Post on 11-Jul-2015
Prof. Dr. José Walkimar M. Carneiro
Dr. Ednilsom Orestes
1º Semestre 2013
DISCIPLINA
Objetivos
• Entender/interpretar resultados estudo químico computacional.
• Produzir resultados estudando sistemas de acordo com capacidade de processamento. – Entender conceitos básicos.
Definição alguns termos Termos em Quimica Computacional → Aproximação
Definição alguns termos Termos em Quimica Computacional → Aproximação
Teoria
• Conjunto regras regem comportamento sistemas.
– Quantitativas (Ciência) → equações matemáticas; E=mc2.
– Permite testar → define limites; Mec. Clássica e sistemas macroscópicos.
– Refinamento → incluir mais sistemas (casos); Mec. Quântica.
• Teorias robustas → Leis; (Coulomb), 𝐸 =𝑞1𝑞2
𝑟12.
• Objetivo: Generalista (sendo ou não prática);
– Mec. Quântica → Eqs. Gerais e intratáveis (exceto sist. Ideais).
Modelo
• Propósito diferente da Teoria → Praticidade.
– Carrega aproximações; Mec. Quântica e VSEPR.
• Modelos possuem diferentes aproximações.
– Diferentes níveis de teoria → resultados com precisão variada.
Computação
• Ferramenta → complexidade matemática de teorias e modelos.
• Permite testar, definir limites de aplicação → utilidade.
• Compromisso entre tempo de cálculo e precisão.
• Desenvolvimento de Hardware e Software.
• Química Teórica: – Desenvolver teoria/modelos → aumentar performance e
aplicabilidade.
• Modelagem Molecular: – Foco um sistema químico relevante.
– Resultados precisos com aplicação adequada teorias/modelos.
• Química Computacional: – Desenvolver algoritmos/metodologias/rotinas.
– Gerar e visualizar resultados e dados.
Áreas
• Química Teórica: – Desenvolver teoria/modelos → aumentar performance e
aplicabilidade.
• Modelagem Molecular: – Foco em sistema químico relevante.
– Resultados precisos com aplicação adequada teorias/modelos.
• Química Computacional: – Desenvolver algoritmos/metodologias/rotinas → propriedades.
– Gerar e visualizar resultados e dados.
Áreas
Hardware
• Desktop comum: Processadores multi-core, memória RAM em Gb, HDD em Tb.
• Cluster e Supercomputadores: Conjunto de computadores com centenas/milhares cores.
– www.top500.org (Brasil: 68º Petrobras e 79º INPE)
– Lab. Quím. Comp.: ~25 comp. (quad e octo-core).
• Graphics Processing Unit.
Software • Cálculos:
– ADF, CP2k, Crystal, Dalton, Dirac, GAMESS, Gaussian, MOLCAS, MOLPRO, NWCHem, Octopus, Quantum ESPRESSO, SIESTA, Spartan, TURBOMOLE, VASP e etc.
• Visualização:
– Avogadro, ChemCraft, Gabedit, GaussView, Mercury, Molden, VMD e etc.
• Shareware:
– ADF, Crystal, Gaussian (GV), ESPRESSO, Spartan, Turbomole, VASP e etc.
• Freeware:
– CP2k, Dalton, Dirac, GAMESS, MOLCAS, MOLPRO, Octopus.
Projeto
• O que se deseja saber?
• Qual o nível de precisão desejado?
• Quanto tempo para obter resultados?
• Disponibilidade de hardware e software?
• Quais aproximações serão adotadas?
Projeto
• O que se deseja saber?
• Qual o nível de precisão desejado?
• Quanto tempo para obter resultados?
• Disponibilidade de hardware e software?
• Quais aproximações serão adotadas?
Modelos Computacionais • Ab initio
– Base na Eq. Schrödinger, 𝐻Ψ = 𝐸Ψ.
– Hartree-Fock (HF) • Mais simples de todos cálculos ab initio. • Não inclui efeitos de correlação eletrônica.
– Teoria de Perturbação de Møller-Plesset (MP). – Interação de Configurações (CI). – Coupled-Cluster (CC).
• DFT – Densidade eletrônica no lugar de Ψ.
• Semi Empírico – Inclui parâmetros experimentais → simplificar Eq. Schrödinger – Menos precisão e mais velocidade.
