Ćwiczenie nr 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite

Podobne dokumenty
RJC. Wiązania Chemiczne & Slides 1 to 39

Ćwiczenie 3. Spektroskopia elektronowa. Etylen. Trypletowe przejścia elektronowe *

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

Dotyczy to zarówno istniejących już związków, jak i związków, których jeszcze dotąd nie otrzymano.

3. Cząsteczki i wiązania

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Ćwiczenie 5. Wyznaczanie widm IR i Ramana formaldehydu oraz obliczenia za pomocą pakietu Gaussian 03W

3. Cząsteczki i wiązania

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Chemia I Semestr I (1 )

Ćwiczenie 4: Modelowanie reakcji chemicznych. Stan przejściowy.

Etap wstępny badań nad lekiem - projektowanie cząstki aktywnej, ocena właściwości fizykochemicznych oraz biologicznych

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

Podstawy chemii obliczeniowej

Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

Moduły kształcenia. Efekty kształcenia dla programu kształcenia (kierunku) MK_06 Krystalochemia. MK_01 Chemia fizyczna i jądrowa

- parametry geometryczne badanego związku: współrzędne i typy atomów, ich masy, ładunki, prędkości początkowe itp. (w NAMD plik.

WYMAGANIA NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE Z CHEMII klasa I

Wykład 5: Cząsteczki dwuatomowe

Laboratorium Programowanie Obrabiarek CNC. Nr H04

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

Rachunek prawdopodobieństwa projekt Ilustracja metody Monte Carlo obliczania całek oznaczonych

Atomy wieloelektronowe

Ćwiczenie nr 2: ZaleŜność okresu drgań wahadła od amplitudy

Przewidywanie struktur białek

1. Budowa atomu. Układ okresowy pierwiastków chemicznych

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2015/16

Twórcza szkoła dla twórczego ucznia Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Chemia. Chemistry. Energetyka I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

1. Budowa atomu. Układ okresowy pierwiastków chemicznych

Orbitale typu σ i typu π

Interpretacja krzywych sondowania elektrooporowego; zagadnienie niejednoznaczności interpretacji (program IX1D Interpex) Etapy wykonania:

Wymagania programowe na poszczególne oceny chemia kl. I

Ćwiczenie 14. Maria Bełtowska-Brzezinska KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

1 i 2. Struktura elektronowa atomów, tworzenie wiązań chemicznych

1,2 1,2. WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI 1. Brak

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2016/2017. Semestr 1M

Wymagania edukacyjne z chemii Zakres rozszerzony

RJC # Defin i i n c i ja

Ligand to cząsteczka albo jon, który związany jest z jonem albo atomem centralnym.

Tematy i zakres treści z chemii - zakres rozszerzony, dla klas 2 LO2 i 3 TZA/archt. kraj.

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia drugiego stopnia profil ogólnoakademicki

KONKURS CHEMICZNY dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego 5 marca 2010 r. zawody III stopnia (wojewódzkie)

SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA 2015/16 nazwa przedmiotu SYLABUS A. Informacje ogólne

TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Wykład z Chemii Ogólnej

Temat Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra Ocena celująca. Uczeń:

Budowa atomu Poziom: rozszerzony Zadanie 1. (2 pkt.)

Wymagania programowe na poszczególne oceny z chemii w kl.1. I. Substancje i ich przemiany

WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI 1. Brak

Chemia ogólna i analityczna Inorganic and Analitical Chemistry

Podstawowe informacje o obsłudze pliku z uprawnieniami licencja.txt

WYKŁAD NR 3 OPIS DRGAŃ NORMALNYCH UJĘCIE KLASYCZNE I KWANTOWE.

PROGRAMU STAŻU. realizowanego w ramach Projektu pt.: CheS Chemik na Staż (Program Operacyjny Wiedza Edukacja Rozwój, Priorytet III, Działanie 3.

