Chimica computazionale

Anno accademico 2012/2013

Obiettivi formativi del corso

Conoscenze: Il corso introduce alle teorie di base della chimica quantistica computazionale ed alla loro applicazione nello studio delle proprietà dei sistemi molecolari, anche attraverso l'uso di pacchetti di software per il calcolo molecolare.

Capacità di comprensione: viene stimolata una corretta acquisizione dei concetti di base della chimica computazionale, e viene curata la capacità di utilizzarne in modo autonomo gli strumenti operativi.

Risultati dell'apprendimento

Apprendimento dei concetti di base della chimica computazionale, Acquisizione della capacità di utilizzo critico e consapevole di pacchetti software della chimica computazionale per lo studio di specifiche proprietà molecolari

Le conoscenze acquisite anche in relazione alle capacità operative nell'uso di software di chimica computazionale sona valutate attraverso un esame orale in cui viene discusso un progetto computazionale condotto autonomamente.

Programma

1. Introduzione alla chimica computazionale:

2. Metodo Hartree-Fock: l'approssimazione orbitalica e le funzione d'onda mono-determinantale: funzioni d'onda "restricted" e "unrestricted"; il metodo variazionale e le equazioni di Hartree-Fock per la determinazione degli orbitali molecolari: energia orbitaliche e teorema di Koopman per le energie di ionizzazione e le affinità elettroniche. Espansione degli Orbitali molecolari su funzioni di base e metodo di Roothan-Hall: matrice di Fock, matrice di densità elettronica.

3. Proprietà mono-elettroniche: densità elettronica, potenziale elettrostatico molecolare,momento di dipolo elettrico, analisi popolazionale della densità elettronica secondo Mulliken.

4. Basis Sets di espansione per orbitali molecolari: Funzioni di Slater, funzioni di base gaussiane, contrazione delle funzioni gaussiane. Basis set minimali, basis set di tipo "doule-zeta", funzioni di base di polarizzazione, funzioni di base diffuse.

5. Ottimizzazione di geometria: caratterizzazione della superficie di energia potenziale (PES), punti di minimo geometrie (molecolari di equilibrio) e punti di sella (stati di transizione), gradiente ed hessiano dell'energia molecolare. Algoritmi di ottimizzazione di ricerca delle geometrie equilibrio e degli stati di transizione.

6. Metodi di Correlazione Elettronica: correlazione elettronica (buca di Coulomb), funzioni d'onda post-SCF: metodi a Interazione di Configurazione, metodi perturbativi Moeller-Plesset, metodi coupled-cluster.

7. Teoria del Funzionale di Densità: teoremi di Hoemberg e Khon, metodo di Khon-Sham, funzionali di scambio e correlazione: funzionali nella approssimazione di densità locale (LDA), funzionali non locali e funzionali ibridi.

8. Proprietà molecolari: le proprietà molecolari come derivate dell'energia elettronica: frequenze vibrazionali armoniche e intensità IR, proprietà NMR :chemical sheilding.

9. Termodinamica statistica e teoria dello stato di transizione

Distribuzione di Boltzmann, funzioni di partizione molecolari e calcolo delle proprietà termodinamiche di gas ideali. Stato di transizione ed energia di attivazione.

10. Modelli di solvatazione: metodi per lo studo dell'effetto del solvente sulle proprietà molecolari. Il modello del Polarizable Continuum Model.

Testi consigliati e bibliografia

F. Jensen “Introduction to Computational Chemistry”, Wiley, 1996;

J.B. Foresman and Ae. Frisch, “Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods”, 2nd Edit., Pittsburg,1994