Orientador : Rogerio Custodio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-29T04:20:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_HermesFernandesde_D.pdf: 2135027 bytes, checksum: 315b9e9440182a2455372f76edf2680f (MD5) Previous issue date: 2001 / Doutorado

Orientador : Roy Edward Bruns / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-19T03:15:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MartinsFilho_HarleyPaiva_M.pdf: 2867967 bytes, checksum: 98fe3335c35f4243f033d105ddcabfbb (MD5) Previous issue date: 1989 / Mestrado

Orientador : Roy Edward Bruns / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-19T03:07:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guadagnini_PauloHenrique_M.pdf: 2678480 bytes, checksum: db62037ab689813469c20ffe11e2fe32 (MD5) Previous issue date: 1994 / Mestrado

Orientador: Roy E. Bruns / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-07-20T02:34:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_AnselmoElcanade_M.pdf: 3793179 bytes, checksum: 4423ac1d6f923cecf8f03df8273f0fd4 (MD5) Previous issue date: 1995 / Mestrado

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work a contribution to basic knowledges of physical and chemistry of the solid state is presented. Based on fundamental concepts of physical chemistry, such as charge distribution, electronegativity and electric dipole moment of the compounds, a purely analytical expression for obtaining the effective atomic number (Zeff ) and a general way to get the crystal packing factor, p, of any ionic system is being presented. The local interaction cation-anion occurs between the electronic clouds of the outermost electrons. So, we are postulating an effective separation (Rij ) between the negative and positive centre of charge of two ways; in one of them Rij is related to the electric dipole moment and the electronegativity difference, and the other by the average difference between the atomic and ionic (crystalline) radii of the interacting ions. When compared to the experimental data analyzed, predictions of up to 20% have been obtained for the Zeff of diatomic materials (BeO, LiF, Al2O3, MgO, NaF, SiO2, CaF2, V2O3 and ZnO) and above 20% for polyatomic crystals (Li2B4O7 and CaSO4) applied in dosimetry. In photonics, the increasing behavior of the refractive index with Zeff for the glass system (0.7-x)NaPO3-0.3WO3-xBi 2O3 is confirmed. By combining crystal field and effective charge models, we have done predictions of Zeff for the system Eu2O3 within the range of experimental data analyzed. Also we are proposing an analytical expression to calculate the photoionization cross-section (SCF) of isotropic defects or impurities centers, by using the time-dependent perturbation theory. The ground-state wavefunction of the electron captured in the impurity state is described by a three-dimensional isotropic harmonic oscillator and the excited electron in the continuum conduction band is described by a plane wave. The expression has been obtained considering all multipoles terms in the Hamiltonian, and that the radiation field which interacts with matter is semi-classical and linearly polarized. This approximation is assumed because the linear effects are dominant. The model is applied to predict the SCF of the Al2O3:C and Lu2SiO5: Ce crystals, and the predictions are in good agreement with the available data in the literature. / Neste trabalho uma contribuição aos conhecimentos básicos de físico e química do estado sólido é apresentado. Baseado em conceitos fundamentais de físico-química, tais como, distribuição de carga, eletronegatividade e momento de dipolo elétrico dos compostos, uma expressão puramente analítica para obtenção do número atômico efetivo (Zeff ) e uma maneira geral de obter o fator de empacotamento cristalino, p, de qualquer sistema iônico está sendo apresentada. A interação local cátion-ânion ocorre entre as nuvens eletrônicas dos elétrons mais externos. Sendo assim, estamos postulando uma separação efetiva (Rij ) entre os centros de carga negativa e positiva de duas maneiras; em uma delas Rij é relacionado com o momento de dipolo elétrico e a diferença de eletronegatividade, e a outra por meio da diferença média entre os raios atômicos e iônicos (cristalinos) dos íons interagentes. Quando comparado aos dados experimentais analisados, previsões de no máximo 20% têm sido obtidos para o Zeff de materiais diatômicos (BeO, LiF, Al2O3, MgO, NaF, SiO2, CaF2, V2O3 e ZnO) e acima de 20% para os cristais poliatômicos (Li2B4O7 e CaSO4) aplicados em dosimetria. Em fotônica, o comportamento crescente do índice de refração com Zeff , para o sistema vítreo (0.7-x)NaPO3-0.3WO3-xBi2O3, é confirmado. Combinando modelos de campo cristalino e carga efetiva, temos feito previsões de Zeff para o sistema Eu2O3 dentro do intervalo de dados experimentais analisados. Também estamos propondo uma expressão analítica para calcular a seção de choque de fotoionização (SCF) de centros de impurezas ou defeitos isotrópicos, usando a teoria de perturbação dependente do tempo. A função de onda do estado fundamental do elétron capturado no estado da impureza é descrito por um oscilador harmônico isotrópico tridimensional e o elétron excitado na banda de condução contínua é descrito por uma onda plana. A expressão foi obtida considerando todos os termos de multipolos no hamiltoniano, e que o campo de radiação que interage com a matéria é semi-clássico e linearmente polarizado. Esta aproximação é assumida porque os efeitos lineares são dominantes. O modelo é aplicado para prever a SCF dos cristais Al2O3:C e Lu2SiO5:Ce, e as previsões estão em bom acordo com os dados disponíveis na literatura.

