| Закреплена за кафедрой | Кафедра органической химии |
|---|---|
| Направление подготовки | 04.05.01. специальность Фундаментальная и прикладная химия |
| Специализация | Аналитическая химия; Органическая химия; Физическая химия и технологии материалов |
| Форма обучения | Очная |
| Общая трудоемкость | 3 ЗЕТ |
| Учебный план | 04_05_01_Фундаментальная и прикладная химия_Профили-2021 |
|
|
||||||||||||||
Распределение часов по семестрам
| Курс (семестр) | 3 (6) | Итого | ||
|---|---|---|---|---|
| Недель | 21 | |||
| Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
| Лекции | 18 | 18 | 18 | 18 |
| Практические | 24 | 24 | 24 | 24 |
| Сам. работа | 42 | 42 | 42 | 42 |
| Консультации | 24 | 24 | 24 | 24 |
| Итого | 108 | 108 | 108 | 108 |
Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году
Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2023-2024 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра органической химии
Протокол от 04.07.2023 г. № 8
Заведующий кафедрой Безносюк Сергей Александрович
| 1.1. | Основная цель курса – познакомить сДать студентам базовые знания и умения по планированию и проведению компьютерного химического эксперимента. Познакомить обучающихся с различными методами и приемами квантово-химических расчетов, а также обучить их подбору метода моделирования конкретной химической системы. |
|---|
| Цикл (раздел) ООП: Б1.О.04 |
| ОПК-3 | Способен применять расчетно-теоретические методы для изучения свойств веществ и процессов с их участием, используя современное программное обеспечение и базы данных профессионального назначения |
| ОПК-3.1 | Знает расчетно-теоретические методы, используемые для изучения свойств веществ и процессов с их участием |
| ОПК-3.2 | Использует современное программное обеспечение и базы данных при решении задач профессиональной деятельности |
| ОПК-6 | Способен представлять результаты профессиональной деятельности в устной и письменной форме в соответствии с нормами и правилами, принятыми в профессиональном сообществе |
| ОПК-6.1 | Представляет результаты работы в виде отчета по стандартной форме на русском языке |
| ОПК-6.2 | Представляет информацию химического содержания с учетом требований библиографической культуры |
| ОПК-6.3 | Готовит и представляет презентацию по теме работы |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | Основные понятия вычислительной квантовой химии Метод Хартри-Фока Теория Функционала плотности Теория возмущения Метод связанных кластеров Атомная топология Бейдера Базисные наборы функций |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | Планировать компьютерный химический эксперимент Создавать атомно-молекулярную систему в химическом визуализаторе Avogadro Проводить компьютерный химический эксперимент в пакете Orca Анализировать результаты компьютерного химического эксперимента Проводить статистическую обработку экспериментальных результатов |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | Оптимизации структуры химического соединения Получения электронно-структурных характеристик химического соединения Оценки термодинамических потенциалов системы Теоретического предсказания ИК-спектров и УФ-спектров Определения реакционных центров молекулы Моделирования химической реакции с помощью метода NEB Топологического анализа электронной плотности |
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Основные принципы компьютерного моделирования в химии | ||||||
| 1.1. | Понятие модели: физическая, математическая и квантово-химическая. Уравнение Шредингера | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.2, Л1.3 | |
| 1.2. | Компьютерные методы визуализации и статистической обработки экспериментальных данных | Практические | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.3. | Подготовка к практическому занятию "Компьютерные методы визуализации и статистической обработки экспериментальных данных" | Сам. работа | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.4. | Волновые функции атомов. Базисные наборы функций | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.5. | Графический дизайн атомно-молекулярной системы. Оптимизация структур путем минимизации полной энергии | Практические | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.6. | Подготовка к практическому занятию " Графический дизайн атомно-молекулярной системы. Оптимизация структур путем минимизации полной энергии" | Сам. работа | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.7. | Вариационный метод. Минимизация энергии атомно-молекулярной системы. Приближение самосогласованного поля (SCF) | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.8. | Выбор оптимальных метода и базисного набора функций для проведения квантово-химического эксперимента | Практические | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.9. | Подготовка к практическому занятию "Выбор оптимальных метода и базисного набора функций для проведения квантово-химического эксперимента" | Сам. работа | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 1.10. | Консультация по основным принципам компьютерного моделирования в химии | Консультации | 6 | 8 | Л1.1, Л1.3 | |
| Раздел 2. Методы квантово-химического моделирования | ||||||
