Kierunek i poziom studiów: Chemia, poziom pierwszy Sylabus modułu

Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
str. 1
Kierunek i poziom studiów: Chemia, poziom pierwszy
Sylabus modułu: Moduł B związany ze specjalnością 0310-CH-S1-029
Nazwa wariantu modułu (opcjonalnie): Chemia obliczeniowa. Podstawy 0310-CH-S1-051
1. Informacje ogólne
koordynator modułu
rok akademicki
semestr
forma studiów
sposób ustalania
oceny końcowej
modułu
informacje
dodatkowe
Dr hab. Tadeusz Pluta
2014/15
5
studia I stopnia - stacjonarne
Średnia ważona ocen z egzaminu (65%) i ćwiczeń laboratoryjnych (35%)
2. Opis zajęć dydaktycznych i pracy studenta
Nazwa:
Wykład
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
Kod:
0310-CH-S1-051_fs_1
dr hab. Tadeusz Pluta
Studenci specjalności chemia informatyczna
1. Wprowadzenie: podstawowe idee i metody chemii kwantowej. Pojęcia
podstawowe: teoria, symulacja, modelowanie, modelowanie molekularne.
Poziomy przybliżeń w chemii kwantowej: obliczenia ab initio, pół-empiryczne,
empiryczne. Mechanika molekularne, dynamika molekularna. Krótki przegląd
formalizmu mechaniki kwantowej i zastosowań: cząstka swobodna w pudle,
oscylator harmoniczny, oscylator Morse’a, rotator sztywny, atom wodoru.
Podstawowe przybliżenia w chemii kwantowej: przybliżenie BornaOppenheimera, powierzchnia energii potencjalnej (PES), punkty stacjonare na
PES i ich znaczenie fizyczne, przybliżenie jedno-elektronowe, metoda
wariacyjna Ritza, metoda Hartree-Focka (HF), wersja RHF i UHF, metoda HF dla
liniowych kombinacji funkcji bazy, wersja algebraiczna metoda Hartree-FockaRoothaana. Pojęcie bazy funkcyjnej, przykłady. Realizacja ab initio i półempiryczna metody HF. (2 godziny)
2. Geometria układów molekularnych: optymalizacja geometrii, minima lokalne i
globalne, metody optymalizacji geometrii, analiza konformacyjna,
optymalizacja stanów przejściowych, analiza wibracyjna - częstotliwość drgań
normalnych. (2 godziny)
3. Struktura elektronowa: orbitale molekularne (MO), energia orbitalna,
twierdzenie Koopmansa, przerwa energetyczna HOMO-LUMO, orbitale
kanoniczne HF, orbitale zlokalizowane, gęstość elektronowa, analiza
populacyjna, interpretacja fizyczna i ograniczenia, analiza rozkładu gęstości
elektronowej, teoria Atomów w Molekule (AIM) - interpretacja. (2 godziny)
4. Własności molekularne. Ogólna charakterystyka własności molekularnych i ich
znaczenie fizyko-chemiczne. Wprowadzenie do rachunku zaburzeń. Własności
elektryczne: cząsteczka w zewnętrznym polu elektrycznym, momenty
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
metody
prowadzenia
zajęć
liczba godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba godzin
pracy własnej
studenta
opis pracy
własnej
studenta
str. 2
multipolowe, polaryzowalność i hiperpolaryzowalności, własności statyczne i
dynamiczne. Własności optyczne: polaryzowalność dynamiczna i jej związek z
energią przejść elektronowych. Własności magnetyczne: magnetyzowalność,
parametry widm NMR: stałe ekranowania, stałe sprzężenia spin-spinowego,
parametry widm EPR. (2 godziny)
5. Praktyczny aspekt obliczeń kwantowo-chemicznych: pakiet obliczeniowy
GAMESS. Przygotowanie danych do obliczeń: wprowadzenie geometrii, wybór
bazy funkcyjnej, wybór metody obliczeniowej, interpretacja wyników. (1
godzina)
6. Metody funkcjonałów gęstości (DFT): gęstość elektronowa jako podstawowa
wielkość fizyko-chemiczna. Twierdzenia Kohna i metoda Kohna-Shama.
Hierarchia funkcjonałów, funkcjonał korelacyjno-wymienny. Praktyczny aspekt
obliczeń metodą DFT. Porównanie metod ab initio i DFT, obliczenia dla dużych
układów. (2 godziny)
7. Metody chemii kwantowej uwzględniające korelację elektronową. Pojęcie
energii korelacji elektronowej i jej znaczenie dla jakości uzyskanych wyników.
Metoda mieszania konfiguracji CI, metody perturbacyjne MPn, metoda
sprzężonych klasterów (CC). Zagadnienie wyboru właściwej metody
obliczeniowej, skalowanie. (2 godziny)
8. Modelowanie dużych układów: mechanika molekularna, przegląd
najważniejszych pól siłowych, metody hybrydowe QM/MM. Modelowanie
obecności rozpuszczalnika: modele dyskretne, metody continuum. Dynamika
molekularna: dynamika Borna-Oppenheimera, metoda Car-Parrinello. (2
godziny)
Jak w opisie modułu
15
10
Praca ze wskazaną literaturą przedmiotu obejmująca samodzielne przyswojenie
wiedzy odnośnie wskazanych zagadnień na wykładzie.
