Обзор программного обеспечения для расчетов и моделирования в области химии

Редактирование текстов, содержащих химическую информацию, требует использования специализированных программных инструментов. Для этого и создано химическое программное обеспечение.

Химическое программное обеспечение -- компьютерные программы, используемые в области химии [4].

Как правило, химические редакторы снабжаются комплектами заготовок сложных формул и рисунков, наиболее часто употребляемых в работе (аминокислоты, пептиды, углеводы, стереоизомеры, нуклеотиды, лабораторное оборудование и т.п.). Многие снабжены модулями по именованию соединений в соответствии с номенклатурой.

Химические редакторы обычно позволяют выполнять следующие функции:

создавать на экране химические структурные формулы, схемы реакций, лабораторные установки;

конструировать объемные молекулярные модели и выполнять манипуляции с ними (увеличение или уменьшение моделей, вращение и перемещение их и т.д.);

рассчитывать энергетические и пространственные параметры системы (распределение электронной плотности, энергию и длину связей, валентные углы и т.п.);

рассчитывать энергию молекулы в стационарном и возбужденных состояниях на основе классической механической модели осциллирующих атомов;

рассчитывать другие молекулярные характеристики и вероятность пути прохождения химических реакций;

и т.д. [4]

1. КЛАСИФИКАЦИЯ

Разнообразие форм у программного обеспечения великое множество. Оно может быть знакомым и привычным, работающих на многих домашних компьютерах, такие как Microsoft Word, Google Chrome, Gimp или Aimp, а могут быть предназначены для серверов, например Nginx, Squid, IIS. Кстати, веб-страница это тоже программное обеспечение, написанное на языке разметки HTML, возможно, с применением Javascript и CSS. [4]

Приведенный пример не исчерпывает все языки и программирования и технологии, они также могут крайне разнообразны -- это Кобол и Ada, Си,C++, C#, Java, Python, Lisp и прочие и прочие. Для каждого из них написано множество библиотек и фреймворков, такие как Qt, GTK, GSL, Spring Framework, Django и многие другие.

Программы можно поделить по способу исполнения на: интерпретируемые и компилируемые. Также они могут быть платформозависмыми, как уже упомянутый Word, так и кроссплатформенными, как LibreOffice. [4]

Также можно классифицировать по способу распространения и использования на несвободное (закрытое), открытое и свободное.

Однако классически программное обеспечение принято подразделять по назначению (см. Рис.1) :

Системное

Прикладное

Инструментальное [8]

Рис. 1 Программное обеспечение

1.3 Системное ПО

Что касается системного обеспечения, это программы общего пользования, выполняющие различные вспомогательные функции, например создание копий используемой информации, выдачу справочной информации о компьютере, проверку работоспособности устройств компьютера и т.д. [9]

К системному ПО относятся:

· операционные системы (эта программа загружается в ОЗУ при включении компьютера)

· программы - оболочки (обеспечивают более удобный и наглядный способ общения с компьютером, чем с помощью командной строки DOS, например, Norton Commander)

· операционные оболочки - интерфейсные системы, которые используются для создания графических интерфейсов, мультипрограммирования и.т.

· Драйверы (программы, предназначенные для управления портами периферийных устройств, обычно загружаются в оперативную память при запуске компьютера)

· утилиты (вспомогательные или служебные программы, которые представляют пользователю ряд дополнительных услуг)

К утилитам относятся:

· диспетчеры файлов или файловые менеджеры

· средства динамического сжатия данных (позволяют увеличить количество информации на диске за счет ее динамического сжатия)

· средства просмотра и воспроизведения

· средства диагностики; средства контроля позволяют проверить конфигурацию компьютера и проверить работоспособность устройств компьютера, прежде всего жестких дисков

· средства коммуникаций (коммуникационные программы) предназначены для организации обмена информацией между компьютерами

· средства обеспечения компьютерной безопасности (резервное копирование, антивирусное ПО). [9]

Необходимо отметить, что часть утилит входит в состав операционной системы, а другая часть функционирует автономно. Большая часть общего (системного) ПО входит в состав ОС. Часть общего ПО входит в состав самого компьютера (часть программ ОС и контролирующих тестов записана в ПЗУ или ППЗУ, установленных на системной плате). Часть общего ПО относится к автономными программам и поставляется отдельно. [9]

1.4 Прикладное ПО

Прикладное ПО - программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых работ на ПК: редактирование текстовых документов, создание рисунков или картинок, создание электронных таблиц и т.д.