Modelowanie molekularne

Uchwała nr 1/2013/2014 Rady Wydziału Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu z dnia 20 lutego 2014 roku

1. Zagadnienie (blok, moduł programowy): Obliczenia w arkuszach kalkulacyjnych.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Karta modułu/przedmiotu

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

PODSTAWY ELEKTOTECHNIKI LABORATORIUM

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Wiązania chemiczne, budowa cząsteczek

Program studiów od roku akad. 2019/20 studia I stopnia, kierunek: Chemia medyczna. studia inżynierskie o profilu ogólnoakademickim

MINIMALNY ZAKRES PROGRAMU STAŻU

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

Kierunek i poziom studiów: Biotechnologia, pierwszy Sylabus modułu: Chemia ogólna (1BT_05)

Modelowanie molekularne

Studia I stopnia kierunek: chemia Załącznik nr 3

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW. Ćwiczenie N 2 RÓWNOWAGA WZGLĘDNA W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

-wszystkie substancje (pierwiastki lub zw chem) które biorą udział w reakcji chemicznej nazywamy reagentami

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział

R L. Badanie układu RLC COACH 07. Program: Coach 6 Projekt: CMA Coach Projects\ PTSN Coach 6\ Elektronika\RLC.cma Przykłady: RLC.cmr, RLC1.

Kierunek i poziom studiów: Chemia, drugi Sylabus modułu: Spektroskopia (0310-CH-S2-016)

5. Administracja kontami uŝytkowników

Scenariusz lekcji. Temat: Kwas o najprostszej budowie. Temat lekcji: Kwas o najprostszej budowie

Kondensator, pojemność elektryczna

Wojewódzki Konkurs Przedmiotowy z chemii dla uczniów gimnazjów województwa śląskiego w roku szkolnym 2010/2011

1 Postanowienia ogólne. 2 Uczestnicy

CHEMIA. Wymagania szczegółowe. Wymagania ogólne

Laboratorium z Grafiki InŜynierskiej CAD. Rozpoczęcie pracy z AutoCAD-em. Uruchomienie programu

bo od managera wymaga się perfekcji

13. TERMODYNAMIKA WYZNACZANIE ENTALPII REAKCJI ZOBOJĘTNIANIA MOCNEJ ZASADY MOCNYMI KWASAMI I ENTALPII PROCESU ROZPUSZCZANIA SOLI

Chemia obliczeniowa w laboratorium organicznym. Anna Kaczmarek-Kędziera Marta Ziegler-Borowska Dariusz Kędziera

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Cząsteczki. 1.Dlaczego atomy łącz. 2.Jak atomy łącz. 3.Co to jest wiązanie chemiczne? Jakie sąs. typy wiąza

Wymagania programowe na poszczególne oceny

Ćwiczenie 2 Przejawy wiązań wodorowych w spektroskopii IR i NMR

Technologia informacyjna

TERMOCHEMIA SPALANIA

Zapis równań reakcji chemicznych oraz ich uzgadnianie

Wiązania kowalencyjne

CHEMIA PLAN WYNIKOWY

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Chemia teoretyczna I Semestr V (1 )

Temat ćwiczenia. Pomiary płaskości i prostoliniowości powierzchni

Zakład Zarządzania Produkcją 2010 r. Materiały pomocnicze do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu CAD

Transkrypt:

