|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Спецпрактикум(вычислительный спецпрактикум по квантовой химии)учебный курс
- Автор: Ермилов А.Ю.
- Год создания: 2001
- Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Описание: I. Название дисциплины/практики: Спецпрактикум (Вычислительный практикум по квантовой химии) II. Шифр дисциплины/практики III. Цели и задачи дисциплины/практики А.Цели дисциплины/практики Практическое овладевание навыками квантвохимических расчетов (на примере пакетов программ Gamess-US и PC-Gamesss/Firefly). Б.Задачи дисциплины/практики Компетентное использование существующих программ в соответствии с уровнем квантовой химии и строения молекул общих и специальных учебных курсов. Владение навыками молекулярных расчетов исследования основного и возбужденных электронных состояний; основными способами исследования поверхности потенциальной энергии IV. Место дисциплины/практики в структуре ООП А.Информация об образовательном стандарте и учебном плане: -МС (допустимы ИМ, ММ) -вычислительная квантовая химия - МС_Фундаментальная и прикладная химия - 020201.65 «Фундаментальная и прикладная химия» Б. Информация о месте дисциплины/практики в образовательном стандарте и учебном плане - вариативная часть, практики - В-ПД,профессиональный - Спецпрактикум - курс по выбору, спецкурс - 4-й и 5й курс - 8-й и 9-й семестры В.Перечень дисциплин, которые должны быть освоены для начала освоения данной дисциплины/прохождения данной практики; Классическая механика, Квантовая механика, Квантовая химия, Строение молекул, физические методы в химии, линейная алгебра, математический анализ, Г. 288часов 8,0 зач.единиц Д. Зачет(осенний семестр),зачет(весенний семестр) V. Формы проведения А.Для дисциплин(все-таки спецпрактикум - дисциплина) -лабраторная работа (204часа), самостоятельная работа (84часа) - оформление задач, контрольные работы Б.Для практик VI. Распределение трудоемкости по разделам и темам, а также формам проведения занятий с указанием флом текущего контроля и промежуточной аттестации 1. Метод Хартри-Фока-Рутана. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 2. Прямой метод Хартри-Фока. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 3. Молекулярные интегралы. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 4. Базисы АО, сетевая библиотека. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 5. Численная устойчивость метода ЛКАО. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 6. Диссоциационный предел метода Хартии-Фока. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 7. Начальное приближение МО. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 8. Теория возмущений Меллера-Плесета. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 9. Метод КВ. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 10. Активное пространство МО. Метод КВ в вариантах КФС и детерминантов. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 11. Размерная согласованность квантовохимических методов. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 12. Матрица плотности и натуральные орбитали 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 13. Многоконфигурационный метод ССП. Усреднение по состояниям. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 14. Динамическая корреляция. метод MRCI 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 15. Квазивырожденная теория возмущений. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 16. Эффективный остовный потенциал - ECP. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 17. Методы связанных кластеров. 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача 18. Многоуровневые экстраполяционные схемы для расчета термодинамических свойств. Процедура G3 (G3MP2). 8ч(лаб.) 3ч(самост.) Задача (514 весенний семестр) 19. Стандартный молекулярный расчет. Алгоритм Ньютона-Рафсона 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 20. Поиск равновесной геометрической конфигурации, оценка частот колебаний. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 21. Аналитический, получисленный и численный расчет матрицы Гессе 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 22. Поиск переходных состояний. Выбор начальной геометрической структуры. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 23. Направление поиска вдоль координаты реакции; индикаторы эффективности поиска. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 24. Оценка энергии активационного барьера. Варианты учета энергии нулевых колебаний. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 25. Моделирование химической реакции с радикальной перестройкой электронной структуры. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 26. Контроль активного пространства в методе CASSCF , 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 27. Построение пути реакции методом IRC. Алгоритмы и индикаторы завершения. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 28. Расчет IRC как подтверждение одностадийного механизма реакции. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 29. Метод колебательного ССП. