Новые подходы к преподаванию органической химии для студентов

[Ahha]

В связи с этим, пардон, но не удержусь, расскажу байку, которую слышал в юности от сильно старших товарищей.

Якобы где-то в 70-80-ые гг. был коллектив из одного расчетчика и нескольких синтетиков. Работали они на военных, задачей было создавать какие-то присадки к топливу для танков, повышающие его эффективность. Ну, то есть в том числе рассчитывать те самые теплоты сгорания. Расчетчик считал, передавал наиболее перспективные варианты синтетикам, те выбирали, что из этого наиболее реалистично с точки зрения синтеза. Потом полученные образцы передавали воякам, те как-то там что-то экспериментально мерили, и если результат плюс-минус укладывался в тот район, что был предсказан расчетами, весь коллектив премировали.

Я к тому (только без обид), что если бы они пользовались нынешней рекламируемой связкой кемкрафта с расчетной программой, премии бы им было, похоже, не видать, как своих ушей.

[Polychemist]

Хм, мне кажется это пример того, как не надо учить органической химии, даже можно сказать пример того как не надо учить чему-то вообще. Сомневаюсь, что после этого студент/школьник вообще осознает, что такое "теплоты сгорания простых веществ". Ему сначала надо рассказать, что такое теплота образования вещества, дальше показать на реакции что из чего вычесть. Дальше пусть найдёт в справочнике (Гугле) теплоты образования и на калькуляторе (а лучше столбиком...) сложит и вычтет. Ну потом показать, что можно не только в Гугле взять исходные теплоты, а рассчитать программой, причём обязательно продемонстрировать, что программа может посчитать по-разному... Ну и тогда есть шанс, что студент осознает, что теплота реакции - это не цифирка, получаемая шаманством с Chemcraft.

Кстати - что такое frequencies job??? Что такое UHF/RHF я мутно, но представляю, если что - Гугл поможет, но вот... frequencies job...

[Jokermaniak]

Хм, мне кажется это пример того, как не надо учить органической химии, даже можно сказать пример того как не надо учить чему-то вообще.

Ох, блин. Наш лектор по органике так и читал: презентация на 100 слайдов, один с формулами - два с таблицами энтальпий. Я сходил на пару лекций, проникся и сделал вывод, что здоровый сон полезнее.

[Ahha]

Кстати - что такое frequencies job??? Что такое UHF/RHF я мутно, но представляю, если что - Гугл поможет, но вот... frequencies job...

Я так понимаю, это расчет колебательных частот после оптимизации. При этом можно получить термодинамические характеристики системы. Какие именно из них Vit Nhoc взял для своих расчетов теплот сгорания - я не уловил.

А так вы правы. Для обучения органической химии эта задачка не подходит: в норме никто в курсе органики удельные теплоты сгорания не зазубривает. Для обучения расчетам она может и подошла бы, хотя конечно тоже требует от обучаемого наличия серьезных предварительных знаний. Но вот в своем посте я показал, что гиперкемом, грубо, той же полуэмпирикой результат выглядит лучше в плане совпадения с экспериментом. Можно ли подкрутить что-то в кемкрафте для улучшения - это вопрос к автору. А то ведь можно достичь противоположного результата: не научить кого-то расчетам, а наоборот, отвратить человека от них на всю жизнь. "Что толку в таких квантах, если они даже в теплотах сгорания дают результат с точностью до порядка? Если встретится в работе подобная задача, один черт в справочник слазить если не быстрее, то уж точно надежнее. В п..ду эти расчеты!"

В общем, какой пример не берет автор для демонстрации "педагогических" возможностей его продукта, он пока то неудачный, то неподъемный. До стадии "писать в министерства", предлагая включить кемкрафт в курс обучения чему бы то ни было вместо гиперкема всё ещё очень далеко.

[Polychemist]

В связи с этим, пардон, но не удержусь, расскажу байку, которую слышал в юности от сильно старших товарищей.

Без баек, ко мне в 90-е обращались коллеги, работавшие с серьёзными вещами, типа нельзя ли прикинуть "энергетику" некоторых соединений, для нескольких были экспериментальные данные. Гиперхем (AM1 кажется, PM3 ещё не было) был адекватен, но тема развития не получила из-за финансовых проблем заказчика (90-е...).

[Vit Nhoc]

Кстати - что такое frequencies job??? Что такое UHF/RHF я мутно, но представляю, если что - Гугл поможет, но вот... frequencies job...

Я так понимаю, это расчет колебательных частот после оптимизации. При этом можно получить термодинамические характеристики системы. Какие именно из них Vit Nhoc взял для своих расчетов теплот сгорания - я не уловил.

Я для графика выше брал коншемовские энергии. Потом ещё попробовал считать с энергиями, которые в Гауссиане09 печатаются так:

Sum of electronic and thermal Energies= -154.905727

Туда входят энергии ZPE, насколько я помню. И корреляция вышла практически такая же как на моём рисунке выше.
Мне возможно надо было ещё посчитать энтальпии, но скорее всего совершенно ничего бы не изменилось.
update: вот сейчас за две минуты посчитал энтальпию сгорания метана, вышло -1208.12426632776 (а коншемовская энергия была 1209.87704). Надеюсь я ничего не путаю.

[amge]

Приведу пример, как с помощью Chemcraft можно быстро сосчитать теплоты сгорания простых веществ.

Вы же оптимизируете геометрию с помощью xtb? В xtb по большому счету только два метода, которыми пользуются, GFN2 и GFF. Поэтому можно сделать расчет теплоты образования из элементов чисто по брутто-формуле. Например, для углеводорода C_cH_h
ΔH_f = (E_xtb + c*E_C + h*E_H)*627.51 (ккал/моль), где
ΔH_f - предсказанная теплота образования
E_xtb - энергия из xtb-расчета
E_C и E_H - средневзвешенные параметры, полученные из экспериментальных теплот образования, свои для каждого метода
Собственно, в мопаке, например, где методов тоже считанное количество, по такой формуле и считают теплоту образования.
Если интересует, расскажу как такое провернуть.

[Jokermaniak]

А то ведь можно достичь противоположного результата: не научить кого-то расчетам, а наоборот, отвратить человека от них на всю жизнь. "Что толку в таких квантах, если они даже в теплотах сгорания дают результат с точностью до порядка? Если встретится в работе подобная задача, один черт в справочник слазить если не быстрее, то уж точно надежнее. В п..ду эти расчеты!"

Я примерно так к кванхим расчетам и отношусь. На мой взгляд, это просто такой бантик, который можно прикрутить к уже полученным экспериментальным данным, и радостно тыкать пальцем - смотрите, сошлось. Но предиктивной силы, по крайней мере для моих молекул, они не имеют. Тем более что изменение результатов расчетов от смены базиса/метода/программы зачастую значительно превышает изменение, вызываемое сменой заместителя или стереоизомера. И я категорически не верю во все эти "ну вот сейчас-сейчас мы напихаем тебе ещё функций в базис и расчеты наконец поимеют предиктивную силу, надо только подождать, когда кампуктеры станут ещё немного помощнее".

[Vit Nhoc]

Приведу пример, как с помощью Chemcraft можно быстро сосчитать теплоты сгорания простых веществ.

Вы же оптимизируете геометрию с помощью xtb? В xtb по большому счету только два метода, которыми пользуются, GFN2 и GFF. Поэтому можно сделать расчет теплоты образования из элементов чисто по брутто-формуле. Например, для углеводорода C_cH_h
ΔH_f = (E_xtb + c*E_C + h*E_H)*627.51 (ккал/моль), где
ΔH_f - предсказанная теплота образования
E_xtb - энергия из xtb-расчета
E_C и E_H - средневзвешенные параметры, полученные из экспериментальных теплот образования, свои для каждого метода
Собственно, в мопаке, например, где методов тоже считанное количество, по такой формуле и считают теплоту образования.
Если интересует, расскажу как такое провернуть.

