Mecánica Cuántica como base de la Química Computacional
La Mecánica Cuántica se considera como un logro trascendental realizado por la comunidad
científica mundial, ésta misma ha abierto un nuevo
enfoque en las futuras investigaciones y aplicaciones.
De igual manera, la revolución informática ha acelerado el desarrollo de esta disciplina. La Química Teórica está presente en todos los campos de la Química: la cinética, espectroscopía, la ciencia de los materiales. el diseño de fármacos, etc., además es uno sde los motores básicos de su desarrollo. En Química Teórica el nivel de aproximación teórica queda definido por cada problema. Así, el hidrógeno, helio o análogos pueden ser tratados con un alto nivel de exactitud, con respecto a problemas que involucran muchos electrones (átomos y moléculas), para los que no se disponen de procedimientos exactos surgiendo como consecuencia de ello métodos con un nivel de aproximación. (Mó y Yáñez, 2011)
Los métodos teóricos más empleados son los siguientes:
EL MÉTODO HARTREE - FOCK
La aproximación más importante es la denominada ab-initio (de los primeros principios), en la que la solución de la ecuación diferencial de Schrödinger puede en principio conducir a predicciones de casi, sino todos los fenómenos químicos, utilizando solamente los valores de un pequeño número de constantes físicas tales como la constantes de Planck (h), la velocidad de la luz (C), la masa (m) y carga (e) de los electrones y el núcleo. El método Hartree-Fock (HF) constituye la base de los métodos ab initio, la misma que para un sistema de N electrones aproxima la combinación estadística del producto de N funciones de onda de un electrón individual, obedeciendo el principio de exclusión de Pauli y la indistinguibilidad de los electrones.
LA TEORÍA DEL FUNCIONAL DE DENSIDAD (DFT)
En 1929, Dirac expresó «Las leyes fundamentales necesarias para el tratamiento de gran parte de la Física y de toda la Química están totalmente conocidas, la dificultad radica solamente en que la aplicación de éstas leyes conducen a ecuaciones que son muy complejas de resolverlas». Considerando las aplicaciones, los cálculos convencionales de las propiedades moleculares están basados en la descripción del movimiento individual de los electrones, por cuya razón los métodos son matemáticamente complicados, como se ha mencionado en la sección anterior. En la línea de los métodos ab initio, W. Kohn demostró que no es necesario considerar el movimiento individual de cada electrón, «… es suficiente conocer el número promedio de los electrones localizados en cualquier punto del espacio» [Parr y Yang, 1989], ello dio lugar a un método computacionalmente más sencillo, se trata de la Teoría del Funcional de Densidad (DFT). La simplicidad del método ha hecho posible estudiar moléculas complejas posibilitando inclusive el estudio de proteínas o reacciones enzimáticas (Cjuno & Arroyo )
Fueron dos los sucesos decisivos en el desarrollo de la Química Cuántica, éstos son:
• El desarrollo de una nueva teoría para describir la distribución espacial de los electrones.
