Applied quantum chemistry

Applied quantum chemistry, 15 credits
Course period:
2015-11-03 till 2015-12-15
Main location of the course:
Chemistry building, Chalmers Campus
Course leader/Address for applications:
Last day for application:
Applications are welcome at any time
Jürgen Gräfenstein /Jurgen.Grafenstein@chem.gu.se
Course description (Advertisement for Ph.D. students):
Atomic-level computations are becoming a common tool in chemistry. Today, their use is
no longer restricted to a small group of specialized theorists; rather, more and more chemists with an experimental background use them as a complement to their experimental
investigations. But as with every tool, you need to know what you are doing to make real
use of it. This course provides the knowledge one needs to apply computational methods
in an educated way and to avoid common pitfalls. It gives an overview, from the perspective of the user, over common methods used in today’s quantum chemistry. The focus is
on the “working horse” of computational chemistry, Density Functional Theory (DFT). In
addition, some important wave-function based computational methods such as CASSCF,
CASPT2, and CCSD(T) will be presented. In extensive computer exercises, the students
will get acquainted with commonly used quantum-chemical program packages. The
course will be concluded with a miniproject where the students apply their knowledge to a
chemical problem of their choice.
Responsible department and other participating departments/organisations:
Chemistry and molecular biology
Teachers:
Jürgen Gräfenstein (Course leader and main contact)
Examiner: Jürgen Gräfenstein
Faculty of Science
Department of chemistry and molecular biology
Applied quantum chemistry, 15 credits
Third cycle education
NOTE: This is an “inofficial” summary of the syllabus in English, which is provided for convenience. The official syllabus (in Swedish) is enclosed below.
1. Confirmation
The syllabus was confirmed by the Head of the Department of Chemistry and Molecular Biology
2014-10-28.
The course plan is valid from 2014-11-01.
Disciplinary domain: Science
Department in charge: Department of chemistry and molecular biology
Main field of study: chemistry
2. Position in the educational system
Elective course; third-cycle education.
3. Entry requirements
Recommended entry knowledge comprises the courses
• KEM040 (Physical Chemistry) or equivalent,
• MMGK11 (Mathematics for natural scientists A1) or equivalent.
4. Course content
The course treats quantum-chemical computation methods with a clear focus on the user perspective. The following topics are covered:
1. Quantum mechanics and chemistry
2. The foundations of the quantum description: wave function, Schrödinger equation, BornOppenheimer approximation
3. Independent electrons: orbitals, self-consistent field (SCF), Hartree-Fock (HF) method
4. Mathematical description of orbitals: Basis functions - idea, Slater and Gaussian functions, split-valence basis sets, diffuse and polarization functions, classification of basis
sets
5. Electron Correlation: Description and Consequences for the behaviour of molecules
6. Advanced calculation methods for describing electron correlation: Configuration interaction (CI), Coupled Cluster (CC), Møller-Plesset perturbation theory (MP), multireference-SCF (MCSCF)
7. Today's standard method in quantum chemistry: Density functional theory (DFT)
Basic ideas, Kohn-Sham (KS) formalism–the way to a useful computational scheme, the
necessary approximations for Exchange/Correlation (XC), various types of XC functionals (LDA, GGA, mGGA, hybrid GGA)
8. Determining the equilibrium geometries of molecules and complexes: Geometry Optimization
9. Calculating and interpreting molecular vibrations: infrared and Raman spectra
10. Examining the reaction process, thermochemistry
11. Relativistic effects in quantum chemistry–the consequences of relativistic effects, computational methods
12. Beyond the ground state–time-dependent density functional theory to describe excited
state and dynamic processes
13. Treatment of solvent effects
14. Analysis of orbitals and electron density
15. Calculation of electronic properties: polarizability, NMR properties, susceptibility
16. Semi-empirical methods
17. Current trends in quantum chemistry: Linear scaling, local-orbital methods, multi-scale
modelling
5. Outcomes
After completion of the course the Ph.D. student should be able to:
1. Knowledge and understanding
•
•
•
•
•
•
•
Explain the role of quantum chemistry in chemistry and its potential to solve chemical
problems,
Describe the idea behind the independent-electron approximation, self-consistent field
and the Hartree-Fock method,
Explain electron correlation and its effect on chemical systems and processes and describe calculation methods that explicitly include correlation effects in the wave function,
Explain the principle of density-functional theory (DFT) and Kohn-Sham (KS) formalism,
Describe the approximations necessary for the description of Exchange/Correlation (XC),
explain the different levels of these approximations (LDA GGA, meta-GGA, hybrid
GGA) and name typical representatives,
Describe different methods to determine the equilibrium geometries, their advantages and
disadvantages,
Explain the steps that lead from computational results to measurable thermochemical
properties,
•
•
Explain in outline how electrical and magnetic properties are calculated,
Explain the limits of the non-relativistic quantum chemistry and describe methods to include relativistic effects into quantum chemical methods.
