WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

Sprawozdanie – Ćwiczenie

nr 2

Komputerowe modelowanie cząsteczek

związków chemicznych przy użyciu program

HyperChem Lite

Joanna Leszczyoska

S0X1S1

6/6/2011

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Zasada nieoznaczoności Heinsberga

Istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyd z dowolną dokładnością. O
wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że
częśd informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z
niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości.

Elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdowad się tylko tam, z
dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności.

Liczby kwantowe

Podanie odpowiedniego zestawu liczb kwantowych może w pełni scharakteryzowad stan atomu.

1. Główna liczba kwantowa (n) opisuje energię elektronu a w praktyce oznacza numer jego

orbity (powłoki elektronowej). Przyjmuje wartości liczb naturalnych od 1 do 7 i są takie same
jak okres danego pierwiastka. Od głównej liczby kwantowej zależy energia danego elektronu.
Decyduje również o rozmiarach orbitali (im większa wartośd n, tym większy jest orbital).

2. Poboczna liczba kwantowa (l) przyjmuje wartości liczb całkowitych od 0 do 6 włącznie (l=n-1).

Precyzuje dokładniej stan energetyczny danej powłoki. Określa zawartośd momentu pędu
elektronu w atomie. Jej wartośd decyduje o kształcie orbitalu.

3. Magnetyczna liczba kwantowa (m) przyjmuje wartości liczb całkowite od –l do +l włącznie.

Określa rzut tego momentu pędu na jakiś wyróżniony kierunek w przestrzeni. Decyduje o
wzajemnym ułożeniu orbitali w przestrzeni

4. Magnetyczna spinowa (ms) charakteryzuje rzut spinu czyli moment pędu elektronu

związanych z ich ruchem wewnętrzym na jakiś niewyróżniony kierunek w przestrzeni. Może
przyjmowad tylko dwie wartości +1/2 oraz -1/2

Zakaz Pauliego

W jakimkolwiek ukłądzie wieloelektronowym żadne dwa elektrony nie mogą byd w tym samym stanie
(nie mogą byd opisane tymi samymi liczbami kwantowymi ani nie mogą mied tak samo skierowanych
spinów) na podpowłoce.

Reguła Hunda

Energetycznie najkorzystniejsze jest takie umieszczenie elektronu by jak najwięcej elektronów miało
zgodnie skierowane spiny na podpowłokach.

Orbitale atomowe

Opisują wszystkie elektrony które w danym momencie nie uczestniczą w tworzeniu wiązao
chemicznych ale są przypisane do określonych jąder atomowych.

Orbitale molekularne (cząsteczkowe)

Orbitale te opisują elektrony w cząsteczc, któ®e w danym momencie mogą ale nie muszą tworzyd
wiązania chemiczne. Orbitale molekularne dzieą się z kolei na:

1. Orbitale wiążace – w których elektrony posiadają niższą energię niż gdyby przebywały na

swoich orbitalach atomowych i nie uczestniczyły w tworzeniu wiązania

2. Orbitale antywiążące – w których elektrony posiadają wyższą energię gdyby przebywały na

swoich orbitalach atomowych

3. Orbiale niewiążące – w których elektrony posiadają taką samą energię jak gdyby przebywały

na swoich orbitalach atomowych.

Hybrydyzacja orbitali

Hybrydyzacja orbitali atomowych, tworzenie się nowych, jednakowych orbitali atomowych w wyniku
zmieszania orbitali typu s, p i d atomu centralnego.

Orientacja przestrzenna orbitali zhybrydyzowanych (hybryd), różna od orientacji wyjściowych orbitali
atomowych, pozwala zminimalizowad elektryczne odpychanie elektronów i wynika z ukierunkowania
orbitali zhybrydyzowanych na otaczające atom centralny inne atomy i ligandy (hybrydyzacja orbitali
atomowych nie występuje w izolowanych atomach).

Liczba hybryd równa jest liczbie orbitali atomowych biorących udział w hybrydyzacji. Formalnie
hybrydy są kombinacją liniową tych orbitali.

Pojęcie hybrydyzacja orbitali atomowych przyczynia się do wyjaśnienia struktury związków
chemicznych, trwałości wiązao między pierwiastkami, które je tworzą oraz ich wartościowości.