• El uso de la potencialidad que ofrece la computadora
A continuación se presenta un modelo de una molécula realizado computacionalmente, basado en la teoría DFT:
Referencias
LA QUÍMICA TEÓRICA Y LA QUÍMICA CUÁNTICA COMPUTACIONAL J. Américo Cjuno H. y Juan Arroyo Cuyubamba. Recuperado de http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/consejo/boletin48/enPDF/a05.pdf
LA QUÍMICA COMPUTACIONAL EN LA NUEVA FRONTERA Otilia Mó y Manuel Yáñez. Departamento de Química, Módulo 13, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid. Recuperado de: https://www.researchgate.net/publication/49941697_ La_quimica_computacional_en_la_nueva_frontera?enrichId=rgreq-6ac2cee2252d3a0cdf1a3213c6e620f3-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzQ5OTQxNjk3O0FTOjk5NTIwMzk0MzAxNDY5QDE0MDA3Mzg5MTk5MDk%3D&el=1_x_3&_esc=publicationCoverPdf
De igual manera, la revolución informática ha acelerado el desarrollo de esta disciplina. La Química Teórica está presente en todos los campos de la Química: la cinética, espectroscopía, la ciencia de los materiales. el diseño de fármacos, etc., además es uno sde los motores básicos de su desarrollo. En Química Teórica el nivel de aproximación teórica queda definido por cada problema. Así, el hidrógeno, helio o análogos pueden ser tratados con un alto nivel de exactitud, con respecto a problemas que involucran muchos electrones (átomos y moléculas), para los que no se disponen de procedimientos exactos surgiendo como consecuencia de ello métodos con un nivel de aproximación. (Mó y Yáñez, 2011)
Los métodos teóricos más empleados son los siguientes:
EL MÉTODO HARTREE - FOCK
La aproximación más importante es la denominada ab-initio (de los primeros principios), en la que la solución de la ecuación diferencial de Schrödinger puede en principio conducir a predicciones de casi, sino todos los fenómenos químicos, utilizando solamente los valores de un pequeño número de constantes físicas tales como la constantes de Planck (h), la velocidad de la luz (C), la masa (m) y carga (e) de los electrones y el núcleo. El método Hartree-Fock (HF) constituye la base de los métodos ab initio, la misma que para un sistema de N electrones aproxima la combinación estadística del producto de N funciones de onda de un electrón individual, obedeciendo el principio de exclusión de Pauli y la indistinguibilidad de los electrones.
LA TEORÍA DEL FUNCIONAL DE DENSIDAD (DFT)
En 1929, Dirac expresó «Las leyes fundamentales necesarias para el tratamiento de gran parte de la Física y de toda la Química están totalmente conocidas, la dificultad radica solamente en que la aplicación de éstas leyes conducen a ecuaciones que son muy complejas de resolverlas». Considerando las aplicaciones, los cálculos convencionales de las propiedades moleculares están basados en la descripción del movimiento individual de los electrones, por cuya razón los métodos son matemáticamente complicados, como se ha mencionado en la sección anterior. En la línea de los métodos ab initio, W. Kohn demostró que no es necesario considerar el movimiento individual de cada electrón, «… es suficiente conocer el número promedio de los electrones localizados en cualquier punto del espacio» [Parr y Yang, 1989], ello dio lugar a un método computacionalmente más sencillo, se trata de la Teoría del Funcional de Densidad (DFT). La simplicidad del método ha hecho posible estudiar moléculas complejas posibilitando inclusive el estudio de proteínas o reacciones enzimáticas (Cjuno & Arroyo )
Fueron dos los sucesos decisivos en el desarrollo de la Química Cuántica, éstos son:
• El desarrollo de una nueva teoría para describir la distribución espacial de los electrones.
• El uso de la potencialidad que ofrece la computadora
A continuación se presenta un modelo de una molécula realizado computacionalmente, basado en la teoría DFT:
Densidad electrónica en el aminoácido Cisteina. La figura muestra la superficie donde se pueden encontrar los electrones.
Referencias
LA QUÍMICA TEÓRICA Y LA QUÍMICA CUÁNTICA COMPUTACIONAL J. Américo Cjuno H. y Juan Arroyo Cuyubamba. Recuperado de http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/consejo/boletin48/enPDF/a05.pdf
LA QUÍMICA COMPUTACIONAL EN LA NUEVA FRONTERA Otilia Mó y Manuel Yáñez. Departamento de Química, Módulo 13, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid. Recuperado de: https://www.researchgate.net/publication/49941697_ La_quimica_computacional_en_la_nueva_frontera?enrichId=rgreq-6ac2cee2252d3a0cdf1a3213c6e620f3-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzQ5OTQxNjk3O0FTOjk5NTIwMzk0MzAxNDY5QDE0MDA3Mzg5MTk5MDk%3D&el=1_x_3&_esc=publicationCoverPdf
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