Un método de contribución de grupo en química es una técnica para estimar y predecir propiedades termodinámicas y de otro tipo a partir de estructuras moleculares.
En los procesos químicos actuales se utilizan cientos de miles de componentes. El registro del Chemical Abstracts Service enumera 56 millones de sustancias, [1] pero muchas de ellas sólo tienen interés científico.
Los diseñadores de procesos necesitan conocer algunas propiedades químicas básicas de los componentes y sus mezclas . La medición experimental suele ser demasiado costosa.
Los métodos predictivos pueden sustituir a las mediciones si proporcionan estimaciones suficientemente buenas. Las propiedades estimadas no pueden ser tan precisas como las mediciones bien realizadas, pero para muchos propósitos la calidad de las propiedades estimadas es suficiente. Los métodos predictivos también pueden utilizarse para comprobar los resultados del trabajo experimental.
Un método de contribución grupal utiliza el principio de que algunos aspectos simples de las estructuras de los componentes químicos son siempre los mismos en muchas moléculas diferentes. Los constituyentes comunes más pequeños son los átomos y los enlaces. La gran mayoría de los componentes orgánicos, por ejemplo, están formados por carbono , hidrógeno , oxígeno , nitrógeno , halógenos (sin incluir el astato ) y, tal vez , azufre o fósforo . Junto con un enlace simple, uno doble y uno triple, solo hay diez tipos de átomos y tres tipos de enlaces para construir miles de componentes. Los siguientes bloques de construcción de componentes ligeramente más complejos son los grupos funcionales , que a su vez están formados por unos pocos átomos y enlaces.
Se utiliza un método de contribución de grupo para predecir las propiedades de componentes puros y mezclas mediante el uso de propiedades de grupos o átomos. Esto reduce drásticamente la cantidad de datos necesarios. En lugar de necesitar conocer las propiedades de miles o millones de compuestos, solo se deben conocer los datos de unas pocas docenas o cientos de grupos.
La forma más simple de un método de contribución de grupo es la determinación de una propiedad componente sumando las contribuciones del grupo :
Esta forma simple supone que la propiedad (el punto de ebullición normal en el ejemplo) depende estrictamente de forma lineal del número de grupos y, además, no se supone que exista interacción entre grupos y moléculas. Este enfoque simple se utiliza, por ejemplo, en el método Joback para algunas propiedades y funciona bien en un rango limitado de componentes y rangos de propiedades, pero conduce a errores bastante grandes si se utiliza fuera de los rangos aplicables.
Esta técnica utiliza las contribuciones puramente aditivas del grupo para correlacionar la propiedad deseada con una propiedad de fácil acceso. Esto se hace a menudo para la temperatura crítica , donde la regla de Guldberg implica que Tc es 3/2 del punto de ebullición normal, y las contribuciones del grupo se utilizan para dar un valor más preciso:
Este enfoque suele dar mejores resultados que las ecuaciones aditivas puras porque la relación con una propiedad conocida aporta algún conocimiento sobre la molécula. Las propiedades adicionales que se utilizan habitualmente son el peso molecular, el número de átomos, la longitud de la cadena y el tamaño y el número de anillos.
Para predecir las propiedades de una mezcla, en la mayoría de los casos no es suficiente utilizar un método puramente aditivo, sino que la propiedad se determina a partir de parámetros de interacción de grupos:
donde P representa la propiedad y G ij el valor de interacción grupal.
Un método típico de contribución de grupo que utiliza valores de interacción de grupo es el método UNIFAC , que estima coeficientes de actividad. Una gran desventaja del modelo de interacción de grupo es la necesidad de muchos más parámetros de modelo. Mientras que un modelo aditivo simple solo necesita 10 parámetros para 10 grupos, un modelo de interacción de grupo necesita ya 45 parámetros. Por lo tanto, un modelo de interacción de grupo normalmente no tiene parámetros para todas las combinaciones posibles [ aclarar ] .
Algunos métodos más nuevos [2] introducen grupos de segundo orden. Estos pueden ser supergrupos que contienen varios grupos de primer orden (estándar). Esto permite la introducción de nuevos parámetros para la posición de los grupos. Otra posibilidad es modificar las contribuciones de los grupos de primer orden si también están presentes otros grupos específicos. [3]
Si bien la mayoría de los métodos de contribución de grupos dan resultados en fase gaseosa, recientemente se creó un nuevo método de este tipo [4] para estimar la energía libre de Gibbs estándar de formación (Δ f G ′°) y reacción (Δ r G ′°) en sistemas bioquímicos: solución acuosa, temperatura de 25 °C y pH = 7 (condiciones bioquímicas). Este nuevo método de sistema acuoso se basa en el método de contribución de grupos de Mavrovouniotis. [5] [6]
Una herramienta de libre acceso de este nuevo método en condiciones acuosas está disponible en la web. [7]
Las contribuciones de los grupos se obtienen a partir de datos experimentales conocidos de componentes puros y mezclas bien definidos. Las fuentes habituales son los bancos de datos termofísicos, como el Banco de Datos de Dortmund , la base de datos Beilstein o el banco de datos DIPPR (de AIChE ). Las propiedades de los componentes puros y de las mezclas dadas se asignan a los grupos mediante correlaciones estadísticas, como por ejemplo la regresión (multi)lineal.
Los pasos importantes durante el desarrollo de un nuevo método son:
La fiabilidad de un método depende principalmente de un banco de datos completo en el que se disponga de suficientes datos fuente para todos los grupos. Una base de datos pequeña puede permitir una reproducción precisa de los datos utilizados, pero dará lugar a errores importantes cuando el modelo se utilice para la predicción de otros sistemas.
El método Joback fue publicado en 1984 por Kevin G. Joback. Puede utilizarse para estimar la temperatura crítica, la presión crítica, el volumen crítico, la entalpía de formación de gas ideal estándar, la energía de Gibbs de formación de gas ideal estándar, la capacidad calorífica de gas ideal, la entalpía de vaporización, la entalpía de fusión, el punto de ebullición normal, el punto de congelación y la viscosidad del líquido. [8] El método Joback es un método de primer orden y no tiene en cuenta las interacciones moleculares.
El método de Ambrose fue publicado por Douglas Ambrose en 1978 y 1979. Puede utilizarse para estimar la temperatura crítica, la presión crítica y el volumen crítico. Además de la estructura molecular, requiere el punto de ebullición normal para estimar la temperatura crítica y el peso molecular para estimar la presión crítica. [9] [10]
El método Nannoolal fue publicado por Yash Nannoolal et al en 2004. Puede utilizarse para estimar el punto de ebullición normal. Incluye contribuciones de primer y segundo orden. [11]
![{\displaystyle T_{\text{b}}[{\text{K}}]=198,2022567824111+\sum G_{i}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/510e412f86eb38388a01cbc5a68b4c0b7d78d64f)
![{\displaystyle T_{c}}=T_{\text{b}}[0,584+0,965\sum G_{i}-(\sum G_{i})^{2}\right]^{-1}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b4e99cbea08077ae38d2067fc1d47835fa65407)
