Αρχές Κβαντικής Χημείας και Φασματοσκοπίας

Παντελεήμων Καραφίλογλου, Μιχαήλ Σιγάλας

Περιγραφή

 

Ιστορική σκιαγράφηση των απαρχών της κβαντομηχανικής. Εξίσωση Schrödinger  και εφαρμογή της σε απλά συστήματα. Κβαντομηχανική μελέτη υδρογονοειδών και πολυηλεκτρονιακών ατόμων. To spin του ηλεκτρονίου και αντισυμμετρικές κυματοσυναρτήσεις. Κβαντοχημική μελέτη μοριακής δομής. Θεωρία μοριακών τροχιακών και LCAO. Κβαντοχημική μελέτη διατομικών μορίων και π-συζυγιακών συστημάτων. Μοριακή συμμετρία και θεωρία ομάδων. Αρχές ηλεκτρονιακής και δονητικής φασματοσκοπίας και φασματοσκοπίας  NMR και ESR.

 

 

CC - Αναφορά - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή
Διδάσκοντες

Διδάσκοντες: Παντελεήμων Καραφίλογλου, Καθηγητής

              Μιχαήλ Σιγάλας, Αναπληρωτής Καθηγητής

 

Συνεργάτης Ανάπτυξης Περιεχομένου: Ιππολύτη Γκουτενούδη - Εσκιτζή

 

Περιεχόμενο μαθήματος

Συμμετρία και Χημεία. Στοιχεία και Διεργασίες. Ομάδες Σημείου. Πολικότητα και Χειρομορφία. Εξίσωση Schrödinger  και εφαρμογή της σε απλά μόρια. To spin του ηλεκτρονίου και αντισυμμετρικές κυματοσυναρτήσεις. Κβαντοχημική μελέτη μοριακής δομής. Αλληλεπιδράσεις ατομικών τροχιακών, θεωρία μοριακών τροχιακών και LCAO. Κβαντοχημική μελέτη διατομικών μορίων και π-συζυγιακών συστημάτων.

Μαθησιακοί στόχοι

Εισαγωγή του προπτυχιακού φοιτητή στη περιγραφή και κατανόηση των χημικών δεσμών και γενικότερα της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στα μόρια, χρησιμοποιώντας έννοιες και μεθόδους της Κβαντικής Θεωρίας.

Προαπαιτούμενα

Γενική και Ανόργανη Χημεία Ι (Υ01):

Δομή του πυρήνα του ατόμου και ισότοπα. Ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου, ηλεκτρονικές στοιβάδες και υποστοιβάδες, τροχιακά. Ενεργειακό διάγραμμα και φάσμα του ατόμου του υδρογόνου. Κβαντικοί αριθμοί για το άτομο του υδρογόνου και των άλλων στοιχείων. s, p και d τροχιακά.  Αρχή Aufbau, αρχή Pauli και κανόνας του Hund για τη δόμηση της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης των στοιχείων. Περιοδικές ιδιότητες των στοιχείων.  Ονοματολογία κατά IUPAC Ανόργανων Ενώσεων. Κατηγορίες Ανοργάνων Ενώσεων. Ομοιοπολικός και Ιονικός δεσμός. Μεταλλικός δεσμός και μεταλλικές ιδιότητες. Υβριδισμός, αλληλεπικάλυψη  s, p και d τροχιακών. Δομή Lewis, θεωρία VSEPR. Σίγμα και πι δεσμός.  Δεσμικά, αντιδεσμικά και αδεσμικά μοριακά τροχιακά. Ενεργειακό διάγραμμα μοριακών τροχιακών. Τάξη δεσμού. Φαινόμενο συντονισμού. Διπολική ροπή. Δεσμός υδρογόνου, δυνάμεις  van der Waals και συνέπειες αυτών.

Ομάδα στόχος

Οι φοιτητές του τμήματος Χημείας.

Προτεινόμενα συγγράμματα

Peter Atkins - Julio De Paula, Φυσικοχημεία, Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας-Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης (2014).

