Applied quantum chemistry, 15 credits

Transkript

1 Applied quantum chemistry, 15 credits Course period: till Main location of the course: Chemistry building, Chalmers Campus Course leader/address for applications: Last day for application: Applications are welcome at any time Jürgen Gräfenstein Course description (Advertisement for Ph.D. students): Atomic-level computations are becoming a common tool in chemistry. Today, their use is no longer restricted to a small group of specialized theorists; rather, more and more chemists with an experimental background use them as a complement to their experimental investigations. But as with every tool, you need to know what you are doing to make real use of it. This course provides the knowledge one needs to apply computational methods in an educated way and to avoid common pitfalls. It gives an overview, from the perspective of the user, over common methods used in today s quantum chemistry. The focus is on the working horse of computational chemistry, Density Functional Theory (DFT). In addition, some important wave-function based computational methods such as CASSCF, CASPT2, and CCSD(T) will be presented. In extensive computer exercises, the students will get acquainted with commonly used quantum-chemical program packages. The course will be concluded with a miniproject where the students apply their knowledge to a chemical problem of their choice. Responsible department and other participating departments/organisations: Chemistry and molecular biology Teachers: Jürgen Gräfenstein (Course leader and main contact) Examiner: Jürgen Gräfenstein

2 Faculty of Science Department of chemistry and molecular biology Applied quantum chemistry, 15 credits Third cycle education NOTE: This is an inofficial summary of the syllabus in English, which is provided for convenience. The official syllabus (in Swedish) is enclosed below. 1. Confirmation The syllabus was confirmed by the Head of the Department of Chemistry and Molecular Biology The course plan is valid from Disciplinary domain: Science Department in charge: Department of chemistry and molecular biology Main field of study: chemistry 2. Position in the educational system Elective course; third-cycle education. 3. Entry requirements Recommended entry knowledge comprises the courses KEM040 (Physical Chemistry) or equivalent, MMGK11 (Mathematics for natural scientists A1) or equivalent. 4. Course content The course treats quantum-chemical computation methods with a clear focus on the user perspective. The following topics are covered: 1. Quantum mechanics and chemistry 2. The foundations of the quantum description: wave function, Schrödinger equation, Born- Oppenheimer approximation 3. Independent electrons: orbitals, self-consistent field (SCF), Hartree-Fock (HF) method 4. Mathematical description of orbitals: Basis functions - idea, Slater and Gaussian functions, split-valence basis sets, diffuse and polarization functions, classification of basis sets

3 5. Electron Correlation: Description and Consequences for the behaviour of molecules 6. Advanced calculation methods for describing electron correlation: Configuration interaction (CI), Coupled Cluster (CC), Møller-Plesset perturbation theory (MP), multireference-scf (MCSCF) 7. Today's standard method in quantum chemistry: Density functional theory (DFT) Basic ideas, Kohn-Sham (KS) formalism the way to a useful computational scheme, the necessary approximations for Exchange/Correlation (XC), various types of XC functionals (LDA, GGA, mgga, hybrid GGA) 8. Determining the equilibrium geometries of molecules and complexes: Geometry Optimization 9. Calculating and interpreting molecular vibrations: infrared and Raman spectra 10. Examining the reaction process, thermochemistry 11. Relativistic effects in quantum chemistry the consequences of relativistic effects, computational methods 12. Beyond the ground state time-dependent density functional theory to describe excited state and dynamic processes 13. Treatment of solvent effects 14. Analysis of orbitals and electron density 15. Calculation of electronic properties: polarizability, NMR properties, susceptibility 16. Semi-empirical methods 17. Current trends in quantum chemistry: Linear scaling, local-orbital methods, multi-scale modelling 5. Outcomes After completion of the course the Ph.D. student should be able to: 1. Knowledge and understanding Explain the role of quantum chemistry in chemistry and its potential to solve chemical problems, Describe the idea behind the independent-electron approximation, self-consistent field and the Hartree-Fock method, Explain electron correlation and its effect on chemical systems and processes and describe calculation methods that explicitly include correlation effects in the wave function, Explain the principle of density-functional theory (DFT) and Kohn-Sham (KS) formalism, Describe the approximations necessary for the description of Exchange/Correlation (XC), explain the different levels of these approximations (LDA GGA, meta-gga, hybrid GGA) and name typical representatives, Describe different methods to determine the equilibrium geometries, their advantages and disadvantages, Explain the steps that lead from computational results to measurable thermochemical properties,

