Рабочая программа дисциплины Квантовая химия (стр. 2 )

химии. Применение квантовохимических расчетов при решении прикладных химических задач.

Основы квантовой механики. Математический аппарат операторы, их свойства. Операторное уравнение.

Свойства собственных значений и собственных функций операторных уравнений. Основные теоремы квантовой механики. Матричное представление операторов. Свойства матриц. Операторное

уравнение в матричной форме.

Принципы квантовой механики. Основные операторы (координатное представление.

Волновая функция и ее свойства. Вероятность результатов измерений физических величин, средние значения наблюдаемых величин.

Уравнение Шредингера (временное). Представление в матричной форме. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для атомных и молекулярных систем.

Понятие модельного подхода в квантовой механике. Принцип дополнительности. Движение точки в заданном потенциале.

Частицы в потенциальной яме (одномерной и трехмерной). Гармонический осциллятор. ИК спектры двухатомных молекул. Потенциальные барьеры. Туннельный эффект. Контактная разность

потенциалов. Холодная эмиссия электронов. Частица в центральном поле. Квантовомеханическое описание атома водорода.

Системы тождественных частиц. Принцип Паули. Симметричные и антисимметричные функции.

Основные приближения квантовой химии. Адиабатическое приближение. Уравнение Шредингера для движения электронов в поле ядер. Одноэлектронное приближение. Уравнения Хартри.

Средняя энергия в одноэлектронном приближении. Кулоновские и обменные интегралы. Корреляция электронов.

Уравнения Хартри-Фока. Теорема Купманса. Электронные оболочки. Уравнение Хартри-Фока для молекул с закрытыми оболочками. Метод самосогласованного поля (ССП).

Приближение МО ЛКАО. Уравнения Рутана. Вариационный принцип и теория возмущений в квантовой химии. Понятие атомного базиса.

Приближенные атомные орбитали. Правила Слейтера. Уравнения Хартри-Фока-Рутана. Молекулярные интегралы. Неэмпирические (ab initio) квантовохимические методы расчета молекул.

Приближенные методы ССП. Нулевое дифференциальное перекрывание (НДП). Полуэмпирические квантовохимические методы. Уравнения Рутана в приближении НДП.

Методы преподавания дисциплины:

- лекции (с мультимедийными презентациями);

- лабораторные работы

- контрольные работы

- компьютерное тестирование

- самостоятельная работа студентов по расчету различных свойств молекул

- самостоятельная работа студентов (освоение теоретического материала, письменные домашние задания, подготовка к лабораторным работам, оформление лабораторных работ, подготовка к текущему и итоговому контролю).

Лабораторные работы

Meтoд MО ЛКАО. Pacчeт мaлыx мoлeкyл. Moлeкyлa вoдopoдa в пpиближeнии ЛКАО. Pacчeт кoнфигypaции мoлeкyляpныx cиcтeм H3, Н3+, Н3- мeтoдoм MО ЛКАО·

Ocнoвныe пpиближeния мeтoдa молекулярных opбитaлeй Xюккеля (МОХ). Pacчeт coпpяжeнныx углеродных мoлeкyл мeтoдoм MOX.

Pacчeт coпpяжeнныx мoлeкyл мeтoдoм MOX (yглepoдныe cиcтeмы).

Koнmpoльнaя paбoma 1 (pacчem мemoдoм MOX yглepoдныx cucmeм).

Pacчeт мeтoдoм MOX молекул с гетероатомами.

Koнmpoльнaя paбoma II (pacчem мemoдoм MOX молекул c гemepoamoмами u вoзбyждeнныx cocmoянuй мoлeкyл).

Pacчeт молекул c гeтepoaтoмами нa ЭBM мeтoдoм MOX. .

Pacчeт pacпpeдeлeния элeктpoннoй плoтнocти мoлeкyл в вoзбyждeнныx cocтoянияx, pacчeт элeктpoннoгo cпeктpa мoлeкyл. Boзмoжнocть pacчeтa молекул с BMBC квaнтoвo-xимичecкими мeтoдaми:, сocтoяниe paзличныx мoлeкyл в pacтвopax.

Meтoд Пapизepa-Пappa-Пoплa. Pacчeт элeктpoнныx cпeктpoв мoлeкyл мeтoдoм ППП. Сpaвнeниe peзyльтaтов, пoлyчeнных в мeтoдe MOX, с данными расчета методом ППП.

Полуэмпирические методы квантовой химии. Знакомство с программой Hyper Chem.

5. Образовательные технологии

В соответствии стребованиями ФГОС ВПО направления подготовки 240100 Химическая технология дисциплина «Квантовая химия» предусматривает широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий.

Методы преподавания дисциплины:

- лекции (с мультимедийными презентациями);

- лабораторные работы

- контрольные работы

- компьютерное тестирование

- самостоятельная работа студентов по расчету различных свойств молекул

- самостоятельная работа студентов (освоение теоретического материала, письменные домашние задания, подготовка к лабораторным работам, оформление лабораторных работ, подготовка к текущему и итоговому контролю).

