مقاله شیمی محاسباتی وکاربردکامپیوتردرشیمی

word قابل ویرایش
10 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

شیمی محاسباتی وکاربردکامپیوتردرشیمی

چکیده
شیمی محاسباتی شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسایل شیمی با کمک رایان ها دارد. در این رشته از رایانه ها برای پیش بینی ساختار مولکولی، خواص مولکولی و واکنش های شیمیایی استفاده می شود. در این رشته از نتایج شیمی محض که در قالب برنامه های موثر کامپیوتری درآمده اند، برای محاسبه ساختار و خواص مولکو ها و جامدات استفاده می شود.
درحالی که نتایج آن معمولا کامل کننده اطلاعات به دست آمده از آزمایش های شیمیایی هستند اما در برخی موارد می تواند منجر به پیش بینی پدیده های مشاهد نشده شیمیایی شود. بنابراین شیمی محاسباتی میتواند به شیمی آزمایشگاهی کمک کرده و در یافتن موضوعات جدید شیمیایی با شیمی تجربی رقابت نماید. سیمای شیمی محاسباتی شامل مدلسازی مولکولی ، روشهای محاسباتی وطراحی مولکول به کمک کامپیوتر و هم چنین داده های شیمیایی و طراحی سنتزهای آلی می باشدهمچنین از این رشته به گستردگی برای طراحی داروها،کاتالیستها و مواد نو استفاده می شود. مطالعات محاسباتی می تواند ب منظور یافتن نقطه شروع برای سنتزهای آزمایشگاهی باشد و یا به عنوان روشی کمکی جهت درک داده های تجربی مثل موقعیت و منشا نوارهای طیف سنجی عمل نماید. بررسیهای محاسباتی می تواند امکان وجود مولکو های ناشناخته را پیش بینی کرده و یا مکانیز واکنش هایی را که به آسانی امکان مطالعه آزمایشگاهی آن ها وجود ندارد ارائه دهد. شیمی محاسباتی شامل روشهای مختلف ریاضی در دو گروه تقسیم بندی می شود:
١- مکانیک مولکولی ٢- مکانیک کوانتمی
مکانیک مولکولی قوانین کلاسیک فیزیک را برای هسته ی مولکولها بدون ملاحظه صریح الکترونها بکار می بندد .
مکانیک کوانتمی با تکیه بر معادله ی شرودینگر به تشریح مولکول با در نظر گرفتن رفتار صریح ساختار الکترونی اش می پرداز.
عموماً روشهای مکانیک کوانتمی به دو زیر گروه تقسیم می گردد :الف آغازین ب نیمه تجربی که هر کدام شامل چندین زیر شاخه می باشد. برای هر کاربردی ، هر روش یک سری مزیت و یک سری معایب دارد . انتخاب روش به تعدادی فاکتور شامل طبیعت مولکول ، نوع اطلاعات خواسته شده ، قابلیت دسترسی پارامترهای اندازه گیری
شده تجربی مناسب و همچنین قابلیت دسترسی منابع کامپیوتری و زمان بستگی دارد . از جمله پیش بینی هایی که این
روش های محاسباتی برای مولکول ها و واکنش های شیمیایی مربوط ارائه می دهند، میتوان به :
واکنش پذیری مولکول ها، ممان های چندقطبی، انرژیهای برهم کنش ، اثرات استخلافی، توزیع بار در مولکول ها، انرژی یونش ، انرژی الکترونخواهی، گرمای تشکیل واکنش ، انرژی فعال سازی، انرژیها و ساختارهای مولکولی (پایداری ترموشیمیایی )، مسیرهای سینتیکی واکنش ها، ارائه مکانیسم واکنش ها، فرکانس های ارتعاشی (طیف های IR و Raman)، انتقالات الکترونی (طیف های UV)، اثرات جاب جایی مغناطیسی (طیف های NMR ) اشاره کرد
مقدمه
بسیاری از محاسبات در حوزه مولکولی نیازمند منابع کامپیوتری قدرتمند است و عملاٌ توسعه این محاسبات نیازمند توسعه دانش کامپیوتر است به همین ترتیب حوزه آنالیز اطلاعات نیز ریشه در این علوم دارد.
نرم افزارهای مبتنی بر محاسبات برداری و محاسبات موازی در ١۵ سال آینده اثری مهم در حوزه فناوری بر جا خواهند گذاشت . خوش های کامپیوتری درجهت توسعه محاسبات موازی روبه توسعه خواهند گذاشت و حوزه صنعت و تحقیقات را متحول خواهد کرد. دو حوزه وسیع در شیمی محاسباتی وجود دارد که به ساختار مولکول ها و واکنش پذیری آنها اختصاص دارد: مکانیک مولکولی و تئوری ساختار الکترونی .