4 Explain in outline how electrical and magnetic properties are calculated, Explain the limits of the non-relativistic quantum chemistry and describe methods to include relativistic effects into quantum chemical methods. 2. Skills and abilities Set up a calculation for a given problem, selecting appropriate calculation methods and basis sets and justify the choices, Use quantum chemical calculations to investigate simple reactions, their thermochemistry and reaction mechanisms, Interpret results from a quantum chemical calculation (vibration patterns, orbitals, density, etc.) and put them in context with the system's chemical behaviour, Notice and explain potential problems for the calculation of certain types of molecules or processes; Present the results of a calculation in oral and written form. 3. Judgement and approach Interpret results of quantum chemical calculations and relate them to experimental results, Critically assess the reliability of the results obtained. 6. Required reading Course book: Frank Jensen, Introduction to Computational Chemistry, 2 nd edition, Wiley, 2006, ISBN , Lecture notes provided during the course. 7. Assessment Assessment is based on 1. the miniproject, 2. the compulsory computer exercises and the corresponding reports. A Ph.D. student who has failed a test twice has the right to change examiners, if it is possible. A written application should be sent to the Department. In cases where a course has been discontinued or major changes have been made a Ph.D. should be guaranteed at least three examination occasions (including the ordinary examination occasion) during a time of at least one year from the last time the course was given. 8. Grading scale The grading scale for PhD students comprises Fail (U), Pass (G). 9. Course evaluation Course evaluation is carried out together with the Ph.D. students at the end of the course, and is followed by an individual, anonymous survey. The results and possible changes in the course will

5 be shared with the students who participated in the evaluation and to those who are beginning the course. 10. Language of instruction The language of instruction is English or Swedish, depending on the requirements of the students.

6 INSTITUTIONEN FÖR KEMI OCH MOLEKYLÄRBIOLOGI KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng Applied quantum chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits Avancerad nivå / Second Cycle Fastställande Kursplanen är fastställd av Institutionen för kemi och molekylärbiologi att gälla från och med , höstterminen Utbildningsområde: Naturvetenskapligt 100 % Ansvarig institution: Institutionen för kemi och molekylärbiologi Inplacering Kursen är inplacerad på doktorandnivå och kan dessutom läsas som fristående kurs på nivån högskolepoäng och räknas då som kurs på avancerad nivå för masterexamen. Huvudområde Kemi Fördjupning A1F, Avancerad nivå, har kurs/er på avancerad nivå som förkunskapskrav Förkunskapskrav För tillträde till kursen krävs kandidatexamen eller motsvarande inom ett naturvetenskapligt fält. Inom ramen för kursfordringarna rekommenderas godkänd kurs KEM040, fysikalisk kemi (15 hp) eller motsvarande kunskaper samt godkänd kurs MMGK11, Naturvetarmatematik A1 (15 hp) eller motsvarande kunskaper.

7 Mål Kunskap och förståelse 2/ 5 Efter avslutad kurs förväntas studenten kunna: förklara kvantkemins roll inom kemin och dess potential att lösa kemiska problem, beskriva idén bakom oberoende-elektroner-approximationen, självkonsistent fält och Hartree-Fock-metoden, förklara elektronkorrelationen och dess inverkan på kemiska system och processer och översiktligt beskriva beräkningsmetoder som explicit inkluderar korrelationseffekter i vågfunktionen, förklara principen bakom täthetsfunktionalteorin (DFT) och Kohn-Sham (KS)- formalismen, beskriva de approximationer som behövs för beskrivningen av exchange/correlation (XC), förklara de olika nivåerna för dessa approximationer (LDA, GGA, meta-gga, hybrid-gga) och nämna typiska representanter, beskriva metoder för att bestämma jämviktsgeometrier, deras för- och nackdelar, förklara de steg som leder från beräkningsresultat till mätbara termokemiska storheter, förklara i huvuddrag hur elektriska och magnetiska egenskaper beräknas, förklara gränserna av den icke-relativistiska kvantkemin och översiktligt beskriva metoder för att inkludera relativistiska effekter i kvantkemiska metoder. Färdighet och förmåga Efter avslutad kurs förväntas studenten kunna: lägga upp en beräkning för ett givet problem och välja lämpliga beräkningsmetoder och bas-set samt motivera valet, använda kvantkemiska beräkningar för att undersöka en enklare reaktions termokemi och reaktionsmekanismer, tolka resultaten från en kvantkemisk beräkning (vibrationsmönster, orbitaler, densiteten etc.) och sätta dem i samband med systemets kemiska beteende, uppmärksamma och redovisa potentiella problem för beräkningen på vissa typer av molekyler eller processer, presentera resultaten från en beräkning i muntlig och skriftlig form. Värderingsförmåga och förhållningssätt Efter avslutad kurs förväntas studenten kunna: tolka resultaten från kvantkemiska beräkningar och sätta de i samband med experimentella resultat, KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits Avancerad nivå / Second Cycle