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 30. Применение метода колебательного ССП для оценки ангармоничности колебаний. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 31. Спектры комбинационного рассеяния. 4ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача 32. Общая структура поверхности потенциальной энергии. Локальные минимумы, седловые точки, точки конического пересечения. 8ч(лаб.) 2ч(самост.) Задача. VII. Содержание дисциплины/практики по разделам и темам(этапам) – аудиторная и самостоятельная работа Раздел I. Моделирование электронной структуры молекул. Методы расчета основного и возбужденных состояний. (осенний семестр) Тема 1. Метод Хартри-Фока-Рутана и Хартри-Фоковский предел. Содержание темы: Метод Хартри-Фока-Рутана и Хартри-Фоковский предел Сходимость электронной энергии и свойств с расширением базисного набора. Расчет поляризуемости молекулы как отклик на внешнее электрическое поле. Вычислительная стоимость метода Хартри-Фока. Прямой метод Хартри-Фока. Задание для самостоятельной работы: Исследовать сходимость полной энергии, энергии и ВЗМО, квадрупольного момента молекулы водорода при расширении атомного базиса Тема 2. Молекулярные интегралы, эффективность прямого и дискового вариантов метода Фока Содержание темы: Молекулярные интегралы, размер массива двухэлектронных интегралов для протяженной системы. Эффективность прямого и дискового вариантов метода Фока. Декартовые и сферические гармоники, исключение контаминантов. Задание для самостоятельной работы: Рассчитать молекулу формальдегида традиционным и прямым методом Хартри-Фока. Сравнить эффективность подходов. Тема 3. Базисы АО, принципы формирования. Содержание темы: Базисы АО, принципы формирования, сетевая библиотека. Численная устойчивость метода ЛКАО. Матрица перекрывания, индикаторы частичной линейной зависимости базиса. Задание для самостоятельной работы: Рассчитать молекулы водорода и формальдегида выбирая стандартные базисы из сетевой библиотеки. Тема 4. Диссоциационный предел ограниченного метода Хартии-Фока Содержание темы: Диссоциационный предел ограниченного метода Хартии-Фока. Неограниченный метод Хартри-Фока и решения с нарушенной симметрии(broken symmetry solution). Точка ветвления регулярного и нарушенного по симметрии решения. Среднее значение <S2> как индикатор чистоты спинового состояния. Задание для самостоятельной работы: В различных базисах АО оценить положение точки ветвления ограниченного и неограниченного решений при описании диссоциации водорода. Тема 5. Начальное приближение МО. Содержание темы: Начальное приближение МО. Генерация нарушенного по симметрии приближения в неограниченном методе. Метод валентных схем (GVB), коррекция поведения потенциальных кривых на диссоциационном пределе. Задание для самостоятельной работы: Построить начальное приближение для расчета нарушенного по симметрии решения молекул водорода и воды при «растянутых» связях. Тема 6. Понятие об электронной корреляции. Содержание темы: Понятие об электронной корреляции. Теория возмущений Меллера-Плесета. Поведение корреляционной энергии в различных порядках для регулярного случая и при описании диссоциационного предела. Задание для самостоятельной работы: В 2-4м порядках теории возмущений рассчитать сечение ППЭ молекулы воды при симметричном растяжении OH связей. Тема 7. Метод конфигурационного взаимодействия (КВ). Содержание темы: Метод конфигурационного взаимодействия (КВ). Матрица гамильтониана и классификация вкладов по кратности возбуждений. Метод CIS для оценки энергий возбужденных состояний. Расчет CIS как критерий устойчивости решения основного состояния с замкнутой оболочкой. Задание для самостоятельной работы: Расчетом CIS показать неустойчивость решения с замкнутой оболочкой для молекулы воды при увеличении длин связей. Тема 8. Классификация набора МО: остовные, валентные, внешние. Активное пространство. Содержание темы: Вычислительная стоимость методов КВ и теории возмущений 2-4 порядков. Классификация набора МО: остовные, валентные, внешние. Активное пространство. Метод КВ в вариантах КФС (конфигурационных функций состояния) и детерминантов. Прямой вариант детерминантного КВ (ALDET). Задание для самостоятельной работы: Рассчитать энергию молекулы воды и оценить число КФС методоми КВn (n=1-8). Тема 9. Размерная согласованность методов. Содержание темы: Размерная согласованность квантовохимических методов. Размерная несогласованность методов частичного КВ, поправка Давидсона. Описание диссоциационного предела основного состояния методом частичного КВ. Матрица плотности и натуральные орбитали. Задание для самостоятельной работы: Подтвердить размерную несогласованность метода КВ2 расчетом энергии олигомеров водорода (H2)n(n=1-8). Тема 10. Начальное приближение МО для методов КВ и МКССП. Содержание темы: Генерация начального приближения для состояний разной симметрии (пространственной и спиновой). Задание для самостоятельной работы: Построить начльное приближение МО для синглетного и триплетного состояний молекулы формальдегида. Тема 11. Многоконфигурационный метод ССП