Квантовая химия наносистем - Рабочая программа дисциплины - 04.04.01. Химия - Направления подготовки

Закреплена за кафедрой	Кафедра физической и неорганической химии
Направление подготовки	04.04.01. Химия
Профиль	Физическая химия
Форма обучения	Очная
Общая трудоемкость	3 ЗЕТ
Учебный план	04_04_01_ФХ-2-2019

Курс (семестр)	1 (2)	Итого
Недель	22,5
Вид занятий	УП	РПД	УП	РПД
Лекции	18	18	18	18
Практические	24	24	24	24
Сам. работа	66	66	66	66
Итого	108	108	108	108

1. Цели освоения дисциплины

1.1.	знание фундаментальных квантово-механических законов, лежащих в основе квантовой химии молекул; усвоение квантово-химической теории химических связей и механизмов химических реакций в веществе; освоение квантово-механической теории строения и эволюции вещества; овладение общими квантово-механическими подходами и методами решения задач расчёта свойств молекул

1.1.

знание фундаментальных квантово-механических законов, лежащих в основе квантовой химии молекул; усвоение квантово-химической теории химических связей и механизмов химических реакций в веществе;
освоение квантово-механической теории строения и эволюции вещества;
овладение общими квантово-механическими подходами и методами решения задач расчёта свойств молекул

