Obiettivi formativi
Gli obiettivi formativi del Corso di Chimica computazionale concordano con quelli previsti dal Consiglio di Corso di Studio:
Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente acquisice:
- conoscenza dei metodi di caratterizzazione strutturale di composti organici ed inorganici e dei materiali
- conoscenza delle correlazioni tra struttura e proprietà delle molecole e dei materiali
- conoscenze, anche a livelli pratico-operativo, dei metodi della chimica computazionale per lo studio e caratterizzazione delle proprietà molecolari
- conoscenza sul reperimento di informazioni chimiche attraverso la consultazione di banche dati
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente:
- è in grado di comprendere e prevedere la relazione fra struttura e proprietà di sistemi anche complessi;
- possiede abilità avanzate nell'elaborazione del dato scientifico;
-possiede la capacità di comprendere una problematica legata alla sua professione, di eseguire una valutazione critica e di proporre soluzioni specifiche
- possiede la capacità di utilizzare la strumentazione scientifica, di elaborare i dati
sperimentali, di pianificare ed eseguire l'analisi e la caratterizzazione di campioni reali;
- è in grado di avvalersi di metodi informatici/computazionali per l'elaborazione dei dati.
Autonomia di giudizio
Lo studente:
- è in grado di valutare criticamente le proprie conoscenze e capacità ed i propri risultati;
- possiede capacità organizzative sul lavoro e capacità di organizzare il lavoro di gruppo;
- è in grado di valutare le correlazioni struttura-proprietà utilizzando le più moderne tecniche computazionali;
- è in grado di reperire e vagliare fonti di informazione, banche dati, letteratura;
Abilità comunicative
Lo studente è in grado di:
- comunicare in forma scritta e verbale su problematiche chimico/scientifiche, anche con utilizzo di sistemi multimediali ed anche in lingua inglese;
- sostenere un contraddittorio sulla base di un giudizio sviluppato autonomamente su problematiche
inerenti ai propri studi;
- interagire con altre persone e lavorare in gruppo anche su progetti multidisciplinari, sebbene sia
anche in grado di lavorare in piena autonomia sia da un punto di vista della programmazione temporale che degli obiettivi e dei metodi per raggiungerli;
- svolgere attività di formazione e di addestramento sperimentale rivolte a studenti della laurea
triennale.
Capacità di apprendimento
Lo studente:
- è in grado di recuperare agevolmente le informazioni dalla letteratura, banche dati ed internet;
- possiede capacità personali nel ragionamento logico e nell'approccio critico ai problemi nuovi;
- è capace di apprendere in modo autonomo, affrontando nuove tematiche scientifiche o problematiche professionali;
- è in grado di continuare a studiare autonomamente soluzioni a problemi complessi anche
interdisciplinari, reperendo le informazioni utili per formulare risposte e sapendo difendere le proprie
proposte in contesti specialistici e non.
Prerequisiti
Elementi di base di meccanica quantistica molecolare
Contenuti dell'insegnamento
Teoria:
1) Le superfici di energia potenziale molecolare
2) Concetti e metodi di struttura elettronica molecolare
3) Il Metodo Hartree-Fock
4) Basis sets di espansione per orbitali molecolari
5) Metodi Post-SCF di correlazione elettronica
6) Teoria del funzionale di densità
7) Proprietà elettroniche da calcoli Hartree-Fock e DFT
8) Studio delle superfici di energia potenziale (PES):
9) Frequenze vibrazionali da calcoli di struttura elettronica molecolare
10) Termochimica in fase gas da calcoli di struttura elettronica
11) Costanti di schermo NMR da calcoli di struttura elettronica molecolare
12) Meccanismi di reazione e superfici di energia potenziale
13) Modelli espliciti ed impliciti di solvatazione
Esercitazioni:
1) Calcolo di geometrie di equilibrio Hartree-Fock e DFT
2) Struttura elettronica ed orbitali molecolari da calcoli Hartree-Fock e DFT
3) Calcolo Hartree-Fock e DFT del potenziale elettrostatico molecolare
4) Calcoli Hartree-Fock/MP2/DFT dell’entalpia di dissociazione di legami chimici
5) Calcolo DFT di chemical shifts in composti organici
6) Calcolo DFT/PCM del profilo di energia per una reazione SN2 in fase gas ed in soluzione
Programma esteso
1. Le superfici di energia potenziale molecolare
a. Hamiltoniano e funzione d’onda molecolare
b. Approssimazione di Born-Oppenheimer
c. Il problema elettronico
d. Il problema nucleare
e. Le superfici di energia molecolare (PES)
f. Minimi e punti di sella delle PES
2) Concetti e metodi di struttura elettronica molecolare