Содержание темы: Многоконфигурационный метод ССП. Вариант CASSCF, инвариантность решения CASSCF по отношению к преобразованиям активных МО. CASSCF как средство оптимизации МО для последующего корреляционного расчета. Усреднение по состояниям. Задание для самостоятельной работы: методом CASSCF рассчитать энергии и построить начальные МО формальдегида для синглетных и триплетных состояний типа n* и *. Тема 12. Динамическая корреляция. Содержание темы: Динамическая корреляция. Расчет возбужденных состояний в методах MRCI и по квазивырожденной теории возмущений. Задание для самостоятельной работы: Методом MRDCI рассчитать энергии для синглетных и триплетных состояний формальдегида , отвечающим возбуждениям типа n* и * Тема 13. Эффективный остовный потенциал – ECP. Содержание темы: Эффективный остовный потенциал - ECP. Параметризация Stevens-Bausch-Krauss SBK(JC). Варианты параметризации: energy-adjusted и shape-consistent. Учет скалярных релятивистских эффектов в приближении псевдопотенциала. Задание для самостоятельной работы: Методом ECP в варианте SBK рассчитать молекулы дигалогенидов (F2-At2). Тема 14. Метод связанных кластеров. Содержание темы: Проблема размерной согласованности и метод связанных кластеров. Волновой оператор. Варианты CCSD, CCSD(T), их вычислительная стоимость. Многоуровневые экстраполяционные схемы для расчета термодинамических свойств. Процедура G3 (G3MP2). Задание для самостоятельной работы: Методом CCSD рассчитать энергии олигомеров водорода (H2)n(n=1-8). Раздел II. Решение ядерной задачи. Исследование потенциальной поверхности. весенний семестр) Тема 15. Стандартный молекулярный расчет. Содержание темы: Стандартный молекулярный расчет. Поиск равновесной геометрической конфигурации, оценка частот колебаний. Алгоритм Ньютона-Рафсона. Квазиньютоновские методы, аппроксимация BFGS. Матрица Гессе и колебательный анализ как критерий нахождения минимума. Аналитический, получисленный и численный расчет матрицы Гессе, их реализация и вычислительная стоимость. Задание для самостоятельной работы: Рассчитать оптимальные геометрии и частоты колебаний молекулы этилена методом MP2 и CCSD(T). Тема 16. Поиск переходных состояний. Содержание темы: Поиск переходных состояний. Выбор начальной геометрической структуры. Направление поиска вдоль координаты реакции; индикаторы эффективности поиска. Оценка энергии активационного барьера. Варианты учета энергии нулевых колебаний. Задание для самостоятельной работы: найти переходное состояние в молекуле бутадиена, отвечающего внутреннему вращению около простой связи. Тема 17. Моделирование химической реакции с радикальной перестройкой электронной структуры. Содержание темы: Моделирование химической реакции с радикальной перестройкой электронной структуры. Контроль активного пространства в методе CASSCF, оценка многоконфигурационного характера волновой функции в переходном состоянии. Задание для самостоятельной работы: Методом CASSCF(4,4) найти переходное состояние реакции циклизации бутадиена по конротаторному механизму. Тема 18. Построение пути реакции. Содержание темы: Построение пути реакции методом IRC. Прямая и обратная полуреакции. Алгоритмы поиска IRC и индикаторы завершения. Расчет IRC как подтверждение одностадийного механизма реакции. Задание для самостоятельной работы: Построить пути полуреакций для задачи о внутреннем вращении в бутадиене. Тема 18. Метод колебательного ССП. Содержание темы: Метод колебательного ССП. Применение метода для оценки ангармоничности колебаний. Диагональный ангармонизм и взаимодействие мод. Расчет обертонов и составных колебаний. Задание для самостоятельной работы: Методом колебательного ССП рассчитать три первых колебательных состояния молекулы димера аргона и оценить коэффициенты ангармоничности. Тема 19. Спектры комбинационного рассеяния. Содержание темы: Спектры комбинационного рассеяния. Степень деполяризации. Расчет интенсивностей колебательных спектров рассеяния. Правило альтернативного запрета. Задание для самостоятельной работы: Рассчитать интенсивности ИК- и КР-спектров молекулы этилена. Тема 19. Общая структура поверхности потенциальной энергии. Содержание темы: Общая структура поверхности потенциальной энергии. Локальные минимумы, седловые точки, точки конического пересечения. Понятия о методе гамильтониана реакционного пути. Задание для самостоятельной работы: Выполнить полное расчетное исследование реакции миграции протона в молекуле уксусной кислоты. VIII. Перечень компетенций, формируемых в результате освоения дисциплины. ИК,ПК,СПК IX. – X. Б.