Рабочая Программа учебной дисциплины (модуля)
Скачать 156.2 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ТГПУ) «Утверждаю»Проректор по учебной работе (декан факультета) ___________________________________________ «____»____________2010 г. рабочая Программа учебной дисциплины (модуля) Использование полуэмпирических квантово-химических методов расчета в химии (СДМ.03) Трудоемкость (в зачетных единицах) 3 Направление подготовки: 020100.68 Химия Профиль подготовки: Физическая химия Квалификация (степень) выпускника: магистр 1. Цели изучения дисциплины (модуля): Основная цель изучения курса использование полуэмпирических методов в химии - получение знаний студентов в области теории строения атомов и молекул для их использования при проведении полуэмпирических квантово-химических расчетов химических объектов. Глубокие знания основ моделирования в химии необходимы магистрантам для описания структуры и физико-химических свойств различных химических соединений, в частности биологически активных в тонком органическом синтезе и в химико-фармацевтической промышленности на достаточно высоком научном уровне. Известно, что современная химическая наука уделяет большое внимание исследованию строения молекул и описанию природы связи в них. При этом наряду с интенсивно развивающимися экспериментальными методами, использующими новейшие достижения физики, все более активно привлекаются теоретические подходы. Квантово-химические расчеты являются источником многих модельных представлений, используемых современной химической теорией. Именно в рамках этой науки нашел объяснение феномен образования химической связи. Задачей данного курса является научить магистрантов проведению полуэмпирических расчетов на уровне, который доступен магистрантам биолого-химического факультета. 2. Место учебной дисциплины (модуля) в структуре основной образовательной программы. Дисциплина «Использование полуэмпирических квантово-химических методов расчета в химии» относится к разделу СДМ.03. Обязательные дисциплины. 3. Требования к уровню усвоения дисциплины: В данном курсе магистрант должен получить и закрепить следующие основные навыки и умения: - владение основными принципами построения химических соединений; - умение составить электронную формулу любой молекулы; - проведение конкретных полуэмпирических расчетов молекул и химических реакций для установления структуры и реакционной способности соединений на основе использования современных компьютерных квантово-химических программ ChemOffice, HyperChem, Gaussian98; - понимать природу взаимодействия молекул в процессе химических реакций. Успешное усвоение курса строения вещества требует знания следующих дисциплин: - высшей математики; физики; вычислительной техники; неорганической химии; физической химии; органической химии. 4. Общая трудоемкость дисциплины (модуля) и виды учебной работы.
5.Содержание учебной дисциплины (модуля). 5.1.Разделы учебной дисциплины (модуля).
5.2. Содержание разделов дисциплины 5.2.1. Уравнение Шредингера для атома водорода. Атомные орбитали. Расчет различных свойств водородоподобного атома. Спектры и правила отбора. Метод самосогласованного поля Хартри. Метод Хартри-Фока. Приближенные аналитические функции атомных орбиталей. Орбитали Слетера-Зенера. Двухэкспоненциальные и гауссовские орбитали. Электронные спектры. 5.2.2. Приближение Борна-Оппенгеймера. Метод валентных связей. Метод молекулярных орбиталей в молекулах. Приближение линейных комбинаций атомных орбиталей. Расчет молекулы водорода по методу МО ЛКАО. МО гомоядерных двухатомных молекул. Электронные конфигурации гомоядерных молекул. МО гетероядерных двухатомных молекул. 