Giáo án chuyên đề Hoá học 10 cánh diều Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng của phân tử

HĐ CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV cho HS đọc mục 1 SGK – tr63 và trả lời câu hỏi:

+ Phương pháp bán kinh nghiệm sử dụng dữ liệu nào? Ưu điểm là gì?

+ Phương pháp bán kinh nghiệm mới nhất là phương pháp nào? Phương pháp đó được tích hợp trong phần mềm nào?

+ Khi sử dụng MOPAC, người dùng chỉ cần quan tâm đến việc gì?

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu.

- GV gợi ý, hướng dẫn.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu S ghi chép đầy đủ vào vở.

1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm tính toán (hoá học lượng tử) bán kinh nghiệm

Phương pháp bán kinh nghiệm sử dụng sẵn một số tham số từ thực nghiệm nên có ưu điểm là thời gian tính nhanh, mức độ chính xác phù hợp cho việc giảng dạy và học tập.

Phương pháp bán kinh nghiệm mới nhất là phương pháp PM7 được tích hợp trong phần mềm miễn phí MOPAC (http://openmopac.net/download_MOPAC_Executable_step2.html).

Do phương pháp tính, tham số thực nghiệm đã được tích hợp sẵn trong MOPAC nên người dùng đơn giản chỉ cần quan tâm đến các thao tác thực hiện chạy chương trình và phân tích kết quả.

HĐ CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV hướng dẫn HS truy cập link và tải phần mềm.

- GV lưu ý HS: Việc cài đặt phần mềm MOPAC có thể nhờ những người thành thạo về công nghệ thông tin.

Phải để chế độ hiển thị phần mở rộng của file.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu.

- GV gợi ý, hướng dẫn.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

2. Cài đặt phần mềm MOPAC

 Truy cập link

http://openmopac.net/download_MOPAC_Executable_step2.html

à click vào “Download stand-alone 64-bit MOPAC 2016 for window” để tải phần mềm.

à Giải nén file và tiến hành cài đặt theo hướng dẫn trong file “Installation instructions.txt”. 

Lưu ý: Phải để chế độ hiện phần mở rộng của file (Với Windows 10, vào Control Panel/File Explorer Options/View để bỏ tích ô Hide extensions for known file types) cho các thao tác sau này.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV cho HS đọc mục 3 SGK trang 64, HS thực hành lại Ví dụ trên máy tính.

- GV tổng quát lại các bước thực hiện:

Bước 1: Sử dụng ChemSketch để vẽ cấu trúc 2D của chất, vào Tools à 3D Structure Optimization à 3D viewer để hiện cấu trúc 3D.

Bước 2: Trong 3D Viewer, File à Save As à đặt tên file, lưu dưới dạng .mop (phần Save as type chọn MOPAC Z-Matrix) vào một thư mực nào đó (không để thư mục có đường dẫn bằng Tiếng Việt).

Bước 3: Nhấn chuột phải lên file vừa lưu, Open with NotePad, ở dòng trống trên cùng thêm lệnh OPT và ENPART.

Bước 4: Nháy đúp chuột trái vào file lưu ở Bước 2, chương trình sẽ chạy và kết thúc trong vài giây (nếu không thấy chạy thì nhấn chuột phải vào C5H6OH.mop, Open with để mở bằng MOPAC2016.exe). Thêm 2 file mới xuất hiện có đuôi .out và .arc

Bước 5: Hiển thị kết quả

+ Mở file có đuôi .out bằng NotePad.

+ Phần kết quả sẽ cho biết nhiệt tạo thành (kJmol^-1 và năng lượng của phân tử eV)

- GV hướng dẫn để HS hiểu phần kết quả:

+ FINAL HEAT OF FORMATION: nhiệt tạo thành

+ ETOT (EONE + ETWO): năng lượng tổng

- GV yêu cầu HS tìm hiểu nội dung SGK trang 65 và trả lời các câu hỏi:

+ Đối với đơn chất, có sử dụng giá trị enthalpy tạo thành theo MOPAC không?

(Đối với đơn chất: Sử dụng enthalpy tạo thành của đơn chất (ở dạng bền vững nhất) bằng 0 ở điều kiện chuẩn thay cho giá trị tính từ MOPAC)

+ Kết quả mặc định enthalpy tạo thành theo MOPAC ở dạng nào? (Kết quả mặc định enthalpy tạo thành theo MOPAC là của chất ở thể khí)

+ Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, để biết độ dài liên kết, góc liên kết, chọn công cụ nào?

(Nháy chuột phải lên C6H5OH.arc à rename, thêm .mop; Trong menu File của 3D Viewer à Open  à Files of Type à MOPAC Z-Matrix  à file C6H5OH.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phenol

Để biết độ dài liên kết, góc liên kết: chọn công cụ  à nháy chuột lên các nguyên tử tương ứng cho kết quả độ dài các liên kết d(O – H) là 0,987 , d(C – O) là 1,359 , góc liên kết HOC = 112,319^o)

- GV nêu các giá trị đo từ thực nghiệm: độ dài của các liên kết d(O – H) là 0,956 , d(C – O) là 1,364 , góc liên kết HOC = 109^o

- GV yêu cầu HS: So sánh số đo độ dài liên kết, góc liên kết của phenol với giá trị đo từ thực nghiệm (Các giá trị sấp xỉ nhau)

- GV đưa ra chú ý cho HS về kết quả là cho phenol ở pha khí và hướng dẫn HS cách để nhận được kết quả phenol trong dịch nước.