8 kritiskt bedöma pålitligheten av de erhållna resultat. 3/ 5 Innehåll Kursen behandlar kvantkemiska beräkningsmetoder med en tydlig fokus på deras användning för att lösa kemiska problem. Följande ämnen kommer att behandlas: Kvantmekanik och kemi Grunderna för den kvantmekaniska beskrivningen: Vågfunktion, Schrödingerekvation, Born-Oppenheimer-approximationen Oberoende elektroner: Orbitaler, självkonsistenta fält (SCF), Hartree-Fockmetoden Matematisk beskrivning av orbitalerna: Basfunktioner idé, Slater- och Gaussfunktioner, split-valence-funktioner, diffusa och polarisationsfunktioner, klassifikation av bassätt Elektronkorrelation: Beskrivning och konsekvenser för molekylernas beteende Avancerade beräkningsmetoder för att beskriva elektronkorrelation: Configuration interaction (CI), Coupled Cluster (CC), Møller-Plessetstörningsteori (MP), multireferens-scf (MCSCF) Dagens standardmetod inom kvantkemin: Täthetsfunktionalteori (DFT) grundläggande idéer, Kohn-Sham (KS)-formalismen som väg till ett användbart beräkningsschema, nödvändiga approximationer för exchange/correlation (XC), olika typer av XC-funktionaler (LDA, GGA, mgga, hybrid-gga) Att bestämma jämviktsgeometrier för molekyler och komplex: Geometrioptimering Att beräkna och tolka molekylära vibrationer: IR- och Ramanspektra Undersökning av reaktionsförlopp, termokemi Relativistiska effekter i kvantkemin konsekvenser av relativistiska effekter, beräkningsmetoder Bortom grundtillståndet tidsberoende täthetsfunktionalteori för att beskriva exciterade tillstånd och dynamiska processer Behandling av lösningsmedelseffekter Analys av orbitaler och elektrondensiteten Beräkning av elektroniska egenskaper: polariserbarhet, NMR-egenskaper, susceptibilitet Semiempiriska metoder KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits Avancerad nivå / Second Cycle

9 17. Aktuella trender i kvantkemin: Linjär skalning, lokalorbitalmetoder, multiskalmodellering I kursen ingår ett projektarbete där studenten tillämpar kvantkemiska beräkningsmetoder på ett självvalt problem. 4/ 5 Delkurser 1. Teoretiska delen (Theory part), 10 hp Betygsskala: Väl godkänd (VG), Godkänd (G) och Underkänd (U) 2. Datalaborationer (Computer exercises), 5 hp Betygsskala: Godkänd (G) och Underkänd (U) Former för undervisning Undervisning sker i form av föreläsningar, räkneövningar och ett projektarbete (delkurs 1) och datalaborationer inkluderande redovisningar (delkurs 2). Undervisningsspråk: engelska och svenska Undervisningsspråket rättar sig efter studenternas förutsättningar. Former för bedömning Kunskapskontroll sker genom ett projektarbete (delkurs 1) och genom redovisningar (delkurs 2). Redovisningar (delkurs 2) sker löpande under kursens gång. Om student som underkänts två gånger på samma examinerande moment önskar byte av examinator inför nästa examinationstillfälle, ska sådan begäran inlämnas skriftligt till kursansvarig institution och bifallas om det inte finns särskilda skäl däremot (HF 6 kap 22). I det fall en kurs har upphört eller genomgått större förändringar ska studenten i normalfallet garanteras tillgång till minst tre provtillfällen (inklusive ordinarie provtillfälle) under en tid av åtminstone ett år med utgångspunkt i kursens tidigare uppläggning. Betyg På kursen ges något av betygen Väl godkänd (VG), Godkänd (G) och Underkänd (U). KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits Avancerad nivå / Second Cycle

10 På delkurs 1 meddelas betyg VG, G eller U. På delkurs 2 meddelas betyg G eller U. För betyg G på hela kursen krävs betyg G på delkurs 1 och G på delkurs 2. För betyg VG på hela kursen krävs betyg VG på delkurs 1 och G på delkurs 2. 5/ 5 Kursvärdering Student som deltar i eller har avslutat en kurs ska ges möjlighet att anonymt framföra erfarenheter av och synpunkter på kursen i en kursutvärdering. Resultatet och eventuella förändringar i kursens upplägg ska förmedlas både till de studenter som genomförde värderingen och till de studenter som ska påbörja kursen. Övrigt Undervisningsspråk: engelska och svenska. Undervisningsspråket rättar sig efter studenternas förutsättningar. KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits Avancerad nivå / Second Cycle