| 2.1. | Метод молекулярной механики (ММ) и метод молекулярной динамики (МД) | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.2. | Метод Хартри-Фока. Ограниченный метод Хартри-Фока (RHF). Неограниченный метод Хартри-Фока (UHF). Орбитали Хартри-Фока. Преимущества и недостатки | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.3. | Оценка термодинамических характеристик веществ и химических реакций в газовой и жидких фазах. Теоретические ИК-спектры | Практические | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.4. | Подготовка к лабораторной работе "Оценка термодинамических характеристик веществ и химических реакций в газовой и жидких фазах. Теоретические ИК-спектры" | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.5. | Теория функционала плотности. Теоремы Хоэнберга-Кона. Орбитали Кона-Шэма. Преимущества и недостатки | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.6. | Функции Фукуи. Предсказание центров нуклеофильной и электрофильной атак в молекуле | Практические | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.7. | Подготовка к лабораторной работе "Функции Фукуи. Предсказание центров нуклеофильной и электрофильной атак в молекуле" | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.8. | Методы конфигурационного взаимодействия (CI, CIS, CISD, FCI, CASSCF). Преимущества и недостатки | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.9. | Электронные переходы в атомно-молекулярных системах. Теоретические УФ-спектры | Практические | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.10. | Подготовка к лабораторной работе "Электронные переходы в атомно-молекулярных системах. Теоретические УФ-спектры" | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.11. | Метод связанных кластеров. Преимущества и недостатки | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.12. | Реакционная способность веществ. Ab initio предсказание пути реакции с помощью метода NEB | Практические | 6 | 4 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.13. | Подготовка к лабораторной работе "Реакционная способность веществ. Ab initio предсказание пути реакции с помощью метода NEB" | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1, Л1.3 | |
| 2.14. | Консультация по методам квантово-химического моделирования | Консультации | 6 | 8 | Л1.1, Л1.3 | |
| Раздел 3. Топологический анализ в квантово-химическом моделировании | ||||||
| 3.1. | Квантовая топология Бейдера атомов в молекулах | Лекции | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 3.2. | Анализ расчетных волновых функций. Топологический анализ электронной плотности | Практические | 6 | 2 | Л1.1, Л1.3 | |
| 3.3. | Подготовка к практическому занятию "Анализ расчетных волновых функций. Топологический анализ электронной плотности" | Сам. работа | 6 | 6 | Л1.1, Л1.3 | |
| 3.4. | Консультация по топологическому анализу в квантово-химическом моделировании | Консультации | 6 | 8 | Л1.1, Л1.3 | |
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| Оценочные материалы для текущего контроля по разделам и темам дисциплины в полном объеме размещены в онлайн-курсе на образовательном портале "Цифровой университет АлтГУ": https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=11246 ОЦЕНКА СФОРМИРОВАННОСТИ КОМПЕТЕНЦИИ ОПК-3: Способен применять расчетно-теоретические методы для изучения свойств веществ и процессов с их участием с использованием современной вычислительной техники ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ЗАКРЫТОГО ТИПА 1) Ограниченный метод Хартри-Фока (RHF) учитывает спин системы? 1. Верно. 2. Неверно. Ответ: 2. 2) Метод, который имеет дополнительное название "Разные орбитали для разных спинов", это 1. ограниченный метод Хартри-Фока (RHF); 2. неограниченный метод Хартри-Фока (UHF); 3. ограниченный метод Хартри-Фока для открытых оболочек (ROHF); 4. метод связанных кластеров. Ответ: 2. 3) Электронные переходы отражены в: 1. ИК-спектрах; 2. КР-спектрах; 3. МК-спектрах; 4. УФ-спектрах. Ответ: 4. 4) Колебательные переходы отражены в: 1. ИК-спектрах; 2. КР-спектрах; 3. МК-спектрах; 4. УФ-спектрах. Ответ: 1. 5) Для какого из предложенных методов описания атомно-молекулярных систем рекомендовано использование дисперсионных поправок к энергии? 1. Метод Хартри-Фока (RHF, UHF, ROHF). 2. Метод связанных кластеров (CCSD, CCSD(T)). 3. Метод теории возмущения Мёллера-Плессета. 4. Метод теории функционала плотности. Ответ: 4. 6) Ион гидроксония H3O+ имеет заряд и спиновую мультиплетность соответственно 1. 0 и 1; 2. 1 и 1; 3. -1 и 2; 4. 1 и 2. Ответ: 2. 7) Базисный набор функций def2-TZVPD имеет 1. только поляризационные функции на неводородных атомах; 2. только диффузные функции; 3. поляризационные функции на неводородных атомах и диффузные функции; 4. поляризационные функции на водородных атомах и диффузные функции. Ответ: 3. 8) Выберите из списка базис группы Поппла. 1. def2-SVP; 2. 6-31G; 3. aug-cc-VpDZ; 4. ma-def2-TZVPD. Ответ: 2. 9) Файл, содержащий волновые функции моделируемой в Orca атомно-молекулярной системы, имеет расширение 1. out; 2. inp; 3. scfp; 4. gbw. Ответ: 4. 10) Соотношение Пуанкаре-Хопфа для числа критических точек электронной плотности в молекулярной некристаллической системе N - B + R - C равно 1. 0; 2. 1; 3. -1; 4. 2. Ответ: 2. 11) По какой формуле вычисляется спиновая мультиплетность М? 1. M + 1; 2. 2M + 1; 3. 3M + 1; 4. 4M + 1. Ответ: 2. 12) Синглетное состояние частицы всегда устойчивее состояний с другими мультиплетностями. 1. Верно. 2. Неверно. Ответ: 2. 13) Топологический анализ можно применять только для электронной плотности. 1. Верно. 2. Неверно. Ответ: 2. 14) Критические точки связи обозначаются как 1. (3; -3); 2. (3; -1); 3. (3; +1); 4. (3; +3). Ответ: 2. 15) Для какого из методов поиска переходного состояния достаточно только указать структуру реагентов и продуктов? 1. NEB; 2. ScanTS; 3. IRC; 4. OptTS. Ответ: 1. Критерии оценивания: Каждое задание оценивается 1 баллом. Оценивание КИМ в целом: 85 % - отлично 70 % - хорошо 50 % - удовлетворительно Менее 50 % - неудовлетворительно ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ОТКРЫТОГО ТИПА 1) Что означает запись критической точки (3; +3)? Ответ: 3 - ранг критической точки - показывает количество ненулевых значений главной диагонали матрицы гессиана. +3 - признак критической точки - алгебраическая сумма знаков этих значений. 2) Триплетное состояние обусловлено наличием ________ электронов с ____________ спинами. Ответ: двух электронов с параллельными спинами. 3) Волновая функция, которая в явном виде не зависит от времени, яыляется решением ________ уравнения Шредингера. Ответ: стационарного. 4) Что такое математическая модель? Ответ: Математическая модель - это описание системы с использованием математических понятий и языка. 5) Что такое волновая функция? Ответ: Волновая функция - это характеристика системы, содержащая все основные сведения о ней. Квадрат модуля волновой функции дает вероятность нахождения частицы в данном состоянии. 7) В эксперименте измеряют энергию диссоциации молекулы с поправкой на ____________ ______________. Ответ: нулевые колебания. 8) Атомная единица энергии называется __________. Ответ: Хартри. 9) 1 Хартри примерно равен _________ эВ. Ответ: 27,2. 10) Почему метод CCSD не применяется для атома водорода? Ответ: Атом водорода содержит только 1 электрон. 11) Рамановский спектр требует дополнительного расчета такого свойства системы, как __________. Ответ: поляризуемость. 12) Функции Фукуи рассчитывают для определения центров __________, __________ и __________ атак. Ответ: нуклеофильных, электрофильных и радикальных. 13) В методе CCSD учитываются __________ и _________ возбуждения. Ответ: одиночные и двойные. 14) Сила осциллятора в теоретических ИК- и УФ-спектров показывает ______________ перехода. Ответ: вероятность. 15) 0,01 Хартри равен примерно ______ кДж/моль. Ответ: 26,3 кДж/моль. 16) 1 эВ - это энергия, которую приобретает электрон, при __________. Ответ: его прохождении через электрическое поле между двумя точками с разницей потенциалов 1 В. 17) Какую спиновую мультиплетность имеет основное состояние молекулярного кислорода О2? Ответ: триплет. 18) Какую спиновую мультиплетность имеет основное состояние молекулярного оксида азота (II) NO? Ответ: дуплет. 19) Согласно принципу квантовой ________ энергия целой системы равняется сумме энергий ее частей, разделены бесконечным расстоянием. Ответ: размерности. 20) Какое приближение разделяет ядерную и электронную подсистемы? Ответ: Адиабатическое приближение Борна-Оппенгеймера. КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ВОПРОСОВ. «Отлично»: Ответ полный, развернутый. Студент превосходно владеет основной и дополнительной литературой, ошибок нет. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы. «Хорошо»: Ответ полный, хотя краток, терминологически правильный, нет существенных недочетов. Студент хорошо владеет пройденным программным материалом; владеет основной литературой, суждения правильны. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы «Удовлетворительно»: Ответ неполный. В терминологии имеются недостатки. Задание понято правильно, в логических рассуждениях нет существенных ошибок, но допущены существенные ошибки в выборе формул. Студент владеет программным материалом, но имеются недочеты. Суждения фрагментарны. «Неудовлетворительно»: Не использована специальная терминология. Ответ в сущности неверен. Переданы лишь отдельные фрагменты соответствующего материала вопроса. Не верно написаны уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны не все необходимые пояснения и ответы на вопросы. ОЦЕНКА СФОРМИРОВАННОСТИ КОМПЕТЕНЦИИ ОПК-5 Способен понимать принципы работы современных информационных технологий и использовать их для решения задач профессиональной деятельности ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ЗАКРЫТОГО ТИПА 1) Базисные наборы функций с диффузными функциями рекомендованы для 1. систем с двумя и более атомами; 2. систем с открытыми электронными оболочками; 3. систем с межмолекулярными взаимодействиями; 4. систем с закрытыми электронными оболочками. Ответ: 2. 2) Если во входном файле Orca не указана команда расчета колебательных частот, то полная энергия в конце моделирования будет относиться к температуре 1. 0 К; 2. 77 К; 3. 298,15 К; 4. 1273 К. Ответ: 1. 3) Если в компьютерном эксперименте используются методы теории функционала плотности, то для теоретического расчета УФ-спектров во входной файл Orca необходимо вставить блок 1. scf; 2. polar; 3. tddft; 4. cis. Ответ: 3. 4) Какая из предложенных ниже программ способна непосредственно обрабатывать файлы волновых функций? 1. Avogadro; 2. Chemcraft; 3. Gnuplot; 4. Multiwfn. Ответ: 4. 5) Какой блок команд Orca отвечает за расчет электрическиъ свойств (дипольный момент, квадрупольный момент, поляризуемость)? 1. geom; 2. mdci; 3. elprop; 4. xyz. Ответ: 3. 6) Какая из предложенных ниже программ способна изображать графики по данным из текстового файла? 1. Avogadro; 2. Chemcraft; 3. Gnuplot; 4. Multiwfn. Ответ: 3. 7) Какая команда в блоке tddft укажет, какое возбужденное состояние нужно исследовать? 1. IRoot; 2. NRoots; 3. MaxDim; 4. NACME. Ответ: 1. 8) Какая команда во входном файле Orca задает присутствие растворителя? 1. B3LYP; 2. D4; 3. CPCM; 4. KDIIS. Ответ: 3. 9) Какую из частиц нельзя моделировать методом CCSD(T)? 1. H2; 2. H; 3. H3O+; 4. HCl. Ответ: 2. 10) Какая команда во входном файле Orca задает моделирование молекулярной динамики? 1. mdci; 2. mm; 3. cis; 4. md. Ответ: 4. 11) Какой формат имеет текстовый файл Orca выдачи значений для построения кривой потенциальной энергии? 1. dat; 2. inp; 3. out; 4. gbw. Ответ: 1. 12) Как называется модуль Orca для создания файлов с молекулярными орбиталями из gbw-файла? 1. orca 2. orca_scf 3. orca_plot 4. orca_mpi Ответ: 3. 13) Какая команда во входном файле Orca задает параллельный расчет на нескольких ядрах процессора? 1. xyz; 2. LargePrint; 3. smd; 4. PALn. Ответ: 4. 14) С помощью файлов out можно визуализировать молекулярные орбитали. 1. Верно. 2. Неверно. Ответ: 1. 15) Квадрат модуля коэффициента перехода показывае его процентный вклад в полосу поглощения. 1. Верно. 