Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

PV082 Počítačová chemie Mgr. Radka Svobodová Vařeková.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "PV082 Počítačová chemie Mgr. Radka Svobodová Vařeková."— Transkript prezentace:

1 PV082 Počítačová chemie Mgr. Radka Svobodová Vařeková

2 Počítačová chemie „...snaha modelovat všechny aspekty reálné chemie co možná nejpřesněji tak, že je dána přednost výpočtům před experimenty.“ R. Schleyer

3 chemický problém chemická teorie experiment výsledky vyhodnocení matematický model implementace modelu simulace nebo jiné využití chemického software výstupní data počítačová chemieklasická chemie

4 Jaká geometrická uspořádání (konformace) molekuly jsou stabilní v definovaném prostředí Vlastnosti Rontgenového záření Teorie o krystalové struktuře Vykrystalování látky v daném prostředí, aplikace RTG-analýzy na krystal Souřadnice difrakcí RTG-záření na krystalu a jejich intenzita Analýza RTG-dat a zjištění konformace molekuly Schrodingerova rovnice + aproximace Kvantová teorie Kvantová molekulová dynamika Aplikovat molekulovou dynamiku na studovanou molekulu Molekulově dynamická trajektorie počítačová chemieklasická chemie Analýza trajektorie a nalezení stabilních konformerů

5 Výhody počítačové chemie ve srovnání s experimentální chemií Vyhneme se práci s toxickými, výbušnými a radioaktivními látkami Můžeme pracovat i s nestabilními látkami Ušetříme náklady za chemikálie a za realizaci experimentu Ušetříme čas experimentálním chemikům :-)...

6 Molekula v počítačové chemii Základní objekt, se kterým chemie pracuje, je molekula. Popis molekuly v počítačové chemii: –Struktura molekuly: Definuje, které atomy tvoří molekulu a jakými vazbami jsou spojeny. –Geometrie molekuly: Popisuje polohu atomů v prostoru.

7 Molekula v počítačové chemii - příklad: methan Popis struktury: Molekula obsahuje 4 atomy H a 1 atom C. Všechny H jsou vázány jednoduchou vazbou na C. Strukturní vzorec: Popis geometrie: kartézské souřadnice atom osa x osa y osa z C H H H H Model molekuly:

8 Molekula v počítačové chemii - příklad 2: diethylamid kyseliny lysergové Strukturní vzorec:Model molekuly:

9 Cíle předmětu PV082 Pro vybrané* problémy počítačová chemie: –Nastínit chemický význam problému –Popsat problém z informatického hlediska a diskutovat jeho složitost –Ukázat a porovnat algoritmy, které problém řeší * Vybírány problémy z hlediska počítačové chemie významné a z hlediska informatiky zajímavé. Při výběru byla snaha obsáhnout většinu z nejfrekventovanějších problémů počítačové chemie. Ukázat chemii jako vědu, sloužící k pochopení hmotné podstaty světa.

10 Sylabus Úvod –Definice počítačové chemie –Informace o předmětu Sylabus předmětu Vstupní požadavky předmětu Požadavky ke zkoušce a k zápočtu Materiály ke studiu –Historie počítačové chemie

11 Sylabus II Molekula –Struktura molekuly molekulový graf, izomerie, izomorfismus, automorfismus, chemická vzdálenost, kanonické indexování, hledání cyklů –Geometrie molekuly definice, kartézské a interní souřadnice, porovnávání geometrií –Vhled do praxe vytváření molekul, vyhledávání molekul v databázích, vizualizace molekul

12 Sylabus III Molekulové modelování –Molekulová mechanika (MM) silové pole, potenciální energie, hyperplocha potenciální energie (PES), minimalizace, prohledávání –Kvantová mechanika (QM) semiempirické a ab initio metody –Klasická a kvantová molekulová dynamika (MD) –Vhled do praxe ukázka výpočtu potenciální energie molekuly a minimalizace molekuly (pomocí MM i QM), ukázka trajektorií z MD