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
Wykłady prowadzone przez 7 tygodni po 2 godziny, ostatni ósmy wykład 1 godzinny.
literatura
uzupełniająca
adres strony
www zajęć
informacje
dodatkowe
C.J. Cramer Essentials of Computational Chemistry, Wiley 2004
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
nazwa
Laboratorium
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
metody
prowadzenia
zajęć
liczba godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba godzin
pracy własnej
studenta
opis pracy
własnej
studenta
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
literatura
uzupełniająca
adres strony
www zajęć
informacje
dodatkowe
str. 3
Kod
0310-CH-S1051_fs_2
Dr hab. Tadeusz Pluta
Studenci specjalności chemia informatyczna
1. Program GAMESS. Wpisywanie danych, wykonanie obliczeń, analiza
przykładów i instrukcji on-line. Analiza wyników: energii i orbitali
molekularnych. Wizualizacja orbitali molekularnych.
2. Podstawowe obliczenia metodą HF i DFT: wybór bazy funkcyjnej, posługiwanie
się bazą PNL, analiza przerwy HOMO-LUMO, energia jonizacji cząsteczki,
analiza wyników analizy populacyjnej.
3. Obliczenia z wykorzystaniem zaawansowanych metod chemii kwantowej: MP2
i CCSD(T). Wybór bazy funkcyjnej, porównanie energii wynikami metody HF.
4. Optymalizacja geometrii: wyznaczanie minimum lokalnego. Gradient i hesjan
molekularny. Obliczanie częstotliwości drgań normalnych.
5. Wyznaczanie polaryzowalności molekularnej: porównanie wyników metod ab
initio i DFT, wybór odpowiedniej bazy. Wyznaczanie własności elektrycznych
wyższych rzędów, interpretacja wyników.
6. Przykładowe obliczenia QM/MM, wizualizacja wyników i ich interpretacja.
Jak w opisie modułu
15
60
Przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych , przygotowanie sprawozdań do ćwiczeń
Zajęcia laboratoryjne przez 6 tygodni po 2 godziny tygodniowo, zajęcia pierwsze 3
godzinne
Informacji na stronie programu GAMESS www.msg.ameslab.gov/gamess/
A. Kaczmarek – Kędziera, M. Ziegler – Borowska, D. Kędziera Chemia
obliczeniowa w laboratorium organicznym, Wydawnictwo UMK 2014
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
nazwa
Konsultacje
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
metody
prowadzenia
zajęć
liczba godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba godzin
pracy własnej
studenta
opis pracy
własnej
studenta
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
literatura
uzupełniająca
adres strony
www zajęć
informacje
dodatkowe
str. 4
Kod
0310-CH-S1051_fs_3
dr hab. Tadeusz Pluta
Studenci specjalności chemia informatyczna
Konsultacje bezpośrednie mające na celu pomoc w rozwiązywaniu bieżących
trudności wynikających z realizacji treści programowych modułu.
Jak w opisie modułu
7,5
0
-
Indywidualne konsultacje
3. Opis sposobów weryfikacji efektów kształcenia modułu
Nazwa
Egzamin
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
kryteria oceny
przebieg procesu
kod
0310-CH-S1051_w_1
0310-CH-S1-051_fs_1, 0310-CH-S1-051_fs_2
dr hab. Tadeusz Pluta
Studenci specjalności chemia informatyczna
Weryfikacja wiedzy w oparciu o treści wykładów i ćwiczeń
Skala ocen:
50 - 59 % prawidłowych odpowiedzi – 3.0
60 - 69% prawidłowych odpowiedzi – 3.5
70 - 79% prawidłowych odpowiedzi – 4.0
80 - 89% prawidłowych odpowiedzi – 4.5
90 - 100% prawidłowych odpowiedzi – 5.0
Egzamin pisemny
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
str. 5
weryfikacji
informacje
dodatkowe
Nazwa
Ocenianie ciągłe
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
kryteria oceny
przebieg procesu
weryfikacji
informacje
dodatkowe
kod
0310-CH-S1051_w_2
0310-CH-S1-051_fs_1, 0310-CH-S1-051_fs_2
dr hab. Tadeusz Pluta
Studenci specjalności chemia informatyczna
Weryfikacja wiedzy oraz umiejętności w rozwiązywaniu zadań i problemów
poruszanych na zajęciach. Ocena umiejętności posługiwania się
oprogramowaniem
zostaną podane na pierwszych zajęciach
zostanie podany na pierwszych zajęciach
Nazwa
Sprawozdanie
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
wymagania
merytoryczne
kryteria oceny
przebieg procesu
weryfikacji
informacje
dodatkowe
kod
0310-CH-S1051_w_3
0310-CH-S1-051_fs_1, 0310-CH-S1-051_fs_2
dr hab. Tadeusz Pluta
Studenci specjalności chemia informatyczna
Poprawne wykonanie zadań praktycznych, z interpretacją uzyskanych wyników i
sprawozdaniem
zostaną podane na pierwszych zajęciach
Zadania praktyczne z pisemnymi sprawozdaniami na zaliczenie.