Politechnika GdańskaWydział ChemicznyKatedra Chemii Nieorganicznej Copyright © 2017 by KChN WCh PG – Andrzej Okuniewski | |

← Wróć

Chemia

Modelowanie w chemii
Semestr V (1°)

Osoba odpowiedzialna za przedmiot: dr inż. Andrzej Okuniewski.

Wykład

Program

  1. Zajęcia organizacyjne
  2. Historia chemii strukturalnej: Atomistyczna teoria budowy materii. Badania składu substancji chemicznych. Znaczenie modeli w naukach przyrodniczych. Pierwsze modele cząsteczek. Badania strukturalne, metody dyfrakcyjne (rentgenowskie, neutronowe, elektronowe).
  3. Strukturalne bazy danych: Cambridge Structural Database, Inorganic Crystal Structure Database, Protein Data Bank, Crystallography Open Database. Przeszukiwanie baz strukturalnych i korzystanie z zawartych w nich informacji. Popularne formaty plików z danymi strukturalnymi (cif, pdb, mol, xyz). Oprogramowanie Open Babel.
  4. Historia modelowania molekularnego: Przewidywanie kształtu cząsteczek. Równanie Schrödingera i jego rozwiązania dla wybranych modeli. Zastosowanie chemii teoretycznej w modelowaniu molekularnym. Problem układów wieloelektronowych i wielkocząsteczkowych. Znaczenie symetrii w modelowaniu.
  5. Metody kwantowe: Metody ab-initio, metoda Hartree-Focka. Metody półempiryczne, teoria funkcjonałów gęstości. Zasada wariacyjna. Hiperpowierzchnie energii potencjalnej. Ograniczenia i często spotykane problemy.
  6. Mechanika molekularna: Mechanika klasyczna i jej zastosowanie dla układów molekularnych. Wiązania chemiczne i oddziaływania międzycząsteczkowe. Pola siłowe i ich parametryzacja. Oscylator harmoniczny i anharmoniczny (potencjał Morse'a i Lennarda-Jonesa). Wady i zalety stosowania pól siłowych.
  7. Optymalizacja geometrii: Punkty stacjonarne funkcji wielu zmiennych (maksima, minima i punkty siodłowe). Operator nabla, gradient, hesjan. Metody numeryczne znajdowania minimów lokalnych funkcji wielu zmiennych. Metoda najszybszego spadku i gradientu sprzężonego. Kryteria zbieżności.
  8. Modelowanie reakcji chemicznych: Ścieżka reakcji na hiperpowierzchni energii potencjalnej. Stany przejściowe. Produkty pośrednie. Kinetyka reakcji. Reakcje równoległe.
  9. Podstawy dynamiki molekularnej: Symulowanie gazu doskonałego i rzeczywistego. Periodyczne warunki brzegowe. Czas symulacji. Właściwości termodynamiczne układów. Symulowanie molekuł w określonym środowisku, roztwory wodne. Ciała krystaliczne. Przewidywanie struktur krystalicznych.
  10. Termodynamika statystyczna: Relacja pomiędzy własnościami pojedynczych cząsteczek i właściwościami tworzonych przez nie substancji. Funkcje termodynamiczne. Temperatura i ciepło. Własności elektryczne i magnetyczne.
  11. Dynamika molekularna w układach biologicznych: Zwijanie białek. Dokowanie małych cząsteczek do centrów aktywnych. Badanie kwasów nukleinowych, błon lipidowych i białek błonowych. Projektowanie nowych związków aktywnych biologicznie. Biblioteki kombinatoryczne.
  12. Symulacje Monte Carlo: Podstawy metody Monte Carlo. Całkowanie metodą Monte Carlo. Algorytm Metropolisa. Zastosowanie metody Monte Carlo w modelowaniu chemicznym.
  13. Oprogramowanie i sprzęt do modelowania: Komercyjne i darmowe oprogramowanie do modelowania molekularnego. Programy do analizy wyników. Zależność czasu obliczeń od wybranej metody i złożoności modelu. Klastry obliczeniowe. Superkomputer Galera, sieć PLGrid. Możliwości wykorzystania przez studentów wybranych programów w prowadzonych badaniach.
  14. Grafika molekularna: Wizualizacje cząsteczek i struktur krystalicznych. Modele czaszowe, prętowe, kulkowe, wielościany koordynacyjne. Wizualizacja wiązań wodorowych, oddziaływań warstwowych i innych oddziaływań niekowalencyjnych. Dodatkowe elementy graficzne. Projekcja ortogonalna i perspektywiczna. Możliwości wykorzystania przez studentów wybranych programów przy redagowaniu prac dyplomowych.
  15. Zaliczenie

Zaliczenie wykładu

  • Zaliczenie w formie testu z całości materiału odbędzie się na ostatnim wykładzie.
  • Zaliczenie będzie składało się z 15 zadań testowych (15 pkt.) oraz 5 zadań otwartych (10 pkt.).
  • Osoby, które nie uzyskają zaliczenia w pierwszym terminie mogą przystąpić do poprawy w trakcie sesji.
  • Studenci, którzy będą posiadali więcej niż 20% nieusprawiedliwionych nieobecności będą nieklasyfikowani.

Skala ocen

Liczba punktów Ocena
23 — 25 5,0
21 — 22 4,5
19 — 20 4,0
17 — 18 3,5
15 — 16 3,0
≤ 14 2,0

Materiały

Literatura

  • A. R. Leach: Molecular Modelling: Principles and Applications. Pearson, 2001.
  • L. Piela: Idee chemii kwantowej. Wydawnictwo PWN, Warszawa 2006​.
  • P. W. Atkins: Molekularna mechanika kwantowa: wstęp do chemii kwantowej. Wydawnictwo PWN, Warszawa 1974​.
  • H. Buchowski: Elementy termodynamiki statystycznej. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.