13 Vstupní požadavky Informatika - pojmy z oblasti: –Návrhy algoritmů I Matematika - základní znalosti z oblastí: –Lineární algebra –Matematická analýza –Teorie grafů (tyto pojmy budou vždy nejdříve znovu definovány) Chemie: –výhodou jsou znalosti na středoškolské úrovni –všechny netriviální pojmy budou před použitím zadefinovány –v případě, že něčemu neporozumíte, se prosím ihned zeptejte

14 Požadavky ke zkoušce a hodnocení Požadavky: znalosti v rozsahu přednášek :-) Hodnocení: A: % B: % C: % D: % E: % F: % Poznámka: Součástí zkoušky nebudou znalosti z oblasti chemie. Za tyto znalosti však lze získat bonusové body :-).

15 Požadavky k zápočtu Požadavky: Vypracovat zápočtový projekt (zadání projektu získá student po domluvě s učitelem). Hodnocení: zprojekt splňuje požadavky, domluvené při zadávání njinak Poznámka: Předmět PV082 nelze ukončit kolokviem.

16 Materiály ke studiu Slidy: /pocitacova_chemie u Marečka Literatura: U každého tématu jsou na slidech uvedeny odkazy na knihy a www stránky.

17 Konzultační hodiny Kdy: Pondělí: 14: :00 Kde: Kancelář C503.

18 Domácí úkoly Budu zadávat na každé přednášce. Jejich řešení budu prezentovat na následující přednášce nebo je zveřejním na Internetu. Jsou dobrovolné & neodevzdávají se :-). Když si je vyřešíte, pochopíte problematiku lépe.

19 Historie počítačové chemie Vznik filosofických teorií Starověk století Tvorba teoretických modelů 17. století Moderní počítačová chemie dosud

20 Vznik filosofických teorií Antika: Svět se skládá z jediné pralátky. Co je pralátka: –Terasoniální teorie –Atomistická teorie

21 Vznik filosofických teorií II Terasoniální teorie ( Empedokles a Aristoteles ): Pralátka je spojitá a je tvořena kombinací čtyř základních elementů. Jednotlivým živlům přísluší vždy dvě základní vlastnosti, jak vyjadřuje schéma:

22 Vznik filosofických teorií III Atomistická teorie (Leukippos a Demokritos): Pralátka se skládá z velice malých dále nedělitelných částic, které byly nazvány atomy (z řeckého atomos - nedělitelný). Rozmanitost ve vlastnostech látek byla vysvětlována tím, že atomy těchto látek se od sebe liší tvarem a velikostí. Aristoteles měl větší autoritu - jeho teorie byla uznávána až do 17. století :-).

23 Tvorba teoretických modelů Aristotelova teorie konečně překonána :-) R. Boyle: "Pochybovačný chemik, čili rozpravy o pokusech, které se obvykle konají na důkaz čtyř elementů" Návrat k Demokritově atomistické teorii.

24 Tvorba teoretických modelů II 1808 J. Dalton rozšířil Demokritovu teorii: i) Nejmenší částice hmoty, které nelze dále dělit ani fyzikálně ani chemicky, jsou atomy. ii) Atomy téhož prvku jsou stejné co do kvality, velikosti a hmoty a liší se v těchto vlastnostech od atomů jiných prvků. iii) Při chemickém slučování dochází ke sdružování vždy jen celistvého počtu atomů, příslušejících prvkům, z nichž se skládá uvažovaná sloučenina.

25 Tvorba teoretických modelů III Postupně zpochybňována nedělitelnost atomu J.J. Thompson objevil elektron (při zkoumání katodového záření) J.J. Thompson navrhl první model atomu - tzv. „pudinkový model“. Atom je kladně nabitá koule, uvnitř níž jsou (jako hrozinky v pudinku :-) stejnoměrně rozmístěny záporné elektrony.

26 Tvorba teoretických modelů IV 1911 E. Rutherford objevil existenci atomového jádra (při odstřelování zlaté fólie částicemi a) E. Rutherford navrhl tzv. „planetární model atomu“: Záporně nabité elektrony obíhají podle zákonů klasické fyziky kolem kladně nabitého jádra (jako planety kolem slunce).