O método de equalização da eletronegatividade (Electronegativity Equalization Method, EEM), fundamentado em teoria do funcional da densidade eletrônica, foi combinado à aproximação de Born generalizada para moléculas (Generalized Born, GB), e denominado GBEEM (Dias et al., 2002). Os momentos de dipolo permanente no vácuo e em meio condensado (constante dielétrica ~ 80), e distribuições de cargas atômicas, mostraram boa concordância com modelo SM5.4 baseado em cargas CM1 em nível PM3 (12 moléculas, correspondendo a 29 cargas atômicas). Este resultado é interessante devido à simplicidade inerente do GBEEM e seu baixo custo computacional. Uma nova parametrização das durezas e eletronegatividades foi feita com o objetivo de melhorar a distribuição de cargas atômicas em moléculas isoladas em relação ao modelo CM1. Um conjunto de 250 estruturas/cargas PM3/CM1 de moléculas neutras pertencentes a 13 funções orgânicas foi utilizado como alvo na parametrização, utilizando uma metodologia Algoritmo Genético/Simplex de pesquisa de mínimos (Menegon et al., 2002). Boa concordância entre os modelos foi obtida. A validação da parametrização e do EEM foi efetuada usando moléculas bifuncionais (tetrapeptídeo e trisacarídeo) mostrando também boa concordância e robustez. Entretanto, a análise do momento de dipolo permanente das 250 moléculas mostrou uma séria limitação do EEM, e portanto do GBEEM, apesar da boa concordância entre as cargas EEM e CM1. O EEM superestimou os momentos de dipolo. Tal fato pode decorrer de vários fatores, dentre os quais, o truncamento da expansão nas cargas atômicas e ausência de tratamento explícito de interação de troca (exchange). Foi sugerida uma aproximação que restringe a transferência de carga entre grupos na molécula que contornou a limitação do método na predição de momentos de dipolo no vácuo e meio condensado (Shimizu et al., 2004). Com base nos recentes resultados, foi desenvolvido um modelo de solvatação baseado no GBEEM e no modelo de Floris-Tomasi. A calibração foi feita com um conjunto de 62 moléculas neutras (13 grupos funcionais) tendo como alvo as energias livres de hidratação experimentais. Os resultados apresentaram um desvio médio absoluto de 0,71 kcal/mol em relação aos valores experimentais. / The electronegativity equalization method (EEM), founded on density functional theory (DFT), has been combined to the generalized Born approximation (GB) for molecules, and called GBEEM (Dias et al., 2002). The permanent dipole moment in vacuum and condensed phase (dieletric constant ~ 80), and atomic charges distributions, have shown good agreement with SM5.4 solvation model based on CM1 charges at PM3 level (12 molecules, corresponding to 29 atomic charges). This result is interesting due the simplicity of GBEEM and its low computational cost. A new parameterization of the hardness and electronegativities was done with the aim to improve the atomic charges distribution on isolated molecules in comparison to CM1 model. The training set with 250 PM3/CM1 structures/charges of neutral molecules in 13 different organic functions was employed as target in the parameterization. A new optimization approach composed of Genetic and Simplex algorithms was used to fit parameters (Menegon et al., 2002). Good agreement between the models was found. The validation of parameterization and EEM was done using bifunctional molecules (tri-glucose and tetra-peptide) showing good agreement and robustness. However, analysis of permanent dipole moments of 250 molecules shown a serious caveat of EEM and GBEEM, beside the good agreement between EEM and CM1 charges. EEM has overestimated the dipole moments. Such result may be due to the truncated expansion in atomic charges and lacking of explicit treatment of exchange interaction. A new approximation was proposed constraining the charge transfer between groups within the molecule. This approximation corrected the caveat of EEM in the prediction of dipole moments in vacuum and condensed phase (Shimizu et al., 2004). Based on these results, a new solvation model was developed founded in GBEEM and Floris-Tomasi model. The parameterization was done with a training set of 62 neutral molecules (13 functional groups) and experimental hydration free energies as target. This new solvation model has produced a mean absolute deviation, MAD, of 0.71 kcal/mol comparing to experimental data.

