Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Transkrypt

1 Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Kierunek i poziom studiów: Chemia, pierwszy poziom Sylabus modułu: Chemia kwantowa 021 Nazwa wariantu modułu (opcjonalnie): 1. Informacje ogólne koordynator modułu prof. dr hab. Stanisław Kucharski rok akademicki 2014/2015 Semestr 4 forma studiów stacjonarne sposób ustalania Średnia ważona: 70% oceny z egzaminu, 30% oceny z laboratorium oceny końcowej modułu 2. Opis dydaktycznych i pracy nazwa Wykład 021_fs_1 prowadzący prof. dr hab. Stanisław Kucharski treści 1. Fizyka klasyczna: prawa Newtona i równania Maxwella. Przesłanki doświadczalne powstania mechaniki kwantowej: promieniowanie ciała doskonale czarnego, wzór Plancka; zjawisko fotoelektryczne interpretacja Einsteina, praca wyjścia, wzór Einsteina. Zjawisko Comptona, pęd fotonu. 1 godzina 2. Podstawowe prawa i pojęcia mechaniki kwantowej. Dualizm korpuskularnofalowy, relacje de Broglie a, zasada nieoznaczoności Heisenberga. Teoria Bohra budowy atomu wodoru serie widmowe. (1 godzina) 3. Aksjomatyczna konstrukcja mechaniki kwantowej.pierwszy postulat mechaniki kwantowej: funkcja falowa układu jej własności i interpretacja. Nieodróżnialność cząstek. Bozony i fermiony. (1 godzina) 4. Drugi postulat mechaniki kwantowej: pojęcie i własności operatora. Działania na operatorach. przykład operatorów, własności operatorów: liniowość i hermitowskość. Działania na operatorach. Zasady konstruowania operatorów kwantowo-mechanicznych reguły Jordana. (1 godzina) 5. Pozostałe postulaty mechaniki kwantowej. Równanie Schroedingera zależne od czasu. Równanie własne operatora: funkcje własne i wartości własne. Wartość oczekiwana wielkości mechanicznej. (1 godzina) 6. Operator Hamiltona i równanie Schroedingera dla cząstki swobodnej. Cząstka w pudle potencjału: postać funkcji falowej, normalizacja, kwantowanie wartości własnych, degeneracja. Opis klasycznego oscylatora harmonicznego. (1 godzina)

2 Uniwersytet Śląski w Katowicach str Kwantowe ujęcie problemu oscylatora harmonicznego: operator Hamiltona, równanie Schroedingera, wartości własne i funkcje własne, oscylacyjna liczba kwantowa i jej dopuszczalne wartości. Zastosowanie modelu oscylatora harmonicznego do opisu drgań cząsteczek. (1 godzina) 8. Moment pędu definicja i opis w ujęciu mechaniki klasycznej. Zagadnienie własne dla operatora składowej z-towej i kwadratu wektora momentu pędu: wartości własne i funkcje własne, rotacyjne liczby kwantowe. Rotator sztywny: hamiltonian, wartości własne, stała rotacyjna, widmo rotacyjne. (1 godzina) 9. Atom wodoru i jony wodoropodobne. Hamiltonian i równanie Schroedingera. Wartości własne i funkcje własne. Pojęcie orbitalu atomowego, analityczna postać, współrzędne kartezjańskie i sferyczne. Liczby kwantowe w kwantowomechanicznym opisie atomu wodoru.(1 godzina) 10. Radialna gęstość prawdopodobieństwa. Maksima radialnej gęstości prawdopodobieństwa dla orbitali o maksymalnej liczbie l a promienie orbit bohrowskich. Spin elektronu. Spinowa i magnetyczna spinowa liczba kwantowa. Spinorbitale. (1 godzina) 11. Atom wieloelektronowy, powłoki, podpowłoki, konfiguracje elektronowe. Zakaz Pauliego. Zabudowa elektronowa atomu. Dodawanie wektorów momentu pędu, termy atomowe, przykład wyznaczania termów atomowych dla elektronów nierównoważnych. Reguły Hunda. (1 godzina) 12. Zasada wariacyjna i metoda wariacyjna. Liniowe parametry wariacyjne, metoda Ritza, równania sekularne. Metoda LCAO, rozwinięcie orbitalu na funkcje bazowe. Orbitale wiążące i antywiążące. Klasyfikacja orbitali molekularnych, m.in. ze względu na symetrię, orbitale σ,π,δ. (1 godzina) 13. Konfiguracje elektronowe cząsteczek dwuatomowych homo- i heterojądrowych. Rząd wiazania vs. długość i energia wiązania. Własności paramagnetyczne. Cząsteczki wieloatomowe. Hybrydyzacja orbitali atomowych: sp, sp2, sp3, sd, sp3d, sp3d2. (1 godzina) 14. Ogólna charakterystyka i podział metod obliczeniowych chemii kwantowej. Metody oparte na funkcji falowej i na funkcji gęstości. Metoda Hartree-Focka i metod DFT (1 godzina) 15. Związki węgla zawierające sprzężony układ wiązań podwójnych. Metoda Hueckla. Układ równań sekularnych. Parametryzacja całki kulombowskiej i rezonansowej. Przykłady orbitali molekularnych π wiążących, niewiążących i antywiążących w cząsteczek etenu, butadienu, benzenu i allilu. Węglowodory naprzemienne i nienaprzemienne. Energia delokalizacji. (1 godzina) metody prowadzenia dydaktycznych (kontaktowych) pracy własnej opis pracy własnej Jak w opisie modułu Praca ze wskazaną literaturą przedmiotu obejmująca samodzielne przyswojenie wiedzy odnośnie wskazanych zagadnień na wykładzie