هر دو حوزه محاسبات یکسانی نظیر محاسبات زیر را انجام می دهند:
محاسبه انرژی یک ساختار مولکولی ویژه (آرایش فضایی اتم ها، هسته ها و الکترون ها). ویژگیهای مربوط به انرژی نیز ممکن است توسط برخی روش ها محاسبه شوند.
بهینه سازی شکل مولکول ها، که ساختار مولکولی با کمترین مقدار انرژی را مشخص می کند. بهینه سازی شکل مولکو ها در درجه اول به شیب انرژی- مشتق اول انرژی نسبت به موقعیت اتم ها- بستگی دارد.
محاسبه فرکانس های ارتعاشی مولکول ها که از جنبش بین اتمی در مولکول ناشی می شود. این فرکانس ها به مشتق دوم انرژی نسبت به ساختار اتمی بستگی دارند. این محاسبات ممکن است دیگر ویژگی های مرتبط با مشتق دوم را نیز پیش گویی نماید. محاسبات فرکانس برای همه روش های شیمی محاسب ای امکان پذیر نیست .
١- مکانیک مولکولی
مکانیک مولکولی شبیه سازی شده ، برای پیش گویی ساختارها و ویژگی های مولکو ها از قوانین فیزیک کلاسیک استفاده می کند. این روش ها در بسیاری از برنامه های کامپیوتری نظیر ,Quanta HyperChem,Sybyl , MM3 و ALchemy قابل دسترس می باشند.
روش های مکانیک مولکولی مختلفی وجود دارد که هر یک از آنها بوسیله میدان نیروی ویژه ای مشخص می شوند. یک میدان نیرو شامل اجزای زیر میباشد:
یک دسته از معادلات تعیین می کنند که انرژی پتانسیل یک مولکول چگونه با موقعیت اتم های تشکیل دهنده ی آن تغیر می کند.
یک دسته از انواع اتم ها، ماهیت یک عنصر در یک محیط شیمیایی ویژه را تعیین می کنند. انواع اتم ها، ویژگیها و رفتار مختلفی را نسبت به یک عنصر، بسته به محیط آن نشان می دهند. به عنوان مثال ، یک اتم کربن در گروه کربونیل نسبت به کربنی که با سه هیدروژن پیوند داده است ، رفتار متفاوتی نشان می دهد. نوع اتم به هیبریداسیون ، بار و انواع ات هایی که به آن متصل شده اند بستگی دارد.
یک یا تعداد بیشتری پارامتر، که معادلات و انواع اتم ها را به داد های تجربی مربوط می سازند. پارامترهایی که ثابت های نیرو تعریف میشوند، مقادیری هستند که برای ارتباط ویژگی های اتمی به انرژی و داده های ساختاری نظیر طول پیوندها و اندازه زوایا، در معادلات مورد استفاده قرار می گیرند.
محاسبات مکانیک مولکولی، صریحاً در مورد الکترون های یک سیستم مولکولی بحث نمی کنن . در عوض محاسباتی را انجام میدهند که به برهمکنش های بین هسته ای مربوط میشود. ضمناً این محاسبات اثرات الکترونی میدان های نیرو را نیز شامل می شوند.
این تقریب ، موجب ارزان شدن محاسبات مکانیک مولکولی شده و امکان استفاده از آن را برای بسیاری از سیستم های بزرگ فراهم می سازد.
البته این روش ، دارای چندین محدودیت نیز میباشد که مهمترین آنها عبارتند از:
هر میدان نیرو فقط برای گروه محدودی از مولکول ها نتیجه خوبی را ارائه می کند و هیچ یک از آنها معمولاً نمی توانند برای همه مولکول ها مورد استفاده قرار گیرند.
نادیده گرفتن الکترون ها به این معنا است که روش های مکانیک مولکولی نمیتوانند مسائل شیمیایی مربوط به اثرات الکترونی را حل نمایند. به عنوان مثال ، این روش ها نمیتوانند مراحلی را که شامل شکستن یا تشکیل پیوند می باشند، را تشریح نمایند. همچنین ویژگی های مولکولی که به جزئیات الکترونی دقیق مربوط می شود، قابل حل کردن با این روش ها نمی باشند.
