up

Компьютерное моделирование химических реакций: практический путь

30 June 2023 - 31 December 2024 г.
The course has already started
226 days
Before the end of the enrollment
  • Russian

    course language

  • 10 weeks

    course duration

  • от 4 до 6 часов в неделю

    needed to educate

  • 2 credit points

    for credit at your university

  • Cost 3 600 Р

    for studying

Уважаемые слушатели, некоторые материалы данного курса доступны для ознакомительного просмотра. Чтобы получить доступ ко всем материалам курса, необходимо оплатить доступ к материалам. 

Методы компьютерного моделирования — важный инструмент для исследования химических систем и реакций, разработки новых материалов и продуктов.

Приглашаем специалистов в различных областях химии, физики, биологии, материаловедения, медицины разобраться в основах и научиться использовать эти методы в работе.

About

Что вас ждет на курсе?

  • Много практики: в виде разборов на лекциях и в качестве домашней работы
  • Теория в минимальном объеме: чтобы подходить к практике осмысленно

За 10 модулей вы научитесь использовать методы квантовой химии и проводить расчеты свойств химических веществ и моделирование химических реакций, в том числе с использованием суперкомпьютеров.

Для начала:

  • познакомитесь с операционной системой Linux;
  • установите популярные квантово-химические программные пакеты ORCA и Molcas, в которых и предстоит проводить расчеты.

В первой части научитесь:

  • работать в программе ORCA;
  • использовать методы функционала плотности и основные методы ab initio квантовой химии для моделирования широкого круга молекулярных систем и процессов — от двухатомных молекул до химических реакций;
  • создавать простые скрипты с использованием Bash для обработки результатов расчетов.

Во второй части научитесь:

  • работать в программе Molcas;
  • использовать большее количество ab initio методов квантовой химии;
  • создавать более сложные программы (скрипты) для автоматизации и обработки результатов расчетов с использованием Bash и Python.

После прохождения курса вы также сможете без труда использовать другие квантово-химические программы, такие как Gaussian, NWChem и прочие.

Format

Форма обучения заочная (дистанционная). Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций,  изучение дополнительных материалов и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов, тестирование по пройденному материалу. Для получения сертификата необходимо выполнить все задания, тесты и написать финальный экзамен.

Requirements

Этот курс рассчитан на бакалавров, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений, а также всех тем, кому интересна обозначенная тема.
Потенциальным работникам курс позволит получить научно-обоснованную информацию, дающую конкурентное преимущество при собственном трудоустройстве.

Course program

Модуль 1а. Введение. Волновая функция водородоподобных атомов. Общие принципы описания многоэлектронных систем. Понятие орбитали.

Модуль 1б. Практика. Основы работы в операционной системе Linux. Установка и основные принципы использования квантово-химических программ Molcas и ORCA.

Модуль 2. Молекулярная система координат. Понятие молекулярной орбитали и метод МО-ЛКАО. Атомные базисные наборы.

Модуль 3а. Построение многоэлектронной волновой функции из одноэлектронных волновых функций (орбиталей). Основные подходы к решению уравнения Шредингера. Метод самосогласованного поля. Ограниченный и неограниченный методы Хартри — Фока.

Модуль 3б. Практика. Расчет электронной энергии молекулы водорода. Расчет электронной энергии триплетного состояния для молекул водорода и кислорода. Расчет энергии диссоциации молекулы водорода. Использование графических программ для визуализации результатов квантово-химических расчетов.

Модуль 4а. Пост-Хартри-Фоковские методы. Метод теории возмущений (MP2) и метод связанных кластеров (CCSD(T)).

Модуль 4б. Практика. Расчет энергии диссоциации молекулы фтороводорода пост-Хартри-Фоковскими ab initio методами (MP2, CCSD(T)).

*Модуль 5а. Методы наложения конфигураций (конфигурационного взаимодействия) — CIS, CISD, CISDT, CISDTQ. Метод полного конфигурационного взаимодействия: Full Configuration Interaction (FCI). Многоконфигурационный метод самосогласованного поля. Multiconfigurational Self Consistent Field (MCSCF). Методы CASSCF и CASPT2.

*Модуль 5б. Практика. Расчет энергии диссоциации молекулы фтороводорода пост-Хартри-Фоковскими ab initio методами (CISDT, CISDTQ, MCSCF, CASSCF, CASPT2).

Модуль 6а. Понятие электронной плотности. Основы методов функционала плотности (DFT). Электрон-электронное взаимодействие. Виды электронной корреляции.

