Chemical structure course shows the basic principles of electronic structure of atoms, molecules, chemical bonds and it outlines the principles of experimental methods used for the investigation of the structure of molecules and materials. Course provides the theoretical background for number of follow-up specialized courses.
Last update: Nachtigall Petr, prof. RNDr., Ph.D. (29.10.2019)
Cílem kurzu je seznámit posluchače bakalářského studia se základy kvantové mechaniky a jejich použití v chemii, zejména pro popis elektronové struktury atomů a molekul, chemické vazby, chemické reaktivity a spekroskopických měření. Získané poznatky studenti využijí v řadě speciálních přednášek v dalším průběhu bakalářského studia i v navazujícím magisterském studiu. Předpokládá se, že student ovládá základní pojmy z matematiky, fyziky a chemie na úrovni druhého ročníku a že je schopen rozvíjet znalosti získané v předmětech Obecná chemie nebo Chemické principy.
V přednášce jsou probrány základní postuláty kvantové mechaniky a je naznačena jejich aplikace na kvantově chemické problémy. Studenti se seznámí s kvantově chemickým popisem různých typů vazeb, včetně slabých mezimolekulových interakcí. V poslední části kurzu se studenti seznámí s kvantově-mechanickou interpretací základních spektroskopických metod vhodných ke studiu struktury molekul a kondenzované fáze.
Last update: Nachtigall Petr, prof. RNDr., Ph.D. (03.02.2021)
Literature - Czech
J. Fišer a F. Zemánek: Struktura látek. Karolinum, 1994 (přepracovaná verze dostupná pro studenty on-line ve formě pdf dokumentu).
Další doplňující literatura k jednotlivým kapitolám bude uvedena v rámci přednášek.
Last update: Nachtigall Petr, prof. RNDr., Ph.D. (03.02.2021)
Requirements to the exam - Czech
Zkoušku z chemické struktury může skládat student, který má zápočet ze cvičení.
Rozsah znalostí potřebných ke zkoušce je dán sylabem. Vzhledem k těsné provázanosti jednotlivých přednášek v rámci předmětu je kladen zvýšený důraz na práci studentů již v průběhu semestru. Zkouška je písemná a sestává ze tří částí:
Závěrečný test - váha 65%
Test v polovině semestru - váha 20%
Krátké testy v průběhu semestru - váha 15%
Ke splnění zkoušky je třeba získat 51 a více % (51-65% … dobře, 66-80% … chvalitebně, 81-100% … výborně).
Last update: Nachtigall Petr, prof. RNDr., Ph.D. (03.02.2021)
Syllabus -
1. Atom.
Quantum chemical postulates, one-electron atoms and ions, model of independent electrons, SCF method, variational principle, spectroscopic symbols, spin-orbital coupling, atomic spectra.
2. Bonding in diatomics.
Born-Oppenheimer approximation, potential energy surface, valence bond method, molecular orbital theory, symmetry, classification of MO, photoelectronic spectra, spectral symbols.
3. Elctronic strcutre of many-atomic molecules and bonding in condense phase
Localized vs delocalized orbitals, MO LCAO method, hybrid orbitals, classification of MO and electronic states, Huckle MO theory, ligand field theory, Jahn-Teller effect, molecules with electronic deficit and excess, woodward-hofmann rules, weak inter-molecular interactions, types of chemical bonds, crystals and clusters.
4. Molecular structure and molecular spectra
Overview of methods for the study of molecular structre, adsorption and emission spectra, line width and life time of excited states, selection rules. Rotationa spectra, vibrational spectra, Raman spectra, electronic spectra. Franck-Condon principal, relation between strcutre and line position, deactivation, fluorescense and phosphorescense spectra.
Photoelectronic spectroscopy, stimulated emission, lasers, NMR spectra, chemical shift, relaxation path, ESR, mass spectrometry, ORD and CD.
Last update: Nachtigall Petr, prof. RNDr., Ph.D. (03.02.2021)
1. Stavba atomu
Postuláty kvantové mechaniky (souhrn). Jednoelektronové atomy a ionty. Model nezávislých elektronů. Nástin metody SCF. Atom helia. Variační princip.Vektorový model atomu a spektroskopická symbolika. Hundova pravidla, spinorbitální interakce. Pauliho princip. Atomová spektra.
2. Chemická vazba ve dvouatomových molekulách
Bornova-Oppenheimerova aproximace. Hyperplochy potenciální energie. Metoda valenční vazby. Metoda molekulových orbitalů (MO). Prvky a operace symetrie. Klasifikace MO a elektronová spektra dvouatomových molekul. MO a fotoelektronová spektra. Spektroskopická symbolika pro dvouatomové molekuly.
3. Elektronová struktura víceatomových molekul a vazby v pevných látkách
Lokalizované a delokalizované MO. Metoda MO LCAO. Hybridní orbitaly. Klasifikace MO a celkových elektronových stavů nelineárních molekul. Hückelova metoda MO.Teorie krystalového a ligandového pole. Jahnův-Tellerův jev. Molekuly s nadbytkem a deficitem elektronů. Princip zachování orbitalové energie při chemických reakcích. Slabé mezimolekulové interakce. Typy chemických vazeb v krystalech. Klastry.
4. Struktura molekul a molekulová spektra
Přehled metod studia molekulové struktury a jejich použití. Absorpční a emisní spektra. Populace stavů, šířka spektrálních čar a doba života excitovaných stavů. Výběrová pravidla pro spektrální přechody. Rotační spektra. Vibrace dvouatomových molekul. Vibračně rotační spektra. Vibrace víceatomových molekul. Infračervená spektra (IČ) a molekulová struktura. Lineární dichroismus a polarizace pásů v IČ spektrech. Ramanův jev a Ramanova spektra. Elektronická spektra. Franckův-Condonův princip. Závislost poloh pásů a barevnosti na chemické struktuře. Deaktivace elektronově excitovaných stavů. Fluorescenční spektra. Kapalná scintilace.
Fotoelektronová spektroskopie. Stimulovaná emise záření. Lasery. Spektra NMR. Chemický posun, spin-spin interakce, relaxační procesy. NMR spektra a struktura molekul. Spektra ESR. g-faktor, hyperjemná struktura. Hmotnostní spektrometrie. Difrakční metody. Spektra ORD a CD.
Last update: Nachtigall Petr, prof. RNDr., Ph.D. (03.02.2021)