a. Il problema elettronico
b. Le funzioni d’onda elettroniche
c. Metodi di struttura elettronica molecolare
3) Metodo Hartree-Fock
a. La funzione d’onda mono-determinantale
b. L’energia Hartree-Fock e le sue componenti
c. Equazioni di Fock
d. L’approssimazione algebrica e le equazioni di Roothan-Hall
e. Funzioni d’onda Hartree-Fock Closed-Shell/ Open-Shell
f. Struttura operativa dei software di calcolo Hartree-Fock
4) Basis sets per calcoli molecolari
a. Funzioni di base gaussiane primitive
b. Minimal basis sets
c. Multiple-Zeta basis sets
d. Funzioni di Polarizzazione
e. Funzioni diffuse
f. Potenziali efficaci di core
5) Metodi Post-SCF di correlazione elettronica
a. Limiti del metodo Hartree-Fock e l’energia di correlazione
b. Funzioni d’onda post-hartee-fock e metodi post-hartree-fock
c. Metodi a interazione di configurazione (CI
d. Metodi perturbativi Moeller-Plesset
e. Metodi Coupled-clusters
6) Teoria del funzionale di densità
a. I teoremi di Hoemberg e Khon
b. Il metodo Khon-Sham
c. Energia di scambio e correlazione
d. Equazioni di Khon-Sham
e. I funzionali si scambio e correlazione
7) Proprietà elettroniche da calcoli Hartree-Fock e DFT
a. Software per calcoli Hartree-Fock e DFT
b. Energia elettronica Hartree-fock e DFT
c. Orbitali molecolari ed energie orbitaliche
d. Densità elettronica e matrice di densità: cariche atomiche e ordini di legame
e. Analisi della densità elettronica secondo Mulliken
f. Momento di dipolo elettrico molecolare
g. Potenziale elettrostatico molecolare
8) Studio delle superfici di energia potenziale (PES):
a. Punti di minimo e punti di sella delle PES
b. Ottimizzazione di geometria: gradienti analitici dell’energia ed algoritmi di ottimizzazione.
9) Frequenze vibrazionali da calcoli di struttura elettronica molecolare
a. Il problema nucleare
b. L’approssimazione armonica e il calcolo delle frequenze vibrazionali
c. L’energia vibrazionale di punto zero
d. Calcolo delle frequenze in Gaussian 16
10) Termochimica in fase gas da calcoli di struttura elettronica
a. Dalla funzione di partizione molecolare alle funzioni termodinamiche energia interna, entalpia, entropia, energie di Gibbs ed Helmholtz
b. I contributi alla funzione di partizione molecolari
c. Funzioni termodinamiche a 0K
d. Contributi termici alle funzioni termodinamiche
e. Dalla funzione di partizione molecolare alle costanti di equilibrio
11) Costanti di schermo NMR da calcoli di struttura elettronica molecolare
a. Proprietà molecolari come derivate dell’energia elettronica
b. I tensori delle costanti di schermo NMR secondo la teoria di Ramsey Calcoli NMR in Gaussian 16
12) Meccanismi di reazione e le Superfici di energia potenziale
a. Minimi, punti di sella della PES , coordinata intrinseca di reazione
b. Stati di transizione e barriere di energia potenziale (energia di attivazione)
c. Studio di meccanismi di reazione in Gaussian 16
d. Dall’energia di attivazione alla costante cinetica: la teoria dello stato di transizione.
13) Modelli di solvatazione.
a. Modelli espliciti ed impliciti di solvatazione
b. Il Polarizable Continuum Model (PCM)
c. Il PCM in Gaussian 16
Bibliografia
I.N. Levin, "Quantum Chemistry", 6th Ed., Pearson, Pearson, 2009
J.B. Foresman and Ae. Frisch, “Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods”, 3rd Ed., Pittsburg, 2017
Metodi didattici
Le attività didattiche vengono condotte mediante lezioni frontali (32h) ed esercitazioni pratiche di laboratorio (30h). Queste attività vengono integrate da seminari di approfondimento/tutoraggio
Le slide utilizzate a supporto delle delle lezioni verranno caricate settimanalmente sulla piattaforma Elly, che sarà accessibile mediante iscrizione al corso.
Le slide insieme al testo di riferimento sono parte integrante del materiale didattico. Gli studenti non frequentanti possono controllare il materiale didattico disponibile tramite la piattaforma Elly.
Modalità verifica apprendimento
La modalità di verifica dell'apprendimento consiste in una prova orale mediante interrogazione e discussione di una delle esperienze di laboratorio. Durante la prova verrà verificato il grado di competenza nell'applicazione dei metodi della chimica computazionale alla caratterizzazione delle proprietà di sistemi molecolari.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Gli obiettivi formativi del corso sono in generale in linea con l’obiettivo di una “Istruzione di qualità” dell’Agenda 2030. Inoltre, i contenuti specifici del corso lo rendono in linea con tematiche relative agli obiettivi di “Energia pulita ed accessibile” e di “Industria, innovazione e infrastrutture” della stessa Agenda.