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.07

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-1	способностью использовать и развивать теоретические основы традиционных и новых разделов химии при решении профессиональных задач
ПК-2	владением теорией и навыками практической работы в избранной области химии
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.	Знать:
3.1.1.	теоретические основы квантовой химии и ее связь со смежными науками
3.2.	Уметь:
3.2.1.	решать учебные задачи по основным разделам квантовой химии решать типовые задачи по квантовой химии
3.3.	Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.	способен применить теоретические знания в области квантовой химии для решения профессиональных задач, в том числе в смежных областях знаний.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия	Наименование разделов и тем	Вид занятия	Семестр	Часов	Компетенции	Литература
Раздел 1. Введение
1.1.	Введение. Предмет квантовой химии наносистем . Основные этапы развития квантовой химии наносистем. Главные тенденции в развитии квантовой химии наносистем.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 2. Основные положения и методы квантовой химии наносистем
2.1.	Основные положения и методы квантовой химии наносистем. Уравнение Шрёдингера для наносистем, как композитов ядер и электронов. Спутывание электронного и ядерного движения. Разделение электронного и ядерного движения в адиабатическом приближении. Поверхность потенциальной энергии наносистем. Электронные, колебательные и вращательные состояния. Роль представлений о поверхности потенциальной энергии в современной структурной теории наносистем. Равновесные конфигурации и конформации наносистем.	Лекции	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.2.	Учёт поправок на неадиабатичность. Вибронные взаимодействия в наносистемах. Основы метода матриц плотности. Редуцированные матрицы плотности. Применение методов ограниченного, неограниченного и расширенного метода Хартри-Фока.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.3.	Электронное волновое уравнение. Электронная плотность и её изменения при переходе от разделённых атомов к наносистеме. Квантовая топология электронной плотности и «атомы в молекуле». Построение приближённых решений электронного уравнения на основе вариационного принципа. Одноэлектронное приближение. Метод Хартри-Фока (самосогласованного поля). Орбитали и орбитальные энергии. Полная энергия квантово-химической наночастицы. Теорема Купманса и фотоэлектронные спектры. Метод конфигурационных взаимодействий. Метод функционала плотности.	Лекции	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.4.	Основы метода функционала плотности. Оболочечная теория строения атомов и периодическая система элементов	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.5.	Основы компьютерного моделирования в химии с использованием СПО.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.6.	Подготовка к семинару по теме "Основы компьютерного моделирования в химии с использованием СПО."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.7.	Основные возможности и сравнение функциональности программ	Практические	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.8.	Подготовка к семинару по теме "Основные возможности и сравнение функциональности программ"	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
2.9.	Молекулярная механика. Метод Хартри-Фока, теория функционала плотности. Геометрическая оптимизация структуры. Алгоритмы геометрической оптимизации.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
2.10.	Подготовка к семинару по теме "Молекулярная механика. Метод Хартри-Фока, теория функционала плотности. Геометрическая оптимизация структуры. Алгоритмы геометрической оптимизации. "	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 3. Квантовая теория связи наносистем
3.1.	Квантовая теория классификации связей наносистем. Представление молекулярных орбиталей (МО) в виде линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). АО Слейтеровского типа. Гауссовские орбитали (ГО). Метод ССП МО ЛКАО. Симметрия и свойства димеров. σ, π- орбитали. Связывающие и разрыхляющие орбитали.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.2.	Натуральные орбитали, локализованные орбитали. Метод обобщённых валентных связей (ОВС). Симметрия и классификация электронных орбиталей в нанокристаллах. Элементы зонной теории квантовых точек.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.3.	Базисный набор. Построение и расчёт димеров атомов 3-го и 4-го периода. Влияние базисного набора.	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
3.4.	Подготовка к семинару по теме «Базисный набор. Построение и расчёт димеров атомов 3-го и 4-го периода. Влияние базисного набора.»	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.5.	Молекула воды. Расчёт энергии связи, колебательных спектров.	Практические	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
3.6.	Подготовка к семинару по теме "Молекула воды. Расчёт энергии связи, колебательных спектров."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 4. Прикладные задачи квантовой химии наносистем
4.1.	Элементы операции симметрии каркаса ядер. Операции симметрии и классификация молекулярных орбиталей димеров. Приближённые методы решения задач для наносистем квантовых частиц. Прикладные задачи квантовой химии наносистем. Полуэмпирические методы квантовой химии. Метод Хюккеля для π-электронных наносистем. Сопряжённые соединения, ароматичность Индексы реакционной способности: индексы свободной валентности, заряды на атомах. Наномолекулярные димеры. Бирадикальные димеры водорода. Корреляционные диаграммы МО для димеров.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.2.	Полуэмпирические методы квантовой химии: методы пренебрежения дифференциальным перекрыванием.	Сам. работа	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.3.	Квантово-химическое описание элементарного акта химической реакции. Путь реакции и координата реакции на потенциальной поверхности. Переходное состояние. Симметрия реагентов, переходного состояния и продуктов реакции. Качественный анализ возможных механизмов химических реакции на основе ППЭ. Корреляционные правила Вудворда-Хофмана при анализе возможных механизмов химических реакций. Теория граничных орбиталей Фукуи. Роль туннелирования в химических реакциях.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.4.	Расчёт электронной структуры гетерогенных димеров. Расчёт кинетических закономерностей релаксации наносистем методом молекулярной механики и молекулярной динамики	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.5.	Аминокислоты. Цвиттер-ион.	Практические	2	4	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
4.6.	Подготовка к семинару по теме "Аминокислоты. Цвиттер-ион."	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.7.	Аминокислоты. Цвиттер-ион.	Практические	2	4	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
4.8.	Подготовка к семинару по теме "Квантовая кинетика. Релаксация графеновой поверхности. Молекулярные графеновые сита."	Сам. работа	2	6	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
4.9.	Исследование адсорбционных свойств водорода графеном.	Практические	2	4	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1
4.10.	Подготовка к семинару по теме "Исследование адсорбционных свойств водорода графеном."	Сам. работа	2	6	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
Раздел 5. Заключение
5.1.	Заключение. Связь концепций квантовой химии наносистем с современными направлениями химии: фемто-секундной химией, нанотехнологиями поатомной сборки материалов, созданием квантового компьютера и Бозе-Эйнштейновских конденсатов атомов и наносистем.	Лекции	2	2	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
5.2.	Современные квантовые концепции строения наноматериалов.	Сам. работа	2	4	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
5.3.	Подготовка к зачету	Сам. работа	2	8	ОПК-1	Л1.1, Л2.1
5.4.	Зачет	Практические	2	2	ОПК-1, ПК-2	Л1.1, Л2.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

приведены в ФОС в приложении

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

приведен в приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л1.1	С. А. Безносюк, М. С. Жуковский, Т. М. Жуковская	Квантовая механика наносистем: учеб. пособие	Изд-во АлтГУ, 2013	elibrary.asu.ru
6.1.2. Дополнительная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л2.1	Крашенинин В. И. , Газенаур Е. Г. , Кузьмина Л. В.	Квантовая химия и квантовая механика в применении к задачам:	Учебники и учебные пособия для ВУЗов, 2012	biblioclub.ru
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
	Название		Эл. адрес
Э1	Электронный ресурс научной школы «Фундаментальные основы нанонаук и прорывные нанотехнологии конденсированного состояния» [точка доступа http://compnano.1gb.ru/
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows 7 № 60674416 от 19.07.2012 г. (бессрочная); Microsoft Office 2010 № 60674416 от 19.07.2012 г. (бессрочная); 7-Zip; AcrobatReader.
6.4. Перечень информационных справочных систем
http://www.lib.asu.ru электронные ресурсы научной библиотеки АлтГУ http://www.rsl.ru РГБ Российская государственная библиотека http://ben.irex.ru БЕН Библиотека естественных наук http://www.gpntb.ru 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 http://www.lib.msu.su Библиотека МГУ

