Verplicht in fase
Optioneel in fase
Eerste semester
Tweede semester
Beide semesters
Niet ingericht
Dit jaar
Volgend jaar
Wisselende jaren
Extern
Voorwaarden
Onderwijstaal
Duur
Identieke opleidingsonderdelenKwantum- en computationele chemie (B-KUL-G0D72A)
Uitgesloten voor examencontract
Harvey Jeremy (coördinator) | Harvey Jeremy | Loreau Jérôme Doelstellingen
De studenten:
- Hebben een solide basiskennis van de principes van kwantummechanica, en begrijpen waarom ze in de chemie belangrijk zijn.
- Beschikken over relevante kennis van de toepassing van kwantummechanica aan het voorspellen van chemische eigenschappen zoals moleculaire structuur, thermodynamica, en reactiviteit
- Begrijpen de benaderingen die gebruikt moeten worden om de wetten van de kwantummechanica, in het bijzonder de tijdsonafhankelijke Schrödingervergelijking, aan atomen en moleculen te kunnen toepassen.
- Beheersen de basis-concepten zoals kwantisering, kwantumgetallen, Pauli-principe, golffunctie, elektronisch potentiaaloppervlak, moleculaire orbitalen, elektron correlatie.
- Hebben kennis van de belangrijkste (i.e. in het hedendaags onderzoek meest gebruikte) computationele technieken in de chemie zoals Hartree-Fock theorie, densiteitsfunctionaaltheorie, moleculaire mechanica.
- Kunnen hun theoretische kennis gebruiken om kwantumchemische berekeningen uit te voeren, en de resultaten te analyseren.
- Hebben de vaardigheden en het inzicht om onder gepaste begeleiding een chemische probleem te formuleren en om gepaste computationele methoden voor te stellen voor de oplossing van de probleem.
Begintermen
De cursus gaat uit van een basiskennis chemie, wiskunde en fysica. De studenten moeten kennis hebben van:
• Chemie: beschrijvende voorstellingen van de elektronenstructuur van atomen en moleculen (i.e. atoomstructuur en de opbouw van het periodiek systeem, chemische binding in moleculen)
• Wiskunde: bepaalde en onbepaalde integralen, afgeleiden van functies van een en meerdere variabelen, basisprincipes van lineaire algebra (vectoren, matrices en determinanten), complexe getallen
• Fysica: klassieke Newton mechanica, mechanische golven, Coulombkrachten, basisprincipes van elektromagnetisme
Identieke opleidingsonderdelen
Dit opleidingsonderdeel is identiek aan de volgende opleidingsonderdelen:
G0O40B : Kwantum- en computationele chemie
Plaats in het onderwijsaanbod
Onderwijsleeractiviteiten
1.4 sp. Quantum and Computational Chemistry: Laboratory Sessions (B-KUL-G0D72a)
Inhoud
Het doel van dit practicum is enerzijds het verwerven van basiservaring met kwantumchemische software en het gebruik van een grafische interface met deze software, en anderzijds het verwerven van extra begrip in de inhoud van het hoorcollege door middel van praktische oefeningen. Deze oefeningen omvatten de volgende items:
- Chemische interpretatie van de data die resulteren uit een kwantumchemische berekening.
- Tekenen van atomaire en moleculaire orbitalen.
- Herkennen van moleculaire symmetrie en werken met karaktertabellen.
- Berekenen van stationaire punten op een elektronisch potentiaaloppervlak.
- Analyse van deze stationaire punten door middel van een frequentie-analyse.
- Berekening van een elektronisch aangeslagen toestand.
- Illustratie van het begrip elektroncorrelatie.
- Ontwerpen van zelfstandige mini-projecten, en uitvoeren met hulp van assistenten.
Tijdens het 2e sem kunnen de studenten hun kennis van computationele chemie verdiepen naarmate de benodigde voorkennis in wiskunde II ter beschikking komt
Studiemateriaal
- Handleiding
- Kwantumchemisch software met grafische interface, aangeboden via de PC-klassen van LUDIT
4.6 sp. Kwantum- en computationele chemie (B-KUL-G0O40a)
Inhoud
De lessen zijn gestructureerd in drie delen:
In een eerste deel worden de fundamenten van de kwantummechanica aangebracht en geïllustreerd voor atomaire één-elektronsystemen. De volgende items komen hierbij aan bod:
- De basis van de kwantummechanica en de tijdsonafhankelijke Schrödingervergelijking
- Atomaire orbitalen: oplossing van de Schrödingervergelijking voor atomen met één elektron
- De kwantumgetallen: orbitaaldraaiimpuls
- Elektron spin en het Pauli principe
In een tweede deel komen een aantal fundamentele principes aan bod die gebruikt worden bij het construeren van benaderende oplossingen van de Schrödingervergelijking voor meer-elektronensystemen:
- De Born-Oppenheimer approximatie
- De orbitaalbenadering: Pauli-principe en de constructie van Slaterdeterminanten
- Het variatietheorema
- Matrixformulering van de Schrödingervergelijking
- De LCAO-MO benadering in moleculen
- (Tijdsonafhankelijke) perturbatietheorie voor niet-ontaarde systemen
- De kwantumgetallen: connectie met draaiimpuls in atomen, symmetrie in moleculen.
In een derde deel wordt een beschrijvend overzicht gegeven van de belangrijkste computationele methoden en de wijze waarop deze toegepast worden in hedendaagse computersoftware. De klemtoon ligt hierbij op praktische toepassingen eerder dan op de rigoureuze afleiding van het mathematische formalisme van de verschillende methoden. Deze praktische toepassingen zullen verder ook uitgebreid aan bod komen tijdens de oefensessies horende bij deze cursus.
- De SCF-LCAO-MO methode
- Basis sets
- Elektron correlatie: CI, MP2, Coupled-cluster
- Densiteitsfunctionaaltheorie, semi-empirische methoden
- Berekening van moleculaire eigenschappen (structuur, vibratiefrekwenties, dipoolmoment, atomaire ladingen)
- Moleculaire mechanica
Studiemateriaal
- cursustekst
- slides via Toledo
Komt ook voor in andere opleidingsonderdelen
Evaluatieactiviteiten
Evaluatie: Kwantum- en computationele chemie (B-KUL-G2D72a)
Toelichting
- Het examen over het hoorcollege en de inhoud van de praktische oefeningen (G0D72a) gaat door tijdens de examenperiode (gesloten boek), zijnde de junizittijd
- Praktische evaluatie voor het begrip van en de vaardigheid in het omgaan met de kwantumchemische software. De beoordeling van het practicum gebeurt via permanente evaluatie (aanwezigheid, inzet, kritische houding), en via verslagen voor geselecteerde praktijkoefeningen, in het bijzonder voor de mini-projecten. Enkele verslagen worden gekwoteerd en terugbezorgd aan de studenten, die hierdoor feedback krijgen en hun vorderingen (ook qua verslaggeving) kunnen inschatten.
- De kwotering van het practicum telt voor 25% mee in de totale eindscore.
- Studenten die niet deelnamen aan het practicum mogen geen examen over het hoorcollege afleggen.
Toelichting bij herkansen
Voor wat betreft het examen over het hoorcollege + de inhoud van het practicum is de modaliteit van de tweede kans gelijk aan de eerste. Het practicum (met verslagen en examen) kan echter voor deze tweede kans niet opnieuw gedaan worden. De punten hiervoor worden dus overgenomen uit de eerste kans.