2. Неверно. Ответ: 1. Критерии оценивания: Каждое задание оценивается 1 баллом. Оценивание КИМ в целом: 85 % - отлично 70 % - хорошо 50 % - удовлетворительно Менее 50 % - неудовлетворительно ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ОТКРЫТОГО ТИПА 1) Почему при расчете ИК-спектра нелинейной многоатомной молекулы первые 6 частот равны 0? Ответ: Первые три - это поступательное движение, а вторые три - вращательное. Эти "частоты" исключаются из колебательного спектра. 2) Какая команда в блоке tddft нужна, чтобы задать 10 рассчитываемых возбужденных состояния? Ответ: NRoots 10. 3) Предварительная оптимизация геометрии нарисованной в Avogadro структуре осуществляется методами ____________ механики. Ответ: молекулярной. 4) Как расшифровывается аббревиатура UFF в Avogadro? Ответ: Universal Force Field. 5) Чтобы получить кривую потенциальной энергии из 10 точек сближения атома 1 к атому 0 с расстояния 5 ангстрем до расстояния 1 ангстрем, нужно во входном файле ввести: Ответ: %geom Scan B 0 1 = 5, 1, 10 end end 6) С какого знака начинается поле главных команд во входном файле Orca? Ответ: ! 7) Чтобы задать максимальное количество циклов SCF как 1000, нужно во входном файле ввести: Ответ: %scf MaxIter 1000 end 8) Всегда ли нужна предварительная оптимизация геометрии нарисованной в Avogadro структуре перед расчетами в Orca? Ответ: Нет. 9) Сколько мнимых частот колебания возникает при оптимизации структуры переходного состояния? Ответ: Одна. 10) С какого знака начинается любой блок во входном файле Orca? Ответ: %. 11) Каким словом заканчивается любой блок во входном файле Orca? Ответ: end. 12) С какого знака начинается блок геометрии во входном файле Orca? Ответ: *. 13) Энтропийный член T*S в выходном файле out имеет размерность __________. Ответ: Хартри. 14) Чтобы рассчитать колебательные частоты аналитическим способом, нужно ввести во входной файл Orca команду _______. Ответ: Freq (или AnFreq). 15) Чтобы рассчитать колебательныечастоты численным способом, нужно ввести во входной файл Orca команду _______. Ответ: NumFreq. 16) Типичное моделирование методом молекулярной динамики требует наличия межчастичных ______________ взаимодействия. Ответ: потенциалов. 17) Что означает команда D4 во входном файле Orca? Ответ: учет дисперсионных взаимодействий в моделировании на уровне теории функционала плотности. 18) Для чего используются алгоритмы проведения параллельных расчетов? Ответ: Для ускорения моделирования. 19) Какое значение коэффициента корреляции R показывает, что данная аппроксимационная прямая наиболее совпадает с экспериментальными данными? Ответ: R стремится к 1. 20) Что означает символ # во входном файле Orca? Ответ: Это строка комментария. Она не учитывается программой при расчетах. КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ВОПРОСОВ. «Отлично»: Ответ полный, развернутый. Студент превосходно владеет основной и дополнительной литературой, ошибок нет. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы. «Хорошо»: Ответ полный, хотя краток, терминологически правильный, нет существенных недочетов. Студент хорошо владеет пройденным программным материалом; владеет основной литературой, суждения правильны. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы «Удовлетворительно»: Ответ неполный. В терминологии имеются недостатки. Задание понято правильно, в логических рассуждениях нет существенных ошибок, но допущены существенные ошибки в выборе формул. Студент владеет программным материалом, но имеются недочеты. Суждения фрагментарны. «Неудовлетворительно»: Не использована специальная терминология. Ответ в сущности неверен. Переданы лишь отдельные фрагменты соответствующего материала вопроса. Не верно написаны уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны не все необходимые пояснения и ответы на вопросы. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| Не предусмотрены. |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| Оценочные материалы для проведения промежуточной аттестации размещены в онлайн-курсе на образовательном портале "Цифровой университет АлтГУ": https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=11246 Пример оценочного средства 1. Понятие модели: физическая, математическая и квантово-химическая. Уравнение Шредингера. 2. Волновые функции атомов. Базисные наборы функций. 3. Вариационный метод. Минимизация энергии атомно-молекулярной системы. Приближение самосогласованного поля (SCF). 4. Метод молекулярной механики (ММ) и метод молекулярной динамики (МД). 5. Метод Хартри-Фока. Ограниченный метод Хартри-Фока (RHF). Неограниченный метод Хартри-Фока (UHF). Орбитали Хартри-Фока. Преимущества и недостатки. 6. Теория функционала плотности. Теоремы Хоэнберга-Кона. Орбитали Кона-Шэма. Преимущества и недостатки. 7. Методы конфигурационного взаимодействия (CI, CIS, CISD, FCI, CASSCF). Преимущества и недостатки. 8. Метод связанных кластеров. Преимущества и недостатки. 9. Квантовая топология Бейдера атомов в молекулах. 10. Компьютерные методы визуализации и статистической обработки экспериментальных данных. 11. Графический дизайн атомно-молекулярной системы. Оптимизация структур путем минимизации полной энергии. 12. Выбор оптимальных метода и базисного набора функций для проведения квантово-химического эксперимента. 13. Оценка термодинамических характеристик веществ и химических реакций в газовой и жидких фазах. Теоретические ИК-спектры . 14. Функции Фукуи. Предсказание центров нуклеофильной и электрофильной атак в молекуле. 15. Электронные переходы в атомно-молекулярных системах. Теоретические УФ-спектры. 16. Реакционная способность веществ. Ab initio предсказание пути реакции с помощью метода NEB. 17. Анализ расчетных волновых функций. Топологический анализ электронной плотности. КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ «Отлично»: Ответ полный, развернутый. Студент превосходно владеет основной и дополнительной литературой, ошибок нет. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы. «Хорошо»: Ответ полный, хотя краток, терминологически правильный, нет существенных недочетов. Студент хорошо владеет пройденным программным материалом; владеет основной литературой, суждения правильны. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы «Удовлетворительно»: Ответ неполный. В терминологии имеются недостатки. Задание понято правильно, в логических рассуждениях нет существенных ошибок, но допущены существенные ошибки в выборе формул. Студент владеет программным материалом, но имеются недочеты. Суждения фрагментарны. «Неудовлетворительно»: Не использована специальная терминология. Ответ в сущности неверен. Переданы лишь отдельные фрагменты соответствующего материала вопроса. Не верно написаны уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны не все необходимые пояснения и ответы на вопросы. |
