Chimica computazionale

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La chimica computazionale è la branca della chimica teorica che si occupa dello sviluppo di modelli matematici, basati sia sulla meccanica classica che sulla meccanica quantistica, in grado di simulare sistemi chimici, con lo scopo di calcolarne le grandezze fisiche caratteristiche e prevederne le proprietà chimiche.

La potenza predittiva delle simulazioni è intimamente legata alle caratteristiche delle macchine che si hanno a disposizione. Il numero di operazioni floating-point per secondo (FLOPS) e la capacità di memoria sono i più importanti parametri che determinano la possibilità di eseguire simulazioni in tempi ragionevoli. Nonostante già nei primi anni del XX secolo il supporto teorico per la formulazione dei modelli fosse pronto, il grande sviluppo della chimica computazionale si è avuto negli ultimi 30 anni, proprio perché si è iniziato a disporre di sistemi hardware sufficientemente potenti.

Le utilità delle simulazioni sono molteplici:

I calcoli sono preziosi nell'interpretazione dei dati sperimentali. Si può mettere in luce ciò che è avvenuto in un esperimento confrontando le misure con i calcoli.
Sono utili per mettere a punto la strumentazione più adeguata allo studio sperimentale di un certo sistema.
Permettono di ottenere informazioni su sistemi difficili da studiare sperimentalmente per motivi tecnici o economici.
Permettono di prevedere su base teorica la possibile esistenza di specie chimiche non note in natura o ancora mai sintetizzate.
Permettono inoltre di confrontare e verificare i modelli teorici in senso più vasto.

Le grandezze che si vogliono calcolare sono numerose, se ne riportano solo alcune a titolo di esempio:

Superficie di energia potenziale
Grandezze termodinamiche
Grandezze cinetiche
Spettro NMR
Spettro EPR
Spettro IR
Spettro rotazionale
Affinità elettronica
Energia di ionizzazione
Spettri XAS, sia EXAFS sia XANES

[modifica] Metodi

I metodi impiegati in chimica computazionale possono essere divisi in due sottogruppi in funzione delle modalità descrittive degli atomi e delle molecole:

[modifica] Metodi classici

Le caratteristiche molecolari vengono descritte per mezzo di una modellazione della molecola basata sulla elettrostatica e sulla meccanica classica:

[modifica] Metodi quantomeccanici

Le caratteristiche molecolari vengono descritti in termini quantomeccanici. I metodi quantomeccanici possono a loro volta essere suddivisi in due sottocategorie: i metodi ab initio (che permettono di studiare un oggetto risolvendo direttamente l'equazione di Schrödinger per l'oggetto in esame) e i metodi semiempirici (che utilizzano nella risoluzione della equazione di Schrödinger parametri ottenuti sperimentalmente al fine di evitare un appesantimento eccessivo del calcolo).