27 Tvorba teoretických modelů V 1913 N. Bohr zdokonalil Rutherfordův model - formuloval následující postuláty: 1. Elektron se může bez vyzařování energie pohybovat kolem jádra jen po určitých dráhách – orbitalech. 2. Elektron vyzařuje nebo přijímá energii pouze při přeskoku z jedné energetické hladiny (odpovídající určitému orbitalu) na druhou. = kvantování energie

28 Tvorba teoretických modelů VI Vzniká nutnost vytvořit široce platnou mechaniku, postihující oblast mikrosvěta i makrosvěta - tzv. kvantovou mechaniku a 1926 W. Heisenberg a E. Schrodinger publikovali fundamentální myšlenky kvantové teorie.

29 Tvorba teoretických modelů VI 1926 E. Schrodinger formuloval vlnovou funkci, která popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v elektronovém obalu atomu.* Vlnovou funkci lze získat řešením Schrodingerovy rovnice. *Oblast pravděpodobného výskytu elektronu = atomový orbital. 30-tá léta E. Schrodinger navrhl kvantově mechanický model atomu. Tento model využívá dualistický princip (elektron má vlastnosti částice i vlnění) a vlnovou funkci.

30 Tvorba teoretických modelů VII Pro složitější molekuly nelze Schrodingerovu rovnici analyticky vyřešit v reálném čase => nutnost vytvořit vhodnou aproximaci Born-Oppenheimerova aproximace: První aproximace využitelná při řešení Schrodingerovy rovnice. (Jádra jsou těžší než elektrony, proto se pohybují pomaleji a pohyb jader a elektronů lze počítat odděleně.)

31 Tvorba teoretických modelů VIII 1931 R.S.Mulliken a F.Hund formulovali Teorii molekulových orbitalů, popisující pravděpodobnost výskytu atomu v rámci molekuly C.C. Roothaan publikoval metodu MO- LCAO (molecular orbital - linear combination of atomic orbitals), která popisuje výpočet molekulových orbitalů pomocí atomových orbitalů.

32 Tvorba teoretických modelů IX V 50-tých letech se objevily první pokusy o vytvoření metod pro simulace fyzikálně- chemických procesů. Například: –1953 A. Metropolis a jeho spolupracovníci popsali aplikaci metody Monte Carlo. –1955 E. Scherr realizoval první ab initio výpočty pro systém N 2.

33 Moderní počítačová chemie Od 60-tých let se staly pro výzkumné laboratoře dostupné počítače a s nimi i programovací jazyky, vhodné pro vědecké výpočty (FORTRAN, C, atd.). Díky tomu vzniká v 60-tých letech moderní počítačová chemie, která je schopna teoretické modely nejen navrhovat, ale i implementovat.

34 Moderní počítačová chemie II Počet programů, zabývajících se počítačovou chemií, narůstá velmi rychle je na Universitě v Indianě vytvořena QCPE (Quantum Chemistry Program Exchange), první organizace, která sloužila k distribuci těchto programů.

35 Moderní počítačová chemie III Začínají se také objevovat první práce, zabývající se počítačovou chemií. Od 60-tých let až dosud vzrůstá význam počítačové chemie a také počet lidí, kteří se tímto vědním oborem zabývají.

36 Moderní počítačová chemie IV Počítačová chemie úzce spolupracuje s klasickou chemií a pomáhá jí v oblastech, kde je experimentální řešení nemožné nebo příliš časově či ekonomicky náročné. V rámci počítačové chemie vznikají další specializace (například molekulová mechanika, kvantová mechanika, molekulová dynamika,...). Tyto specializace mají svou vlastní historii (která bude popsána vždy na začátku výkladu o dané specializaci).

37 Literatura o historii počítačové chemie Leach A.R.: Molecular modelling. Longman (1996) Jensen F.: Computational chemistry. Wiley (1999) Streitwieser A.: History of computational chemistry: A personal view, Encyclopedia of Computational Chemistry. John Wiley & Sons (1998) Richon A.B.: A History of Computational Chemistry. Network science (2001):


Stáhnout ppt "PV082 Počítačová chemie Mgr. Radka Svobodová Vařeková."

Podobné prezentace


Reklamy Google