Лекции составляют основу теоретического обучения и должны давать систематизированные основы научных знаний по дисциплине, концентрировать внимание студентов на наиболее сложных вопросах, стимулировать активную познавательную деятельность студентов и способствовать формированию творческого мышления.

Ведущим методом в лекции является устное изложение учебного материала, сопровождающееся мультимедийными презентациями. На вводной лекции студентам сообщается план и особенности изучения дисциплины, а также рекомендуемая литература.

Лабораторные работы имеют целью практическое освоение теоретического материала, овладение навыками экспериментальных работ и анализа полученных результатов, выполнение правил техники безопасности при работе с электрическими приборами (комльютерами).

Все лабораторные работы носят характер самостоятельных химических задач, которые каждый студент решает самостоятельно после выбора нужного квантово-химического метода и сравнивает полученные результаты с экспериментом. Интерактивное обучение составляет 70 часов.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Самостоятельная работа:

- Освоение теоретического материала.

- Подготовка к текущему тестированию.

- Выполнение письменных домашних заданий.

- Оформление лабораторной работы.

- Подготовка к контрольным работам.

Формы контроля:

- Текущее компьютерное тестирование (Приложение 1.)

- Письменное домашнее задание

- Отчет по лабораторной работе

- Контрольная работа

- Вопросы для самоподготовки к тестированию (Приложение 2).

При изучении дисциплины «Квантовая химия» принята система рейтинга, по которой все виды деятельности студента по дисциплине оцениваются определенными баллами, которые затем переводятся в итоговую оценку. Рейтинговая система оценки успеваемости студентов Института химии по курсу «Квантовая химия» основана на комплексном учете максимально возможных форм отчетности.

С одной стороны, известно, что результаты устных ответов студентов обычно несколько завышены относительно уровня их «истинных» знаний, а письменных ответов – несколько занижены. Поэтому разработанная нами рейтинговая система включает оценки (в баллах) как за устные ответы на семинарских занятиях и коллоквиумах, так и различные письменные задания, такие как развернутые письменные ответы на отчетах, решение типовых задач, тестовый контроль.

Курс «Квантовая химия» разбит на 5 блоков, изучение которого заканчивается тестированием. Разработаны 5 тестов, каждый из которых включает по 5-8 заданий различного характера по соответствующему разделу лекций и оценивается определенной суммой баллов со своим коэффициентом сложности. Часть тестов отрабатывается на компьютерах (тесты 1, 4 и 5). Остальные выполняются в виде математического диктанта (основные операторы квантовой механики) и самостоятельных работ (тесты 2,3).. Для практических занятий ( Приложение 3) разработана система оценок, учитывающая качество, сроки выполнения, оформления работ. Определенной суммой баллов оценивается и посещение лекций.

Студенты, набравшие 85% от общей суммы баллов по всем формам работы, освобождаются от зачета и им выставляется оценка «зачтено». Для всех остальных предполагается зачет с учетом общей суммы баллов и выставляется итоговая оценка. Контрольные вопросы приведены в Приложении 2.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Квантовая химия»

а) основная литература:

1. Церельсон химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела. Москва: изд-во «Бином», 2010.

2. , , «Основы квантовой механики и квантовой химии. Методы расчета электронной структуры молекул». Саратов: изд-во «Новый ветер», 2009.

б) дополнительная литература:

1. , , Горячева к практическим занятиям по курсу «Квантовая механика и квантовая химия» Саратов: Изд-во Саратовского госуниверситета,2003.

в) программное обеспечение и Интернет ресурсы: поисковые системы, электронные библиотеки, информационные сети, базы данных и другие информационные ресурсы, программное обеспечение курса: методы МОХ, ППП и Гиперхем.

Материально-техническое обеспечение дисциплины:

Лекционный зал

Компьютерный класс с необходимым программным обеспечением ( МОХ, ППП, Гиперхем, Маткад).

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО направления подготовки 240100 Химическая технология с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению «Химическая технология» профиль подготовки «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Автор профессор

Программа одобрена на заседании кафедры общей и неорганической химии от 2011 года, протокол №

Подписи:

Зав. кафедрой

проф.,д. х.н.

Директор Института химии

проф.,д. х.н.

Приложение 1. Тесты для компьютерного тестирования

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ И САМОПРОВЕРКИ

ТЕСТ 1.