5.2.3. Полуэмпирические методы расчета. Основные требования к полуэмпирическим методам. Приближение нулевого дифференциального перекрывания. Инвариантность полуэмпирических методов. Параметризации методов полного пренебрежения дифференциальным перекрыванием (ППДП/2, ППДП/С). Параметризация методов частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием (ЧПДП, МЧПДП/3). Методы пренебрежения двухатомным дифференциальным перекрыванием (АМ1, РМ3, МПДП). Метод Паризера-Парра-Попла (ППП). Расширенный метод Хюккеля. 5.2.4. Базисные ряды атомных орбиталей. Слетеровские функции. Расщепленные валентные орбитали. Эффективные потенциалы остова. Критерии сходимости. 5.2.5. Молекулярные функции электронного, колебательного, вращательного разделения. Прямой расчет энтальпии, энтропии, свободной энергии Гиббса. Параметрические усовершенствования. Полуэмпирические теплоты образования химических соединений. 5.2.6. Расчет энергий МО: циклобутадиен, бензол, этилен, циклические полиены, молекулы с гетероатомами, полициклоароматические соединения. Электронные плотности, заряды, порядки связей, поляризуемости. Теплоты атомизации полиенов. Энергетические критерии ароматичности. Энергия резонанса. Расчет физических свойств сопряженных соединений. Индексы реакционной способности. Электрофильное и нуклеофильное замещение. Реакции радикального замещения. Реакции присоединения. 6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины. 6.1. Основная литература:
6.2 Дополнительная литература:
6.3. Средства обеспечения освоения дисциплины Расчетные квантово-химические программы: ChemOffice, HyperChem, Gaussian, MopacW. 6. 4. Материально-техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс c сервером и 11 терминалами. 7. Методические рекомендации по организации освоения дисциплины: 7.1. Методические рекомендации преподавателю: На первом курсе магистратуры студенты продолжают знакомятся с программы химический офис, HyperChem6 и MOPAC для расчета электронной структуры молекул. Теоретические знания, полученные ранее из лекционного курса бакалавриата, закрепляются на лабораторных занятиях, на которых также вырабатываются практические умения построения молекулярных структур и их расчета различными полуэмпирическими квантово-химическими методами. Промежуточные срезы знаний проводятся после изучения основных тем курса. Промежуточный срез знаний проводится заданием конкретной молекулы и метода расчета и (или) тестированием по теоретическому курсу. Тестирование проводится в компьютерном классе с использованием специальной программы. Задания находятся на сайте ТГПУ. Тестирование студенты могут осуществлять в свободном доступе в качестве самостоятельной подготовки, как по отдельным темам, так и по семестрам. Занятия заканчиваются итоговым экзаменом. В течение всего обучения студенты выполняют индивидуальные задания, разрабатываемыми преподавателями по всем изучаемым темам курса. 7.2. Методические указания для студентов: 7.2.1. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы: 1. Постройте по методу ВС волновую функцию основного состояния молекулы Не2. 2. Может ли существовать молекула Не2 в возбужденном триплетном состоянии? 3. Сравните энергии диссоциации: а) молекулы N2 и ионов N2+ и N2-; б) молекулы F2 и ионов F2+ и F2-. 4. Рассмотрите плоские молекулы AXn (n=27), где Х – одновалентный атом или одновалентная группа (Н, Hal, Alk, OR и т. д.); А – центральный атом – элемент второго периода. Все молекулы имеют симметрию Dnh. В каждой системе установите: а) число связывающих, б) несвязывающих, в) разрыхляющих МО. 5. Чему равны порядки связей центральный атом – лиганд в молекулах XeF2 и СО2? Ответ получите построением МО этих систем (предположите, что одна из неподеленных электронных пар атома ксенона занимает орбиталь 5s. 6. Постройте диаграмму МО аниона FHF-. Какую геометрию имеют 16-электронные анионы ХHХ-? Устойчива ли молекула FHеF, изоэлектронная аниону FHF-? 