2. Skills and abilities
• Set up a calculation for a given problem, selecting appropriate calculation methods and
basis sets and justify the choices,
• Use quantum chemical calculations to investigate simple reactions, their thermochemistry
and reaction mechanisms,
• Interpret results from a quantum chemical calculation (vibration patterns, orbitals, density, etc.) and put them in context with the system's chemical behaviour,
• Notice and explain potential problems for the calculation of certain types of molecules or
processes;
• Present the results of a calculation in oral and written form.
3. Judgement and approach
• Interpret results of quantum chemical calculations and relate them to experimental results,
• Critically assess the reliability of the results obtained.
6. Required reading
• Course book: Frank Jensen, Introduction to Computational Chemistry, 2nd edition, Wiley,
2006, ISBN 978-0-470-01187-4,
• Lecture notes provided during the course.
7. Assessment
Assessment is based on
1. the miniproject,
2. the compulsory computer exercises and the corresponding reports.
A Ph.D. student who has failed a test twice has the right to change examiners, if it is possible. A
written application should be sent to the Department.
In cases where a course has been discontinued or major changes have been made a Ph.D. should
be guaranteed at least three examination occasions (including the ordinary examination occasion)
during a time of at least one year from the last time the course was given.
8. Grading scale
The grading scale for PhD students comprises Fail (U), Pass (G).
9. Course evaluation
Course evaluation is carried out together with the Ph.D. students at the end of the course, and is
followed by an individual, anonymous survey. The results and possible changes in the course will
be shared with the students who participated in the evaluation and to those who are beginning the
course.
10. Language of instruction
The language of instruction is English or Swedish, depending on the requirements of the students.
INSTITUTIONEN FÖR KEMI OCH MOLEKYLÄRBIOLOGI
KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15
högskolepoäng
Applied quantum chemistry for master and PhD students, 15 higher education
credits
Avancerad nivå / Second Cycle
Fastställande
Kursplanen är fastställd av Institutionen för kemi och molekylärbiologi 2014-10-28 att
gälla från och med 2014-11-01, höstterminen 2014.
Utbildningsområde: Naturvetenskapligt 100 %
Ansvarig institution: Institutionen för kemi och molekylärbiologi
Inplacering
Kursen är inplacerad på doktorandnivå och kan dessutom läsas som fristående kurs på
nivån 120-150 högskolepoäng och räknas då som kurs på avancerad nivå för
masterexamen.
Huvudområde
Fördjupning
Kemi
A1F, Avancerad nivå, har kurs/er på
avancerad nivå som förkunskapskrav
Förkunskapskrav
För tillträde till kursen krävs kandidatexamen eller motsvarande inom ett
naturvetenskapligt fält. Inom ramen för kursfordringarna rekommenderas godkänd
kurs KEM040, fysikalisk kemi (15 hp) eller motsvarande kunskaper samt godkänd kurs
MMGK11, Naturvetarmatematik A1 (15 hp) eller motsvarande kunskaper.
2/ 5
Mål
Kunskap och förståelse
Efter avslutad kurs förväntas studenten kunna:
• förklara kvantkemins roll inom kemin och dess potential att lösa kemiska problem,
• beskriva idén bakom oberoende-elektroner-approximationen, självkonsistent fält
och Hartree-Fock-metoden,
• förklara elektronkorrelationen och dess inverkan på kemiska system och processer
och översiktligt beskriva beräkningsmetoder som explicit inkluderar korrelationseffekter
i vågfunktionen,
• förklara principen bakom täthetsfunktionalteorin (DFT) och Kohn-Sham (KS)formalismen, beskriva de approximationer som behövs för beskrivningen av
exchange/correlation (XC), förklara de olika nivåerna för dessa approximationer (LDA,
GGA, meta-GGA, hybrid-GGA) och nämna typiska representanter,
• beskriva metoder för att bestämma jämviktsgeometrier, deras för- och nackdelar,
• förklara de steg som leder från beräkningsresultat till mätbara termokemiska
storheter,
• förklara i huvuddrag hur elektriska och magnetiska egenskaper beräknas,
• förklara gränserna av den icke-relativistiska kvantkemin och översiktligt beskriva
metoder för att inkludera relativistiska effekter i kvantkemiska metoder.
Färdighet och förmåga
Efter avslutad kurs förväntas studenten kunna:
• lägga upp en beräkning för ett givet problem och välja lämpliga beräkningsmetoder
och bas-set samt motivera valet,
• använda kvantkemiska beräkningar för att undersöka en enklare reaktions
termokemi och reaktionsmekanismer,
• tolka resultaten från en kvantkemisk beräkning (vibrationsmönster, orbitaler,
densiteten etc.) och sätta dem i samband med systemets kemiska beteende,
• uppmärksamma och redovisa potentiella problem för beräkningen på vissa typer av
molekyler eller processer,
• presentera resultaten från en beräkning i muntlig och skriftlig form.
Värderingsförmåga och förhållningssätt
Efter avslutad kurs förväntas studenten kunna:
• tolka resultaten från kvantkemiska beräkningar och sätta de i samband med
experimentella resultat,
KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum
chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits
Avancerad nivå / Second Cycle
3/ 5
•
kritiskt bedöma pålitligheten av de erhållna resultat.
