CHIMICA COMPUTAZIONALE

Crediti: 
6
Settore scientifico disciplinare: 
CHIMICA FISICA (CHIM/02)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

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: l'approssimazione orbitalica e le funzione d'onda mono-determinantali: funzioni d'onda "restricted" e "unrestricted"; il metodo variazionale e le equazioni di Hartree-Fock per la determinazione degli orbitali molecolari: energia orbitaliche e teorema di Koopman per le energie di ionizzazione e le affinità elettroniche. Espansione degli Orbitali molecolari su funzioni di base e metodo di Roothan-Hall: matrice di Fock, matrice di densità elettronica.

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

4. Basis Sets di espansione per orbitali molecolari: Funzioni di Slater, funzioni di base gaussiane, contrazione delle funzioni gaussiane. Basis set minimali, Basis set di tipo "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 di ricerca delle geometrie equilibrio e degli stati di transizione.

6. Metodi di Correlazione Elettronica: correlazione elettronica (buca di Coulomb), funzioni d'onda post-SCF: metodi a Interazione di Configurazione, metodi perturbativi Moeller-Plesset, metodi coupled-cluster.

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

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

9. Termodinamica statistica e teoria dello stato di transizione
Distribuzione di Boltzmann, funzioni di partizione molecolari e calcolo delle proprietà termodinamiche di gas ideali. Stato di transizione ed energia di attivazione.

10. Modelli di solvatazione: metodi per lo studio dell'effetto del solvente sulle proprietà molecolari. Il modello del Polarizable Continuum Model.

Programma esteso

1. Introduzione alla chimica computazionale:

2. Metodo Hartree-Fock: l'approssimazione orbitalica e le funzione d'onda mono-determinantali: funzioni d'onda "restricted" e "unrestricted"; il metodo variazionale e le equazioni di Hartree-Fock per la determinazione degli orbitali molecolari: energia orbitaliche e teorema di Koopman per le energie di ionizzazione e le affinità elettroniche. Espansione degli Orbitali molecolari su funzioni di base e metodo di Roothan-Hall: matrice di Fock, matrice di densità elettronica.

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

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

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

6. Metodi di Correlazione Elettronica: correlazione elettronica (buca di Coulomb), funzioni d'onda post-SCF: metodi a Interazione di Configurazione, metodi perturbativi Moeller-Plesset, metodi coupled-cluster.

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

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

9. Termodinamica statistica e teoria dello stato di transizione
Distribuzione di Boltzman, funzioni di partizione molecolari e calcolo delle proprietà termedinamiche di gas ideali. Stato di transizione ed energia di attivazione.

10. Modelli di solvatazione: metodi per lo studio dell'effetto del solvente sulle proprietà molecolari. Il modello del Polarizable Continuum Model.

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.