Chemia, pierwszy poziom Sylabus modułu: Chemia kwantowa 0310

Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
str. 1
Kierunek i poziom studiów: Chemia, pierwszy poziom
Sylabus modułu: Chemia kwantowa 0310-CH-S1-021
Nazwa wariantu modułu (opcjonalnie):
1. Informacje ogólne
koordynator modułu
rok akademicki
Semestr
forma studiów
sposób ustalania
oceny końcowej
modułu
informacje
dodatkowe
prof. dr hab. Stanisław Kucharski
2014/2015
4
stacjonarne
Średnia ważona: 70% oceny z egzaminu, 30% oceny z laboratorium
Pole opcjonalne
2. Opis zajęć dydaktycznych i pracy studenta
nazwa
Wykład
prowadzący
grupa(-y)
treści zajęć
kod
0310-CH-S1021_fs_1
prof. dr hab. Stanisław Kucharski
Pole opcjonalne
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)
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
str. 2
7. 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
zajęć
liczba
godzin
dydaktycznych
(kontaktowych)
liczba
godzin
pracy własnej
studenta
opis
pracy
własnej
Jak w opisie modułu
15
10
Praca ze wskazaną literaturą przedmiotu obejmująca samodzielne przyswojenie
wiedzy odnośnie wskazanych zagadnień na wykładzie
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
studenta
organizacja
zajęć
literatura
obowiązkowa
str. 3
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, 2006.
1. L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, Warszawa, 2004,
literatura
uzupełniająca
adres
strony Pole opcjonalne
www zajęć
informacje
Pole opcjonalne
dodatkowe
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
kod
0310-CH-S1021_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
30
60
Przygotowanie teoretyczne do zajęć 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, 2006.
1. L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, Warszawa, 2004,
Pole opcjonalne
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
informacje
dodatkowe
Pole opcjonalne
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-S1021_fs_3
Pracownicy Zakładu Chemii Teoretycznej
Pole opcjonalne
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 studentami terminami konsultacji
(podanymi do wiadomości studentów na pierwszych zajęciach), lub po wcześniejszym
ustaleniu terminu (jeżeli inny niż ustalony)
Pole opcjonalne
Pole opcjonalne
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
str. 5
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
weryfikacji
informacje
dodatkowe
kod
0310-CH-S1021_w_1
prof. dr hab. Stanisław Kucharski
Wszystkie grupy laboratoryjne
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.
Pole opcjonalne
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
Nazwa
Kolokwium pisemne
str. 6
Kod
0310-CH-S1021_w_2
kod(-y) zajęć
osoba(-y)
Pracownicy Zakładu Chemii Teoretycznej
przeprowadzająca(e) weryfikację
grupa(-y)
Pole opcjonalne
wymagania
Podstawowe prawa i pojęcia mechaniki kwantowej;
merytoryczne
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.
kryteria oceny
Skala ocen:
0 – 49 % punktów z kolokwiów – 2.0
50 - 59 % punktów z kolokwiów – 3.0
60 - 69% punktów z kolokwiów – 3.5
70 - 79% punktów z kolokwiów – 4.0
80 - 89% punktów z kolokwiów – 4.5
90 - 100% punktów z kolokwiów – 5.0
przebieg procesu
4 kolokwia pisemne na punkty.
weryfikacji
Student ma prawo do kolokwium poprawkowego z całości materiału.
informacje
dodatkowe