CHIMICA FISICA COMPUTAZIONALE

A.A. di erogazione 2020/2021
Insegnamento opzionale

Laurea Magistrale in CHIMICA
 (A.A. 2020/2021)

Docenti

L'insegnamento è condiviso, tecnicamente "mutuato" con altri corsi di laurea, consultare il dettaglio nella sezione Mutuazioni
Anno di corso: 
1
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
CHIMICA FISICA (CHIM/02)
Crediti: 
6
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
56
Dettaglio ore: 
Lezione (32 ore), Laboratorio (24 ore)

OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento si inserisce nei più ampi obbiettivi del Corso di Laurea Magistrale in Chimica, proponendosi di presentare agli studenti gli elementi e metodi di base della teoria quantistica applicata allo studio dei sistemi molecolari e multi-elettronici. Scopi principali dell’insegnamento sono lo sviluppo da parte degli studenti di una comprensione critica delle potenzialità e limitazioni caratteristiche di ciascun metodo come presupposto alla scelta razionale dell’approccio computazionale da applicare allo studio di specifici processi o proprietà molecolari. Gli studenti verranno inoltre formati all’utilizzo pratico dei metodi della chimica quantistica computazionale più frequentemente impiegati in ambito chimico attraverso esercitazioni pratiche al calcolatore guidate dal docente. Lo sviluppo della capacità di analizzare criticamente i risultati ottenuti è, inoltre, un ulteriore obbiettivo fondante dell’insegnamento. Alle competenze indicate, si aggiungono, inoltre, quelle di visualizzazione grafica e presentazione ragionata dei dati ottenuti, collegando questi ultimi al problema chimico in studio.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di:
1. Comprendere
o Equazione di Schrödinger per le molecole
o Separazioni dei moti ed approssimazione di Born-Oppenheimer
o Modelli orbitalici quali i metodi di Hartree-Fock and Density Functional Theory
o Effetti relativistici e loro impatto sulle proprietà molecolari
o Insieme di base (“orbitali”) atomici
o Accuratezza dei metodi di struttura elettronica e loro valutazione critica
o Determinazione delle proprietà molecolari
2. scegliere il livello del metodo da impiegare per le proprietà molecolari d’interesse
3. scegliere l’insieme di base atomica per il corretto compromesso tra costo computazionale ed accuratezza
4. impostare e sottomettere i calcoli in maniera appropriata
5. Analizzare criticamente i risultati ottenuti
6. Presentare in modo razionale le scelte modellistiche
7. Discutere criticamente i possibili limiti modellistici
8. Scegliere i metodi computazionali appropriati
9. Valutare la corretta esecuzione dei calcoli da parte dei codici impiegati
10. Analizzare e interpretare i risultati da un punto di vista chimico

Conoscenze, e capacità nell’applicarle a sistemi modello, di Meccanica Quantistica (funzione d’onda e sua interpretazione; osservabili fisiche, i loro operatori e la loro rappresentazione matriciale; algebra lineare; valori d’aspettazione e teorema variazionale dell’energia/varianza dell’energia, teoria delle perturbazioni indipendenti dal tempo) e di Termodinamica Statistica (funzione di partizione e sue relazioni con le funzioni di stato termodinamiche).

Operatore Hamiltoniano molecolare e sua approssimazione à la Born-Oppenheimer (2h); Equazione di Schroedinger elettronica (1h); orbitali atomici idrogenoidi (1h); spin elettronico e sua rappresentazione (1h); determinante di Slater (2h); effetti relativistici (1h); metodo di Hartree-Fock ed Hartree-Fock-Roothan (2h); funzioni d’onda “restricted” (RHF) e “unrestricted” (UHF) (2h); derivate dell’energia media per il metodo di Hartree-Fock (1h); autofunzioni di spin e funzioni multi-determinantali (1h); instabilità degli orbitali molecolari (RHF contro UHF) (1h); insiemi di base atomici (2h); errore di sovra-estensione della base atomica (BSSE) (1h); superfici d’energia potenziale e loro punti stazionari (1.5h); moto rotazionale e vibrazionale delle molecole e predizione delle frequenze d’assorbimento (1.5h); energie ed entalpie di atomizzazione, formazione e di legame (1.5h); forze intermolecolari: interazione elettrostatica, induttiva e dispersiva (1.5h); energia di distorsione dei legami e di stabilizzazione aromatica (0.5h); potenziali di ionizzazione e loro approssimazione à la Koopman, affinità elettroniche e stati eccitati e di Rydberg (1.5h); potenziale elettrostatico della molecola e sua rappresentazione multipolare (1.5h); interazione molecola/campi statici (1.5h); metodi di analisi della popolazione di carica (densità elettronica) tipo “Mulliken”, “Bader” o “Natural Bond Orbital” (1.5h); introduzione alla teoria della reattività chimica (Orbitali Molecolari di Frontiera e teoria “Hard-Soft Acid-Base”) (1.5h).
Esercizi al calcolatore con utilizzo di codici per lo studio della struttura elettronica e visualizzatori molecolari (24h).

Lezioni Frontali (32h); Esercitazioni al calcolatore (24h), con discussione sulle possibili applicazioni dei metodi utilizzati nell’ambito della ricerca chimica. Le esercitazioni, compatibilmente con la numerosità della classe, vengono effettuate singolarmente in modo da aumentare la pratica e velocizzare l’apprendimento; devono, inoltre, essere considerate come obbligatorie, e sono costruite con lo scopo di fornire gli elementi pratici per mezzo dei quali lo studente possa diventare in grado di superare l’esame. In generale, ciascuna esercitazione richiederà lo studio dello stesso processo/proprietà sugli elementi un piccolo insieme di molecole al fine di poter confrontare i risultati tra di loro e analizzare lo specifico impatto della struttura molecolare.
Per quanto riguarda le discussioni in aula, anche scaturite da domande estemporanee, queste si svolgeranno in modo da coinvolgere tutti gli studenti presenti.

La verifica dell’apprendimento atteso avviene in due parti:
• lo sviluppo di un mini progetto da parte dello studente, il cui argomento è concordato con il docente per verificarne la fattibilità e definirne i limiti temporali e l’insieme dei risultati da perseguire;
• successiva presentazione e discussione critica dei risultati del progetto, allo scopo di verificare l’adeguatezza delle scelte modellistiche e la possibile estensione dei risultati del progetto attraverso ulteriori analisi con gli strumenti computazionali introdotti a lezione.

Computational Chemistry; Andrew Leach
Quantum Mechanics in chemistry; Simons-Nichols
Modern Quantum Chemistry; Szabo-Ostlund
Dispense date a lezione; articoli scientifici e didattici, siti web a tema.

Ricevimento: tutti i giorni previo appuntamento da concordare via posta elettronica.

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A.A. 2019/2020

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2018/2019

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2017/2018

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2016/2017

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2015/2016

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE

A.A. 2014/2015

Anno di corso: 1
Curriculum: PERCORSO COMUNE