Rząd wiązania

Teoria orbitali molekularnych posługuje się bardzo często pojęciej rzędu wiązania (RW). Rząd
wiązania określane są jako połowę różnicy pomiędzy liczbą elektronów których zachowanie opisują
wiążące orbitale molekularne a liczbą elektronów których zachowanie opisują antywiążące orbitale
molekularne

RW=1/2*(liczba elektronów na orbitalu molekularnym wiążącym)-(liczba elektronów na orbitalu
molekularnych antywiążącym)+

2. OPIS

PROCEDUR

Celem dwiczenia jest zapoznanie studentów z modelowaniem molekularnym poprzez użycie
programu HyperChem Lite 2.0.

Na początku studenci mają za zadanie modelowanie struktury cząsteczek związków nieorganicznych
przy użyciu tgo programu. Stymuluje to zachowania prawdziwej cząsteczki na podstawie znanych
praw fizycznych.

Należy narysowad strukturę danych związków, a następnie obliczyd energię narysowanej cząsteczki,
znaleźd długości wiązad oraz kąty pomiędzy atomami cząsteczek.

Optymalizacja narysowanych struktur jest dokonywana przy użyciu dostępnych metod MM+
(Steepest Descent, Fletcher-Reeves, Polak-Ribiere, Block Diagonal Nawton-Raphson). Po każdej
optymalizacji należy obliczyd energię cząsteczki. Lecz w przy dwiczeniu nie było wystarczająco cząsu
by przeprowadzid te wszystkie metody.

4. WNIOSKI

Modelowanie Molekularne

zbiór technik obliczeniowych, które służą do modelowania i przewidywania właściwości cząsteczek
lub układów ponadcząsteczkowych.

Modelowanie molekularne nierozłącznie jest związane z komputerami, których moc obliczeniowa
decyduje o dokładności wykonywanych symulacji rozmaitych zjawisk na poziomie pojedynczych
cząsteczek. W układach o dużej złożoności stosuje się uproszczone założenia i/lub wychodzi się z
pewnych założeo początkowych, wynikających z wcześniejszych danych eksperymentalnych. Ośrodki
naukowe zaangażowane w modelowanie molekularne posiadają własne centra komputerowe lub
korzystają z czasu, jaki jest im przydzielony na superkomputerach należących do innych.

Modelowanie molekularne znajduje m.in. zastosowanie w nanotechnologii, do projektowania leków,
poznawania struktur biologicznych, których sekwencja jest znana a budowa i funkcja jeszcze nie, w
badaniach materiałowych i w wielu innych miejscach.

Istnieją również projekty związane z modelowaniem molekularnym, które wykorzystują moce
spontanicznie tworzonych przez wolontariuszy sieci obliczeo rozproszonych, np. projekt
Rosetta@home, zajmujący się poszukiwaniem nowych leków przeciwnowotworowych*1+ czy
Folding@home, w podobnych celach symulujący zwijanie białek.*2+

Molekularne modelowanie jest rutynowo stosowane do poznawania struktury dynamiki i
termodynamiki rozmaitych związków chemicznych. W biologii molekularnej przy użyciu modelowania
molekularnego badano zwijanie białka, katalizę enzymów, stabilnośd białek, cząsteczkowe
rozróżnianie powierzchni białek i DNA. Intensywnie rozwijane są kierunki poszukiwao metod i
materiałów nanotechnologicznych.

Optymalizacja

Jest to metoda wyznaczania najlepszego (optymalnego) rozwiązania (poszukiwanie ekstremum
funkcji) z punktu widzenia określonego kryterium (wskaźnika) jakości (np. kosztu, drogi, wydajności).

Stosuje się optymalizacje jedno i wielokryterialne. Optymalizacja wielokryterialna występuje w wielu
różnych dziedzinach: w projektowania produktu i procesu produkcji, finansów, projektowaniu
samolotów, w przemyśle chemicznym, projektowanie samochodu, wszędzie tam gdzie optymalne
decyzje muszą byd podjęte w obecności kompromisów pomiędzy dwoma lub więcej sprzecznymi
celami. Przykładem wielokryterialnej optymalizacji jest maksymalizacja zysków i minimalizacji
kosztów produktu, maksymalizacja wydajności przy ograniczaniu zużycia paliwa pojazdu, czy też
obniżenie masy urządzenia przy jednoczesnej maksymalizacji wytrzymałości poszczególnych jego
komponentów.