٢- روش های ساختار الکترونی
روش های ساختار الکترونی، قوانین مکانیک کوانتومی را بیشتر از قوانین فیزیک کلاسیک در محاسبات خود استفاده می کنند. قوانین مکانیک کوانتومی، انرژی و دیگر ویژگیهای یک مولکول را احتمالاً از طریق حل یک معادله شرودینگر بدست
می آورند:

حل دقیق معادله شرودینگر برای سیستم ها (به جز سیست های بسیار کوچک ) عملی نمیباشد. روش های ساختار الکترونی برای حل معادلات انواع مختلفی از تقریب های ریاضی را به کار می برند.
دو دسته مهم از روش های ساختار الکترونی عبارتند از:
روش های نیمه تجربی مانند AMI، ۳٫MINDO و PM3 در برنامه هایی شبیه , AMPAC,MOPAC HyperChem و Gaussian برای ساده سازی محاسبات از پارامترهای حاصل از داده های تجربی استفاده می کنند. این روش ها شکل تقریبی معادله شرودینگر را که به پارامترهای قابل دسترس برای نوع سیستم شیمیایی تحت بررسی بستگی دارد، حل می کنند.
روش های نیمه تجربی مختلف بوسیله تفاوت پارامترهای آنها به طور گسترده مشخص شده اند.
روش های محاسبات آغازین ( Ab initio)، بر خلاف روش های مکانیک مولکولی یا روش های نیمه تجربی در محاسبات خود از پارامترهای تجربی استفاه نمی کنند. در عوض محاسبات آنها متکی بر قوانین مکانیک کوانتایی می باشد. تعداد محدودی از ثابت های فیزیکی نظیر سرعت نور، جرم ، بار الکترون ها و هسته و ثابت پلانک با این روش قابل محاسبه می باشند. برنامه گوسین گستره کاملی از روش های ساختار الکترونی را عرضه می کند.
روش های محاسبات آغازین ، معادلات شرودینگر را با در نظر گرفتن یک دسته از تقریب های ریاضی مشکل حل می کند.
روش های نیمه تجربی و محاسبات آغازین در ارزش محاسبات و صحت نتایج با یکدیگر اختلاف دارند. محاسبات نیمه تجربی نسبتاً ارزان بوده و توصیف کیفی از سیستم های مولکولی ارائه می دهند و پیشگوییهای کمی نسبتاً درستی از انرژی و ساختار سیستم هایی که پارامترهای خوبی از آنها وجود دارد ارائه می کنند. برعکس ، محاسبات آغازین پیشگویی کمی بسیار خوبی را برای تعداد زیادی از سیستم ها ارائه میکنند. این روش فقط به گروه ویژه ای از سیستم ها محدود نمیشود. برنام های محاسبات آغازین جدید، به طور کامل به اندازه سیستم محدود می شوند. به هر حال این امر برای برنامه های محاسبات آغازین پیشرفته صحت ندارد. از بین انواع برنامه ها، ٩۴, ٩٨, … Gaussian می تواند انرژی و دیگر ویژگی های سیست هایی را که دارای اتم های سنگین میباشند را در چند دقیقه محاسبه کند. همچنین این برنامه می تواند ساختار مولکول هایی را که صدها اتم دارند را پیشگویی نماید. سیستم های بزرگتر میتوانند در سوپر کامپیوترهایی که CPU با قدرت بالاتردارند حل شوند.
علاوه بر این ، روش های محاسبات آغازین در گوسین قادر به حل هر نوع سیستم شامل فلز نیز می باشند. گوسین (Gaussian) علاوه بر انرژی و ساختار مولکول ها، میتواند ویژگیهای دیگری را نیز محاسبه کند. این برنامه میتواند مولکول های در حالت برانگیخته و محلول را نیز مورد بررسی قرار دهد.
٣- روش های عملی دانسیته :
اخیرًا دسته سومی از روش های ساختار الکترونی با نام روش های عملی دانسیته (DFT)، به طور وسیع مورد استفاده قرار گرفته است . این روش ها در بسیاری از موارد شبیه روش های محاسبات آغازین می باشند.
محاسبات DFT به همان محاسبات تئوری Fock–Hartree (ارزانترین روش محاسبات آغازین ) احتیاج دارند.
روش های DFT به دلیل در نظر گرفتن اثرات بستگی الکترونی مورد توجه قرار گرفته اند – این حقیقت که الکترو ها در یک سیستم مولکولی تحت تاثیر حرکات یکدیگر قرار می گیرند- محاسبات Hartree-Fock این اثر را فقط در یک مقدار میانگین در نظر می گیرند، این تقریب موجب می شود که نتایج Hartree-Fock از صحت کمتری برخوردار باشند.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 10 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد