Métodos semiempíricos y momento dipolar
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Métodos semiempíricos
Se caracterizan por utilizar parámetros derivados de datos experimentales para simplificar la aproximación a la ecuación de Schrödinger. Por tanto, son relativamente económicos y pueden aplicarse a moléculas grandes. Existen varios métodos semiempíricos, entre los más conocidos se encuentran AM1, PM3 y MNDO.
Momento dipolar
Siempre que dos cargas eléctricas de igual magnitud pero signo opuesto estén separadas por una distancia, se establece un dipolo. La medida cuantitativa de la magnitud de un dipolo se denomina momento dipolar, representada por la letra griega μ. Si μ = 0, la molécula no es polar; si μ ≠ 0, es polar.
Mapa de potencial electrostático
También conocido como mapasde energía potencial electrostática o superficie de potencial eléctrico molecular, ilustra en tres dimensiones (3D) la distribución de carga de las moléculas. Este mapa permite visualizar las regiones de carga variable de una molécula, lo que sirve para determinar cómo interactúan las moléculas entre sí.
Cómo estimar el momento dipolar con métodos semiempíricos
Ingresa a Gamess (https://chemcompute.org/gamess/submit).
Escribe la palabra water (agua) en el campo "Search for a molecule" y da clic en “Transfer”.
Espera a que Gamess optimice la geometría (Done Symmetrizing) y luego da clic en “Next”.
Elige los parámetros que se indican en las tablas para hacer los cálculos. En este ejercicio usarás dos métodos semiempíricos: primero AM1 y después PM3.
Da clic en “Submit job” y espera que el cálculo termine. Esto será cuando en la parte final de “Summary” veas el mensaje “EXECUTION OF GAMESS TERMINATED NORMALLY”.
Da clic en "Dipole Moment" y registra el valor del momento dipolar.
Da clic en "Electrostatic Potential" y observa el mapa de potencial electrostático.
Repite los pasos anteriores para el dióxido de carbono (carbon dioxide).
Nota: si aparece el mensaje "Output not found yet. There are more nodes coming online in a few minutes to meet demand", vuelve a intentar más tarde.
Parámetros con AM1
Parámetros con PM3
Resultados
Mapa de potencial electrostático del agua
Mapa de potencial electrostático del dióxido de carbono
El agua (H₂O) es una molécula polar porque tiene un momento dipolar distinto de cero (μ = 1.86 D, en AM1), lo que significa que sus electrones se distribuyen de forma desigual. Esto ocurre porque el oxígeno, más electronegativo, atrae con más fuerza los electrones compartidos con los hidrógenos, creando una carga parcial negativa (δ⁻) en el oxígeno y cargas parciales positivas (δ⁺) en los hidrógenos. Además, su geometría angular acentúa esta polaridad. En cambio, el dióxido de carbono (CO₂) no es polar (μ = 0 D), a pesar de tener enlaces polarizados entre el carbono y los oxígenos. Esto se debe a su geometría lineal, que hace que los momentos dipolares de sus enlaces se anulen entre sí.
Los mapas de potencial electrostático sugieren que el agua es una molécula polar, debido a su distribución asimétrica de electrones: el oxígeno (área roja) concentra mayor densidad electrónica, lo que genera una carga parcial negativa, mientras que los hidrógenos (áreas azules) tienen menor densidad, quedando con carga positiva. En cambio, en el dióxido de carbono, aunque los oxígenos (rojo) son electronegativos, la molécula tiene una forma lineal y simétrica que cancela las cargas parciales, de manera que el carbono (azul) presenta menor densidad electrónica pero sin polaridad neta. Esto explica por qué el agua disuelve sustancias polares, mientras que el dióxido de carbono, al no ser polar, no lo hace.
El NIST (National Institute of Standards and Technology) es un organismo científico que proporciona datos experimentales de referencia, obtenidos mediante mediciones precisas en laboratorio. Para el agua, el NIST reporta un momento dipolar μ = 1.852 D, valor considerado exacto. Al compararlo con los resultados de los métodos semiempíricos AM1 (1.860 D) y PM3 (1.739 D), observamos que:
AM1 se acerca más al valor experimental, mostrando buena precisión.
PM3 presenta una diferencia algo mayor, aunque detecta correctamente la polaridad del agua.
Estas diferencias se deben a que los métodos semiempíricos usan aproximaciones matemáticas para simplificar los cálculos. Sin emabrgo, en este caso, ambos predicen de forma adecuada el comportamiento polar del agua, crucial para sus propiedades como disolvente universal.
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