Квантовая механика и квантовая химия ПАНИЧЕВ Сергей Александрович

Квантовая механика и квантовая химия ПАНИЧЕВ Сергей Александрович

Цель — изучение квантовомеханических идей, представлений и моделей в приложении к химической проблематике. Задачи — анализ тем: • проблемы взаимной адаптации представлений КМ и классической химии, • возможности и перспективы квантовой химии, • роль математических моделей в квантовой механике и квантовой химии.

КВАНТОВАЯ ХИМИЯ СТРУКТУРНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ Построение структурных моделей молекул, объединяющих идеи классической химии и квантовой механики Методы компьютерного решения вычислительных задач (решение уравнений Хартри-Фока-Рутана, построение ППЭ и др. ) «ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛАКО» Узловая структура и симметрия ЭО Плотность ЭО P(x, y, z)

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: теоретические основы квантовой химии, основные структурные и динамические модели, применяемые для решения химических задач. Уметь: применять квантовомеханические представления и модели для анализа химических проблем; пользоваться вычислительными компьютерными программами. Владеть: основными понятиями квантовой механики и квантовой химии, стандартными вычислительными методами квантовой химии, научной и справочной литературой по квантовой химии.

Основная литература: 1. Паничев С. А. Физические основы квантовой химии. Тюмень: Изд-во Тюм. ГУ. 2008. 2. Паничев С. А. Строение атомов и молекул. Тюмень. Изд-во Тюм. ГУ. 2008. 3. Паничев С. А. Математические модели в курсах "Строение вещества и "Квантовая механика и квантовая химия". Тюмень: Изд-во Тюм. ГУ. 2003. 4. Паничев С. А. Физические модели в курсах "Строение вещества" и "Квантовая механика и квантовая химия". Тюмень: Изд-во Тюм. ГУ. 2003. 5. Беляцкий М. К. , Паничев С. А. Введение в органическую химию. Тюмень: Изд-во Тюм. ГУ. 2007.

Дополнительная литература: 1. Степанов Н. Ф. Квантовая химия. М. : Мир. 2001 2. Минкин В. И. , Симкин Б. Я. , Миняев Р. М. Теория строения молекул. Ростов на Дону. : Феникс, 1997. 3. Симкин Б. Я. и др. Задачи по теории строения молекул. Ростов на Дону. : Феникс, 1997. 4. Заградник Р. , Полак Р. Основы квантовой химии. М. : Мир, 1979. 5. Фларри Р. Группы симметрии. Теория и химические приложения. М. : Мир, 1983.

Трудоемкость — 72 час. (2 ЗЕТ) Аудиторные занятия: лекции — 24 час. , семинары — 12 час. Самостоятельная работа — 36 час. Форма промежуточной аттестации — зачет. Рейтинг Посещение занятий 2 12 + 2 6 = 36 Опросы на лекциях 10 3 = 30 Контрольная работа 3 10 = 30 Зачет — не менее 61 балла

ХИМИЯ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Основные вопросы 1. Каковы ограничения классической химии, которые можно было бы преодолеть за счет заимствования методов и средств КМ? 2. Каковы достоинства квантовой механики, которые могли бы казаться полезными в решении чисто химических проблем? 4. Каковы потенциальные возможности квантовой механики, применительно к химической проблематике? 5. Как согласовать идеи и методы классической химии и квантовой механики?

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА Способ описания объектов и процессов 1. Априорность. 2. Количественный характер описания. 3. Пригодность для объектов и процессов микроскопического уровня (атомы, молекулы, ионы, свободные радикалы и т. д. ).

КЛАССИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Способ описания объектов и процессов 1. Феноменологичность. 2. Качественный характер описания. 3. Пригодность для объектов и процессов только макроскопического уровня.

Квантовая механика Классическая химия 1. Априорность. 1. Феноменологичность. 2. Количественный характер описания. 2. Качественный характер описания. 3. Пригодность для объектов и процессов микроскопического уровня. 3. Пригодность для объектов и процессов макроскопического уровня. ПРОТИВОРЕЧИЕ в методологии КМ и КХ

Квантовая механика Классическая химия ДИНАМИЧНОСТЬ СТАТИЧНОСТЬ возможность описания характера движения объекта полное пренебрежение характером движения объекта Основной вклад квантовой механики в химию — введение д и н а м и ч е с к и х представлений в структурные модели атомов и молекул

РАЗРЕШЕНИЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ Признать химию недоразвитым разделом механики и решать химические проблемы в рамках чистой КМ Привить классической химии квантовомеханическую идею ДИНАМИЧНОСТИ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА атомов и молекул КВАНТОВАЯ ХИМИЯ (в адаптированном виде)

Известны основные физические законы, необходимые для построения математической теории всех областей химии. Трудность состоит лишь в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, решения которых оказываются слишком сложными. (П. Дирак, 1929 г. ) Они остаются слишком сложными и сейчас (через 80 лет) и останутся такими в обозримом будущем. Развитие волновой механики настолько совершенно, что периодический закон может быть выведен исходя из ее основных принципов. Любой компетентный математик был бы в состоянии построить периодическую систему, даже в том случае, если бы он никогда не слышал о периодическом законе. Ему, конечно, понадобилось бы громадное количество времени и помощь вычислителей. (Э. Резерфорд, 1934 г. ) Количество времени, о котором идет речь — тысячи лет

Возникла новая теория материи, в которой различие между физикой и химией было бы бессмысленным. Фактически обе эти науки слились, благодаря квантовой теории, в нечто совершенно единое. (В. Гейзенберг (1930 г. ) Совокупность фундаментальных физических законов — это модель нашего мира. При наличии очень хорошей физической модели химия становится разделом физики. Но в настоящее время такая модель отсутствует, и именно поэтому химия — самостоятельная область науки. (П. М. Зоркий, профессор ХФ МГУ, 2001 г. )

ЗАДАЧА — отменить ХИМИЮ как научную дисциплину и решать химические задачи методами КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ЗАДАЧА — сделать классической ХИМИИ квантовомеханическую «прививку» ПОЛЕЗНО социолога или философа снабдить компьютером и научить им пользоваться, но НЕ СЛЕДУЕТ надеяться на то, что компьютерные программы смогут сами по себе решать социологические или философские проблемы.

Квантовая химия — это раздел ХИМИИ, а не физики. Квантовая химия это инструмент, позвляющий расширить арсенал классической химии, и предназначенный для решения только химических задач (в первую очередь, предсказание реакционной способности химических веществ и их смесей) Физик может с большой точностью вычислить все механические характеристики (наблюдаемые) атома водорода — энергетический спектр, механические и магнитные моменты, поляризуемость и т. д. Он, однако, не может предсказать поведение этого атома в химических процессах (например, будет ли атом водорода замещать атом хлора в молекуле хлорбензола или аминогруппу в молекуле анилина и т. д. ).

ВЫВОДЫ 1. ХИМИЯ — самостоятельная наука со своими проблемами и методами их решения. 2. В рамках ХИМИИ существуют задачи (реакционная способность молекул и др. ), для решения которых целесообразно привлекать представления и методы квантовой механики, которые образуют специализированный раздел химии — КВАНТОВУЮ ХИМИЮ. 3. Всякий химик должен иметь представление об идеях и возможностях квантовой механики для решения химических проблем.