ВАРИАНТ 1

1. Оператор переводит функцию в функцию вида (прав 2)

1) 2) 3) 4)

2. Среди приведенных, выберите пары операторов, коммутирующих между собой (1, 2, 3)

1) и 2) и 3) х и 4) и

3. Из приведенных функций выбрать функцию (функции), удовлетворяющие уравнению , где прав 4

1) ax 2) x 3) ax2 4) eax

4. Какое из приведенных равенств отражает свойство линейности оператора ? (прав 2)

1) 2) 3)

4)

5. Определить, чему равен нормирующий множитель функции прав 5

1 3) 4) 5) 6) 7)

6. Матрица имеет вид . Какой вид имеет транспонированная к ней матрица? (прав 4)

1) 2) 3) 4)

7. Функция в представлении будет иметь вид (прав 1 и 3)

1) 2) 3) 4) 5)

8. Пусть А и В – две матрицы одинаковой размерности. Какие равенства из приведенных для них выполняются? (прав

1) A + B = B + A

2) A × B = B × A

3) A × (B + C) = A × B + A × C

4) A × (B × C) = (A × B) × C

5) A × (B × C) = (B × C) × A

ВАРИАНТ 2

1. Оператор переводит функцию в функцию вида (прав 3)

1) 2) 3) 4) 5)

2. Среди приведенных, выберите пары операторов, коммутирующих между собой (2, 3)

1) х и 2) y и 3) и 4) и

3. Из приведенных функций выбрать функцию (функции), удовлетворяющие уравнению , где прав 1 и 5

1) 2) x 3) ax 4) ax2 5)

4. Определить, чему равен нормирующий множитель функции прав 5

1 3) 4) 5) 6) 7)

5. Какое из приведенных равенств отражает свойство самосопряженности оператора ? (прав3)

1) 2) 3)

4)

6. Функция в представлении будет иметь вид (прав 1 и 3)

1) 2)

3) 4)

7. Дана матрица С . Какой вид будет иметь комплексно-сопряженная матрица? (прав 5)

1) 2) 3) 4) 5) 6)

8. В каких случаях «высказывание»: транспонированная матрица не равна исходной матрице верно? (правильно 4-7)

1) всегда

2) никогда

3) для вещественных матриц

4) для симметричных матриц

5) для диагональных матриц

6) для нулевых матриц

7) для единичных матриц

8) для треугольных матриц

Вариант 3

1. Оператор переводит функцию в функцию вида (прав 4).

1) 2) 3) 4) 5)

2. Какие из указанных ниже операторов линейны (прав 1)

1) 2) + 3) 4)

3. Из приведенных функций выбрать функцию (функции), удовлетворяющие уравнению , где прав 1 и 5

1) 2) x 3) ax 4) ax2 5)

4. Определить, чему равен нормирующий множитель функции прав 5

1 3) 4) 5) 6) 7)

5. Какое из приведенных равенств отражает свойство самосопряженности оператора ? (прав3)

1) 2) 3)

4)

6. Функция в представлении будет иметь вид (прав 1 и 3)

1) 4) 3)

2)

7. Дана матрица С . Какой вид будет иметь транспонированная комплексно-сопряженная матрица? (прав 6)

1) 2) 3) 4) 5) 6)

8. Даны матрицы A , В и С .

Найти А+В+С прав 1

1) 2) 3)

Вариант 4

1. Оператор переводит функцию в функцию вида (прав 1).

1) 2) 3) 4) 5)

2. Какие из указанных ниже операторов линейны (1 и 4)

1) 2) 3) 4)

3. Из приведенных функций выбрать функцию (функции), удовлетворяющие уравнению , где прав все

1) ax 2) x 3) ax2 4) eax

4. Определить, чему равен нормирующий множитель функции

прав 1

1 3) 4) 5) 6) 7)

5. Операторы коммутируют, если: (5 и 3)

1) 2) 3)

4) 5)

6. Функцию можно представить в матричной форме: (прав 6)

1)2)3)4)5)6) 7)

7. Дана матрица С . Какой вид будет иметь транспонированная матрица? (прав 4)

1) 2) 3) 4) 5) 6)

8. Матрица единичного оператора имеет вид (правильно 2)

1) 2) 3) 4) 5)

Вариант 5

1. Оператор переводит функцию в функцию вида (прав 1)

1) 2) 3) 4) 5)

2. Среди приведенных найдите собственные функции оператора прав 4

1) ax 2) x 3) ax2 4) eax 5)

3. Определить, чему равен нормирующий множитель функции прав 7

1 3) 4) 5) 6) 7)

4. Операторы равны, если: (4 и 7)

1) 2) 3) 4)

5) 6) 7)

5. Какой вид имеет функция в -представлении (прав 1)

1) 2) 3) 4) 5)

6. Дана матрица С . Какой вид будет иметь транспонированная матрица? (прав 4)

1) 2) 3) 4) 5) 6)

7. Пусть А и В – две матрицы одинаковой размерности. Какие равенства из приведенных для них выполняются? (прав

1) A + B = B + A

2) A × B = B × A

3) A × (B + C) = A × B + A × C

4) A × (B × C) = (A × B) × C

5) A × (B × C) = (B × C) × A

8. Дан самосопряженный оператор . Выразите матричные элементы через матричные элементы . (прав 1)

1) 2) 3) 4)

Вариант 6

1. Дан оператор . В какую функцию переводит оператор функцию (прав 2)