1. WSTĘP TEORETYCZNY

Zasada nieoznaczoności Heinsberga

Istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. O wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część 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 znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności.

Liczby kwantowe

Podanie odpowiedniego zestawu liczb kwantowych może w pełni scharakteryzować 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 wartość 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 zawartość momentu pędu elektronu w atomie. Jej wartość 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 przyjmować tylko dwie wartości +1/2 oraz -1/2

Zakaz Pauliego

W jakimkolwiek ukłądzie wieloelektronowym żadne dwa elektrony nie mogą być w tym samym stanie (nie mogą być opisane tymi samymi liczbami kwantowymi ani nie mogą mieć 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 wiązań 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 tworzyć 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 zminimalizować 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 wiązań 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)]

1. OPIS PROCEDUR

Celem ćwiczenia 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 narysować strukturę danych związków, a następnie obliczyć energię narysowanej cząsteczki, znaleźć długości wiązać 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 obliczyć energię cząsteczki. Lecz w przy ćwiczeniu nie było wystarczająco cząsu by przeprowadzić te wszystkie metody.

1. 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 założeń 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.

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, stabilność białek, cząsteczkowe rozróżnianie powierzchni białek i DNA. Intensywnie rozwijane są kierunki poszukiwań 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 być 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.