KE512: Kvantekemi & Uorganisk kemi (10 ECTS)

STADS: 10003921

Niveau
Bachelorkursus

Undervisningsperiode
Kurset er placeret i forårssemesteret.
3. og 4. kvartal.

Ansvarlige undervisere
Email: hjj@ifk.sdu.dk
Email: chk@ifk.sdu.dk
Email: adb@ifk.sdu.dk

Skemaoplysninger
Vis hele skemaet
Vis personligt skema for dette kursus.

Indgangskrav:
Ingen

Faglige forudsætninger:
MM501 Calculus I, MM502 Calculus II og KE501 Grundlæggende kemi skal være bestået. KE503 Symmetri og KE502 Grundstoffernes kemi og fysisk kemi forudsættes kendt.

Kursusintroduktion
A. Kvantekemi:
Kursets mål er at give de studerende en grundlæggende forståelse for den kvantemekaniske beskrivelse af atomer og molekyler. Der lægges specielt vægt på forståelsen af kemisk binding og reaktivitet, samt det teoretiske grundlag for optisk molekylspektroskopi. Kurset skal også give den grundlæggende kvantemekaniske baggrundsviden for videregående kurser i molecular modelling, NMR spektroskopi, uorganisk kemi og fysisk organisk kemi.

B. Uorganisk kemi:
Kursets mål er et dybere kendskab til både naturlige og kunstige materialer og deres egenskaber end opnået i KE502 Fysisk kemi og grundstoffernes kemi, herunder kendskab til biologisk essentielle grundstoffer og deres funktion i livsprocesser. Endvidere skal der opnås forståelse for sammenhængen mellem materialernes egenskaber og deres elektronstruktur.

Forventet læringsudbytte
A. Kvantekemi:
Efter kursets afslutning skal den studerende kunne:

• redegøre for de kvantemekaniske principper og de nødvendige matematiske teknikker, specielt superpositionsprincippet og variationsprincippet.
• forklare løsningen af Schrödingerligningen for partikel i en kasse og tunneleffekten for en firkantet barrieremodel.
• opskrive både den elektroniske og den totale Hamiltonoperator for ethvert molekyle og forklare betydningen af de enkelte led.
• anvende skærmingsbegrebet (screening) til at forklare atomers egenskaber i molekyler og krystaller: elektronegativitet, grundtilstanden af overgangsmetaller, forskelle i ioniseringsenergier og elektronaffiniteter, forskelle i bindingsegenskaber for forskellige oxidationstilstande, krystaller.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af impulsmoment (angulært moment) og spin for en-elektron systemer og være i stand til at koble disse korrekt til totale værdier for flerelektronsystemer, herunder opskrive termsymboler for atomer.
• redegøre for og anvende Born-Oppenheimerapproksimationen, Pauliprincippet, Hunds regel, variationsprincippet, superpositionsprincippet
• anvende den gruppeteori, som forudsættes bekendt fra KE503 eller tilsvarende, til at opskrive termsymboler for molekyler, til at identificere eller danne symmetriorbitaler, og til at afgøre om en elektronisk overgang er dipol-forbudt eller dipol-tilladt.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af en harmonisk oscillator og forklare hvordan den kan benyttes til at fortolke elektronspektre vha Franck-Condon faktorer.
• redegøre for spin-orbit kobling og dens betydning for optiske spektre, specielt fosforescens.
• udføre molekylorbitalberegninger med simpel Hückelteori, Extended Hückelteori og semi-empiriske eller bedre metoder, fortolke resultaterne af beregningerne ifm f.eks. kemisk reaktivitet eller elektronspektre, samt redegøre for den overordnede forventning til nøjagtigheden af de forskellige modeller.
• anvende relevante dele af ovenstående til at udføre et kvantekemisk projekt, som ligger i forlængelse af lærebogens pensum, formidle resultatet af projektet mundtligt for medstuderende, samt forklare, fortolke og perspektivere projektets resultater ved den mundtlige eksamen.

