strumenti informatici

Metodologie informatiche per la
chimica
Dr. Sergio Brutti
Introduzione
Obiettivo del corso
Affrontare e approfondire l’uso di strumenti informatici per
la comprensione, analisi e rappresentazione di specie
chimiche e fenomeni chimico-fisici
Strumenti informatici
Specie chimiche
Fenomeni chimico-fisici
Strumenti informatici
Programmi di uso specifico (proprietari o privi di licenza) utili per specifiche
applicazioni.
Rappresentazione delle molecole Symyx Draw, Jmol, Avogadro
Analisi e rappresentazione dei dati: Excel, Origin, Kaleidagraph
Visualizzazione e analisi delle immagini: ImageJ
Rappresentazione di strutture cristalline: Powdercell, Crystal maker, Carine
Interfaccia computer-strumento e analisi di proprietà e fenomeni specifici
(spettroscopie, diffrazioni, fenomeni magnetici, meccanici, etc.)
Previsione di proprietà di specie chimiche da modelli chimico-fisici (VASP,
Gaussian, Amber, GAMESS, CrystalXX, QuantumEspresso….)
Specie chimiche
Atomi, molecole, ioni, solidi cristallini o amorfi
Atomi costituente minimo di ogni sostanza elementare che ne conserva
inalterate le proprietà chimico-fisiche. E’ a sua volta formato di protoni, neutroni
ed elettroni.
Molecole insieme di almeno due atomi legati assieme da un legame chimico
covalente.
Ioni atomi o molecole
anioni=negativa)
con
carica
netta
non
nulla
(cationi=positiva,
Solidi cristallini oggetto solido avente una data composizione chimica costituito
da atomi, molecole o ioni aventi una disposizione geometricamente regolare, che
si ripete indefinitamente nelle tre dimensioni spaziali, detta reticolo cristallino.
Solidi amorfi oggetto solido avente una data composizione chimica in cui non
c'è ordine a lungo raggio nelle posizioni degli atomi o delle molecole che lo
costituiscono.
Fenomeni chimici
Reazioni chimiche, processi chimico-fisici.
Reazione chimica processo di trasformazione della material in cui alcune specie
chimiche (reagenti) interagiscono scambiando atomi, molecole, ioni o elettroni per
produrre nuove specie chimiche (prodotti) aventi composizione chimica
generalmente differente rispetto ai reagenti.
Esempi:
H2O(g) = ½ O2(g) + H2 (g)
MnO4-(aq)+7 e- + 8H+(aq) = Mn2+(aq) +4H2O(aq)
C(s) + O2(g) = CO2(g)
CH3CH=CHCH3(cis) = CH3CH=CHCH3(trans)
Processi chimico-fisici vasto insieme di processi che riguardano alterazioni
della struttura della materia (molecole, ioni, solidi cristallini amorfi) e
trasformazioni delle sue proprietà chimico fisiche (struttura elettronica, proprietà
vibrazionali e rotazionali, struttura cristallina)
Esempi:
H2O(l) = H2O(g) transizione di fase del primo ordine
H2(g, v=0) = H2(g, v=1) transizione tra stati vibrazionali
Rappresentazione di specie chimiche
Specie chimiche
??
Strumenti informatici
acetone
Mano libera
Molecular drawing tool
Modello chimico-fisico
3D
2D
Disposizione nello
spazio degli atomi
Interpretazione di fenomeni complessi
Specie chimiche
??
Strumenti informatici
Fenomeni chimico-fisici
Manca una tessera del puzzle!!!