Βιβλιογραφία

1. Βιβλία

  1. Atkins P., De Paula J., Φυσικοχημεία, Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας-Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης (2014).
  2. Bishop, D., Group Theory and Chemistry, Clarendon Press, Oxford, 1973.
  3. Carter, R. L., Molecular Symmetry and Group Theory, Wiley, New York, 1998.
  4. Cotton, F., Chemical Applications of Group Theory, 3rd Ed., Wiley, New York, 1989.
  5. Dmitriev, I. S., Symmetry in the World of Molecules, Mir Publishers, Moscow, 1979.
  6. Dorain, P., Symmetry in Inorganic Chemistry, Addison-Wesley, New York, 1965.
  7. Ferraro, J. R. & Ziomek J. S., Introductory Group Theory, Plenum Press, New York, 1969.
  8. Hollas, J., Symmetry in Molecules, Chapman and Hall, 1972.
  9. Jaffé, H. H. & Orchin M., Symmetry in Chemistry, Wiley, New York, 1965.
  10. Kettle, S. F. K., Symmetry and Structure, 2nd  Ed., Wiley, New York, 1995.
  11. Lesk, A.M., Introduction to Symmetry and Group Theory for Chemists, Kluwer, New York, 2004.
  12. Odgen, J. S., Introduction to Molecular Symmetry, Oxford University Press, Oxford, 2001.
  13. Rotman, J. J., An Introduction to the Theory of Groups, 4th Ed., Springer-Verlag, New York, 1999.
  14. Szabo Α., Ostlund Ν., Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory,  Dover Publications, 1996.
  15. Weinhold F., Landis C., Valency and Bonding: A Natural Bond Orbital Donor - Acceptor Perspective, Cambridge Univeristy Press, 2005.
  16. Vincent, A., Molecular Symmetry and Group Theory, Wiley, New York, 1977.
  17. Weyl, H., The Theory of Groups and Quantum Mechanics, 1931, English transl., Dover Publications, 1931.
  18. Worrall, I. J., Molecular Symmetry, Royal Institute of Chemistry Lecture Series, no. 2, 1967.
  19. Καραφίλογλου Π., Παραδόσεις και ασκήσεις του μαθήματος «Κβαντοχημικοί Υπολογισμοί», Εκδόσεις Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 2010.
  20. Τσίπης, Κ. Α., Εισαγωγή στην Κβαντική Χημείας, Τόμος ΙΙ: Μοριακή Δομή, Γ. Δεδούσης, Θεσσαλονίκη, 1993.

2. Διευθύνσεις στο Διαδύκτιο

  1. Point Group Symmetry: http://www.staff.ncl.ac.uk/j.p.goss/symmetry/index.html
  2. Symmetry and Point Groups: http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials/symmetry/index.html
  3. Chilarity: http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/tutorials/chirality/index.html
  4. Character Tables for Chemically Important Point Groups: http://symmetry.jacobs-university.de/
  5. Point Group Symmetry Character Tables: http://www.webqc.org/symmetry.php

3. Εκπαιδευτικό Λογισμικό

  1. 3DMolSym: http://www.molwave.com/software/3dmolsym/3dmolsym.htm
  2. Symmetry Resources at Otterbein College: http://symmetry.otterbein.edu/index.html

Ενότητες

Παρουσίαση των αντιλήψεων για την έννοια της συμμετρίας καθώς και μια σειρά από παραδείγματα εφαρμογών της συμμετρίας στη φύση, την τέχνη και τις φυσικές επιστήμες. Παράθεση μερικών από τις φυσικοχημικές ιδιότητες των μορίων που μπορούν να μελετηθούν με βάση τη συμμετρία τους, όπως επίσης και η ανάγκη μιας συστηματικής περιγραφής της συμμετρίας ενός μορίου.

 

Λέξεις Κλειδιά: Συμμετρία, Μοριακή Συμμετρία.

Περιγραφή των εννοιών του στοιχείου και της διεργασίας συμμετρίας, της ύπαρξης των αξόνων περιστροφής, των επιπέδων κατοπτρισμού, του κέντρου συμμετρίας και των αξόνων στροφοκατοπτρισμού σε ένα μόριο.  

 

Λέξεις Κλειδιά: Διεργασία Συμμετρίας, Άξονας Περιστροφής, Επίπεδο Κατοπτρισμού, Κέντρο Aναστροφής, Άξονας Στροφοκατοπτρισμού.

