KE818: Symmetri- og Kvantekemisupplering (5 ECTS)

STADS: 10005301

Niveau
Kandidatkursus

Undervisningsperiode
Kurset er placeret i efterårssemesteret.

Ansvarlige undervisere
Email: hjj@sdu.dk

Yderligere undervisere
kongsted@sdu.dk

Skemaoplysninger
Vis hele skemaet
Vis personligt skema for dette kursus.

Indgangskrav:
Kurset kan ikke følges af studerende, der har bestået KE522 eller tilsvarende kursus.

Faglige forudsætninger:
Studerende, der følger kurset, forventes at:

• Have kendskab til kemisk bindingsteori og fysisk kemi svarende til første år på bacheloruddannelsen i kemi.
• Have kendskab til fysik svarende til første år på bacheloruddannelsen i kemi, herunder impuls, impulsmoment og Coulombpotentialet.
• Have kendskab til den matematik der indgår i KE529, herunder løsning af differentialligninger, rumintegraler, optimeringsteori, vektorer og matricer. Der må påregnes ekstra tid til at sætte sig ind i den nødvendige matematik hvis den studerende ikke kender den i forvejen, f.eks. ud fra ”Mathematical background” afsnit i lærebogen.
• Kunne anvende ovennævnte kemi, fysik og matematik.

Formål
Kursets formål er at give de studerende, som ikke har haft et standard kursus i kvantekemi, en grundlæggende teoretisk forståelse for molekylers elektronstruktur, kemisk binding og reaktivitet samt UV/vis og PES spektroskopi baseret på den kvantemekaniske beskrivelse af atomer og molekyler.  Dette er vigtigt for undervisningskompetence i kemi på gymnasieuddannelserne, og for kemi-kandidatkurser i spektroskopi, modelling og (beregnings)kvantekemi.

Kurset bygger oven på den viden, der svarer til førsteårskurserne i kemi, fysik og matematik på SDU’s bacheloruddannelse i kemi, og giver et fagligt grundlag for at studere emnerne spektroskopi, molecular modelling og beregningskvantekemi, der er placeret senere i uddannelsen.

I forhold til uddannelsens kompetenceprofil har kurset eksplicit fokus på at:

• Give kompetence til at undervise i orbitalteori i gymnasiale uddannelser
• Give færdigheder i at forstå argumenterne i forskningsartikler som anvender molekylorbitalteori og DFT beregninger til at understøtte eksperimenter
• Give viden om og forståelse for hvordan molekylorbitalteori og mere avancerede kvantekemiske metoder kan forklare hvorfor molekyler i gasfase opfører sig som de gør.

Målbeskrivelse
For at opnå kursets formål er det læringsmålet for kurset, at den studerende demonstrerer evnen til at:

• 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.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af en harmonisk oscillator og forklare hvordan den kan benyttes til at fortolke vibrationsspektre
• opskrive både den elektroniske og den totale Hamiltonoperator for ethvert molekyle og forklare betydningen af de enkelte led.
• redegøre for og anvende Born-Oppenheimerapproksimationen, Pauliprincippet, Hunds regler, variationsprincippet, superpositionsprincippet.
• redegøre for den kvantemekaniske beskrivelse af impulsmoment (angulært moment) og dennes betydning med hensyn til at beskrive molekyler rotationsspektre og elektroners impulsmoment i atomer og lineære molekyler.
• redegøre for spin, fermioner og bosoner, kobling af spin med spin og kobling af spin med impulsmomenter (spin-orbit).
• redegøre for løsningerne til Schrödingerligningen for én-elektron atomer og være i stand til at koble atomorbitalers impulsmoment og spin korrekt til totale værdier for flerelektronsystemer, herunder opskrive termsymboler for atomer.
• anvende skærmingsbegrebet (shielding) til at forklare atomers egenskaber i molekyler: elektronegativitet, grundtilstanden af overgangsmetaller, mønstre i ioniseringsenergier og elektronaffiniteter, forskelle i bindingsegenskaber for forskellige oxidationstilstande.
• opskrive elektronkonfigurationer og termsymboler for molekyler
• forklare mønstre in bindingsstyrke, ligevægtsafstande, dissociationsenergi i molekyler ud fra molekylorbitalteori
• fortolke elektronisk spektre og fotoelektroniske spektre ud fra molekylorbitalteori
• anvende relevante dele af ovenstående til at udføre et kvantekemisk projekt, som ligger i forlængelse af lærebogens pensum, samt forklare, fortolke og perspektivere projektets resultater ved den mundtlige eksamen

Der 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.

Indhold
Kurset indeholder følgende faglige hovedområder:

• Schrödingerligningen og kvantemekaniske principper
• atomorbitaler, skærmning og atomorbitalenergier
• Born-Oppenheimer approksimationen
• molekylorbitaler og elektrontilstande
• variationsprincippet og introduktion til perturbationsteori
• introduktion til teoretisk beskrivelse af kemiske reaktioner
• teoretisk baggrund for UV/vis spektre og fotoelektronspektre
• projekt i en anvendelse af kvantekemi

Litteratur

• Atkins, de Paula & Friedman: Physical Chemistry: Quanta, Matter, and Change 2e OUP, ISBN 9780199609819.
  NOTE: this is NOT the same "Atkins Physical Chemistry" which is used in the physical chemistry course!

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

Forudsætningsprøver
Ingen

Eksamen- og censurform:

1. 30 minutters mundtlig eksamen. Eksamen består dels af forsvar af rapporten for den valgte projektopgave, dels af et spørgsmål i pensummet. Karakter efter 7-trinsskalaen og intern censur. (5 ECTS). (10005302).

Reeksamen i samme eksamenstermin eller i umiddelbar forlængelse heraf.Nærmere beskrivelse af eksamensreglerne vil blive offentliggjort under 'Course Information' på kursets side i Blackboard.

Vejledende timetal
På naturvidenskab er undervisningen tilrettelagt efter trefasemodellen dvs. intro, trænings- og studiefasen.
Introfase: 26 timer
Træningsfase: 24 timer, heraf:
 - Eksaminatorie: 18 timer
 - Laboratorieøvelser: 6 timer

Aktiviteter i studiefasen Studiefase: 80 timer

Aktiviteter i studiefasen:

• 30 timer læsning af lærebog og noter
• 12 timer forberedelse til opgaveregning
• 3 timer forberedelse til computerøvelser
• 15 timer projektarbejde
• 20 timer eksamensforberedelse

Undervisningsform
Undervisningsformen i de såkaldte intro timer vil bestå af en afveksling mellem at være undervisercentreret og studentercentreret, hvor de studerende løser uddybende og aktiverende opgaver i forbindelse med det underviseren netop har introduceret.

Sprog
Dette kursus undervises på engelsk, hvis der deltager internationale studerende, ellers undervises på dansk.

Kursustilmelding
Se tilmeldingsfrister.

Pris for åben uddannelse
Se priser for enkeltkurser.

Dette er den nyeste version af en kursusbeskrivelse, som trådte i kraft den 1. sep 2016.