Пакеты прикладных программ - это система программ, которые по сфере применения делятся на проблемно - ориентированные, пакеты общего назначения и интегрированные пакеты. Современные интегрированные пакеты содержат до пяти функциональных компонентов: тестовый и табличный процессор, СУБД, графический редактор, телекоммуникационные средства. [9]

К прикладному ПО относятся:

· Комплект офисных приложений MS OFFICE

· Бухгалтерские системы

· Финансовые аналитические системы

· Интегрированные пакеты делопроизводства

· CAD - системы (системы автоматизированного проектирования)

· Редакторы HTML или Web - редакторы

· Браузеры - средства просмотра Web - страниц

· Графические редакторы

· Экспертные системы

· И так далее. [9]

1.5 Инструментальное ПО

Инструментальное ПО или системы программирования - это системы для автоматизации разработки новых программ на языке программирования. [9]

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования (языке системного программирования) нужно иметь следующие компоненты:

1. Текстовый редактор для создания файла с исходным текстом программы. [9]

2. Компилятор или интерпретатор. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в промежуточный объектный код. Исходный текст большой программы состоит из нескольких модулей (файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое. [9]

3. Редактор связей или сборщик, который выполняет связывание объектных модулей и формирует на выходе работоспособное приложение - исполнимый код.

Исполнимый код - это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ЕХЕ или .СОМ.

4. В последнее время получили распространение визуальный методы программирования (с помощью языков описания сценариев), ориентированные на создание Windows-приложений. Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются готовые визуальные компоненты, которые настраиваются с помощью специальных редакторов. [9]

Наиболее популярные редакторы визуального проектирования:

· Borland Delphi - предназначен для решения практически любых задачи прикладного программирования

· Borland C++ Builder - это отличное средство для разработки DOS и Windows приложений

· Microsoft Visual Basic - это популярный инструмент для создания Windows-программ

· Microsoft Visual C++ - это средство позволяет разрабатывать любые приложения, выполняющиеся в среде ОС типа Microsoft Windows

· Программное обеспечение для расчетов и моделирования в области химии относится к Прикладному программного обеспечению (см. Прикладное ПО) [9]

2. ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТОВ И МОДЕЛИРОВАНИЯ В ХИМИИ

2.2 ACD ChemSketch 12.01

Одна из последних версий химического редактора, которая позволяет рисовать химические формулы, в том числе и объемные, уравнения реакций. Содержит базу рисунков лабораторной посуды, позволяет рассчитать основные химические параметры. Программа, выполняющая большое количество всевозможных физико-химических расчетов, таких как вычисление температуры кипения по формуле в-ва, предсказание ПМР Н1 и С13 спектров, расчет зарядов на ядрах, вычисление изоэлектрической точки и многое другое (см. рис.4,5).

Также программа обладает многофункциональной рисовалкой с функцией 3D просмотра и расчета геометрии молекулы (см. Рис.5,6,7) . [6]

Рис. 4 Интерфейс программы ACD ChemSketch

Рис. 5 Пример построения структурных формул в ACD ChemSketch

Рис. 6 Таблица радикалов в ACD ChemSketch

Рис. 7 Описание посуды в ACD ChemSketch

2.3 Avogadro (FreeWare) - 3D визуализация

- расширенный молекулярный редактор, разработанный для использования на нескольких платформах (в частности на ОС Windows), по вычислительной химии, молекулярному моделированию, биоинформатике, науке о материалах и др.

Это бесплатная система проектирования и моделирования молекул и биомолекул для *NIX систем (см. Рис.8,9,10). Программа может легко показать такие свойства как молекулярные орбитали или электростатические потенциалы, также есть возможность интуитивного молекулярного построения. [6]

Рис. 8 Пример построения структурных формул в Avogadro

Рис. 9 Пример построения структурных формул в Avogadro(улучшенная версия программы)

Рис. 10 Пример построения структурных формул в Avogadro(улучшенная версия программы)

2.4 Balancer

Это программа, которая позволяет расставлять и уравнивать коэффициенты в уравнениях химических реакций. Ее достоинства в том, что она: - уравнивает любые типы реакций; - вычисляет моль, массовые и газовые объемы для сбалансированного уравнения. Пользователь может выбрать из базы данных множество химических веществ.