Innehåll
Kursen behandlar kvantkemiska beräkningsmetoder med en tydlig fokus på deras
användning för att lösa kemiska problem. Följande ämnen kommer att behandlas:
1. Kvantmekanik och kemi
2. Grunderna för den kvantmekaniska beskrivningen: Vågfunktion,
Schrödingerekvation, Born-Oppenheimer-approximationen
3. Oberoende elektroner: Orbitaler, självkonsistenta fält (SCF) , Hartree-Fockmetoden
4. Matematisk beskrivning av orbitalerna: Basfunktioner – idé, Slater- och
Gaussfunktioner, split-valence-funktioner, diffusa och polarisationsfunktioner,
klassifikation av bassätt
5. Elektronkorrelation: Beskrivning och konsekvenser för molekylernas beteende
6. Avancerade beräkningsmetoder för att beskriva elektronkorrelation:
Configuration interaction (CI), Coupled Cluster (CC), Møller-Plessetstörningsteori (MP), multireferens-SCF (MCSCF)
7. Dagens standardmetod inom kvantkemin: Täthetsfunktionalteori (DFT) –
grundläggande idéer, Kohn-Sham (KS)-formalismen som väg till ett användbart
beräkningsschema, nödvändiga approximationer för exchange/correlation (XC),
olika typer av XC-funktionaler (LDA, GGA, mGGA, hybrid-GGA)
8. Att bestämma jämviktsgeometrier för molekyler och komplex:
Geometrioptimering
9. Att beräkna och tolka molekylära vibrationer: IR- och Ramanspektra
10. Undersökning av reaktionsförlopp, termokemi
11. Relativistiska effekter i kvantkemin – konsekvenser av relativistiska effekter,
beräkningsmetoder
12. Bortom grundtillståndet – tidsberoende täthetsfunktionalteori för att beskriva
exciterade tillstånd och dynamiska processer
13. Behandling av lösningsmedelseffekter
14. Analys av orbitaler och elektrondensiteten
15. Beräkning av elektroniska egenskaper: polariserbarhet, NMR-egenskaper,
susceptibilitet
16. Semiempiriska metoder
KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum
chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits
Avancerad nivå / Second Cycle
4/ 5
17.
Aktuella trender i kvantkemin: Linjär skalning, lokalorbitalmetoder,
multiskalmodellering
I kursen ingår ett projektarbete där studenten tillämpar kvantkemiska
beräkningsmetoder på ett självvalt problem.
Delkurser
1. Teoretiska delen (Theory part), 10 hp
Betygsskala: Väl godkänd (VG), Godkänd (G) och Underkänd (U)
2.
Datalaborationer (Computer exercises), 5 hp
Betygsskala: Godkänd (G) och Underkänd (U)
Former för undervisning
Undervisning sker i form av föreläsningar, räkneövningar och ett projektarbete (delkurs
1) och datalaborationer inkluderande redovisningar (delkurs 2).
Undervisningsspråk: engelska och svenska
Undervisningsspråket rättar sig efter studenternas förutsättningar.
Former för bedömning
Kunskapskontroll sker genom ett projektarbete (delkurs 1) och genom redovisningar
(delkurs 2). Redovisningar (delkurs 2) sker löpande under kursens gång.
Om student som underkänts två gånger på samma examinerande moment önskar byte
av examinator inför nästa examinationstillfälle, ska sådan begäran inlämnas skriftligt
till kursansvarig institution och bifallas om det inte finns särskilda skäl däremot (HF 6
kap § 22).
I det fall en kurs har upphört eller genomgått större förändringar ska studenten i
normalfallet garanteras tillgång till minst tre provtillfällen (inklusive ordinarie
provtillfälle) under en tid av åtminstone ett år med utgångspunkt i kursens tidigare
uppläggning.
Betyg
På kursen ges något av betygen Väl godkänd (VG), Godkänd (G) och Underkänd (U).
KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum
chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits
Avancerad nivå / Second Cycle
5/ 5
På delkurs 1 meddelas betyg VG, G eller U. På delkurs 2 meddelas betyg G eller U.
För betyg G på hela kursen krävs betyg G på delkurs 1 och G på delkurs 2. För betyg
VG på hela kursen krävs betyg VG på delkurs 1 och G på delkurs 2.
Kursvärdering
Student som deltar i eller har avslutat en kurs ska ges möjlighet att anonymt framföra
erfarenheter av och synpunkter på kursen i en kursutvärdering.
Resultatet och eventuella förändringar i kursens upplägg ska förmedlas både till de
studenter som genomförde värderingen och till de studenter som ska påbörja kursen.
Övrigt
Undervisningsspråk: engelska och svenska.
Undervisningsspråket rättar sig efter studenternas förutsättningar.
KED321 Tillämpad kvantkemi för master- och forskarstuderande, 15 högskolepoäng / Applied quantum
chemistry for master and PhD students, 15 higher education credits
Avancerad nivå / Second Cycle