B. Uorganisk kemi:
Efter kursets afslutning skal den studerende kunne:

• fortolke eller forudsige grundstoffernes krystalstrukturer ud fra simple pakningsmodeller og atomernes elektronstruktur
• forklare forskelle i d-orbital elektronernes energiopsplitning for forskellige kombinationer af centralatomer og ligander og fortolke simple synlige spektre for disse;
• anvende IR og NMR spektroskopi til karakterisering af uorganiske systemer
• forklare forskelle i magnetiske egenskaber ud fra d-orbital elektronernes energiopsplitning
• forudsige og forklare tendenser i strukturer og oxidationstrin i d-blok forbindelser
• redegøre for typiske egenskaber og karakteristika for centrale typer af forbindelser i uorganisk kemi, herunder molekylklynger og blandet-valens forbindelser, metalloenzymer og model forbindelser, supramolekylær systemer, samt redegøre for typiske anvendelser af disse inden for industri, katalyse, medicin etc.
• forklare metallers rolle i aktivering af molekyler og deres betydning for katalyse
• redegøre for typiske reaktionsveje i koordinationskemi fra simple Lewis syre-base reaktioner til templatreaktioner og modificeringer af koordinerede ligander.


I begge dele lægges specielt vægt på, at den studerende er fortrolig med de begreber og sammenhænge, der knytter sig til kursets hovedemner, og kan kombinere disse begreber til at løse mere sammensatte opgaver inden for disse emner.

Emneoversigt
A. Kvantekemi:
Schrödingerligningen, atomorbitaler, Born-Oppenheimer approximationen, molekylorbitaler, elektrontilstande, tidsafhængig pertubation, vekselvirkning mellem lys og stof, elektronspektre, fotoelektronspektre, kemisk reaktion, herunder Woodward-Hoffmann reglerne. Projekt i selvvalgt emne hvor teorien anvendes og hvor nogle af kompetencerne demonstreres.

B. Uorganisk kemi:
Grundstoffernes krystalstrukturer, anvendelser af analytisk spektroskopi på uorganiske systemer, geometri og isomeri af koordinationsforbindelser, d-orbital elektronernes opsplitning og synlige spektre, magnetiske egenskaber, tendenser i strukturer og oxidationstrin i d-blok forbindelser, molekylklynger og blandet-valens forbindelser, metalaktivering af molekyler og katalyse, templatreaktioner, supramolekylær kemi, metalloproteiner, metalforbindelser i medicin og diagnosticering.

Litteratur

• P.W. Atkins and J. de Paula: Atkins Physical Chemistry, 8th ed., 2006, Oxford University .
• C. E. Housecroft & A. G. Sharpe: Inorganic Chemistry, 2nd Edition, 2005, Prentice Hall .

Pensum
Se pensumbeskrivelse.

Kursets hjemmeside
Dette kursus benytter e-learn (blackboard).

Forudsætningsprøver
Ingen

Eksamen- og censurform:
(a) 3 timers skriftlig eksamen i uorganisk kemi med alle hjælpemidler efter 4. kvartal. Ekstern censur. Karakter efter 7-skalaen.
(b) Projektopgaven i kvantekemi er i 4. kvartal og kan afleveres i grupper af op til 3 studerende. Intern censur ved underviser. Bestået / ikke bestået. Projektopgaven skal være bestået for at gå til mundtlig eksamen.
(c) Mundtlig eksamen i kvantekemi efter 4. kvartal med karakter efter 7-skalaen og ekstern censur. Eksamen består dels af forsvar af projektopgaven, dels af et spørgsmål i den kvantekemiske del af pensummet.

(d) Reeksamen efter 2. kvartal (første gang i januar 2009).

Vejledende timetal
På naturvidenskab er undervisningen tilrettelagt efter trefasemodellen dvs. intro, trænings- og studiefasen.

Undervisningen vil bestå af forelæsninger (2x25 timer) suppleret af eksaminatorietimer (2x17 timer) og skemalagte klassetimer til projektvejledning og projektpræsentation (2x5 timer).
Aktiviteter i studiefasen

Sprog
Dette kursus undervises på dansk.

Bemærkninger
Kvantekemi-delen undervises på dansk.
Uorganisk kemi-delen undervises på engelsk.

Kursustilmelding
Se tilmeldingsfrister.

Pris for åben uddannelse
Se priser for enkeltkurser.

Denne kursusbeskrivelse var gyldig fra 1. februar 2009 til 31. august 2009.