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | В.Г. Цирельсон | Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела : | СПб.: Изд-во "Бином. Лаборатория знаний", 2010 | |
| Л1.2 | Цирельсон В. Г. | Квантовая химия : молекулы, молекулярные системы и твердые тела [Электронный ресурс]: учебное пособие для вузов | БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014 | biblioclub.ru |
| Л1.3 | Бутырская Е.В. | Компьютерная химия. Основы теории и работа с программами Gaussian и GaussView: | Москва: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 | biblioclub.ru |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Сайт фирмы производителя программы HyperChem – [Электронный ресурс] URL: http://www.hyper.com/ | Сайт фирмы производителя программы HyperChem – [Электронный ресурс] URL: http://www.hyper.com/ | ||
| Э2 | Курс "Вычислительные методы в химии" | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Gnuplot (http://www.gnuplot.info) Avogadro (https://avogadro.cc) Orca 5.0.3 (https://orcaforum.kofo.mpg.de) Multiwfn 3.8 (http://sobereva.com/multiwfn/download.html) Microsoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно) Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно) Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно) 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно) Adobe Reader (http://wwwimages.adode.com/content/dam/Adode/en/legan/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно) ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (http://astalinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно) Libre Office (http://ru.libreoffice.org/), (бессрочно) Веб-браузер Сhromium (http://www.chromium.org/Home), (бессрочно) Антивирус Касперский (http://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024) Архиватор ARK (http://apps.kde.org/ark/), (бессрочно) Okular (http://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно) Редактор изображений Gimp(http://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=11246 - курс в Moodle https://comp-nano.firebaseapp.com - сайт научной школы С.А. Безносюка "Фундаментальные основы нанонаук и компьютерный инжиниринг наносистем" https://www.basissetexchange.org - базисные наборы функций для различных программ https://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi - база спектроскопических данных для органических веществ https://webbook.nist.gov/chemistry - база термодинамических данных http://www.lib.asu.ru - электронные ресурсы научной библиотеке АлтГУ http://www.rsl.ru - РГБ Российская государственная библиотека http://ben.irex.ru - БЕН Библиотека естественных наук http://www.gpntb.ru - ГПНТБ Государственная публичная научно-техническая библиотека http://ban.pu.ru - БАН Библиотека Академии наук http://www.nlr.ru - РНБ Российская национальная библиотека http://www.elibrary.ru - Научная электронная библиотека РФФИ | ||||
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| Учебная аудитория | для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик | Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска, мультимедийное оборудование стационарное или переносное) |
| 504К | учебно-исследовательская лаборатория компьютерного нанобиодизайна - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Доска маркерная; столы учебные на 10 посадочных мест; проектор короткофокусный мультимедийный ЕВ-420 1 ед.; экран; компьютеры: марка RAMEC модель G161 10G\03Y4 - 8 единиц; проектор: марка BENQ - 1 единица; |
| Помещение для самостоятельной работы | помещение для самостоятельной работы обучающихся | Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ |
| МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ СТУДЕНТАМ Методические рекомендации по изучению дисциплины «Вычислительные методы в химии» для студентов представляют собой комплекс рекомендаций и разъяснений, позволяющих студенту оптимальным образом организовать процесс изучения данной дисциплины. Следует учитывать, что часть курса изучается студентом самостоятельно. Цель данных методических указаний – помочь студентам усвоить знания, предусмотренные учебной программой. Процесс изучения дисциплины включает в себя: 1. Работу под руководством преподавателя (лекции, практические занятия, консультации преподавателя по подготовке докладов, консультации преподавателя по вопросам, в которых студент не смог разобраться самостоятельно, и консультация преподавателя перед дифференцированным зачетом). 