Simulación molecular de la temperatura de máxima densidad de sistemas alcohol+agua

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2018/19). Director: Diego González Salgado. En este trabajo fin de máster se han desarrollado varios modelos de mezcla para sistemas {alcohol+agua}, siendo etanol, propan-1-ol y propan-2-ol los alcoholes objeto de estudio. Las moléculas de alcohol se han caracterizado por medio del campo de fuerzas OPLS-AA mientras que se ha elegido el modelo flexible TIP4P/2005f para el agua. Las interacciones de Lennard-Jones cruzadas entre alcohol y agua se han determinado de tal forma que el modelo resultante permita describir adecuadamente la entalpía molar hE y el volumen molar de exceso vE experimentales a la temperatura de 298.15 K y presión atmosférica. En el procedimiento de ajuste se han fijado los parámetros de Lennard-Jones cruzados entre el oxígeno del agua y los carbonos del alcohol al valor dado por la regla de combinación geométrica mientras que los parámetros LJ entre el oxígeno del alcohol y el del agua son los únicos que han sido ajustados. Una vez realizado el ajuste de forma satisfactoria para los tres sistemas objeto de estudio, se ha determinado la densidad para tres fracciones molares de cada sistema realizando simulaciones desde 250 K hasta 330 K a presión atmosférica. A partir de los valores de densidad se realiza un ajuste de la curva densidad-temperatura, mediante el cual se obtiene el valor final de la TMD para cada fracción molar. Todas las simulaciones llevadas a cabo se han realizado mediante la técnica de Dinámica Molecular en el colectivo NpT, utilizando el programa comercial GROMACS versión 2018.3 instalado en el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA).

In this final master's work, several mixing models have been developed for {alcohol+water} systems, being ethanol, propan-1-ol and propan-2-ol the alcohols under study. The alcohol molecules have been characterised by means of the OPLS-AA force field while the flexible model TIP4P/2005f has been chosen for the water. The Lennard-Jones interactions between alcohol and water have been determined in such a way that the resulting model can adequately describe the experimental molar enthalpy hE and molar volume of excess vE at 298.15 K of temperature and atmospheric pressure. In the fitting procedure the Lennard-Jones crossed parameters between the oxygen of water and the carbons of the alcohol have been set to the value given by the geometric combination rule while the LJ parameters between the oxygen of the alcohol and the oxygen of water are the only ones that have been fitted. Once the fit has been made satisfactorily for the three systems under study, the density for three molar fractions of each system has been determined by performing simulations from 250 K to 330 K at atmospheric pressure. A fit of the density-temperature curve is made from the density values, by means of which the final value of the TMD for each molar fraction is obtained. All the simulations in this work have been carried out using the Molecular Dynamics technique in the NpT collective, using version 2018.3 of the commercial program GROMACS installed in the Supercomputing Centre of Galicia (CESGA).