- HS áp dụng làm Luyện tập:

Tính lại cấu trúc của C6H5OH trong dung môi nước. Các giá trị nhiệt tạo thành, năng lượng tổng, độ dài liên kết O – H và góc HOC là bao nhiêu?

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu.

- GV: quan sát và trợ giúp HS.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

3. Thực hiện tính và hiển thị kết quả

Ví dụ (SGK – tr64)

Bước 1: Sử dụng ChemSketch để vẽ cấu trúc 2D của chất, vào Tools à 3D Structure Optimization à 3D viewer để hiện cấu trúc 3D.

Bước 2: Trong 3D Viewer, File à Save As à đặt tên file là C6H5OH, lưu dưới dạng .mop (phần Save as type chọn MOPAC Z-Matrix) vào một thư mực nào đó (không để thư mục có đường dẫn bằng Tiếng Việt).

Bước 3: Nhấn chuột phải lên file C6H5OH.mop, Open with NotePad, ở dòng trống trên cùng thêm lệnh OPT và ENPART.

Bước 4: Nháy đúp chuột trái vào file C6H5OH.mop, chương trình sẽ chạy và kết thúc trong vài giây (nếu không thấy chạy thì nhấn chuột phải vào C5H6OH.mop, Open with để mở bằng MOPAC2016.exe). Thêm 2 file mới xuất hiện có đuôi C6H5OH.out và C6H5OH.arc

Bước 5: Hiển thị kết quả

+ Mở file có đuôi C6H5OH.out bằng NotePad.

+ Phần kết quả:

Như vậy, kết quả này cho biết nhiệt tạo thành (ở điều kiện chuẩn, theo tính toán PM7) là -92,7 kJmol^-1 phù hợp với kết quả thực nghiệm là -90,4 kJmol^-1. Tổng năng lượng của phân tử phenol là -1113,0 eV^* (đơn vị eV trong file C6H5OH.out ghi là EV).

Chú ý:

Các kết quả trên là cho phenol ở pha khí. Để nhận được kết quả phenol trong dung dịch nước thì cần thêm lệnh EPS = 78.4 (chú ý dấu “.” chứ không phải là dấu “,”; giá trị này là hằng số điện môi của nước ở 25^oC, có thể tính trong dung môi khác bằng cách thay đổi thích hợp giá trị này) sau OPT (phải viết cách OPT ít nhất một kí tự). Mục “NET ATOMIC CHARGES AND DIPOLE CONTRIBUTIONS” cho kết quả diện tích của từng nguyên tử với số thứ tự tương ứng (di chuyển chuột lên nguyên tử trong 3D Viewer để biết số thứ tự nguyên tử)

Luyện tập:

Bước 1: Sử dụng ChemSketch để vẽ cấu trúc 2D của chất, vào Tools à 3D Structure Optimization à 3D viewer để hiện cấu trúc 3D.

Bước 2: Trong 3D Viewer, File à Save As à đặt tên file là C6H5OH, lưu dưới dạng .mop (phần Save as type chọn MOPAC Z-Matrix) vào một thư mực nào đó (không để thư mục có đường dẫn bằng Tiếng Việt).

Bước 3: Nhấn chuột phải lên file C6H5OH.mop, Open with NotePad, ở dòng trống trên cùng thêm lệnh OPT EPS=78.4 và ENPART.

Bước 4: Nháy đúp chuột trái vào file C6H5OH.mop, chương trình sẽ chạy và kết thúc trong vài giây (nếu không thấy chạy thì nhấn chuột phải vào C5H6OH.mop, Open with để mở bằng MOPAC2016.exe). Thêm 2 file mới xuất hiện có đuôi C6H5OH.out và C6H5OH.arc

Bước 5: Hiển thị kết quả

+ Mở file có đuôi C6H5OH.out bằng NotePad.

+ Phần kết quả:

Như vậy:

- Giá trị nhiệt tạo thành trong dung môi nước là -117,62070 kJ/mol

- Năng lượng tổng: -1112,9779 Ev

- Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, nháy chuột phải lên file C6H5OH.arc, chọn rename để thêm .mop vào cuối; nhận được file C6H5OH.arc.mop

- Trong menu File của 3D Viewer vào Open, phần File of Type chọn MOPAC Z – Matrix rồi chọn file C6H5OH.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phenol.

- Để biết độ dài liên kết, góc liên kết, chọn công cụ  rồi nháy chuột lên các nguyên tử tương ứng. Kết quả được như sau:

+ Độ dài liên kết O – H bằng 0,987

+ Độ dài liên kết C – O bằng 1,359

+ Độ dài góc liên kết HOC bằng: 112,217 độ