Ćwiczenie nr 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite

Część teoretyczna Cel ćwiczenia 1) Zapoznanie studentów z modelowaniem molekularnym 2) Zapoznanie studentów z programem HyperChem Lite 2.0 3) Modelowanie struktury cząsteczek związków nieorganicznych i organicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite 2.0 4) Obliczanie ciepła reakcji spalania wybranych związków organicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite 2.0 Wprowadzenie Czym jest Modelowanie Molekularne? Modelowanie molekularne jest zbiorem technik obliczeniowowych, które słuŝą do modelowania i przewidywania własności cząsteczek lub układów ponadcząsteczkowych. Modelowanie molekularne polega na tworzeniu dla cząsteczek chemicznych modeli, za pomocą których opisuje się lub przewiduje ich rzeczywiste własności fizykochemiczne. Za patrona modelowania moŝna by uznać André Kekulé'go, który na podstawie znanych mu wlaściwości i wzoru sumarycznego benzenu określił (trafnie!) jego strukturę. Według legendy doszedł do tego budując w wyobraźni model z sześciu małp trzymających się rękoma i nogami na kształt pierścienia. Wprowadzenie komputerów oraz rozwój fizyki molekularnej pozwoliło na stworzenie modeli teoretycznych opisujących oddziaływania występujące miedzy atomami oraz cząsteczkami. UmoŜliwia to symulacje zachowania prawdziwej cząsteczki na podstawie znanych nam praw fizycznych. Naukowcy tworzą specjalne systemy (tzw. algorytmy pól siłowych) opisujące oddziaływania rozmaitych typów atomów występujących w naturze. Jest to nazywane mechaniką molekularną. Właściwości niewielkich cząsteczek moŝna równieŝ przewidywać przy uŝyciu wzorów mechaniki kwantowej. Konieczne tu obliczenia dają znacznie dokładniejsze wyniki, wymagają jednak ogromnych mocy obliczeniowych. Moc obliczeniowa decyduje o dokładności wykonywanych symulacji rozmaitych zjawisk na poziomie pojedynczych cząsteczek. W układach o duŝej złoŝoności stosuje się uproszczone załoŝenia i/lub wychodzi się z pewnych załoŝeń początkowych, wynikających z wcześniejszych danych eksperymentalnych. Ośrodki naukowe zaangaŝowane w modelowanie molekularne posiadają własne centra komputerowe lub korzystają z czasu, jaki jest im przydzielony na superkomputerach naleŝących do innych. Obliczenia chemiczne prostych układów lub obliczenia przy uŝyciu mniej dokładnych metod moŝna juŝ przeprowadzać na komputerze osobistym. WaŜnym czynnikiem, który wpłynął na szybki rozwój badań teoretycznych jest koszt oraz czas badań teoretycznych, które są niejednokrotnie o wiele mniejszy niŝ wstępne badania praktyczne a uzyskane wyniki coraz bardziej zbliŝają się do wyników eksperymentalnych. 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.

Modelowanie molekularne odgrywa obecnie bardzo istotną rolę we wszystkich dziedzinach chemii. Rozwój chemii teoretycznej i opracowywanie nowych metod obliczeniowych pozwala na bardzo dobre oszacowanie właściwości fizycznych i chemicznych, modelowanie reakcji oraz stanów przejściowych, symulowanie widm spektroskopowych (IR, NMR), czy teŝ na badanie bardziej skomplikowanych układów, na przykład białek. Modelowanie komputerowe często nie moŝe dać jednoznacznej odpowiedzi na zadawane pytania, ale w znaczny sposób pomaga zrozumieć oraz rozwiązać problemy. Wszechstronnie wykształcony chemik powinien umieć korzystać z najnowszych dobrodziejstw, jakim niewątpliwie jest wsparcie badań eksperymentalnych obliczeniami. Niektóre programy uŝywane w MM: Gaussian HyperChem Cerius2 InsightII Molsoft ICM PyMOL VMD GROMOS Sirius NOCH Sybyl MOE Agile Molecule SPARTAN Millsian HyperChem Lite HyperChem Lite jest zintegrowanym i elastycznym programem słuŝącym do modelowania molekularnego przeznaczonym dla celów edukacyjnych, naukowych oraz profesjonalnego budowania modeli cząsteczek. Program pozwala na wizualizację, analizowanie oraz symulowanie cząsteczek, a takŝe dostarcza informcję o strukturze modelowanych cząsteczek. W celu zaznajomienia się z moŝliwościami i charakterystyką programu HyperChem moŝna zapoznać się z informacjami ze strony: http://www.hyper.com. Na tej stronie znajdują się informację o programie HyperChem i jego moŝliwościach. Istnieje moŝliwość ściągnięcia czasowej wersji programu, która moŝe być pomocna przy opracowywaniu sprawozdania. Materiały źródłowe: http://www.man.poznan.pl/~bielecki/mm.htm http://www.molnet.eu/index.php http://www.hyper.com

