ID:
SCC0188
Durata (ore):
56
CFU:
6
SSD:
CHIMICA FISICA
Anno:
2024
Dati Generali
Periodo di attività
Primo Semestre (23/09/2024 - 17/01/2025)
Syllabus
Obiettivi Formativi
OBIETTIVI FORMATIVI
L’insegnamento si inserisce nei più ampi obbiettivi del Corso di Laurea Magistrale in Chimica, proponendosi di presentare agli studenti gli elementi e metodi di base della teoria quantistica applicata allo studio dei sistemi molecolari e multi-elettronici. Scopi principali dell’insegnamento sono lo sviluppo da parte degli studenti di una comprensione critica delle potenzialità e limitazioni caratteristiche di ciascun metodo come presupposto alla scelta razionale dell’approccio computazionale da applicare allo studio di specifici processi o proprietà molecolari. Gli studenti verranno inoltre formati all’utilizzo pratico dei metodi della chimica quantistica computazionale più frequentemente impiegati in ambito chimico attraverso esercitazioni pratiche al calcolatore guidate dal docente. Lo sviluppo della capacità di analizzare criticamente i risultati ottenuti è, inoltre, un ulteriore obbiettivo fondante dell’insegnamento. Alle competenze indicate, si aggiungono, inoltre, quelle di visualizzazione grafica e presentazione ragionata dei dati ottenuti, collegando questi ultimi al problema chimico in studio.
RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di:
1. Comprendere
o Equazione di Schrödinger per le molecole
o Separazioni dei moti ed approssimazione di Born-Oppenheimer
o Modelli orbitalici quali i metodi di Hartree-Fock and Density Functional Theory
o Effetti relativistici e loro impatto sulle proprietà molecolari
o Insieme di base (“orbitali”) atomici
o Accuratezza dei metodi di struttura elettronica e loro valutazione critica
o Determinazione delle proprietà molecolari
2. scegliere il livello del metodo da impiegare per le proprietà molecolari d’interesse
3. scegliere l’insieme di base atomica per il corretto compromesso tra costo computazionale ed accuratezza
4. impostare e sottomettere i calcoli in maniera appropriata
5. Analizzare criticamente i risultati ottenuti
6. Presentare in modo razionale le scelte modellistiche
7. Discutere criticamente i possibili limiti modellistici
8. Scegliere i metodi computazionali appropriati
9. Valutare la corretta esecuzione dei calcoli da parte dei codici impiegati
10. Analizzare e interpretare i risultati da un punto di vista chimico
L’insegnamento si inserisce nei più ampi obbiettivi del Corso di Laurea Magistrale in Chimica, proponendosi di presentare agli studenti gli elementi e metodi di base della teoria quantistica applicata allo studio dei sistemi molecolari e multi-elettronici. Scopi principali dell’insegnamento sono lo sviluppo da parte degli studenti di una comprensione critica delle potenzialità e limitazioni caratteristiche di ciascun metodo come presupposto alla scelta razionale dell’approccio computazionale da applicare allo studio di specifici processi o proprietà molecolari. Gli studenti verranno inoltre formati all’utilizzo pratico dei metodi della chimica quantistica computazionale più frequentemente impiegati in ambito chimico attraverso esercitazioni pratiche al calcolatore guidate dal docente. Lo sviluppo della capacità di analizzare criticamente i risultati ottenuti è, inoltre, un ulteriore obbiettivo fondante dell’insegnamento. Alle competenze indicate, si aggiungono, inoltre, quelle di visualizzazione grafica e presentazione ragionata dei dati ottenuti, collegando questi ultimi al problema chimico in studio.
RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di:
1. Comprendere
o Equazione di Schrödinger per le molecole
o Separazioni dei moti ed approssimazione di Born-Oppenheimer
o Modelli orbitalici quali i metodi di Hartree-Fock and Density Functional Theory
o Effetti relativistici e loro impatto sulle proprietà molecolari
o Insieme di base (“orbitali”) atomici
o Accuratezza dei metodi di struttura elettronica e loro valutazione critica
o Determinazione delle proprietà molecolari
2. scegliere il livello del metodo da impiegare per le proprietà molecolari d’interesse
3. scegliere l’insieme di base atomica per il corretto compromesso tra costo computazionale ed accuratezza
4. impostare e sottomettere i calcoli in maniera appropriata
5. Analizzare criticamente i risultati ottenuti
6. Presentare in modo razionale le scelte modellistiche
7. Discutere criticamente i possibili limiti modellistici
8. Scegliere i metodi computazionali appropriati
9. Valutare la corretta esecuzione dei calcoli da parte dei codici impiegati
10. Analizzare e interpretare i risultati da un punto di vista chimico
Prerequisiti
Conoscenze, e capacità nell’applicarle a sistemi modello, di Meccanica Quantistica (funzione d’onda e sua interpretazione; osservabili fisiche, i loro operatori e la loro rappresentazione matriciale; algebra lineare; valori d’aspettazione e teorema variazionale dell’energia/varianza dell’energia, teoria delle perturbazioni indipendenti dal tempo) e di Termodinamica Statistica (funzione di partizione e sue relazioni con le funzioni di stato termodinamiche).