Определённые пользователем формулы могут быть сохранены, например, для химических веществ, часто используемых в вычислении (см. Рис.11,12).

При использовании строгих математических методов Balancer может уравнять уравнения любой сложности.

Balancer можно использовать для предсказывания реакций стандартного типа. [6]

Рис. 11 Пример расстановки коэффициентов в Balancer

Рис. 12 Интерфейс Balancer

2.5 Base Acid Titration and Equilibria (BATE)

- pH calculator разработан, чтобы помочь при расчётах, которые могут возникнуть в повседневной практике. Можно использовать рН калькулятор для определения рН смеси в любой пропорции сильной/ слабой кислоты и основания. Такие смеси включают решения для большинства солей и буферов (см. Рис.14) .

рН калькулятор можно применять для расчета концентраций всех форм диссоциированных кислот и щелочей, присутствующих в растворе [7].

Программа предполагает использование встроенных в рН калькулятора кислоты и основания базы данных.

Можно использовать рН калькулятор для расчёта кривой титрования (см. Рис.13) .

В программе предусмотрена распечатка результатов расчёта и кривых титрования для дальнейшего исследования. [6]

Рис. 13 Пример расчета рН раствора в BATE

Рис. 14 Расчеты в BATE

2.6 CalcSam. Калькулятор для расчета водно-спиртовых растворов

Программа пересчитывает показания ареометра, полученные при одной температуре в показания ареометра, которые будут при другой температуре раствора. По известной концентрации раствора рассчитывает объемную, массовую и молярную концентрации, а также плотность (см. Рис.15) . По известной концентрации рассчитывает температуру кипения, массовый и молярный состав пара. [6]

Рис. 15 Интерфейс CalcSam

2.7 CambrigeSoftChemDrawPro

Версия профессиональной системы компьютерного моделирования химических соединений любой сложности (см. Рис.16,17). Рисует механизмы реакций для публикаций и представляет трехмерные молекулярные поверхности, орбитами и молекулярные свойства. [6]

Рис. 16 Интерфейс программы

Рис. 17 Пример построения структурных формул в CambrigeSoftChemDrawPro

2.8 Chemissian v1.70 Portable

Является важным инструментом анализа электронной структуры молекул и спектров (см. Рис.18) . Он может манипулировать молекулярными орбиталями энергетических уровней диаграммы (Hartree-Fock and Kohn-Sham orbitals), расчетные и экспериментальные UV-VIS электронные спектры, карты электронной и спиновой плотности и подготовки их к публикации. [6]

Рис. 18 Интерфейс Chemissian

2.9 CHEMIX School 3.5 Portable

Что можно сказать. Программа далеко ушла от российских аналогов. CHEMIX School - набор химических утилит, включает в себя периодическую систему элементов, молекулярный калькулятор, модули по электрохимии, спектроскопии, словари, справочники и многое другое (см. Рис.19,20) . CHEMIX School является образовательным инструментом для обучения химии. [6]

Рис. 19 Калькулятор CHEMIX School

Рис. 20 Главное меню CHEMIX School

2.10 ChemMaths v11

Программное обеспечение, подходящее для студентов-химиков, инженеров, а также для профессионального использования. ChemMaths содержит информацию о 3000 химических составах, периодической таблице химических элементов, критических константах, термодинамических свойствах, поверхностном натяжении, вычислении вязкости и т. д. Решает около 500 задач по химии, электричеству, физике, а также математические уравнения (см. Рис.21,22) . Содержит 200 единиц преобразования. Программа имеет возможность создавать двух/трехмерные графики, строить чертежи, модели процесса. Находить решения матричных задач, финансовых, геометрических, статистических и многих других математических уравнений и т.д. [6]

Рис. 21 Интерфейс в ChemMaths

Рис. 22 Расчеты в ChemMaths

2.11 ChemSite (FreeWare) - 3D визуализация молекул

Программа для создания 3D-моделей молекул. В этой программе легко построить структуру любого органического соединения, поскольку она содержит множество инструментов: функциональные группы, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, углеводы и др. (см. Рис.22,23) Каждый структурный фрагмент можно добавить на экран или присоединить к любому атому. [6]

