Corso di laurea specialistica in METODOLOGIE CHIMICHE AVANZATE
Insegnamento di CHIMICA COMPUTAZIONALE
Insegnamento
Denominazione
Codice
CHIMICA COMPUTAZIONALE
S8014
CFU
4
Collocazione
(CdS, anno di
corso)
Periodo didattico
I anno
1° periodo didattico
1. Docenza
Docente: Dr.Bartolomeo Civalleri
Dipartimento di Chimica IFM
Tel.: +39-011-6707564; Fax: +39-011-6707855
e-mail: [email protected]; WEB: http://www.theochem.unito.it/didattica
2. Finalità ed obiettivi dell’insegnamento
Finalità
Il corso si propone di fornire agli studenti un’introduzione al linguaggio e una panoramica degli strumenti del
calcolo quanto-meccanico utilizzati nella moderna chimica computazionale molecolare. L'obiettivo principale è
mostrare come i metodi quanto-meccanici implementati in programmi di calcolo permettono lo studio
modellistico di molecole di interesse.
Obiettivi
L’allievo dovrà essere in grado di
a) conoscere che cosa si intende con approccio computazionale in chimica e come questo stia diventando uno
strumento importante nella ricerca scientifica e un utile complemento all’attività sperimentale;
b) conoscere le basi teoriche dei metodi quantistici ab initio più comunemente usati nella chimica
computazionale;
c) apprendere l’utilizzo base di programmi di calcolo quanto-meccanici, in particolare del programma
Gaussian, per lo studio di sistemi molecolari
3. Pre-requisiti in ingresso e competenze minime in uscita
Pre-requisiti (in ingresso)
Insegnamenti fornitori
Fondamenti di meccanica quantistica
Chimica Fisica D
Fondamenti di spettroscopia
Chimica Fisica E
Competenze minime (in uscita)
Conoscere come si possano studiare le proprietà chimico-fisiche
di molecole attraverso tecniche di modellizzazione
Conoscere il linguaggio e le basi teoriche della moderna chimica
computazionale (metodi ab initio)
Conoscere gli elementi di base per l’uso di programmi di calcolo
Insegnamenti fruitori
Simulazione molecolare
Forze e interazione nei solidi,
Simulazione molecolare
Simulazione molecolare
molecolare come Gaussian
4. Metodologia didattica
Il corso di 4 CFU è suddiviso in 2 CFU di lezione frontale e 2 CFU di laboratorio ed è collocato in un periodo
didattico della durata di 7 o 8 settimane a seconda degli anni accademici.
La metodologia didattica impiegata consiste quindi in:
a) 14 (16) ore di lezioni in aula
b) 28 (32) ore di esercitazioni nel laboratorio informatico
Le lezioni in aula forniscono le basi teoriche dei metodi quantistici ab initio partendo dai fondamenti della
meccanica quantistica e introducendo progressivamente metodi sempre più sofisticati per la risoluzione
dell’equazione di Schrödinger. I limiti, i meriti e i costi computazionali dei vari metodi vengono anche discussi.
In parallelo, le esercitazioni offrono la possibilità di applicare i metodi quantistici ab initio introdotti a lezione
allo studio delle proprietà chimico-fisiche di alcune semplici molecole. In particolare, viene fatto uso di uno dei
programmi di calcolo più comunemente impiegati nei laboratori di ricerca: Gaussian. Gli esempi presentati
permettono allo studente di verificare come, usando opportuni software e gli odierni computer da tavolo, sia
possibile condurre dei veri e propri esperimenti al calcolatore.
5. Programma, articolazione e carico didattico
Argomento
Ore Lez.
Ore Eserc.
Definizione e significato di chimica computazionale
1
Accenni alla simulazione multiscala
Richiami di meccanica quantistica (notazione bra-ket,
2
postulati, stati stazionari, unità atomiche)
Metodi approssimati in meccanica quantistica (principio
variazionale e metodo variazionale lineare, metodo
perturbativo)
Discussione dell’hamiltoniano multielettronico e principali
1
approssimazioni introdotte
Approssimazione di Born-Oppenheimer
Approssimazione spin-orbitale
Principio di antisimmetria
Prodotto di Hartree e determinante di Slater
2
Determinante di Slater come autofunzione di Sz e S2
Il metodo di Hartree-Fock
Teorema di Koopman
Il metodo MO-LCAO e ciclo SCF
1
Definizione di set base
Effective Core Pseudopotential (ECP) e BSSE
Discussione delle principali osservabili mono-elettoniche
1
(densità elettronica, potenziale elettrostatico, momento di
dipolo e altri multipli)
Accenni ai metodi di analisi della funzione d’onda (Mulliken,
Chelpg, Bader)
Il problema della correlazione elettronica
4
Breve panoramica dei metodi post-Hartree-Fock:
variazionali (interazione di configurazioni, CI), perturbativi
(metodo Møller-Plesset) e Coupled-Cluster (CC).
Introduzione alla teoria del funzionale della densità (DFT) e 2
ai metodi derivati
Totale Ore
Modulo 1
Introduzione all’uso del programma di calcolo Gaussian98
Preparazione dell’input e discussione dell’output
Uso di strumenti di grafica molecolare per l’analisi
dell’output
Definizione della geometria di una molecola attraverso la
costruzione della matrice Z ed esercizi
Modulo 2
Calcolo e analisi della struttura elettronica della molecola di
urea
Modulo 3
Breve introduzione al significato di ottimizzazione della
geometria
Studio della molecola dell’anilina con individuazione dei
punti stazionari sulla superficie di energia potenziale
Modulo 4
Studio del dimero dell’acqua.
Analisi del cambiamento delle proprietà strutturali,
elettroniche e vibrazionali della molecola isolata dopo la
formazione del dimero.
Confronto tra metodi di calcolo
Totale 14
4
8
8
8
28
6. Materiale didattico
I testi base consigliati per il corso sono:
Appunti delle lezioni e materiale usato nelle esercitazioni (forniti dal docente e disponibili sul sito)
E’ consigliato l’utilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni:
F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999.
Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:
Home page del programma Gaussian:
http://www.gaussian.com
Sito internet con database dei set base per calcoli ab initio:
http://www.cse.clrc.ac.uk/qcg/basis/
Sito IUPAC sugli acronimi usati in chimica computazionale:
http://www.iupac.org/reports/1996/6802brown
7. Modalità di verifica/esame
L'esame si svolge , di norma, come segue :(dettagliare il più possibile:scritto,orale,prove in itinere,criteri di
valutazione ecc.)
L’esame consiste principalmente in una prova scritta della durata di 4 ore circa costituita da una decina di
domande, di carattere generale, relative agli argomenti discussi a lezione. Le domande hanno peso diverso.
Prima dell’inizio dell’esame, il docente provvederà a indicare l’importanza delle domande e a dare una
traccia delle risposte.
Durante il laboratorio gli studenti dovranno anche preparare delle schede riassuntive di commento ai moduli
esercitativi proposti.