Opis ćwiczeń Zajęcia (3 godziny) 1 godzina Sprawdzian z teorii (30 minut). Uruchomienie programu, informacje o konfiguracji i wprowadzenie do modelowania molekularnego z zastosowaniem Hyper Chem (ogólna charakterystyka). 2 godzina Omówienia wygląd okna menu rozwijalnego oraz paska narzędzi ze szczególnym uwzględnieniem menu BUILD. (pokaz) Budowanie prostych molekuł: (studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). Nagrywanie zbudowanych struktur na dysk. Omówienie układów współrzędnych, powiększania, obrotu i róŝnych rodzajów zobrazowania (rendering), pomiaru obiektów lub ich części (pomiar odległości, kątów i kątów torsyjnych), nazywania części molekuł (Menu EDIT, SELECT, DISPLAY) o likwidowanie nazw. Pomiar róŝnych parametrów prostych molekuł: H 2 O, CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10, C 6 H 6, NH 3, C 6 H 12, C 2 H 5 OH oraz zmiana sposobu prezentowania molekuł (studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). 3 godzina Wykonanie ćwiczeń: 1) Samodzielne budowanie cząsteczek związków organicznych i nieorganicznych. Optymalizacja struktur wybranych cząsteczek przy uŝyciu metody MM+ oraz wyznaczenie energii tych cząsteczek (Precedura Single Point). Porównanie długości wiązań, kątów i kątów torsyjnych oraz energii po optymalizacji struktury cząsteczek róŝnymi metodami MM+ (Steepest Descent, Fletcher-Reeves, Polak-Ribiere, Block Diagonal Newton- Raphson)(studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). 2) Obliczanie entalpii reakcji (wykorzystuje się energię cząsteczek obliczoną przy uŝyciu procedury Single Point) spalania wybranych związków chemicznych. Optymalizacja struktury cząsteczek przy uŝyciu róŝnych metod MM+ oraz porównanie wyników uzyskanych przy uŝyciu tych metod (studenci wykonują te ćwiczenia samodzielnie). Cząsteczki do wykonania zadań zostaną rozdane podczas ćwiczeń!!! Wymagania wiedza do sprawdzianu z teorii: 1. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. 2. Liczby kwantowe. Zakaz Pauliego i Reguła Hunda 3. Pojęcie orbitalu atomowego i cząsteczkowego na przykładzie atomu wodoru, wegla, litu i berylu. 4. Pojęcie orbitalu wiąŝącego i antywiąŝącego. 5. Hybrydyzacja orbitali. 6. Rząd wiązania i energia wiązania.