3 Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 3 organizacja obowiązkowa uzupełniająca adres strony www Wykłady prowadzone przez cały semestr (1 godzina wykładu/tydzień) 1. W. Kołos, Chemia kwantowa, PWN, Warszawa 1986, 2. A.Gołębiewski, Elementy mechaniki i chemii kwantowej, PWN, Warszawa 1982, 3. D.O. Hayward, Mechanika kwantowa dla chemików, PWN, Warszawa, L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, Warszawa, 2004, nazwa Laboratorium prowadzący treści metody prowadzenia dydaktycznych (kontaktowych) pracy własnej opis pracy własnej organizacja obowiązkowa uzupełniająca adres strony www 021_fs_2 Pracownicy Zakładu Chemii Teoretycznej Wszystkie grupy laboratoryjne 1. Podstawowe prawa i pojęcia mechaniki kwantowej (4 godziny) 2. Ścisłe rozwiązywania równania Schroedingera (10 godzin) 3. Struktura elektronowa atomów wieloelektronowych termy atomowe (6 godzin) 4. Teoria wiązań chemicznych; diagramy molekularne cząsteczek dwuatomowych (2 godziny) 5. Hybrydyzacja cząsteczki wieloatomowe (4 godziny) 6. Charakterystyka metod obliczeniowych chemii kwantowej (4 godziny) Jak w opisie modułu Przygotowanie teoretyczne do z tematów poruszanych na wykładzie. Rozwiązywanie zagadnień podanych przez prowadzącego. Wykonanie prostych obliczeń kwantowochemicznych Zajęcia laboratoryjne, 2 godziny tygodniowo. 1. W. Kołos, Chemia kwantowa, PWN, Warszawa 1986, 2. A.Gołębiewski, Elementy mechaniki i chemii kwantowej, PWN, Warszawa 1982, 3. D.O. Hayward, Mechanika kwantowa dla chemików, PWN, Warszawa, L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, Warszawa, 2004,

4 Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 4 nazwa Konsultacje prowadzący treści metody prowadzenia dydaktycznych (kontaktowych) pracy własnej opis pracy własnej organizacja obowiązkowa uzupełniająca adres strony www 021_fs_3 Pracownicy Zakładu Chemii Teoretycznej Konsultacje indywidualne/grupowe w formie bezpośredniej mające na celu pomoc w rozwiązywaniu bieżących trudności wynikających z realizacji treści programowych modułu Jak w opisie modułu 7,5 Zajęcia odbywają się zgodnie z ustalonymi ze mi terminami konsultacji (podanymi do wiadomości studentów na pierwszych zajęciach), lub po wcześniejszym ustaleniu terminu (jeżeli inny niż ustalony)