Metodi didattici
Lezioni Frontali (32h); Esercitazioni al calcolatore (24h), con discussione sulle possibili applicazioni dei metodi utilizzati nell’ambito della ricerca chimica. Le esercitazioni, compatibilmente con la numerosità della classe, vengono effettuate singolarmente in modo da aumentare la pratica e velocizzare l’apprendimento; devono, inoltre, essere considerate come obbligatorie, e sono costruite con lo scopo di fornire gli elementi pratici per mezzo dei quali lo studente possa diventare in grado di superare l’esame. In generale, ciascuna esercitazione richiederà lo studio dello stesso processo/proprietà sugli elementi un piccolo insieme di molecole al fine di poter confrontare i risultati tra di loro e analizzare lo specifico impatto della struttura molecolare.
Per quanto riguarda le discussioni in aula, anche scaturite da domande estemporanee, queste si svolgeranno in modo da coinvolgere tutti gli studenti presenti.
Per quanto riguarda le discussioni in aula, anche scaturite da domande estemporanee, queste si svolgeranno in modo da coinvolgere tutti gli studenti presenti.
Verifica Apprendimento
La verifica dell’apprendimento atteso avviene in due parti:
• lo sviluppo di un mini progetto da parte dello studente, il cui argomento è concordato con il docente per verificarne la fattibilità e definirne i limiti temporali e l’insieme dei risultati da perseguire;
• successiva presentazione e discussione critica dei risultati del progetto, allo scopo di verificare l’adeguatezza delle scelte modellistiche e la possibile estensione dei risultati del progetto attraverso ulteriori analisi con gli strumenti computazionali introdotti a lezione.
• lo sviluppo di un mini progetto da parte dello studente, il cui argomento è concordato con il docente per verificarne la fattibilità e definirne i limiti temporali e l’insieme dei risultati da perseguire;
• successiva presentazione e discussione critica dei risultati del progetto, allo scopo di verificare l’adeguatezza delle scelte modellistiche e la possibile estensione dei risultati del progetto attraverso ulteriori analisi con gli strumenti computazionali introdotti a lezione.
Contenuti
Operatore Hamiltoniano molecolare e sua approssimazione à la Born-Oppenheimer (2h); Equazione di Schroedinger elettronica (1h); orbitali atomici idrogenoidi (1h); spin elettronico e sua rappresentazione (1h); determinante di Slater (2h); effetti relativistici (1h); metodo di Hartree-Fock ed Hartree-Fock-Roothaan (2h); funzioni d’onda “restricted” (RHF) e “unrestricted” (UHF) (2h); derivate dell’energia media per il metodo di Hartree-Fock (1h); autofunzioni di spin e funzioni multi-determinantali (1h); instabilità degli orbitali molecolari (RHF contro UHF) (1h); insiemi di base atomici (2h); errore di sovra-estensione della base atomica (BSSE) (1h); superfici d’energia potenziale e loro punti stazionari (1.5h); moto rotazionale e vibrazionale delle molecole e predizione delle frequenze d’assorbimento (1.5h); energie ed entalpie di atomizzazione, formazione e di legame (1.5h); forze intermolecolari: interazione elettrostatica, induttiva e dispersiva (1.5h); energia di distorsione dei legami e di stabilizzazione aromatica (0.5h); potenziali di ionizzazione e loro approssimazione à la Koopman, affinità elettroniche e stati eccitati e di Rydberg (1.5h); potenziale elettrostatico della molecola e sua rappresentazione multipolare (1.5h); interazione molecola/campi statici (1.5h); metodi di analisi della popolazione di carica (densità elettronica) tipo “Mulliken”, “Bader” o “Natural Bond Orbital” (1.5h); introduzione alla teoria della reattività chimica (Orbitali Molecolari di Frontiera e teoria “Hard-Soft Acid-Base”) (1.5h).
Esercizi al calcolatore con utilizzo di codici per lo studio della struttura elettronica e visualizzatori molecolari (24h).
Esercizi al calcolatore con utilizzo di codici per lo studio della struttura elettronica e visualizzatori molecolari (24h).
Lingua Insegnamento
Italiano
Altre informazioni
Ricevimento: tutti i giorni previo appuntamento da concordare via posta elettronica.
Corsi
Corsi
CHIMICA
Laurea Magistrale
2 anni
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Persone
Persone
Docenti di ruolo di IIa fascia
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