Рис. 23 Моделирование структурных формул в ChemSite

Рис. 24 Моделирование в ChemSite

2.12 CrystalMaker.v2.3.0

CrystalMaker - программа для визуального наблюдения и анализа кристаллических и молекулярных структур (см. Рис.25,26) . Программа обеспечивает высокое разрешение фото-реалистичной графики, грандиозный 3D стерео экран, инструментальные средства анимации, процифровое видео и выход QTVR. [6]

Рис. 25 Моделирование CrystalMaker

Рис. 26 Построение структурных формул в CrystalMaker

2.13 HyperChem 7.0

HyperChem - комплексный программный продукт, предназначенный для задач квантово-механического моделирования атомных структур. Он включает в себя программы, реализующие методы молекулярной механики, квантовой химии и молекулярной динамики (см. Рис.27) . Силовые поля, которые могут использоваться в HyperChem - это ММ+ (на базе ММ2), Amber, OPLS и BIO+ (на базе CHARMM). [1] [6]

Рис. 27 Визуализация в HyperChem

2.14 PL Table

PL Table - это многофункциональная периодическая система элементов, реализация периодической системы на PC, позволяющая получать информацию об элементах (более 20 типов данных о каждом химическом элементе), и встроенный химический калькулятор, позволяющий мгновенно уравнивать химические реакции любой сложности, решать химические задачи (см. Рис.28) . Помимо привычного формата отображения таблицы Менделеева, предусмотрено около двадцати альтернативных видов. Одним словом, перед нами хороший пример того, что даже такую скучную и привычную вещь, как таблица химических элементов, можно наделить дополнительными "удобствами", перенеся ее со страниц учебника на экран компьютера. [1] [6] [10]

Особенности программы PL Table:

· Подробные данные о каждом химическом элементе (атомная масса, электропроводность, плотность, потенциалы ионизации, место и время открытия, изотопы элемента и другие сведения).

· Возможность пополнения данных пользовательской информацией о химических элементах.

· Построение графиков на основании числовой информации об элементах (включая и пользовательские данные).

· Отображение ряда химической активности металлов.

· Различные варианты отображения периодической системы элементов и редактирование положения элементов в таблице.

· Экспорт информации об элементах.

· Уравнивание химических реакций.

· Решение стандартных химических задач (нахождение массы и объема всех остальных веществ в реакции, по известным значениям для одного из них и т.п.).

· Сохранение реакций в базе данных, с возможностью последующего обращения к ним.

· Определение степеней окисления элементов в соединениях, а также возможность вносить в программу новые соединения, элементы которых проявляют нестандартную степень окисления.

· Перевод температур между разными шкалами. [10]

Рис. 28 Периодическая таблица Менделеева в PL Table

2.15 Portable Virtual Chemistry Lab 2.0

Программа представляет из себя виртуальную химическую лабораторию со множеством возможностей. Virtual Chemistry Lab является полезны м инструментом для преподавателей, студентов и всех тех, кто просто интересуется химией. Программа интуитивно понятна: имеется так называемый рабочий стол и две "полки" - для инструментов и химикатов. [11]

Чтобы провести опыт, пользователь должен поставить на стол необходимые инструменты и поместить в них химикаты. Программа имеет базу данных реакций и может визуально показывать большинство из них. Способ, каким в этой программе ставятся эксперименты, очень напоминает работу реальной лаборатории. В программе есть “помощник”, который уведомляет относительно всех изменениях, происходящих в программе. Virtual Chemistry Lab имеет множество дополнительных инструментов, включая периодическую таблицу элементов, таблицу растворимостей, таблицу окислительных реакций и даже глоссарий, редактор уравнений и конвертор единиц измерения (см. Рис.29,30) . В программе также предусмотрено самотестирование, имеется научный калькулятор и возможность выполнять лабораторные работы. [1] [11]

Рис. 29 Пример проведения опыта в Portable Virtual Chemistry Lab

Рис. 30 Периодическая таблица в Portable Virtual Chemistry Lab

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современном компьютеризированном мире у химика-инженера огромнейший выбор различного ПО для моделирования и расчетов в области химии. Программы для построения формул, расчета концентраций, рН, рОН, констант и степеней, для изучения свойств элементов и различных веществ помогут молодому ученому и даже простому школьнику понять все прелести такой чудесной и необыкновенной науки, как химия.

Многие химические редакторы весьма просты в использовании, не занимают много пространства на жестком диске, не требуют особых усилий в инсталляции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: