Chimica computazionale (Vecchio Ordinamento D.M. 509 a.a. 2008/09)

Oggetto:

Chimica computazionale (Vecchio Ordinamento D.M. 509 a.a. 2008/09)

Oggetto:

Anno accademico 2008/2009

Docente

Bartolomeo Civalleri

Corso di studio

Laurea Magistrale in Metodologie chimiche avanzate

Anno

1° anno

Tipologia

Di base

Crediti/Valenza

SSD attività didattica

CHIM/02 - chimica fisica

Oggetto:

Obiettivi formativi

Finalità
Il corso si propone di fornire agli studenti unintroduzione al linguaggio e una panoramica degli strumenti di calcolo classici (meccanica molecolare) e quantistici (ab initio) utilizzati nella moderna chimica computazionale molecolare. L'obiettivo principale è mostrare come tali metodi, implementati in programmi di calcolo di uso comune, permettano lo studio modellistico di molecole di interesse.

Obiettivi
Lallievo dovrà essere in grado di
a) conoscere che cosa si intende con approccio computazionale in chimica e come questo stia diventando uno strumento importante nella ricerca scientifica e un utile complemento allattività sperimentale;
b) conoscere le basi teoriche dei metodi di calcolo più comunemente usati nella chimica computazionale;
c) apprendere lutilizzo base di programmi di calcolo, in particolare del programma Gaussian, per lo studio di sistemi molecolari

Pre-requisiti (in ingresso)
- Fondamenti di meccanica quantistica
- Fondamenti di spettroscopia

Insegnamenti fornitori
- Chimica Fisica D
- Chimica Fisica E

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Competenze minime (in uscita)
- Conoscere come si possano studiare le proprietà chimico-fisiche di molecole attraverso tecniche di modellizzazione
- Conoscere il linguaggio e le basi teoriche della moderna chimica computazionale (metodi della meccanica molecolare e ab initio)
- Conoscere gli elementi di base per luso di programmi di calcolo molecolare come Gaussian

Insegnamenti fruitori
Forze e interazione nei solidi
Simulazione molecolare

Oggetto:

Programma

Metodologia didattica
Il corso di 4 CFU è suddiviso in 2 CFU di lezione frontale e 2 CFU di laboratorio ed è collocato nella seconda parte del primo periodo didattico. La durata del corso è di 4/5 settimane con 4 ore di lezione frontale e 8 ore di laboratorio per settimana.
La metodologia didattica impiegata consiste quindi in:
a) 20 ore di lezioni in aula
b) 32 ore di esercitazioni nel laboratorio informatico
Le lezioni in aula forniscono le basi teoriche dei metodi di calcolo della meccanica molecolare e quantistici ab initio partendo dai fondamenti della meccanica quantistica e introducendo progressivamente metodi sempre più sofisticati per la risoluzione dell’equazione di Schrödinger. I limiti, i meriti e i costi computazionali dei vari metodi vengono anche discussi.
In parallelo, le esercitazioni offrono la possibilità di applicare i metodi introdotti a lezione allo studio delle proprietà chimico-fisiche di alcune semplici molecole e addotti molecolari. In particolare, viene fatto uso di uno dei programmi di calcolo più comunemente impiegati nei laboratori di ricerca: Gaussian. Gli esempi presentati permettono allo studente di verificare come sia possibile, usando opportuni software e gli odierni computer da tavolo, condurre veri e propri esperimenti al calcolatore. Durante il laboratorio gli studenti dovranno preparare delle schede riassuntive di commento ai moduli esercitativi proposti.

Programma, articolazione e carico didattico

*Argomento*	*Ore Lez.*	*Ore Eserc.*	*Totale Ore*
Presentazione del corso: orario, programma, obiettiviDefinizione e significato di chimica computazionaleAccenni alla simulazione multiscala	2
Ottimizzazione di geometria Calcolo delle frequenze vibrazionali	2
Metodi della meccanica molecolare (definizioni, campo di forza, esempio di campo di forza)	2
Metodi della meccanica molecolare (usi, risultati)	1
Richiami di meccanica quantistica (notazione bra-ket, postulati, stati stazionari, unità atomiche)	1
Metodi approssimati in meccanica quantistica (principio variazionale e metodo variazionale lineare, metodo perturbativo) Discussione dell’hamiltoniano multielettronico e principali approssimazioni introdotteApprossimazione di Born-Oppenheimer	2
Approssimazione spin-orbitalePrincipio di antisimmetria *Prodotto di Hartree e determinante di SlaterDeterminante di Slater come autofunzione di S_z* e S²**	2
Il metodo di Hartree-Fock (espressione dell’energia, equazioni)	2
Teorema di Koopman Il metodo MO-LCAO e ciclo SCF Definizione di set base	2
Set base gaussiani ed esempi Effective Core Pseudopotential (ECP) e BSSEIl problema della correlazione elettronica	2
Brevissima panoramica dei metodi post-Hartree-Fock: variazionali (interazione di configurazioni, CI), perturbativi (metodo Møller-Plesset) e Coupled-Cluster (CC) Introduzione alla teoria del funzionale della densità (DFT) e ai metodi derivati	2
Modulo 1 Introduzione all’uso del programma di calcolo Gaussian98Preparazione dell’input e discussione dell’outputUso di strumenti di grafica molecolare per l’analisi dell’outputDefinizione della geometria di una molecola attraverso la costruzione della matrice Z ed esercizi		6
Modulo 2 Analisi conformazionale e calcolo di barriere di rotazione con la meccanica molecolare		10
Modulo 3 Individuazione dei punti stazionari sulla PES della molecola di urea e loro classificazione.Analisi della struttura elettronica della molecola di urea		8
Modulo 4 Studio del dimero dell’acqua.Analisi del cambiamento delle proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali della molecola isolata dopo la formazione del dimero.Confronto tra metodi di calcolo		8
Totale	20	32	52

Descrizione

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

I testi base consigliati per il corso sono:
Appunti delle lezioni e materiale usato nelle esercitazioni (forniti dal docente)

E consigliato lutilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni:
Il principale testo di riferimento è:
F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999.
In particolare, può essere di interesse consultare i capitoli: 1-6, 9 e 11

Altri utili riferimenti sono:
C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry (Theories and Models), Wiley, 2002
I. Levine, Quantum Chemistry, Prentice Hall, 2000, 2nd edition
G. H. Grant, W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford University Press, 1995
A. Szabo, N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (Introduction to Advanced Electronic Structure Theory), McGraw-Hill, 1985

Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:
Home page del programma Gaussian:
http://www.gaussian.com
Sito internet con database dei set base per calcoli ab initio:
http://www.emsl.pnl.gov.2080/forms/basisform.html
Sito IUPAC sugli acronimi usati in chimica computazionale:
http://www.iupac.org/reports/1996/6802brown

Oggetto:

Note

Lesame consiste in una prova scritta della durata di 4 ore circa costituita da una decina di domande, di carattere generale, relative agli argomenti discussi a lezione. Le domande hanno peso diverso. Prima dellinizio dellesame, il docente discuterà le domande e ne indicherà la loro importanza.

Registrazione

Aperta

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