Я понимаю, что квантово непосредственно посчитать теплоты образования сложнее, чем теплоты сгорания, потому что считать квантовохимически полные энергии атомарных веществ - неблагодарная задача. Но любой химик может пересчитать энергию сгорания в энергию образования (по экспериментальным энергиям сгорания атомарных веществ). Или многим будет лень в это вникать, и вы рекомендуете именно сделать расчёт энергий образования? Насколько энергия образования важнее и полезнее энергии сгорания?

[Vit Nhoc]

А то ведь можно достичь противоположного результата: не научить кого-то расчетам, а наоборот, отвратить человека от них на всю жизнь. "Что толку в таких квантах, если они даже в теплотах сгорания дают результат с точностью до порядка? Если встретится в работе подобная задача, один черт в справочник слазить если не быстрее, то уж точно надежнее. В п..ду эти расчеты!"

Я примерно так к кванхим расчетам и отношусь. На мой взгляд, это просто такой бантик, который можно прикрутить к уже полученным экспериментальным данным, и радостно тыкать пальцем - смотрите, сошлось. Но предиктивной силы, по крайней мере для моих молекул, они не имеют. Тем более что изменение результатов расчетов от смены базиса/метода/программы зачастую значительно превышает изменение, вызываемое сменой заместителя или стереоизомера. И я категорически не верю во все эти "ну вот сейчас-сейчас мы напихаем тебе ещё функций в базис и расчеты наконец поимеют предиктивную силу, надо только подождать, когда кампуктеры станут ещё немного помощнее".

Если интересна эта тема, я не против поучаствовать в квантовом холиваре; я согласен что предсказательная сила квантовохимических расчётов действительно невысокая, но они скорее другим ценны.

[Ahha]

Я понимаю, что квантово непосредственно посчитать теплоты образования сложнее, чем теплоты сгорания

Стоп. Я перестал вас понимать. А в вашем примере ваши "коншемовские энергии" -- это разве не энергии образования молекул из ядер и электронов? И разве не из них потом получаются энтальпии? И я вам продемонстрировал, что даже если использовать полуэмпирические PM3 heat of formation (теплоты образования, на секундочку ), то результат оказывается лучше вашего?

[Polychemist]

Кстати:
https://rscf.ru/news/physics/v-skoltekh ... -trotilu-/
https://doi.org/10.1016/j.mtener.2025.101821

[Vit Nhoc]

Я понимаю, что квантово непосредственно посчитать теплоты образования сложнее, чем теплоты сгорания

Стоп. Я перестал вас понимать. А в вашем примере ваши "коншемовские энергии" -- это разве не энергии образования молекул из ядер и электронов? И разве не из них потом получаются энтальпии? И я вам продемонстрировал, что даже если использовать полуэмпирические PM3 heat of formation (теплоты образования, на секундочку ), то результат оказывается лучше вашего?

Какую-то вы ерунду пишете, сорри. Чтобы посчитать теплоты образования, надо посчитать полную энергию молекулу и исходных веществ. Если не путаю, эти исходные вещества могут быть в разных формах, в том числе твёрдой, которую посчитать намного сложнее. Но можно взять из литературы экспериментальные теплоты сгорания этих исходных веществ, и пересчитать теплоту сгорания в теплоту образования.

[Ahha]

Но можно взять из литературы экспериментальные теплоты сгорания этих исходных веществ, и пересчитать теплоту сгорания в теплоту образования.

Зачем тогда нужны ваши расчеты теплот сгорания, тем более что они не очень-то совпадают со справочными значениями?