O método de equalização da eletronegatividade (Electronegativity Equalization Method, EEM), fundamentado em teoria do funcional da densidade eletrônica, foi combinado à aproximação de Born generalizada para moléculas (Generalized Born, GB), e denominado GBEEM (Dias et al., 2002). Os momentos de dipolo permanente no vácuo e em meio condensado (constante dielétrica ~ 80), e distribuições de cargas atômicas, mostraram boa concordância com modelo SM5.4 baseado em cargas CM1 em nível PM3 (12 moléculas, correspondendo a 29 cargas atômicas). Este resultado é interessante devido à simplicidade inerente do GBEEM e seu baixo custo computacional. Uma nova parametrização das durezas e eletronegatividades foi feita com o objetivo de melhorar a distribuição de cargas atômicas em moléculas isoladas em relação ao modelo CM1. Um conjunto de 250 estruturas/cargas PM3/CM1 de moléculas neutras pertencentes a 13 funções orgânicas foi utilizado como alvo na parametrização, utilizando uma metodologia Algoritmo Genético/Simplex de pesquisa de mínimos (Menegon et al., 2002). Boa concordância entre os modelos foi obtida. A validação da parametrização e do EEM foi efetuada usando moléculas bifuncionais (tetrapeptídeo e trisacarídeo) mostrando também boa concordância e robustez. Entretanto, a análise do momento de dipolo permanente das 250 moléculas mostrou uma séria limitação do EEM, e portanto do GBEEM, apesar da boa concordância entre as cargas EEM e CM1. O EEM superestimou os momentos de dipolo. Tal fato pode decorrer de vários fatores, dentre os quais, o truncamento da expansão nas cargas atômicas e ausência de tratamento explícito de interação de troca (exchange). Foi sugerida uma aproximação que restringe a transferência de carga entre grupos na molécula que contornou a limitação do método na predição de momentos de dipolo no vácuo e meio condensado (Shimizu et al., 2004). Com base nos recentes resultados, foi desenvolvido um modelo de solvatação baseado no GBEEM e no modelo de Floris-Tomasi. A calibração foi feita com um conjunto de 62 moléculas neutras (13 grupos funcionais) tendo como alvo as energias livres de hidratação experimentais. Os resultados apresentaram um desvio médio absoluto de 0,71 kcal/mol em relação aos valores experimentais. / The electronegativity equalization method (EEM), founded on density functional theory (DFT), has been combined to the generalized Born approximation (GB) for molecules, and called GBEEM (Dias et al., 2002). The permanent dipole moment in vacuum and condensed phase (dieletric constant ~ 80), and atomic charges distributions, have shown good agreement with SM5.4 solvation model based on CM1 charges at PM3 level (12 molecules, corresponding to 29 atomic charges). This result is interesting due the simplicity of GBEEM and its low computational cost. A new parameterization of the hardness and electronegativities was done with the aim to improve the atomic charges distribution on isolated molecules in comparison to CM1 model. The training set with 250 PM3/CM1 structures/charges of neutral molecules in 13 different organic functions was employed as target in the parameterization. A new optimization approach composed of Genetic and Simplex algorithms was used to fit parameters (Menegon et al., 2002). Good agreement between the models was found. The validation of parameterization and EEM was done using bifunctional molecules (tri-glucose and tetra-peptide) showing good agreement and robustness. However, analysis of permanent dipole moments of 250 molecules shown a serious caveat of EEM and GBEEM, beside the good agreement between EEM and CM1 charges. EEM has overestimated the dipole moments. Such result may be due to the truncated expansion in atomic charges and lacking of explicit treatment of exchange interaction. A new approximation was proposed constraining the charge transfer between groups within the molecule. This approximation corrected the caveat of EEM in the prediction of dipole moments in vacuum and condensed phase (Shimizu et al., 2004). Based on these results, a new solvation model was developed founded in GBEEM and Floris-Tomasi model. The parameterization was done with a training set of 62 neutral molecules (13 functional groups) and experimental hydration free energies as target. This new solvation model has produced a mean absolute deviation, MAD, of 0.71 kcal/mol comparing to experimental data.