2. Самостоятельную работу студента (проработка текстов лекций, подготовка к семинарским и лабораторным занятиям, самостоятельный поиск и изучение научной литературы, выполнение самостоятельных работ и тестов, написание курсовой работы, подготовку мультимедийных презентаций, поиск информации в Интернете, а также подготовка к экзамену). Изучение дисциплины ведется с помощью учебной литературы, рекомендованной для изучения, методических указаний по проведению лабораторных работ, комплекта контрольно-измерительных материалов по дисциплине. Студентам желательно иметь у себя основные материалы из списка рекомендованной литературы и изданные учебно-методические пособия. Завершают изучение разделов курса контрольные работы и тестирование. Они обеспечивают: контроль преподавателя уровня подготовленности студента; закрепление изученного материала; развитие умений и навыков подготовки; приобретение опыта устных выступлений, ведения дискуссии, в том числе аргументации и защиты выдвигаемых положений и тезисов. Основу теоретической подготовки по дисциплине составляют лекции – основное методическое руководство при изучении дисциплины, наиболее оптимальным образом структурированное и скорректированное на современный материал; в лекции глубоко и подробно, аргументировано и методологически строго рассматриваются главные проблемы темы; в лекции даются необходимые разные подходы к исследуемым проблемам. Изучение дисциплины требует систематического и последовательного накопления знаний, следовательно, пропуски отдельных тем не позволяют глубоко освоить предмет. Основные учения и владения отрабатываются и закрепляются на практических занятиях. Аудиторные занятия (лекции, практические занятия) объединены с самостоятельной внеаудиторной работой студентов над рекомендуемой литературой, а также заданиями, которые выдаёт преподаватель и при подготовке к занятиям. Учебное занятие – это систематическое устное изложение учебного материала. На учебных занятиях студенты получают самые необходимые данные, во многом дополняющие и корректирующие учебники. 1. Методические указания обучающимся при подготовке к лекции Лекция – это форма учебного процесса, основанная на передаче преподавателем новых знаний, изложении учебного материала для его целостного усвоения студентами в логической взаимосвязи. Слушание и запись лекций - сложные виды учебной работы. Внимательное слушание и конспектирование лекций предполагает интенсивную умственную деятельность студента. Краткие записи лекций, конспектирование их помогает усвоить материал. Конспект является полезным тогда, когда записано самое существенное, основное. Для изучения дисциплины рекомендуется следующим образом организовать время: • После прослушивания лекции и окончания учебных занятий, при подготовке к следующим занятиям, нужно сначала просмотреть и обдумать текст лекции, прослушанной сегодня (10-15 минут). • При подготовке к следующей лекции, нужно просмотреть текст предыдущей лекции, подумать о том, какая может быть тема следующей лекции (10-15 минут). • В течение недели выбрать время (не менее 1час) для работы с литературой в библиотеке. 2. Самостоятельная работа студентов Большое значение при изучении дисциплины имеет самостоятельная работа студента. Самостоятельная работа студента связана с освоением учебного материала, информации, изложенной в учебниках и учебных пособиях, а также в литературе, рекомендованной преподавателем. Самостоятельную работу по изучению дисциплины целесообразно начинать с изучения установленных требований к знаниям, умениям и навыкам, ознакомления с разделами и темами дисциплины в порядке, предусмотренном учебной программой. Самостоятельная работа предполагает изучение учебной и научной литературы, электронных источников, материалов лекций, систематизацию прочитанного материала, подготовку к практическим и лабораторным занятий, выполнение тестовых заданий, курсовой работы, мультимедийных презентаций, подготовку к экзамену. По определенным темам преподаватель задает студентам на дом письменную самостоятельную работу. Обычно она выполняется в тетради и может включать в себя самостоятельный поиск ответов на вопросы, определений, решение задач. Выполнение такой работы рекомендуется начинать после того, как студент прослушал учебный материал, изучил рекомендуемую литературу и разобрался в материале. Для допуска к зачету каждому студенту необходимо получить оценку за все работы. Студенты, не выполнившие домашние задания в установленный срок, должны обязательно отработать все задания. Самостоятельная работа – это планируемая работа студентов, выполняемая по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия. Самостоятельная работа выполняет ряд функций, среди которых необходимо отметить: · развивающая (повышение культуры умственного труда, приобщение к творческим видам деятельности, обогащение интеллектуальных способностей студентов); · ориентирующая и стимулирующая (процессу обучения придается ускорение и мотивация); · воспитательная (формируются и развиваются профессиональные качества специалиста); · исследовательская (новый уровень профессионально-творческого мышления); · информационно-обучающая (учебная деятельность студентов на аудиторных занятиях). Задачами самостоятельной работы студентов являются: · систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений студентов; · углубление и расширение теоретических знаний; · формирование умения использовать справочную литературу; · развитие познавательных способностей и активности студентов: творческой инициативы, самостоятельности, ответственности и организованности; · формирование самостоятельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации; · развитие исследовательских умений. Внеаудиторная самостоятельная работа выполняется студентом по заданию преподавателя, но без его непосредственного участия. Внеаудиторная самостоятельная работа включает такие формы работы, как: · индивидуальные занятия (домашние занятия): · изучение программного материала дисциплины (работа с учебником и конспектом лекции); · изучение рекомендуемых литературных источников; · конспектирование источников; · выполнение контрольных работ, курсовых работ; · работа с электронными информационными ресурсами и ресурсами Internet; · составление плана и тезисов ответа на семинарском занятии; · выполнение тестовых заданий; · решение задач; · подготовка презентаций; · подготовка к экзамену. Содержание внеаудиторной самостоятельной работы определяется в соответствии с учебно-методическим комплексом по дисциплине. Распределение объема времени на внеаудиторную самостоятельную работу в режиме дня студента не регламентируется расписанием. Виды заданий для внеаудиторной самостоятельной работы, их содержание и характер имеют вариативный и дифференцированный характер, учитывают специфику изучаемой дисциплины. 