• Mecânica Molecular – Base Mec. Clássica (Eq. de Newton). – Ligações, ângulos, diedros e interações (VdW) são parametrizadas.
Funções de Base
• Hidrogenóides (polin. de Lagerre).
• Funções de Slater.
• Funções Gaussianas.
Ψ = 𝜓𝑖𝑖
𝜙𝑘 = 𝐺𝑛,𝑙,𝑚 𝑟, 𝜃, 𝜑 = 𝑅𝑛 𝑟 𝑌𝑙,𝑚 𝜃, 𝜑
e 𝜓𝑖 = 𝐶𝑖𝑘𝜙𝑘𝑘
Estrutura dos Inputs
• Keywords (flags) – Caracteriza aproximações da teoria (define modelo).
– Determina quais propriedades serão calculadas.
• Dados do sistema – Define a geometria e a conectividade dos componentes.
– Duas formas:
• Coordenadas Cartesianas.
• Matriz-Z.
• Características do Hardware.
• Armazenamento dos Outputs.
Sistemas tratáveis
Propriedades (outputs)
• Termoquímica.
– pK´s, ΔG, ΔH, EI, AE e etc.
• Fotoquímica.
– Absorção, fotodecomposição e etc.
• Espectroscopia e distribuição de carga.
– Vibracional, eletrônica, óptica, RMN.
• Efeito solvente.
– Solvatocromismo, shifts.
• Estados excitados.
• Reações (superfícies de potencial).
Estrutura de submissão
Construção (desenho) do sistema (input).
Submissão do cálculo.
Visualização e análise dos resultados (output).
xd
dxx
xdx
xd
xA
dx
xd
xA
dx
xd
xAx
2
222
2
2
2
2
2
2
2
2
4
4
42sin
22cos
2sin
VEm
h
VEmh
p
h
VEmp
Vm
pE
VmvVTE
2
2
Broglie, de de mas
2
2
2
1
22
2
2
2
2
2
onda partícula
Equação de Schrödinger P
xHxE
xVdx
xd
m
hxE
dx
xd
m
hVEx
h
VExm
dx
xd
VEm
h
xd
dxx
ˆ
8
8
8
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
22
Juntando os resultados anteriores...
Em 3D...
Vzyxm
hzyxE
zyxVzyxm
hzyxE
,,8
,,
,,8
,,
2
2
2
2
2
2
2
2
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2
02
sin
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1122222
2
2
VE
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rrrr
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,...2,1,0
:é solução 01 2
2
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,...,3,2,1,0
:solução 0sin
1sinsin
12
2
1,...,3,2,1,0
1 :que é solução 02
1122
22
2
nl
lnRErm
hllV
dr
dr
dr
d
r
Números Quânticos Número de estados quânticos
n l m na subcamada na camada
1 0 (s) 0 2 2
2 0 (s)
1 (p)
0
-1,0,+1
2
6 8
3
0 (s)
1 (p)
2 (d)
0
-1,0,+1
-2,-1,0,+1,+2
2
6
10
18
4
0 (s)
1 (p)
2 (d)
3 (f)
0
-1,0,+1
-2,-1,0,+1,+2
-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
2
6
10
14
32
n = 1, 2, 3, ...
l = 0, 1, 2, 3, ... , n-1.
m = 0, ± 1, ±2, ±3, … , ±l.
iaZr
aZr
aZr
iaZr
aZr
aZr
aZr
eea
Zr
a
Zr
a
Z
ea
Zr
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Zr
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Zr
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Zr
a
Z
ea
Z
sin681
1
cos681
2
21827381
1
sin8
1
cos24
1
224
1
1
0
0
0
0
0
0
0
3
00
23
0
131
3
00
23
0
310
3
2
0
22
0
23
0
300
2
0
23
0
121
2
0
23
0
210
2
0
23
0
200
23
0
100
yx pp 33 e
zp3
s3
yx pp 22 e
zp2
s2
s1
≡
≡
≡
≡
≡
≡
≡
Átomo de Hidrogênio
Hartree 5,02
1
:lFundamenta Est.
2
1
:Hidrogênio
1
2
E
nEn
2
2
00
2
00
2
22
2Hartree
Hartree 1a4
como
a42
n
ZE
e
n
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n
n