Simulações de sais de carbonato fundidos pelo método de Dinâmica Molecular (MD) foram efetuadas com o modelo polarizável de cargas flutuantes (FC). O modelo de cargas flutuantes implementa os efeitos de polarização pelo método de Lagrangiano estendido, onde as variáveis extras são as próprias cargas parciais do íon poliatômico. O modelo FC foi parametrizado por meio de cálculos ab inito, aplicado ao ânion carbonato. Cálculos de Química Quântica ab initio foram utilizados para corroborar o modelo proposto para o ânion carbonato. Os sistemas investigados consistem em misturas de carbonatos alcalinos fundidos, Li2CO3/K2CO3, os quais são utilizados como eletrólitos em células a combustível. As simulações MD foram utilizadas para verificar o efeito da polarização dos ânions sobre a estrutura e dinâmica do líquido. Estudamos o efeito da inclusão de polarização sobre a condutividade do eletrólito. / Simulations of molten carbonate salts by the method of Molecular Dynamics (MD) have been performed with the fluctuanting charge (FC) model. The FC model implements the effect of polarization by using method of extended Lagrangian, where the extra variables are the partial charges of the poliatomic ion. The FC model was parametrized by ab inito calculations os a single carbonate anion. Quantum Chemistry calculations bave been used to corroborate the model for the carbonate anion. The investigated systems consist of alkaline carbonate mixtures, Li2CO3/K2CO3, which are used as electrolytes in fuel cells. MD simulations have been used to verify polarization effects on structure and dynamics of the liquid. We study the effect of including anion polarization on the condutivity of the electrolyte.

Simulações de sais de carbonato fundidos pelo método de Dinâmica Molecular (MD) foram efetuadas com o modelo polarizável de cargas flutuantes (FC). O modelo de cargas flutuantes implementa os efeitos de polarização pelo método de Lagrangiano estendido, onde as variáveis extras são as próprias cargas parciais do íon poliatômico. O modelo FC foi parametrizado por meio de cálculos ab inito, aplicado ao ânion carbonato. Cálculos de Química Quântica ab initio foram utilizados para corroborar o modelo proposto para o ânion carbonato. Os sistemas investigados consistem em misturas de carbonatos alcalinos fundidos, Li2CO3/K2CO3, os quais são utilizados como eletrólitos em células a combustível. As simulações MD foram utilizadas para verificar o efeito da polarização dos ânions sobre a estrutura e dinâmica do líquido. Estudamos o efeito da inclusão de polarização sobre a condutividade do eletrólito. / Simulations of molten carbonate salts by the method of Molecular Dynamics (MD) have been performed with the fluctuanting charge (FC) model. The FC model implements the effect of polarization by using method of extended Lagrangian, where the extra variables are the partial charges of the poliatomic ion. The FC model was parametrized by ab inito calculations os a single carbonate anion. Quantum Chemistry calculations bave been used to corroborate the model for the carbonate anion. The investigated systems consist of alkaline carbonate mixtures, Li2CO3/K2CO3, which are used as electrolytes in fuel cells. MD simulations have been used to verify polarization effects on structure and dynamics of the liquid. We study the effect of including anion polarization on the condutivity of the electrolyte.