Chimie computațională

Chimia computațională este ramura chimiei teoretice care se ocupă cu dezvoltarea de modele matematice , bazate atât pe mecanica clasică, cât și pe cea cuantică , capabile să simuleze sisteme chimice, cu scopul de a calcula mărimile lor fizice caracteristice și de a prezice proprietățile lor chimice.

Puterea predictivă a simulărilor este strâns legată de caracteristicile mașinilor disponibile pentru calcul. Numărul de operații în virgulă mobilă pe secundă ( FLOPS ) și capacitatea memoriei sunt cei mai importanți parametri care determină posibilitatea de a rula simulări într-un timp rezonabil. Deși suportul teoretic pentru formularea modelelor era deja gata în primii ani ai secolului al XX-lea , marea dezvoltare a chimiei computaționale a început în ultimele decenii ale secolului al XX-lea, tocmai pentru că au început să fie disponibile sisteme hardware suficient de puternice.

Aplicații

Utilitățile simulărilor sunt multe:

Calculele sunt valoroase în interpretarea datelor experimentale. Ceea ce s-a întâmplat într-un experiment poate fi scos la iveală prin compararea măsurătorilor cu calculele.
Acestea sunt utile pentru dezvoltarea instrumentelor cele mai potrivite pentru studiul experimental al unui anumit sistem.
Acestea permit obținerea de informații despre sisteme dificil de studiat experimental din motive tehnice sau economice.
Acestea ne permit să prezicem, pe bază teoretică, existența posibilă a unor specii chimice necunoscute în natură sau totuși niciodată sintetizate.
De asemenea, fac posibilă compararea și verificarea modelelor teoretice într-un sens mai larg.

Cantitățile de calculat sunt numeroase. Iată doar câteva ca exemple:

Suprafața energiei potențiale
Mărimi termodinamice
Cantități cinetice
Spectrul RMN
Spectrul EPR
Spectrul IR
Spectrul de rotație
Afinitate electronică
Energie de ionizare
Spectrele XAS , atât EXAFS, cât și XANES

Metode

Metodele utilizate în chimia de calcul pot fi împărțite în două subgrupuri în funcție de modalitățile descriptive ale atomilor și moleculelor:

Metode clasice

Caracteristicile moleculare sunt descrise prin intermediul unei modelări a moleculei bazată pe electrostatice și mecanica clasică:

Metode mecanice cuantice

Caracteristicile moleculare sunt descrise în termeni mecanici cuantici. Metodele mecanice cuantice pot fi la rândul lor împărțite în două subcategorii: metodeab initio (care vă permit să studiați un obiect prin rezolvarea directă a ecuației Schrödinger pentru obiectul în cauză) și metode semiempirice (care utilizează, în rezolvarea ecuației lui Schrödinger, parametrii obținute experimental pentru a evita o povară excesivă a calculului).

Metode ab initio

Metoda Hartree-Fock (HF)
Metode post-HF
- Interacțiune de configurare (CI)
- Metoda MCSCF
- Teoria perturbației Møller-Plesset (MP n )
- Metoda clusterului cuplat (CC)
- Teoria funcțională a densității (DFT)
- Monte Carlo cuantic

Metode semi-empirice

Bibliografie

Christopher J. Cramer, Essential of Computational Chemistry: Theories and Models , Wiley, 2004, ISBN 0470091827
T. Clark A Handbook of Computational Chemistry , Wiley, New York (1985).
R. Dronskowski Chimie computațională a materialelor în stare solidă , Wiley-VCH (2005).
AK Hartmann, Ghid practic de simulare computerizată , World Scientific (2009)
F. Jensen Introducere în chimia computațională , John Wiley & Sons (1999).
KI Ramachandran, G Deepa și Krishnan Namboori. PK Computational Chemistry and Molecular Modeling Principles and applications Springer-Verlag GmbH ISBN 978-3-540-77302-3 .
D. Rogers Computational Chemistry Using the PC, 3rd Edition , John Wiley & Sons (2003).
P. v. R. Schleyer (redactor-șef). Enciclopedia Chimiei Computaționale . Wiley, 1998 . ISBN 0-471-96588-X .
D. Sherrill. Note despre mecanica cuantică și chimia computațională [1] .
J. Simons O introducere în chimia teoretică , Cambridge (2003) ISBN 978-0-521-53047-7 .
A. Szabo, NS Ostlund, Chimie cuantică modernă , McGraw-Hill (1982).
D. Young Computational Chemistry: A Practical Guide for Aplicing Techniques to Real World Problems , John Wiley & Sons (2001).
Introducerea lui D. Young în chimia computațională .
Errol G. Lewars, Chimie computațională: Introducere în teoria și aplicațiile mecanicii moleculare și cuantice , Springer (Heidelberg)