3. Методические указания обучающимся при подготовке к семинарам (практическим занятиям) Семинары – один из самых эффективных видов учебных занятий, на которых студенты учатся творчески работать аргументировать и отстаивать свои мысли перед аудиторией, овладевать культурой речи, являются также действенной формой активизации самостоятельной работы студентов, формой ее учета и контроля. Основное в подготовке и проведении семинаров – это самостоятельная работа студента над изучением темы семинара. Семинарские занятия проводятся по специальным планам – заданиям, которые содержатся в учебниках, пособиях и материалах, подготовленных на кафедре. Студент обязан точно знать план семинара либо конкретное задание к нему. В плане семинарского занятия содержатся основные вопросы, вносимые на обсуждение, формулируются цели занятия и даются краткие методические указания по подготовке каждого вопроса, выполненного задания. Как правило, на семинаре обсуждаются узловые вопросы темы, однако там могут быть и такие, которые не были предметом рассмотрения на лекции. Могут быть и специальные задания - решение задач по теме. План дополняется списком рекомендуемой основной и дополнительной литературы. Желательно иметь специальную тетрадь для подготовки к семинарам. Особое внимание следует уделить источникам, рекомендуемым преподавателем на лекции и семинарском занятии, подготовить план ответа на каждый вопрос семинара. При этом должен быть использован как материал, полученный на лекции, так и почерпнутый из дополнительных литературных источников. Необходимо обратить внимание на дискуссионные вопросы изучаемой темы. Студент должен аргументировать высказываемую позицию, привести ссылки на труды ученых, обосновать собственный взгляд на проблему, выучить определения понятий, составляющих основу данной темы. Студентам следует: - ознакомиться с вопросами плана семинарского занятия; - приносить с собой рекомендованную преподавателем литературу к конкретному занятию; - до очередного практического занятия по рекомендованным литературным источникам проработать теоретический материал, соответствующей темы занятия; - при подготовке к практическим занятиям следует обязательно использовать не только лекции, учебную литературу; - в начале занятий задать преподавателю вопросы по материалу, вызвавшему затруднения в его понимании и освоении при решении задач, заданных для самостоятельного решения; - в ходе семинара давать конкретные, четкие ответы по существу вопросов; - на занятии доводить каждую задачу до окончательного решения, демонстрировать понимание проведенных расчетов, в случае затруднений обращаться к преподавателю. При подготовке к практическим занятиям необходимо детального разобрать вопросы лекционного курса по изучаемой теме. Только после усвоения лекционного материала с определенной точки зрения (а именно с той, с которой он излагается на лекциях) он будет закрепляться на практических занятиях как в результате обсуждения и анализа лекционного материала, так и с помощью решения проблемных ситуаций. При этих условиях Вы не только хорошо усвоит материал, но и научится применять его на практике, а также получит дополнительный стимул (и это очень важно) для активной проработки лекции. При самостоятельной подготовке к практическому занятию желательно прорешать предложенные задания. Решение заданий или примеров следует излагать подробно, действия располагать в строгом порядке. Решения при необходимости нужно сопровождать комментариями, схемами, и рисунками. Следует помнить, что решение каждой учебной задачи должно доводиться до окончательного логического ответа, которого требует условие, и по возможности с выводом. Работа с учебниками и книгами основана на разных видах чтения: 1) Просмотровое – используется для поиска материалов, содержащих нужную информацию, обычно к нему прибегают сразу после работы со списками литературы, в результате такого просмотра Вы устанавливаете, какие из источников будут использованы в дальнейшей работе; 2) Ознакомительное – подразумевает сплошное, достаточно подробное прочтение отобранных глав, отдельных страниц, цель – познакомиться с характером информации, узнать, какие вопросы вынесены автором на рассмотрение, провести сортировку материала; 3) Изучающее – предполагает доскональное освоение материала; в ходе такого чтения проявляется готовность принять изложенную информацию, реализуется установка на предельно полное понимание материала. При работе с учебной литературой над тем или иным вопросом практического задания одновременно следует проводить конспектирование текста – краткое и последовательное изложение содержания прочитанного. В дальнейшем конспекты пригодятся Вам при подготовке к контрольным работам, экзаменам. Методические рекомендации по составлению конспекта: 1) Внимательно прочитайте текст. 2) Кратко сформулируйте основные положения текста; 3) Законспектируйте материал, четко следуя пунктам плана. При конспектировании старайтесь выразить мысль своими словами. Записи следует вести четко, ясно. В тексте конспекта желательно приводить не только тезисные положения, но и их доказательства. При оформлении конспекта необходимо стремиться к емкости каждого предложения. Мысли автора книги следует излагать кратко, заботясь о стиле и выразительности написанного. Число дополнительных элементов конспекта должно быть логически обоснованным, записи должны распределяться в определенной последовательности, отвечающей логической структуре произведения. Для уточнения и дополнения необходимо оставлять поля. Составив план ответа на один вопрос, переходите к другому. В дальнейшем конспекты пригодятся Вам при подготовке к контрольным работам, экзаменам. 