[Jokermaniak]

Какую-то вы ерунду пишете, сорри. Чтобы посчитать теплоты образования, надо посчитать полную энергию молекулу и исходных веществ. Если не путаю, эти исходные вещества могут быть в разных формах, в том числе твёрдой, которую посчитать намного сложнее. Но можно взять из литературы экспериментальные теплоты сгорания этих исходных веществ, и пересчитать теплоту сгорания в теплоту образования.

Но ведь полные электронные энергии это же действительно энергии образования из говна и палок ядер и электронов, не? А как именно считать теплоты образования - это вопрос предпочтений и доступности данных, можно построить любой цикл Гесса, какой заблагорассудится, совершенно необязательно привязываться к простым веществам.

[Vit Nhoc]

Но можно взять из литературы экспериментальные теплоты сгорания этих исходных веществ, и пересчитать теплоту сгорания в теплоту образования.

Зачем тогда нужны ваши расчеты теплот сгорания, тем более что они не очень-то совпадают со справочными значениями?

Почему не совпадают? Вы же видели что корреляция вышла нормальная.

[Ahha]

Почему не совпадают? Вы же видели что корреляция вышла нормальная.

Смотрим еще раз. Ваши данные (я округлил до целых) vs эксперимент:

1210 890
2149 1560
3080 2220
1874 1300
4941 3268

((1210-890)/890)*100% ~= 36% И так далее: 38%; 39%; 44%; 51%.

Смотрим теперь, что я в своем посте насчитал, для краткости только первый и третий варианты, отклонения берем по модулю:

713 890 20%
1245 1560 20%
1775 2220 20%
1104 1300 15%
2772 3268 15%


902 890 1%
1576 1560 1%
2247 2220 1%
1340 1300 3%
3480 3268 6%

Ясно, что при наличии метода, дающего при примерно тех же времязатратах отклонения в единицы процентов, расчетные возможности кемкрафта в нынешнем виде никому не нужны.

Кстати, выше amge что-то писал вам про расчеты ΔHf и даже предлагал какую-то помощь. Но вы, кажется, прочитали в его посте только то, что вам хотелось прочитать.

[kika]

Если интересно потестировать мою программу, можно скачать её тут:

https://chemcraftprog.com/newversions.html

А по Вашей программе можно в рамках тестирования посчитать энергию Гиббса по структуре соединения?
Очень нужно, информации нигде нет, а верить искусственному интеллекту, что он правильно посчитает - рискованно.

[amge]

Я понимаю, что квантово непосредственно посчитать теплоты образования сложнее, чем теплоты сгорания, потому что считать квантовохимически полные энергии атомарных веществ - неблагодарная задача.

В том то и прелесть того, о чем я толкую, что для оценки теплоты образования потребуются только полная расчетная энергия соединения и брутто-формула, ничего более. Правда, для этого нужно сначала поработать, чтобы получить из тысяч экспериментальных теплот сгорания коэффициенты для каждого элемента, но это нужно проделать только один раз (для каждого метода).

[Vit Nhoc]

Если интересно потестировать мою программу, можно скачать её тут:

https://chemcraftprog.com/newversions.html

А по Вашей программе можно в рамках тестирования посчитать энергию Гиббса по структуре соединения?
Очень нужно, информации нигде нет, а верить искусственному интеллекту, что он правильно посчитает - рискованно.

Ну да. Нарисуйте на экране молекулу, и нажмите Compute/Geometry optimization+frequencies. Потом кликните на Frequencies слева, и выберите в меню внизу-слева Compute the Gibbs energy by frequencies. И нажмите кнопку Calculate в открывшемся окне.
Недостатком нынешней версии является то, что она не может посчитать энергию Гиббса одноатомной молекулы, мне надо это поскорее исправить.
И сразу говорю что точность будет плюс-минус километр, как вы в теме уже увидели, но если возьмёте ряд гомологов и для них построите корреляцию с экспериментом - она скорее всего получится нормальной.