1a aula mod_mol_alunos

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Prof. Dr. José Walkimar M. Carneiro Dr. Ednilsom Orestes 1º Semestre 2013 DISCIPLINA

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Page 1: 1a aula mod_mol_alunos

Prof. Dr. José Walkimar M. Carneiro

Dr. Ednilsom Orestes

1º Semestre 2013

DISCIPLINA

Page 2: 1a aula mod_mol_alunos

Objetivos

• Entender/interpretar resultados estudo químico computacional.

• Produzir resultados estudando sistemas de acordo com capacidade de processamento. – Entender conceitos básicos.

Page 3: 1a aula mod_mol_alunos

Definição alguns termos Termos em Quimica Computacional → Aproximação

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Definição alguns termos Termos em Quimica Computacional → Aproximação

Page 5: 1a aula mod_mol_alunos

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).

Page 6: 1a aula mod_mol_alunos

Modelo

• Propósito diferente da Teoria → Praticidade.

– Carrega aproximações; Mec. Quântica e VSEPR.

• Modelos possuem diferentes aproximações.

– Diferentes níveis de teoria → resultados com precisão variada.

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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.

Page 8: 1a aula mod_mol_alunos

• 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

Page 9: 1a aula mod_mol_alunos

• 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

Page 10: 1a aula mod_mol_alunos

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.

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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.

Page 12: 1a aula mod_mol_alunos

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?

Page 13: 1a aula mod_mol_alunos

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?

Page 14: 1a aula mod_mol_alunos

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.

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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

Page 16: 1a aula mod_mol_alunos

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.

Page 17: 1a aula mod_mol_alunos

Sistemas tratáveis

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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).

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Estrutura de submissão

Construção (desenho) do sistema (input).

Submissão do cálculo.

Visualização e análise dos resultados (output).

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xd

dxx

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2

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2

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2

2

2

1

22

2

2

2

2

2

onda partícula

Equação de Schrödinger P

Page 21: 1a aula mod_mol_alunos

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22

Juntando os resultados anteriores...

Em 3D...

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2

2

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Page 22: 1a aula mod_mol_alunos

02

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Page 23: 1a aula mod_mol_alunos

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dr

dr

dr

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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

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1 (p)

2 (d)

0

-1,0,+1

-2,-1,0,+1,+2

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18

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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.

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iaZr

aZr

aZr

iaZr

aZr

aZr

aZr

eea

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0

0

0

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3

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23

0

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0

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0

23

0

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2

0

23

0

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2

0

23

0

200

23

0

100

yx pp 33 e

zp3

s3

yx pp 22 e

zp2

s2

s1

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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

eZE

n

n

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