Wskazówki do ćwiczeń: Ćwiczenie I Etapy wykonania ćwiczenia: 1) Narysować strukturę uŝywając narzędzi z menu Build pamiętać proszę o uwzględnieniu atomów wodoru oraz wolnych par elektronowych 2) Obliczyć energię narysowanej cząstki, znaleźć długości wiązań oraz kąty pomiędzy atomami cząsteczek. 3) Zapisać cząsteczkę na dysku we wcześniej załoŝonym folderze Modelowanie 4) Przeprowadzić optymalizację narysowanych wcześniej struktur przy uŝyciu dostępnych metod MM+ (Steepest Descent, Fletcher-Reeves, Polak-Ribiere, Block Diagonal Newton- Raphson) a następnie po kaŝdej przeprowadzonej optymalizacji obliczyć energię cząsteczki przy uŝyciu procedury Single Point z menu Setup. W tabeli wyników proszę podać energię zoptymalizowanej cząsteczki, jej symetrię oraz znaleźć długości wiązań oraz kąty pomiędzy atomami cząsteczek, które były wcześniej odczytane dla struktury niezoptymalizowanej. 5) W sprawozdaniu naleŝy omówić wszystkie wykonane czynności. Opisać jak zmienia się energia cząsteczki, długości wiązań i kąty podczas procesu optymalizacji. Ocenić, która z metod daje najlepszy wynik najlepszy oznacza strukturę o jak najmniejszej energii. Ćwiczenie II Etapy wykonania ćwiczenia: 1) Wszystkie obliczenia wykonać jak w Ćwiczeniu I, jednakŝe naleŝy skupić się jedynie na obliczeniu energii zooptymalizowanej cząsteczki. 2) Po uzyskaniu energii zoptymalizowanych cząsteczek naleŝy obliczyć ciepło reakcji. 3) Ciepło reakcji spalania obliczamy z poniŝszego równania: H sp = H prod - H sub pamietając przy tym, Ŝe naleŝy dodać energie cząsteczek po stronie produktów oraz energie po stronie substratów przy uwzględnieniu współczynników reakcji. Przykładowe obliczenie ciepła reakcji zostanie zaprezentowane podczas ćwiczeń. 4) W sprawozdaniu naleŝy omówić wszystkie wykonane czynności. Opisać jak zmienia się energia cząsteczki podczas procesu optymalizacji. Ocenić, która z metod daje najlepszy

wynik przy optymalizacji najlepszy oznacza strukturę o jak najmniejszej energii. Porównać ciepło spalania uzyskane eksperymentalnie do ciepeł spalania uzyskanych podczas ćwiczenia. Na podstawie tego porównania naleŝy ocenić przydatność metody obliczeniowej dla obliczania ciepła spalania wybranego związku. Pomocny przelicznik: 1 kcal = 4,184 kj Wszelkie pytania dotyczące wykonania ćwiczenia proszę zadawać prowadzącemu podczas zajęć, ewentualnie podczas konsultacji. Nie przewiduje się moŝliwości poprawiania sprawozdań.

Imię i Nazwisko... Grupa... Data... SPRAWOZDANIE - ĆWICZENIE NR 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite CZĘŚĆ I Budowanie, optymalizacja i wizualizacja cząsteczek związków nieorganicznych i organicznych 1. Opis procedur

2. Wyniki Długości wiązań Kąty Energia Symetria Ilość cykli przy (narysować cząsteczkę i (narysować cząsteczkę i (kcal/mol) Cząsteczki optymalizacji opisać na niej wartości) opisać na niej wartości) CZYTELNIE!!! CZYTELNIE!!! Struktura niezoptymalizowana Struktura zoptymalizowana przy uŝyciu metody MM+ Steepest Descent Fletcher-Reeves

Długości wiązań Kąty Energia Symetria Ilość cykli przy (narysować cząsteczkę i (narysować cząsteczkę i (kcal/mol) Cząsteczki optymalizacji opisać na niej wartości) opisać na niej wartości) CZYTELNIE!!! CZYTELNIE!!! Struktura zoptymalizowana przy uŝyciu metody MM+ Polak-Ribiere Block Diagonal Newton- Raphson

3. Omówienie wyników 4. Wnioski

CZĘŚĆ II Obliczanie entalpii reakcji spalania wybranych związków chemicznych przy uŝyciu róŝnych metod MM+. 1. Opis procedur

2. Wyniki Schemat Reakcji:

Metoda MM+ Cząsteczka Energia (kcal/mol) Steepest Descent Związek Entalpia Reakcji (kcal/mol) O 2 CO 2 CO C H 2 O N 2 Fletcher-Reeves Związek O 2 CO 2 CO C H 2 O Polak-Ribiere N 2 Związek O 2 CO 2 CO C H 2 O N 2 Block Diagonal Newton-Raphson Związek O 2 CO 2 CO C H 2 O N 2

3. Omówienie wyników 4. Wnioski