Simulación molecular del etanol

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2021/22). Director: Dr. D. Julio Largo Maeso. Este trabajo fin de máster se basa en el estudio del comportamiento del etanol puro tanto en monofase como en equilibrio de fases, vapor-líquido y de una mezcla binaria, agua y etanol, utilizando como herramienta la simulación de sistemas de moléculas mediante dinámica molecular. La dinámica molecular permite evaluar el movimiento de las partículas que conforman el sistema en un determinado periodo de tiempo, su fundamento se basa en resolver las ecuaciones de movimiento de Newton, ya que éstas nos permiten conocer la trayectoria, posición y velocidad de los cuerpos y por ende, la energía cinética, potencial y total. Conociendo las posiciones y velocidades de las partículas en función del tiempo se pueden obtener valores promedio de propiedades termodinámicas (energía, temperatura, presión, tensión superficial), de transporte (auto-difusión y viscosidad) y estructurales (función de distribución radial, perfil de densidad, puentes de hidrógeno). En este trabajo se ha tratado de reproducir mediante simulación molecular el estudio del etanol tanto en estado líquido como en equilibrio entre las fases vapor y líquido, además del estudio de una mezcla binaria de etanol y agua, describiendo el comportamiento del perfil de densidad para el caso del etanol en coexistencia de fases como ejemplo de las propiedades interfaciales y el cálculo de propiedades termodinámicas como densidad total y energía intermolecular para la mezcla binaria agua y etanol. Para el estudio del etanol en monofase se han realizado simulaciones a presión constante de 1 Bar en un rango de temperatura entre 273K y 373K, para comparar los datos de densidad con resultados experimentales. Para el estudio del perfil de densidad de la mezcla etanol vapor-líquido, las simulaciones se han realizado en el colectivo NVT, con temperaturas comprendidas entre 400K y 500K, con el fin de ver hacia dónde tiende el equilibrio. Para el estudio de la mezcla binaria etanol y agua, las simulaciones se han realizado en el colectivo NpT a una T de 298K y una P de 1 Bar, variando el porcentaje en masa de las moléculas de alcohol, como resultado se estudia la densidad y la energía intermolecular de la mezcla y se compara con otros datos experimentales. Las moléculas de etanol se han caracterizado por medio del campo de fuerzas OPLS-AA y las del agua por el modelo TIP4P/2005f, son estos potenciales los que definen las interacciones etanol-etanol y agua-agua, respectivamente. Todas las simulaciones realizadas se han lanzando mediante la técnica de Dinámica Molecular utilizando el programa comercial GROMACS versión 2018.3 instalado en el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA).

This master's thesis is based on the study of the behavior of pure ethanol both in monophase and in phase equilibrium, vapor-liquid and of a binary mixture, water and ethanol, using the simulation of molecular systems through molecular dynamics as a tool. Molecular dynamics allows evaluating the movement of the particles that make up the system in a certain period of time, its foundation is based on solving Newton's equations of motion, since these allow us to know the trajectory, position and speed of the bodies and therefore, the kinetic, potential and total energy. Knowing the positions and velocities of the particles as a function of time, it is possible to obtain average values of thermodynamic properties (energy, temperature, pressure, surface tension), transport (self-diffusion and viscosity) and structural properties (radial distribution function, flow profile). density, hydrogen bonds). In this work we it has tried to reproduce, by means of molecular simulation, the study of ethanol both in the liquid state and in equilibrium between the vapor and liquid phases, in addition to the study of a binary mixture of ethanol and water, describing the behavior of the density profile for the case of ethanol in coexistence of phases as an example of the interfacial properties and the calculation of thermodynamic properties such as total density and intermolecular energy for the binary mixture of water and ethanol. For the study of ethanol in monophase, simulations have been carried out at a constant pressure of 1 Bar in a temperature range between 273K and 373K, to compare the density data with experimental results. For the study of the density profile of the vapor-liquid ethanol mixture, the simulations have been carried out in the NVT collective, with temperatures between 400K and 500K, in order to see where the equilibrium tends. For the study of the binary mixture of ethanol and water, the simulations have been carried out in the NpT collective at a T of 298K and a P of 1 Bar, varying the percentage by mass of the alcohol molecules, as a result the density and intermolecular energy of the mixture and compared with other experimental data. Ethanol molecules have been characterized by means of the OPLS-AA force field and those of water by the TIP4P/2005f model; these potentials are what define the ethanol-ethanol and water-water interactions, respectively. All the simulations carried out have been launched using the Molecular Dynamics technique using the commercial program GROMACS version 2018.3 installed at the Galician Supercomputing Center (CESGA).