CHIMICA COMPUTAZIONALE
cod. 07509

Anno accademico 2013/14
1° anno di corso - Primo semestre
Docente
Roberto CAMMI
Settore scientifico disciplinare
Chimica fisica (CHIM/02)
Ambito
Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
55 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

Obiettivi formativi

Il corso introduce alle teorie di base della chimica quantistica computazionale ed alla loro applicazione allo studio di proprietà e processi molecolari.

Prerequisiti

Elementi di base di meccanica quantistica molecolare

Contenuti dell'insegnamento

1. Introduzione alla chimica computazionale.

2. Metodo Hartree-Fock (HF): approssimazione orbitalica e funzione d'onda mono-determinantale; funzioni d'onda HF "restricted" e "unrestricted"; equazioni di Hartree-Fock: operatore di Fock, energia orbitaliche, orbitali occupati e vacanti, teorema di Koopman: energie di ionizzazione e affinità elettronica. Espansione degli orbitali molecolari su funzioni di base: metodo di Roothan-Hall, matrice di Fock, integrali mono e bi-elettronici, matrice di densità elettronica.

3. Proprietà mono-elettroniche: densità elettronica, potenziale elettrostatico molecolare,momento di dipolo elettrico, analisi popolazionale della densità elettronica secondo di Mulliken.

4. Basis Sets di espansione per orbitali molecolari: Funzioni di Slater, funzioni gaussiane, funzioni gaussiane contratte. Basis set minimali, Basis sets "double zeta", funzioni di base di polarizzazione, funzioni di base diffuse.

5. Ottimizzazione di geometria: caratterizzazione della superficie di energia potenziale (PES), punti di minimo geometrie (molecolari di equilibrio) e punti di sella (stati di transizione), gradiente ed hessiano dell'energia molecolare. Algoritmi di ottimizzazione per geometrie equilibrio e stati di transizione.

6. Metodi di correlazione elettronica: correlazione elettronica e funzioni d'onda post-SCF: metodi a interazione di configurazione (CI), metodo perturbativo Moeller-Plesset (MP), metodi coupled-cluster (CC).

7. Teoria del Funzionale di Densità: teoremi di Hoemberg e Khon, metodo di Khon-Sham, funzionali di scambio e correlazione: funzionali di densità locale (LDA), funzionali non locali e funzionali ibridi.

8. Calcolo delle proprietà molecolari: proprietà molecolari come derivate dell'energia elettronica: frequenze vibrazionali armoniche e intensità IR, proprietà NMR, chemical sheilding.

9. Termodinamica statistica: legge di distribuzione di Boltzman, funzioni di partizione molecolare, calcolo delle proprietà termodinamiche. Teoria dello stato di transizione.

10. Modelli di solvatazione: modelli di solvatazione espliciti: QM/MM; modelli di solvatazione impliciti: il Polarizable Continuum Model (PCM).

Programma esteso

1. Introduzione alla chimica computazionale.

2. Metodo Hartree-Fock (HF): approssimazione orbitalica e funzione d'onda mono-determinantale; funzioni d'onda HF "restricted" e "unrestricted"; equazioni di Hartree-Fock: operatore di Fock, energia orbitaliche, orbitali occupati e vacanti, teorema di Koopman: energie di ionizzazione e affinità elettronica. Espansione degli orbitali molecolari su funzioni di base: metodo di Roothan-Hall, matrice di Fock, integrali mono e bi-elettronici, matrice di densità elettronica.

3. Proprietà mono-elettroniche: densità elettronica, potenziale elettrostatico molecolare,momento di dipolo elettrico, analisi popolazionale della densità elettronica secondo di Mulliken.

4. Basis Sets di espansione per orbitali molecolari: Funzioni di Slater, funzioni gaussiane, funzioni gaussiane contratte. Basis set minimali, Basis sets "double zeta", funzioni di base di polarizzazione, funzioni di base diffuse.

5. Ottimizzazione di geometria: caratterizzazione della superficie di energia potenziale (PES), punti di minimo geometrie (molecolari di equilibrio) e punti di sella (stati di transizione), gradiente ed hessiano dell'energia molecolare. Algoritmi di ottimizzazione per geometrie equilibrio e stati di transizione.

6. Metodi di correlazione elettronica: correlazione elettronica e funzioni d'onda post-SCF: metodi a interazione di configurazione (CI), metodo perturbativo Moeller-Plesset (MP), metodi coupled-cluster (CC).

7. Teoria del Funzionale di Densità: teoremi di Hoemberg e Khon, metodo di Khon-Sham, funzionali di scambio e correlazione: funzionali di densità locale (LDA), funzionali non locali e funzionali ibridi.

8. Calcolo delle proprietà molecolari: proprietà molecolari come derivate dell'energia elettronica: frequenze vibrazionali armoniche e intensità IR, proprietà NMR, chemical sheilding.

9. Termodinamica statistica: legge di distribuzione di Boltzman, funzioni di partizione molecolare, calcolo delle proprietà termodinamiche. Teoria dello stato di transizione.

10. Modelli di solvatazione: modelli di solvatazione espliciti: QM/MM; modelli di solvatazione impliciti: il Polarizable Continuum Model (PCM).

Bibliografia

F. Jensen “Introduction to Computational Chemistry”, Wiley, 1996;
J.B. Foresman and Ae. Frisch, “Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods”, 2nd Edit., Pittsburg,1994

Metodi didattici

Lezioni orali and esercitazioni numeriche.

Modalità verifica apprendimento

Esame orale e progetto computazionale.

Altre informazioni

- - -

Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile

- - -

Referenti e contatti

Numero verde

800 904 084

Segreteria studenti

E. segreteria.scienze@unipr.it

Servizio per la qualità della didattica

Manager della didattica:
Nicola Cavirani
T. +39 0521 905613 -  +39 0521 906148
E. servizio didattica.scvsa@unipr.it
E. del manager nicola.cavirani@unipr.it

Presidente del corso di studio

Alessia Bacchi
E. alessia.bacchi@unipr.it 

Delegato orientamento in ingresso

Francesco Sansone
E. francesco.sansone@unipr.it

Delegato orientamento in uscita

Federica Bianchi
E. federica.bianchi@unipr.it

Commissione Mobilità Internazionale

Giovanni Maestri e Lara Righi referenti Erasmus

Paolo Pio Mazzeo referente Overworld e iniziative extra-europee

Referente assicurazione qualità

Daniele Alessandro Cauzzi
E. danielealessandro.cauzzi@unipr.it

Tirocini formativi

Andrea Secchi
E. andrea.secchi@unipr.it