4. Методические указания обучающимся при подготовке к лабораторным работам При подготовке к лабораторным занятиям необходимо детального разобрать вопросы лекционного курса по изучаемой теме. Студентам следует: - ознакомиться с вопросами и заданиями лабораторного занятия; - написать заготовку к лабораторной работе; - до очередного лабораторного занятия по рекомендованным литературным источникам проработать теоретический материал, соответствующей темы занятия; - при подготовке к лабораторным занятиям следует обязательно использовать не только лекции, учебную литературу; - в ходе выполнения лабораторного занятия записать в тетрадь для лабораторных работ все наблюдения, химические реакции, необходимые константы, дать конкретные, четкие ответы на поставленные вопросы; - в конце занятия сдать отчет по лабораторной работе на проверку преподавателю Приступая к лабораторным занятиям, студенты занимают постоянные места за учебными столами. Рабочее место студента должно быть оборудовано всем необходимым для выполнения работы. На рабочем столе не должно быть никаких лишних предметов. 5. Методические указания обучающимся при выполнении индивидуального задания Индивидуальное задание содержит логические задания, ориентированные на закрепление теоретического материала, а также задачи по темам курса. Перед написанием работы следует внимательно изучить рекомендованные источники литературы, конспекты лекций. Целесообразно делать пометки в черновике тех страниц, которые наиболее полезны при освещении соответствующих вопросов. Содержание ответов на поставленные вопросы должно быть полным, теоретически обоснованным и аргументированным. Ответы на вопросы должны быть логичными, сформулированы четко и ясно, по существу поставленного вопроса, сопровождены соответствующими рисунками. Не следует необоснованно увеличивать их объем, останавливаясь на второстепенных, прямо не относящихся к теме аспектах. Сдаваемая на проверку работа должна включать: - номер задания; - развернутые ответы на вопросы; - решение задач и выводы. 6. Методические указания обучающимся при подготовке к контрольной работе Контрольная работа – один из видов самостоятельной работы студентов, направленный на выявление уровня усвоения учебного материала. Перед написанием контрольной работы самостоятельно изучите конспект лекций, конспекты к семинарским занятиям, учебную, специальную научную литературу. Это позволит Вам овладеть комплексом основных навыков и приемов анализа, обобщения, классификации полученной информации, которая поможет в дальнейшей профессиональной деятельности. При чтении учебной и дополнительной литературы рекомендуется вести записи: делать выписки, составлять конспекты, аннотации, вносить новые понятия в словарь терминов. В процессе выполнения контрольной работы можно пользоваться справочной литературой 7. Методические указания обучающимся при подготовке к коллоквиуму Коллоквиум по главным разделам курса призван систематизировать, обобщить изучаемый материал, позволяет преподавателю проверить полноту знаний, целостность восприятия и правильность усвоения материала. Подготовка к коллоквиуму является этапом подготовки к экзамену. На самостоятельную подготовку к коллоквиуму студенту отводится 2-4 недели. Подготовка включает в себя изучение рекомендованной литературы и выполнение приведенного задания. 8. Методические указания обучающимся при подготовке и выполнении тестовых заданий Перед выполнением тестового задания следует внимательно просмотреть рекомендованные источники литературы, конспекты лекций, конспекты к семинарским занятиям. При выполнении тестового задания, прежде всего, следует внимательно прочитать поставленный вопрос. После ознакомления с вопросом следует приступать к прочтению предлагаемых вариантов ответа. Необходимо прочитать все варианты и в качестве ответа следует выбрать лишь один индекс (цифровое обозначение), соответствующий правильному ответу. Тесты составлены таким образом, что в каждом из них правильным является лишь один из вариантов. Выбор должен быть сделан в пользу наиболее правильного ответа. На выполнение теста отводится ограниченное время. Тестовые задания сгруппированы по темам учебной дисциплины. 9. Методические указания обучающимся при подготовке к экзамену Экзамен – это форма итоговой отчетности студента по изученной дисциплине. Огромную роль в успешной подготовке к экзамену играет правильная организация подготовки к нему. Рекомендуется при подготовке к экзамену опираться на следующий план: 1) Просмотреть программу курса, с целью выявления наиболее проблемных тем, вопросов, которые могут вызвать трудности при подготовке к экзамену. 2) Прорешать тестовые задания, предложенные в учебно-методическом комплексе. При этом для эффективного закрепления информации первый раз без использования учебных материалов, второй раз с их использованием. При выполнении первых двух пунктов плана студент получит возможность оценить свои знания и навыки по прослушанной дисциплине и сориентироваться при планировании объема подготовки. 1) Темы необходимо изучать последовательно, внимательно обращая внимание на описание вопросов, которые раскрывают ее содержание. Начинать необходимо с первой темы. 2) После работы над первой темой необходимо ответить на контрольные вопросы к теме и решить тестовые задания к ней. 3) После изучения всех тем студенту рекомендуется ответить на контрольные вопросы по всему курсу. Необходимо помнить: 1) Ответы на вопросы экзаменатора должны быть четкими и полными. 2) Вы должны показать навыки грамотного владения терминами, знать их определения. 3) Вы должны уметь решать задачи по дисциплине. |