7. Оцените качественно относительные энергии sp-, sp2-, sp3-гибридных орбиталей. а) 1>2>3, б) 1<2<3, в) 1>2<3 8. Какова симметрия распределения электронной плотности в sp2-гибридном атоме углерода? 9. Найдите вид волновых функций, описывающих гибридные орбитали атома азота в молекуле аммиака (валентный угол равен 108о). 10. Для молекулы воды найдите вид волновых функций, описывающих орбитали неподеленных электронных пар. Определите угол между неподеленными парами и тип гибридизации связей О-Н и неподеленных пар (НОН=104.5о). 11. Какая из гибридных орбиталей sp-, sp2-, sp3 обладает наибольшим дипольным моментом? 12. Укажите симметрию следующих молекул: а) SnBr2, HgBr2, TeCl2, Cl2O, XeF2; б) GaI3, BrF3, PF3, BF3, H3O+; в) BrF4-, SnH4, TeCl4, XeF4, BH4-; г) SbCl5, BrF5, SF6, IF7; д) ONF, NO2+, SO2, CO2; е) F2CO, SO3, NO2F, SOF2, NF2Cl; ж) POBr3, FclO3, ClO4-, XeO4; з) XeOF4, SOF4, S8, IOF5, SF5Cl. 13. Какие из указанных молекул полярные: FNO, BrF3, H2S, XeO4, PF3Cl2? а) 1,2,3; б) 1,4,5; в) 2,3,5 14. Как можно описать геометрию кластера Re2Cl82- (известно, что кластер диамагнитен, а длина связи Re-Re равна 0.224 нм)? 15. Объясните, почему в системах NH2, CH2, H2O, SiH2, PH2, H2S валентные углы примерно одинаковы. 16. Докажите, что в угловых молекулах АН2 валентный угол должен уменьшаться с уменьшением электроотрицательности центрального атома А. 17. Полагая, что в молекулах AHal2 каждый атом галогена вносит в базисный набор по одной АО р-типа, направленной прямо к центральному атому А, предскажите геометрию молекул: BeF2, BF2, CF2, NF2, OF2, ClF2, ClF2-. 18. Объясните, как зависит степень пирамидализации молекулы АН3 от электроотрицательности центрального атома. 19. Полагая, что каждый атом галогена участвует в связывании только одним валентным электроном, предскажите геометрию молекул BF3, CF3+, NF3, SnCl3-, ClF3, SeCl3-, XeF3+. 7.3. Примерный перечень вопросов к экзамену: 1. Рассчитайте уровни энергии и заряды на атомах в молекуле бензола полуэмпирическими методами. 2. Рассчитайте энергии МО, заряды на атомах, порядки связей, дипольные моменты для молекул метиленциклопропен, тетраметиленциклобутан, антрацен, фенантрен методом АМ1. 3. Обсудите закономерности изменения энтальпии образования и зарядов на атомах в ряду: бензол, циклобутадиен (квадратная структура симметрии D4h), циклопентадиенильного катиона и циклопентадиенильного аниона, плоской структуры циклооктатетраена (D8h). 4. Для линейных полиенов CNH2N+2 постройте зависимость между энтальпиями образования из метода РМ3 и значением N и сделайте вывод об энергии их МО. 5. Рассчитайте длины связей и валентные углы в азинах методом MINDO/3 и сравните с экспериментальными значениями. 6. Рассчитайте электронные плотности на атомах в аллильном катионе, бензильном катионе, -нафтилметильном катионе всеми возможными методами. 7. Воспользовавшись методом MINDO/3, определите: а) является ли пентален ароматической молекулой; б) сравните ароматичность центральных циклов в антрацепе, фенантрене и пирене. 8. Рассчитайте энергию в одной точке молекулы формальдегида с использованием базиса 6-31G(d) в Chem3D методом Гамесса. 9. Вычислите энергии конформеров 1,2-дихлоро-1,2-дифтороэтана методом АМ1. 10. Сравните МО этилена и формальдегида с точки зрения электронной плотности. 11. Рассчитайте молекулу фторэтилена с полной оптимизацией методами АМ1 и РМ3 и сравните рассчитанную геометрию с экспериментальной. 12. Проведите оптимизацию конформеров винилового спирта в опции переходного состояния и сравните их по энергии. 13. Рассчитайте частоты ИК-спектра этилена, фторэтилена, винилового спирта, пропена и виниламина, определите положение в пространстве С=С связей и сравните с экспериментальными частотами из базы данных. 