali de Broglie’a. Dualizm
falowo–korpuskularny i dedukcja równania ruchu w mechanice kwantowej. Stan ukladu w mechanice
kwantowej. Pojȩcie funkcji falowej ukladu. Model ukladu kwantowo–mechanicznego i wynik pomiaru.
Pierwszy postulat mechaniki kwantowej i warunki ograniczaja̧ce postać funkcji falowej. Rozklad gȩstości
prawdopodobieństwa znalezienia cza̧stki.
Obowia̧zuja̧ce uzupelnienia. LP: Rozdz. 1, str. 1 – 19, zad. 1, 2; WK: Rozdz. 2, Rozdz. 3.1 – 3.2,
Uzup. D, zad. 3.1 – 3.6.