Модуль 6б. Практика. Расчет энергии диссоциации двухатомных молекул с использованием различных функционалов плотности.

Модуль 7а. Приближение Борна — Оппенгеймера. Понятие поверхности потенциальной энергии.

Модуль 7б. Практика. Расчет поверхность потенциальной энергии для молекулы фтороводорода различными ab initio и DFT методами.

Модуль 8а. Виды стационарных точек на поверхности потенциальной энергии. Принципы расчета градиентов и матриц Гессе. Основные подходы к оптимизации геометрии молекул. 

Модуль 8б. Практика. Расчет градиентов и матриц Гессе и оптимизация различных молекулярных систем с использованием программ ORCA и Molcas.

Модуль 9.1а. Движение ядер вблизи точки равновесия. Колебательные спектры.

Модуль 9.1б. Практика. Расчет энергии перехода между колебательными уровнями для двухатомных и многоатомных молекул.

Модуль 9.2а. Макроскопические свойства ансамблей молекул. Энергия Гиббса, энтальпия, энтропия.

Модуль 9.2.б. Практика. Расчет энтальпии, энтропии и энергии Гиббса.

Модуль 9.3.а. Методы учета растворителя в квантово-химических расчетах.

Модуль 9.3.б. Расчет разницы энергий Гиббса и относительной стабильности различных изомеров в газовой фазе и растворителе.

Модуль 10а. Основные принципы моделирования химических реакций. Подходы к оптимизации переходных состояний. Путь реакции и реакционная координата.

Модуль 10б. Практика. Расчет сканов поверхности потенциальной энергии. Оптимизация переходных состояний. Расчет координаты для набора реакций в газовой фазе и растворителе.

*Модули, отмеченные звездочкой, — для углубленного изучения темы.

Formed competencies

ОПК-1. Способен анализировать и интерпретировать результаты химических экспериментов, наблюдений, измерений.
ОПК-4. Способен планировать работы химической направленности, обрабатывать и интерпретировать полученные результаты с использованием теоретических знаний и практических навыков решения математических и физических задач.
ПКА-2. Способен к самостоятельному обучению и изменению профиля научной и научно-производственной деятельности.

Education directions

Knowledge

После прохождения курса вы будете знать:

  • основные принципы описания многоэлектронных систем;
  • понятие атомных и молекулярных орбиталей и как из них строится волновая функция многоэлектронной системы (атома или молекулы);
  • основные идеи и принципы использования наиболее часто используемых ab initio методов, основанных на расчете волновой функции;
  • основные идеи и принципы использования методов, основанных на функционале плотности;
  • принципы выбора метода расчета при моделировании различных химических систем и реакций;
  • как описываются колебательные движения молекул;
  • как можно рассчитать термодинамические характеристики, такие как энтальпия, энтропия, энергия Гиббса;
  • как учитывать влияние растворителя при моделировании химических систем и реакций;
  • познакомитесь с понятием поверхности потенциальной энергии и будете знать как использовать это понятие для оптимизации геометрии молекулярных систем, поиска переходных состояний и путей реакций.

Skills

После прохождения курса вы научитесь:

  • проводить различные квантово-химические расчеты, включая моделирование механизмов химических реакций, с использованием общедоступных квантово-химических программ, в частности, программ ORCA и Molcas;
  • грамотно выбирать метод расчета для ваших задач;
  • использовать операционную систему Linux;
  • создавать скрипты для автоматизации расчетов и обработки результатов с использованием Bash и Python.

Abilities

После прохождения курса вы будете владеть:

  • основными квантово-химическими методами для расчетов различных свойств молекулярных систем и моделирования механизмов химических реакций;
  • навыками использования широкодоступных программ для квантово-химических расчетов, в первую очередь, программных пакетов ORCA и Molcas;
  • навыками работы в операционной системе Linux, включая использование bash и python для автоматизации выполнения рутинных задач.

Отзывы о курсе

Эварестов Роберт Александрович

Доктор физико-математических наук
Position: профессор, зав. каф. Квантовой химии Института Химии СПбГУ

Николаев Дмитрий Михайлович


Position: научный сотрудник Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого

Рязанцев Михаил Николаевич

Доктор химических наук
Position: доцент Института Химии СПбГУ

Certificate

It is possible to get a certificate for this course.

The cost of passing the procedures for assessing learning outcomes with personal identification - 3600 Р.

Programs, which includes this course

Similar courses