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

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)
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;

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Как работать над конспектом после лекции
Какими бы замечательными качествами в области методики ни обладал лектор, какое бы большое значение на занятиях ни уделял лекции слушатель, глубокое понимание материала достигается только путем самостоятельной работы над ним.
Самостоятельную работу следует начинать с доработки конспекта, желательно в тот же день, пока полученная информация еще хранится в памяти. Как правило, через 10 ч после лекции в памяти остается не более 30-40 % материала.
С целью доработки необходимо, в первую очередь, прочитать записи, восстановить текст в памяти, а также исправить описки, расшифровать не понятные сокращения, заполнить пропущенные места, понять текст, вникнуть в его смысл. Далее прочитать материал по рекомендуемой литературе, разрешая в ходе чтения, возникшие ранее затруднения, вопросы, а также дополнения и исправляя свои записи.
Записи должны быть наглядными, для чего следует применять различные способы выделений. В ходе доработки конспекта углубляются, расширяются и закрепляются знания, а также дополняется, исправляется и совершенствуется конспект.
Подготовленный конспект и рекомендуемая литература используется при подготовке к практическому занятию. Подготовка сводится к внимательному прочтению учебного материала, к выводу с карандашом в руках всех утверждений и формул, к решению примеров, задач, к ответам на вопросы, предложенные в конце лекции преподавателем или помещенные в рекомендуемой литературе. Примеры, задачи, вопросы по теме являются средством самоконтроля.
Непременным условием глубокого усвоения учебного материала является знание основ, на которых строится изложение материала. Обычно преподаватель напоминает, какой ранее изученный материал и в какой степени требуется подготовить к очередному занятию. Эта рекомендация, как и требование систематической и серьезной работы над всем лекционным курсом, подлежит безусловному выполнению. Потери логической связи как внутри темы, так и между ними приводит к негативным последствиям: материал учебной дисциплины перестает основательно восприниматься, а творческий труд подменяется утомленным переписыванием. Обращение к ранее изученному материалу не только помогает восстановить в памяти известные положения, выводы, но и приводит разрозненные знания в систему, углубляет и расширяет их. Каждый возврат к старому материалу позволяет найти в нем что-то новое, переосмыслить его с иных позиций, определить для него наиболее подходящее место в уже имеющейся системе знаний. Неоднократное обращение к пройденному материалу является наиболее рациональной формой приобретения и закрепления знаний. Очень полезным в практике самостоятельной работы, является предварительное ознакомление с учебным материалом. Даже краткое, беглое знакомство с материалом очередной лекции дает многое. Студенты получают общее представление о ее содержании и структуре, о главных и второстепенных вопросах, о терминах и определениях. Все это облегчает работу на лекции и делает ее целеустремленной.

Подготовка к практическому занятию
Студент должен четко уяснить, что именно с лекции начинается его подготовка к практическому занятию. Вместе с тем, лекция лишь организует мыслительную деятельность, но не обеспечивает глубину усвоения программного материала.
При подготовке к семинару можно выделить 2 этапа:
1-й – организационный,
2-й – закрепление и углубление теоретических знаний.
На первом этапе студент планирует свою самостоятельную работу, которая включает:
– уяснение задания на самостоятельную работу;
– подбор рекомендованной литературы;
– составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.
Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.
Второй этап включает непосредственную подготовку студента к занятию. Начинать надо с изучения рекомендованной литературы. Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал, а только его часть. Остальная его часть восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна. Особое внимание при этом необходимо обратить на содержание основных положений и выводов, объяснение явлений и фактов, уяснение практического приложения рассматриваемых теоретических вопросов. В процессе этой работы студент должен стремиться понять и запомнить основные положения рассматриваемого материала, примеры, поясняющие его, а также разобраться в иллюстративном материале.
Заканчивать подготовку следует составлением плана (перечня основных пунктов) по изучаемому материалу (вопросу). Такой план позволяет составить концентрированное, сжатое представление по изучаемым вопросам.
В процессе подготовки к семинару рекомендуется взаимное обсуждение материала, во время которого закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь.
При необходимости следует обращаться за консультацией к преподавателю. Идя на консультацию, необходимо хорошо продумать вопросы, которые требуют разъяснения.
В начале семинара студенты под руководством преподавателя более глубоко осмысливают теоретические положения по теме занятия, раскрывают и объясняют основные явления и факты. В процессе творческого обсуждения и дискуссии вырабатываются умения и навыки использовать приобретенные знания для решения практических задач.