5 Uniwersytet Śląski w Katowicach str Opis sposobów weryfikacji efektów kształcenia modułu Nazwa Egzamin (-y) osoba(-y) przeprowadzająca(- e) weryfikację wymagania merytoryczne kryteria oceny przebieg procesu weryfikacji prof. dr hab. Stanisław Kucharski Wszystkie grupy laboratoryjne 021_w_1 Mechanika klasyczna prawo Newtona. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej. Hipoteza de Broglie Zasada nieoznaczoności Heisenberga. Teoria Bohra budowy atomu wodoru. Postulaty mechaniki kwantowej. Pojęcie funkcji falowej. Operatory kwantowo-mechaniczne. Równanie Schroedingera zależne i niezależne od czasu. Równanie własne operatora, wartości własne i funkcje własne. Notacja Diraca. Równanie Schroedingera dla cząstki swobodnej. Funkcje własne. Równanie Schroedingera dla cząstki w pudle potencjału. Wartości i funkcje własne. Rozkład poziomów energii translacyjnej. Równanie Schroedingera dla oscylatora harmonicznego. Wartości i funkcje własne. Poziomy wibracyjne cząsteczek. Równanie Schroedingera dla rotatora sztywnego. Wartości własne. Degeneracja. Przejścia rotacyjne, rozkład intensywności. Równanie Schroedingera dla atomu wodoru. Wartości własne. Funkcja falowa dla pojedynczego elektronu. Spin, orbitale i spinorbitale. Korelacja z teorią Bohra. Jony wodoropodobne. Atomy wieloelektronowe. Zabudowa elektronowa atomu, powłoki, podpowłoki, konfiguracje elektronowe. Termy atomowe. Zasada i metoda wariacyjna. Metoda Ritza. Przybliżenie jednoelektronowe. Funkcje jednoelektronowe w atomach i cząsteczkach. Pojęcie energii korelacji. Wiązanie chemiczne, orbitale i spinorbitale molekularne. Cząsteczka wodoru. Własności i poziomy energetyczne cząsteczek dwuatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych, cząsteczki wieloatomowe, bazy funkcyjne, przykłady obliczeń kwantowochemicznych. Metoda Hartree-Focka i metoda funkcjonałów gęstości (DFT). Metody oparte na funkcji falowej uwzględniające korelację elektronową. Optymalizacja geometrii cząsteczek. Student losuje zestaw zawierający 5 pytań. Prawidłowa odpowiedź na co najmniej 3 pytania zapewnia ocenę pozytywną. Skala ocen: 2.0 nieudzielenie poprawnych odpowiedzi na 3 pytania 3.0 poprawna odpowiedź na 3 pytania; 4.0 poprawna odpowiedź na 4 pytania; 5.0 poprawna odpowiedź na 5 pytań. Ocenę połówkową student uzyskuje przy niepełnej odpowiedzi na jedno z pytań Egzamin ustny. Student losuje zestaw zawierający 5 pytań. Na przygotowanie się ma 15 minut. Prawidłowa odpowiedź na co najmniej 3 pytania zapewnia ocenę pozytywną.

6 Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 6 Nazwa Kolokwium pisemne (-y) osoba(-y) przeprowadzająca(- e) weryfikację wymagania merytoryczne kryteria oceny przebieg procesu weryfikacji Pracownicy Zakładu Chemii Teoretycznej Kod 021_w_2 Podstawowe prawa i pojęcia mechaniki kwantowej; Ścisłe rozwiązywania równania Schroedingera: cząstka w pudle potencjału, oscylator harmoniczny, rotator sztywny, atom wodoru; budowa atomu i termy atomowe; cząsteczki dwu- i wieloatomowe hybrydyzacja orbitali atomowych; metody obliczeniowe chemii kwantowej. Skala ocen: 0 49 % punktów z kolokwiów % punktów z kolokwiów % punktów z kolokwiów % punktów z kolokwiów % punktów z kolokwiów % punktów z kolokwiów kolokwia pisemne na punkty. Student ma prawo do kolokwium poprawkowego z całości materiału.