Ορισμός  της έννοιας της ομάδας σημείου ενός μορίου, διάκριση των βασικών κατηγοριών ομάδων σημείου και οι βασικών ομάδων σημείου κάθε κατηγορίας.

 

Λέξεις Κλειδιά: Ομάδα Σημείου, Μη περιστροφικές ομάδες, Περιστροφικές ομάδες μοναδικού άξονα, Διεδρικές Ομάδες, Κυβικές Ομάδες, Σφαιρική ομάδα.

Συσχετισμός της συμμετρίας ενός μορίου με την ηλεκτρική διπολική ροπή του, όπως επίσης και με την οπτική του ενεργότητα. Πρόβλεψη των συγκεκριμένων ιδιοτήτων των μορίων βάση της συμμετρίας τους.

 

Λέξεις Κλειδιά: Πολικότητα Μορίων, Οπτική Ενεργότητα Μορίων, Χειρομορφία.    

Η ηλεκτρονιακή εξίσωση του Schrödinger ανεξάρτητη χρόνου στα μόρια. Ερμηνεία του Born για τις κυματοσυναρτήσεις. Ορίζουσες Slater. Τo spin του ηλεκτρονίου και αντισυμμετρικές κυματοσυναρτήσεις. Αρχή του Pauli. Προσέγγιση των Born-Oppenheimer. Μορφές μοριακών κυματοσυναρτήσεων: Κυματοσυναρτήσεις Δεσμού Σθένους (Valence Bond-VB) και δομές συντονισμού-Κυματοσυναρτήσεις Μοριακών Τροχιακών (Molecular Orbitals-ΜΟ).

 

Λέξεις Κλειδιά: Schrödinger, Born, Ορίζουσες Slater, Pauli, Born-Oppenheimer, Valence Bond (VB), δομές συντονισμού, Molecular Orbitals (ΜΟ).

Γραμμικοί συνδυασμοί ατομικών τροχιακών (Linear Combination of Atomic Orbitals-LCAO). Παραδείγματα με τους LCAO. Μοριακά Τροχιακά σ, π, δ. Δεσμικότητα και αντιδεσμικότητα Μοριακών Τροχιακών. Εξισώσεις Roothaan-Hartree-Fock. Φυσική σημασία των μονο-ηλεκτρονιακών και δι-ηλεκτρονιακών ολοκληρωμάτων. Υπολογισμός ηλεκτρονιακής δομής με το αυτοσυνεπές πεδίο (Self Consistent Field-SCF).

 

Λέξεις Κλειδιά: Γραμμικοί συνδυασμοί ατομικών τροχιακών (Linear Combination of Atomic Orbitals- LCAO), δεσμικότητα, αντιδεσμικότητα, Roothaan, Hartree-Fock, αυτοσυνεπές πεδίο (Self Consistent Field-SCF.)

Εφαρμογές της μεθόδου των διαταραχών στη κατανόηση θεμελιωδών χημικών δεσμών (χρησιμοποιώντας  κυμ/σεις ΜΟ είτε VB). Εφαρμογές της μεθόδου των μεταβολών για ποσοτικούς υπολογισμούς (χαρακτηριστική ορίζουσα και τεχνική διαγωνιοποιήσεως). Ισοδυναμία των κυμ/σεων ΜΟ και VB. Πίνακας πυκνότητας, P, και πληθυσμιακή ανάλυση. Φορτία ατόμων μέσα στα μόρια. Υβριδισμένα ατομικά τροχιακά. Φυσικά ατομικά τροχιακά (Natural Atomic Orbitals - ΝΑΟ) και Φυσικά  τροχιακά δεσμών (Natural Bond Orbitals - ΝΒΟ).

 

Λέξεις Κλειδιά: Μεθόδοι των διαταραχών και μεταβολών, Πληθυσμιακή ανάλυση, τάξη δεσμού, Mulliken, υβριδισμός, φυσικά τροχιακά, ΝΑΟ, ΝΒΟ.

Ανοικτό Ακαδ. Μάθημα

Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα
Επίπεδο: A-

Αρ. Επισκέψεων :  8306
Αρ. Προβολών :  31754