Как работать с рекомендованной литературой
Успех в процессе самостоятельной работы, самостоятельного чтения литературы во многом зависит от умения правильно работать с книгой, работать над текстом.
Опыт показывает, что при работе с текстом целесообразно придерживаться такой последовательности. Сначала прочитать весь заданный текст в быстром темпе. Цель такого чтения заключается в том, чтобы создать общее представление об изучаемом (не запоминать, а понять общий смысл прочитанного) материале. Затем прочитать вторично, более медленно, чтобы в ходе чтения понять и запомнить смысл каждой фразы, каждого положения и вопроса в целом.
Чтение приносит пользу и становится продуктивным, когда сопровождается записями. Это может быть составление плана прочитанного текста, тезисы или выписки, конспектирование и др.
Выбор вида записи зависит от характера изучаемого материала и целей работы с ним.
Если содержание материала несложное, легко усваиваемое, можно ограничиться составлением плана. Если материал содержит новую и трудно усваиваемую информацию, целесообразно его законспектировать.
План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный план вполне заменяет конспект.
Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Различаются четыре типа конспектов.
План-конспект – это развернутый детализированный план, в котором достаточно подробные записи приводятся по тем пунктам плана, которые нуждаются в пояснении.
Текстуальный конспект – это воспроизведение наиболее важных положений и фактов источника.
Свободный конспект – это четко и кратко сформулированные (изложенные) основные положения в результате глубокого осмысливания материала. В нем могут присутствовать выписки, цитаты, тезисы; часть материала может быть представлена планом.
Тематический конспект – составляется на основе изучения ряда источников и дает более или менее исчерпывающий ответ по какой-то схеме (вопросу).
В процессе изучения материала источника, составления конспекта нужно обязательно применять различные выделения, подзаголовки, создавая блочную структуру конспекта. Это делает конспект легко воспринимаемым, удобным для работы.

Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов
Самостоятельная работа студентов (СРС) под руководством преподавателя является составной частью «самостоятельная работа студентов», принятого в высшей школе. СРС под руководством преподавателя представляет собой вид занятий, в ходе которых студент, руководствуясь методической и специальной литературой, а также указаниями преподавателя, самостоятельно выполняет учебное задание, приобретая и совершенствуя при этом знания, умения и навыки практической деятельности. При этом взаимодействие студента и преподавателя приобретает вид сотрудничества: студент получает непосредственные указания преподавателя об организации своей самостоятельной деятельности, а преподаватель выполняет функцию руководства через консультации и контроль.
Познавательная деятельность студентов при выполнении самостоятельных работ данного вида заключается в накоплении нового для них опыта деятельности на базе усвоенного ранее формализованного опыта (опыта действий по известному алгоритму) путем осуществления переноса знаний, умений и навыков. Суть заданий работ этого вида сводится к поиску, формулированию и реализации идей решения. Это выходит за пределы прошлого формализованного опыта и в реальном процессе мышления требует от обучаемых варьирования условий задания и усвоенной ранее учебной информации, рассмотрения ее под новым углом зрения. В связи с этим самостоятельная работа данного вида должна выдвигать требования анализа незнакомых студентом ситуаций и генерирования новой информации для выполнения задания.

Методические указания для подготовки к зачету
Подготовка к зачету способствует закреплению, углублению и обобщению знаний, получаемых, в процессе обучения, а также применению их к решению практических задач. Готовясь к зачету, студент ликвидирует имеющиеся пробелы в знаниях, углубляет, систематизирует и упорядочивает свои знания. На зачете студент демонстрирует то, что он приобрел в процессе обучения по конкретной учебной дисциплине.
Требования к организации подготовки к зачету те же, что и при занятиях в течение семестра, но соблюдаться они должны более строго. Вначале следует просмотреть весь материал по сдаваемой дисциплине, отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при этом листы опорных сигналов.
В период подготовки к зачету студенты могут получить у преподавателя индивидуальные и групповые консультации.
Подготовка к зачету – это завершающий, наиболее активный этап самостоятельной работы студента над учебным курсом.