Gli strumenti informatici non
sono in grado di fornire
un’interpretazione di una data
fenomenologia
Strumenti informatici e realtà sperimentali
Fenomenologia sperimentale
Interpretazione
Strumenti informatici
Specie chimiche
Fenomeni chimico-fisici
Modello chimico-fisico
Gli strumenti informatici consentono di
elaborare i dati sperimentali alla luce di un dato
modello chimico-fisico
Obiettivo dell’uso degli strumenti
informatici: supportare un modello chimicofisico mediante una elaborazione coerente dei
dati sperimentali e la valutazione di proprietà
chimico-fisiche sperimentali
Strumenti informatici e realtà sperimentali
Specie chimiche
Dati
Fenomeno chimico
Esperimento
Esempio: l’evaporazione dell’Acetone
Specie chimica: acetone
CH3C(=O)CH3
3
2.5
Fenomeno chimico-fisico:
Evaporazione
Osservabili sperimentali:
Temperatura vs. tensione di
vapore
dati
P / bar
2
1.5
1
0.5
0
300 320 340 360 380 400
T/K
Strumenti informatici e realtà sperimentali
Specie chimica: acetone
CH3C(=O)CH3
Fenomeno chimico-fisico:
Evaporazione
P / bar
dati
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Log (P / bar)
Esempio: l’evaporazione dell’Acetone
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
0.002
Regressione lineare
Log p/bar = 4.9696 – 1636 / (T/K)
0.0025
0.003
0.0035
1 / (T/K)
Modello chimico-fisico:
Equazione di Van’t Hoff
300 320 340 360 380 400
T/K
Log p/bar = A + B/(T/K)
0.004
Strumenti informatici ed elaborazioni computazionali
Fenomenologia sperimentale
Fenomenologia computazionale
Strumenti informatici
Specie chimiche
Fenomeni chimico-fisici
Modello chimico-fisico
Gli strumenti informatici consentono di
produrre dati computazionali alla luce di un
dato modello chimico-fisico
Obiettivo dell’uso degli strumenti
informatici: produrre previsioni di proprietà
chimico-fisiche da confrontare con analoghe
determinazioni sperimentali al fine di
supportare un dato modello chimico-fisico
Strumenti informatici ed elaborazioni computazionali
Fenomenologia computazionale
Fenomenologia
Strumenti informatici
Specie chimica: acetone
CH3C(=O)CH3
Modello chimico-fisico
Fenomeno chimico-fisico:
Equazione di Antoine
Evaporazione
per l’acetone
Log p/torr = 7.1 – 1210 /
(T/C+229)
2500
P / torr
2000
1500
1000
500
0
0
20
40 60
T/C
80
100
Strumenti informatici ed elaborazioni computazionali
Fenomenologia sperimentale
Fenomenologia computazionale
Specie chimica: acetone
CH3C(=O)CH3
Strumenti informatici
Modello chimico-fisico
Equazione di Antoine
per l’acetone
Fenomeno chimico-fisico:
Evaporazione
2500
P / torr
2000
1500
1000
500
0
0
20
40 60
T/C
80
100
Perché usare il PC (o il Mac)?
Specie chimiche
Modello chimico-fisico
Fenomeni chimico-fisici
Strumenti informatici
Finalità di supporto alla
rappresentazione di specie chimiche e
all’interpretazione delle fenomenologie
sperimentali mediante elaborazione
matematica dei dati
Finalità predittiva
di dati computazionali
mediante
elaborazione
matematica di modelli
chimico fisici
“Condizioni a contorno”
1.Il corso è di 5 crediti e si articola in 24 ore di lezione e 24 ore di esercitazioni al PC
2.Le esercitazioni sono 12, ciascuna di circa 2 ore.
3.Le esercitazioni si terranno all’aula A del CIGAS il giovedì dalle 11:30 alle 13:30
4.Alla fine di ogni esercitazione ogni studente deve consegnare un file con la
risposta al quesito proposto. L’elaborato sarà valutato.
5.Per chi segue il corso le esercitazioni sono obbligatorie, nel caso di assenza
dovranno essere recuperate. Il recupero avverrà in corso di semestre secondo le
modalità concordate con il docente
6.Se le esercitazioni verranno completate tutte, la valutazione media degli elaborati
costituirà circa l’80% della valutazione finale di profitto (esame)
7.Per chi segue il corso e al suo termine avrà completato tutte le esercitazioni
l’esame consisterà in un breve colloquio orale.
8.Per chi non segue il corso o non ha completato le esercitazioni l’esame
consisterà di una prova incognita al PC e di una prova orale.
Dispense e materiale didattico
Le dispense che verranno proiettate durante questo corso si
possono scaricare al sito internet del docente:
http://www2.unibas.it/sbrutti
In tale sito, oltre alla descrizione del gruppo di ricerca, dei
progetti in cui sono coinvolto e dei miei collaboratori (oltre alle
tesi disponibili), saranno via via caricate le dispense (in
anticipo rispetto alle lezioni).
Per accedere dovrete entrare nell’area riservata mediante le
seguenti credenziali:
UserID: 2012_2013
Password: dispense
Sono confidenziali, non divulgatele troppo.