Modelación molecular - Universidad Nacional de Colombia : Sede

Modelación molecular - Universidad Nacional de Colombia : Sede

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias
Departamento de Química
UN
Objetivo
Modelación Molecular asistida por ordenador
Preparada por Carlos Paucar
Presentar las formas de conformación espacial de las moléculas, estructuradas en
función de su distribución electrónica, conformando modelos que mediante la
interacción con respecto a un átomo central permiten definir constantes propias de
cada molécula tales como la longitud, la energía, la polaridad y la energía en los
enlaces de una molécula.
ASPECTOS TEÓRICOS
El reconocimiento del aporte de la química computacional a la modelación, comprensión
y comportamiento de las moléculas obtuvo su mérito con el otorgamiento del premio
Nobel de química ( Popel y otros en 1998) reforzando las teorías de enlace atómico y
los orbitales moleculares, presentando la distribución espacial de los átomos y su
grado de ordenamiento hecho que solo era evidenciable por los métodos
instrumentales clásicos. La ecuación de Schödinger que describe la función de onda de
un sistema físico donde en virtud de la interacción de las partículas del sistema se
puede deducir la energía del mismo; dicha energía no cambia continuamente sino que
se emite o se absorbe en cuantos o paquetes de energía fija según la teoría cuántica
que hoy en día apoya sus estudios en los estudios de las densidades funcionales.
La representación plana de las estructuras moleculares según los niveles de valencia y
las estructuras de Lewis es complementada por las geometrías resultantes por las
repulsiones de pares de electrones en los niveles de valencia, así mismo como aquellos
compuestos que superan los niveles del octeto. Es por ello y apoyado en las teorías de
los orbitales moleculares que se conocen algunas estructuras explicables por la
conformación de los orbitales híbridos a los cuales se les asigna una geometría como lo
muestra la siguiente tabla.
Hibridación
Numero de enlace
Geometría de los enlaces
sp
2
Lineal
2
sp
3
Trigonal planar
3
sp
4
Tetraedro
3
sp d
5
Bipiramide trigonal
3 2
sp d
6
Octahedro
MATERIALES Y REACTIVOS:
Modelos moleculares, Software de modelación molecular, Manual de operación del
Software y Ordenador.
HERRAMIENTAS BÁSICAS:
El programa de aplicación Hyperchem para su manejo presenta una barra de
herramientas cuyas funciones son:
Dibujar: átomos y enlaces
Seleccionar: átomos, moléculas, enlaces o ángulos.
Rotar. En el espacio la estructura.
Cambiar de posición
Intercambio de planos
Trasladar
Girar en un solo plano.
Aumentar o reducir
Limpiar la pantalla de trabajo
Abrir y salvar
En su menú de opciones presentan los comandos:
(File) Manejo de archivos: donde se abren , salvan , importan y se guardan registros
(Edit) edita y permite cortar, copiar, pegar, rotar, aumentar o alinear las moléculas
(Built) construir los elementos, adicionar hidrógenos y construye el mejor modelo.
(Select) selecciona átomos residuos o moléculas
(Display) muestra, oculta y modifica la visualización con palos, esferas y puntos.
(Setup) define el método de calculo a mecánica molecular, semiempirico ó ab-initio.
(compute) Calcula la energía puntual, optimiza geometrías , realiza dinámicas y
presenta los modos vibracionales en las moléculas.
PROCEDIMIENTO:
Nota: antes de cualquier operación computacional, predecir la posible estructura por
las formas de Lewis.
1. Como abrir el programa hyperchem :
Activar el icono de inicio de Windows, en la opción de programas seleccionar química y
en el pull de programas preinstaldos usar Hyperchem.
2. Como construir las moléculas :
Una vez en operación el programa hyperchem, en el menú de built aplicar clic en
default element y se escoger en la tabla periódica el átomo que deseamos utilizar por
ejemplo para hacer el metano, el carbono es el elemento a utilizar, luego con la
herramienta de dibujar
colocamos el carbono en la pantalla de trabajo del
programa dando clic en ella, luego si no requiere mas elementos se cierra la tabla
periódica y se activa nuevamente built y se adicionan los hidrógenos add hydrogens y
finalmente se construye el mejor modelo con model build. Si desea enlaces dobles o
triples entre átomos y si el nivel de valencia lo permite se trazan dichos enlaces
uniendo con el botón izquierdo del mouse los centros de los átomos tantas
oportunidades como desee.
3.Para modificar la apariencia de la molécula:
Utilizar Display y luego rendering para visualizara la molécula en palos, puntos o
esferas. Si se desea rotar la molécula se utiliza
izquierdo del mouse.
(rotar) dejando oprimido el botón
4. Para realizar mediciones de longitud y ángulo en la molécula verificar que este en el
menu de select y en atoms ; utilice la herramienta
seleccionar, y por ejemplo para
saber la longitud de enlace dar clic sobre el enlace que une dos átomos y verificar su
distancia en la barra de dialogo ubicada en el nivel inferior izquierdo de la pantalla.
Para conocer el ángulo se utiliza un procedimiento que una con el puntero del mouse los
núcleos de tres átomos consecutivos dejando el botón izquierdo oprimido, y se lee el
valor del ángulo en la barra de dialogo.
5. Visualización de la polaridad:
Construya la molécula de interés y en el menú de setup colocar semiempirical y luego
en compute realizar un single point para la energia puntual , luego en el menú de
display colocar show dipole moment y observar en la pantalla la orientación del vector
de polaridad y en la barra de dialogo el valor de la magnitud de dicho dipolo medida en
debyes.
6. Calculo de propiedades termodinámicas:
En cualquiera de las moléculas estudiadas realizadas mediante el comando de compute
una dinámica molecular y observar el valor de la energía del sistema.
7. Como ver la interacción entre moléculas:
Construya dos moléculas (preferiblemente de distinta polaridad) con el mejor modelo
en el menú de built y luego en el menú de compute y luego realizar una dinámica
molecular ; observar el comportamiento y orientación de los dipolos en las moléculas.
8. Orbitales moleculares: En algunas de las moléculas obtenidas ( preferiblemente las
de menor tamaño) efectuar una simulación de las vibraciones mediante la herramienta
( Compute -Molecular dinamic-) y luego vibrations y luego observar las densidades
electrónicas con la herramienta (Plot Molecular properties).
EJERCICIOS A REALIZAR
1.
Con la selección de los átomos de la tabla periódica y las herramientas de
dibujar, construya y observe la geometría en las moléculas propuestas en la siguiente
tabla y determine las constantes necesarias para llenar la tabla y consulte la
geometría y el tipo de enlaces en otras fuentes:
2.
Compuesto
Estructura
Tipo
Long Enlace Angulo
Energia
CH4
C2 H 6
C2 H 4
C2 H 2
H2O
NH 3
TRPENV
BeCl2
AX2
SnCl2
AX2
BF3
AX3
SiO4
AX4
H20
AX4
PCl5
AX5
SF4 /TeCl4
AX6
ClF3 /Icl3
AX3
SF6
AX6
NaCl
CCF
RESULTADOS
1
Compare las longitudes, energía, geometría y ángulos de enlace para los
compuestos realizados con los datos teóricos.
2
Diferencie cuales compuestos poseen enlace doble y triple.
3
En cuales de las moléculas construidas no se cumple el octeto.
Bibliografía :
Brown, Leonard , Química la ciencia central, Prentice may, 1999.
Raymond Chang, Quimica (McGraw-Hill, New York), 1998.