14. Рассчитайте ИК-спектры формальдегида (1746), ацетальдегида (1746), акролеина (1723), формамида (1740), ацетона (1737), ацетилхлорида (1822) и метилацетата (1761). Выберите подходящий метод расчета для наилучшего согласия с экспериментом. В скобках приведены экспериментальные значения валентных колебаний С=О связей в см-1. 15. Проведите расчет (HF)2 с использованием полуэмпирических методов и сделайте вывод о применимости методов к расчету сильной Н-связи. Проведите сравнение на основании экспериментального расстояния F…F – 0.273 нм. 16. Определите энергию изомеризации н-бутана в изо-бутан на основании расчета АМ1, РМ3 и MINDO/3, учитывая, что экспериментальное значение равно –1.64 ккал/моль. 17. Подберите метод для расчета молекулы F2O2, учитывая, что экспериментальные значения для связей О-О и O-F, угла F-O-O равны 0.1217; 0.1575 нм; 109.5о. 18. Известно, что в атмосфере происходят реакции: Cl + O3 ClO + O2 ClO + O3 2O2 + Cl Используя базу данных NIST и полуэмпирические методы, рассчитайте термодинамические параметры этих реакций, учитывая, что экспериментальное значение Н = -39.1 ккал/моль. 19. Рассчитайте сродство к электрону, потенциал ионизации, сродство к протону, энергию атомизации РН2 в подходящем методе, учитывая, что экспериментальные значения равны 1.26 эВ; 9.82 эВ; 187.1 ккал/моль; 144.7 ккал/моль. 20. Постройте профиль реакции СН2О НСОН и рассчитайте активационный барьер реакции. 21. Используя модель РМ3, рассчитайте Н реакций гидратации: Li+ + H2O H2OLi+ и Н2О + Н2О (Н2О)2 Сравните эти результаты с экспериментальными значениями –34.0 и –3.6 ккал/моль. 22. Рассчитайте Н для изодесмических реакций: ацетальдегид + этан ацетон + метан ацетилфторид + этан ацетон + метилфторид Используйте методы АМ2 и РМ3. Какая из реакций экзотермическая, какая эндотермическая? 23. Рассчитайте возбужденные состояния этилена и проведите отнесение переходов в электронном спектре на основании значений энергии и сил осциллятора. Используйте метод ZINDO/S. 24. Определите оптимизированную структуру первого возбужденного состояния акролеина и сравните со структурой основного состояния методом MINDO/3. 25. Рассчитайте электронный спектр и отнесите электронные переходы молекулы бензола. Используйте все методы и сравните с экспериментом. Программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 020100.68 Химия (магистерская программа — физическая химия). (указывается номер и наименование направления подготовки (специальности) Программу составили: Полещук Олег Хемович д.х.н., профессор кафедры органической химии ТГПУ _______________________________ Программа утверждена на заседании кафедры органической химии ТГПУ протокол №____ от «___»___________2010 г. Заведующий кафедрой органической химии О. Х. Полещук Рабочая программа одобрена методической комиссией биолого-химического факультета ТГПУ «___»___________2010г. Председатель методической комиссии БХФ Е.П. Князева Согласовано: Декан БХФ В. А. Дырин | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |  | Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля)... Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Рабочая программа учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Рабочая программа учебной дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Рабочая программа учебная дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Рабочая программа учебная дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Рабочая программа учебная дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Рабочая программа учебная дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
| Рабочая программа учебная дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... | | Рабочая программа учебная дисциплины пс рпуд рабочая программа учебной дисциплины (модуля) Компетенции студента, формируемые в результате освоения учебной дисциплины (модуля) / ожидаемые результаты образования и компетенции... |