Примерный список заданий... Раздел I Исследовать сходимость полной энергии, энергии и ВЗМО, квадрупольного момента молекулы водорода при расширении атомного базиса Рассчитать молекулу формальдегида традиционным и прямым методом Хартри-Фока. Сравнить эффективность подходов. Рассчитать молекулы водорода и формальдегида выбирая стандартные базисы из сетевой библиотеки. В различных базисах АО оценить положение точки ветвления ограниченного и неограниченного решений при описании диссоциации водорода. Построить начальное приближение для расчета нарушенного по симметрии решения молекул водорода и воды при «растянутых» связях. В 2-4м порядках теории возмущений рассчитать сечение ППЭ молекулы воды при симметричном растяжении OH связей. Расчетом CIS показать неустойчивость решения с замкнутой оболочкой для молекулы воды при увеличении длин связей. Рассчитать энергию молекулы воды и оценить число КФС методоми КВn (n=1-8). Подтвердить размерную несогласованность метода КВ2 расчетом энергии олигомеров водорода (H2)n(n=1-8). Построить начльное приближение МО для синглетного и триплетного состояний молекулы формальдегида. методом CASSCF рассчитать энергии и построить начальные МО формальдегида для синглетных и триплетных состояний типа n* и *. Методом MRDCI рассчитать энергии для синглетных и триплетных состояний формальдегида , отвечающим возбуждениям типа n* и * Методом ECP в варианте SBK рассчитать молекулы дигалогенидов (F2-At2). Методом CCSD рассчитать энергии олигомеров водорода (H2)n(n=1-8). Раздел II. Рассчитать оптимальные геометрии и частоты колебаний молекулы этилена методом MP2 и CCSD(T). Найти переходное состояние в молекуле бутадиена, отвечающего внутреннему вращению около простой связи. Методом CASSCF(4,4) найти переходное состояние реакции циклизации бутадиена по конротаторному механизму. Построить пути полуреакций для задачи о внутреннем вращении в бутадиене. Методом колебательного ССП рассчитать три первых колебательных состояния молекулы димера аргона и оценить коэффициенты ангармоничности. Рассчитать интенсивности ИК- и КР-спектров молекулы этилена. Выполнить полное расчетное исследование реакции миграции протона в молекуле уксусной кислоты. XI. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины/практики А. Основная литература 1. Кларк Т., Компьютерная химия, М.: Мир, 1990. 2. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. Ростов-Дон: “Феникс” 1997. 3. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия. М.: “МГУ”, 1991. 4. Szabo A., Ostlund N.S. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, McGraw-Hill Publishing Comp.,1996 5. Фларри Р. Квантовая химия, М.: “Мир”. 1985 Б. Дополнительная литература 1. Пупышев В.И. Дополнительные главы квантовой механики молекул. Введение в теорию ССП. Части I-III. М.: “МГУ”,2008 2. Симкин Б.Я., Клецкий М.Е., Глуховцев М.Н. Задачи по теории строения молекул. Ростов-Дон: “Феникс” 1997. В. Программное обеспечение и Интернет ресурсы 1. Granovsky A.A., Firefly version 7.1.G http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html 2. Сетевая библиотечка базисов https://bse.pnl.gov/bse/portal. 3. База данных NIST http://webbook.nist.gov/chemistry/form-ser.html 4. Визуализатор ChemCraftLite http://www.chemcraftprog.com/ XII. Материально-техническое обеспечение дисциплины/практики А.Помещение вычислительного класса (выч.класс БХА) Б. Компьтерный класс(кластер 18компьютеров+сервер).
- Добавил в систему: Ермилов Александр Юрьевич
Преподавание курса
- 8 февраля 2018 - 31 мая 2018 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет, Кафедра физической химии
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 54 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 7 февраля 2017 - 5 мая 2017 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 56 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 8 февраля 2016 - 7 мая 2016 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 56 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 7 февраля 2014 - 8 мая 2014 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 112 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 2 сентября 2013 - 27 декабря 2013 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 128 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 7 февраля 2013 - 10 мая 2013 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 112 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 3 сентября 2012 - 28 декабря 2012 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 128 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 7 февраля 2012 - 5 мая 2012 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 112 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 1 сентября 2011 - 30 декабря 2011 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 128 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 7 февраля 2011 - 6 мая 2011 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 112 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 1 сентября 2010 - 30 декабря 2010 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 128 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 8 февраля 2010 - 7 мая 2010 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 112 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 1 сентября 2009 - 30 декабря 2009 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 128 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.
- 9 февраля 2009 - 8 мая 2009 Ермилов Александр Юрьевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
- обязательная, по выбору (спецкурс), практические занятия, 112 часов
- Автор: Ермилов А.Ю.