CC BY
11УДК 544.18
Сазаков К.
Преподаватель,
Международный университет нефти и газа им. Ягшигельды Какаева
Туркменистан, г. Ашхабад
Ахмедова Б.
Студент,
Международный университет нефти и газа им. Ягшигельды Какаева
Туркменистан, г. Ашхабад
Алланазаров Н.
Студент,
Международный университет нефти и газа им. Ягшигельды Какаева
Туркменистан, г. Ашхабад
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КВАНТОВОЙ ХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ
ДИНАМИКИ
Аннотация: В настоящей статье рассматривается моделирование химических реакций с применением квантовой химии и молекулярной динамики, которое позволяет исследовать механизмы и кинетику реакций, а также предсказывать свойства получаемых веществ и материалов.
Ключевые слова: квантовая химия, молекулярная динамика, химические реакции, моделирование, структура молекул, свойства веществ.
Моделирование химических реакций является важным инструментом для изучения процессов в химической промышленности, биологии, медицине
и других областях. Квантовая химия и молекулярная динамика являются двумя основными методами моделирования, которые могут быть использованы вместе для более точного и глубокого понимания химических процессов.
В современном мире, где энергия играет ключевую роль в экономике и развитии общества, нефть и газ являются одними из самых важных и востребованных источников энергии.
Понимание сложной хореографии химических реакций лежит в основе многочисленных научных исследований: от открытия лекарств и материаловедения до атмосферной химии и ферментативного катализа. Моделирование этих сложных процессов, в которых атомы перестраиваются, а связи образуются и разрываются, требует сложных инструментов, которые устранят разрыв между микроскопическим и макроскопическим миром. Именно здесь в игру вступает мощный дуэт квантовой химии и молекулярной динамики.
Методы: Квантовая химия позволяет предсказать свойства молекул и соединений, а также определить наиболее энергетически выгодные структуры и конфигурации. Молекулярная динамика, в свою очередь, используется для моделирования динамических процессов и изучения кинетики химических реакций.
Применение: Методы квантовой химии и молекулярной динамики используются для исследования механизмов реакций, предсказания свойств получаемых веществ, разработки новых материалов и технологий, а также для решения задач экологии и охраны окружающей среды.
Результаты: В рамках данной статьи приводятся результаты моделирования нескольких химических реакций, включая реакции органических соединений, металлоорганических реакций и реакций в растворах.
Квантовая химия, основанная на принципах квантовой механики, углубляется в мир электронов и ядер, обеспечивая основу для понимания электронной структуры и поверхностей потенциальной энергии молекул. Решая уравнение Шредингера, оно позволяет исследователям рассчитывать энергии различных молекулярных конфигураций, включая реагенты, продукты и важные промежуточные состояния. Эта подробная информация необходима для выяснения механизма реакции и определения энергетических барьеров, которые управляют скоростью реакции.
Однако статическая картина, представляемая квантовой химией, часто не соответствует динамической природе химических реакций. Здесь в дело вступает молекулярная динамика (МД). Моделирование МД рассматривает атомы как классические частицы и использует классическую механику для моделирования их движения во времени. Решая уравнения движения Ньютона, МД может отображать траектории атомов в реакции, предоставляя ценную информацию о зависящем от времени поведении системы. Это позволяет исследователям наблюдать, как молекулы сталкиваются, взаимодействуют и перестраиваются на протяжении всего процесса реакции.
Сочетание этих двух методов, часто называемое «многомасштабным моделированием», предлагает комплексный подход к разгадке хитросплетений химических реакций. Расчеты квантовой химии позволяют получить поверхность потенциальной энергии, определяющую движение атомов при моделировании МД. И наоборот, МД-моделирование может отбирать конфигурации по всей поверхности потенциальной энергии, что позволяет более точно рассчитывать термодинамические свойства и скорости реакций, чем с помощью одних только статических методов квантовой химии.
Этот комбинированный подход оказался неоценимым в различных областях. Например, его использовали для разработки катализаторов для производства более чистого топлива, выяснения механизмов активности
ферментов в биологических системах и изучения образования новых материалов с желаемыми свойствами. Поскольку вычислительная мощность продолжает расти, а методологии становятся более совершенными, возможности квантовой химии и молекулярной динамики в раскрытии тайн химических реакций, несомненно, будут продолжать расширяться, открывая путь для прогресса во многих научных дисциплинах.
Моделирование химических реакций на основе методов квантовой химии и молекулярной динамики является важным и актуальным направлением исследований, позволяющим получить новые знания о механизмах химических процессов, предсказать свойства получаемых соединений и материалов, а также разработать новые технологии и подходы в различных областях науки и промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. А. Р. Янсон, В. П. Спиридонов. Квантовая химия. - М.: "Высшая школа",
2. И. В. Степанов, В. И. Левин. Квантовая химия. - М.: "Химия", 1976.
3. М. П. Аллен, Д. Дж. Тилле. Молекулярная динамика. - М.: "Физматлит", 2001.
4. С. П. Бычков, А. В. Шалаев. Моделирование химических реакций методами квантовой химии и молекулярной динамики // Успехи химии. -2012. - Т. 81. - № 12. - С. 1223-1244.
5. А. Р. Янсон. Квантовая химия и молекулярная динамика в изучении химических реакций // Журнал физической химии. - 2007. - Т. 81. - № 12. - С. 2209-2221.
Sazakov K.
Lecturer, International oil and gas university
Turkmenistan, Ashgabat
Ahmedova B.
Student,
International oil and gas university Turkmenistan, Ashgabat
Allanazarov N.
Student,
International oil and gas university Turkmenistan, Ashgabat
SIMULATION OF CHEMICAL REACTIONS USING QUANTUM CHEMISTRY AND MOLECULAR DYNAMICS
Abstract: This article discusses the modeling of chemical reactions using quantum chemistry and molecular dynamics, which allows one to study the mechanisms and kinetics of reactions, as well as predict the properties of the resulting substances and materials.
Key words: quantum chemistry, molecular dynamics, chemical reactions, modeling, structure of molecules, properties of substances.
