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Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik

assoz. Prof. Milan Oncak, PhD assoz. Prof. Milan Oncak, PhD, +43 512 507 52696

744950

VU Spezielle Themen 5: Fortgeschrittene Konzepte der theoretischen chemischen Physik

VU 3

5

wöch.

jährlich

Englisch

In den Bachelorstudiengängen erwerben die Studierenden allgemeine Kenntnisse in Quantenmechanik, Atom- und Molekülphysik, Spektroskopie, Festkörperphysik und statistischer Mechanik. Der vorliegende Kurs wendet dieses Wissen auf ein breites Spektrum molekularer Systeme (von der Gasphase bis zum Festkörper) an, um den Studierenden die notwendigen Konzepte und Intuition zum Verständnis der Eigenschaften von Materie zu vermitteln. Wir werden die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen, ihre Eigenschaften aus der Gleichgewichtsperspektive (Thermodynamik) und zeitliche Veränderungen (Kinetik) untersuchen.

Alle Konzepte werden durch direkte Berechnungen mit praktischen Übungen veranschaulicht (Gaussian für quantenchemische Berechnungen, Gromacs für Molekulardynamik, Mathematica für ausgewählte Rechenverfahren, z. B. Monte-Carlo-Simulationen).

1. Grundbegriffe der theoretischen chemischen Physik: Born-Oppenheimer-Näherung und ihre Folgen (Isotopenaustausch, konische Überschneidungen), Molekülorbitale von der Gasphase zum Festkörper, chemische Reaktivität, die Potentialfläche und ihre Modifikation (Solvatation, Katalyse, Mechanochemie), Bewegung zwischen Potentialflächen (Anregung, Ionisation, Elektron-Attachment).

2. Chemische Bindung für die Materialwissenschaften: Übersicht über intra- und intermolekulare chemische Bindungen von Dispersionskräften zu kovalenten und Metallbindungen mit Anwendungen zum Verständnis von Reaktivität, chemischen Eigenschaften und Spektroskopie von Gasphasenclustern, Flüssigkeits- und Bulksystemen.

Themen: Bindungsanalyse, Atomladungen, Spindichte. Theorie der Reaktivität basierend auf Grenzorbitalen. Korrelation von molekularen Eigenschaften zu Materialeigenschaften. (zB: Warum geht Bor eine Bindung mit zwei Elektronen und drei Zentren ein? Warum siedet Wasser höher als Fluorwasserstoff, obwohl die HF…HF-Wechselwirkung stärker ist als H2O…H2O? Warum ist Diamant transparent, aber Graphit schwarz? Wie werden durch Symmetriebrechung neue spektrale Phänomene induziert? Warum ist die elektronische Struktur von Übergangsmetallen so kompliziert und damit vorteilhaft für die Katalyse und andere industrielle Anwendungen?)

3. Statistische Thermodynamik von Molekülen: Anwendung der Konzepte der statistischen Thermodynamik auf gasförmige und molekulare Massensysteme.

Themen: Der entscheidende Schritt von der klassischen zur statistischen Thermodynamik. Behandlung molekularer Freiheitsgrade, Zustandssumme für Moleküle, Einfluss der Entropie auf molekulare Eigenschaften (Gibbs-Energie), Verknüpfung von Molekül- und Informationsentropie (Maxwells Dämon), Energiegehalt in einem molekularen System bei gegebenen Bedingungen, chemisches Gleichgewicht und Kinetik.

4. Simulation größerer molekularer Systeme: Gewinnung von Einblicken in Eigenschaften größerer Systeme durch direkte Simulationen, effiziente Orientierung an der Potentialenergiefläche.

Themen: Molekulardynamik, Monte-Carlo-Methoden und genetische Algorithmen.

5. Präsentation studentischer Projekte: Mehrdimensionale Analyse eines ausgewählten molekularen Systems – Art der intra- und intermolekularen Bindung, Bewertung thermodynamischer Eigenschaften, Simulation eines molekularen Ensembles.

Vorlesungen

Übung

Direkte Arbeit mit Software für molekulare Simulationen (Gaussian, Gromacs, Mathematica)

theoretischer Teil (mündliche Prüfung) + praktischer Teil (ein kleines Projekt)

Pauling: The Nature of the Chemical Bond

Blundell and Blundell: Concepts in Thermal Physics

Atkins: Molecular Quantum Mechanics

Schrier: Introduction to Computational Physical Chemistry

Horia: Physical Chemistry, Statistical Mechanics

wird bekannt gegeben