Giáo án chuyên đề Hoá học 10 chân trời Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng

HĐ CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV giới thiệu sơ lược về Hoá học tính toán.

- GV đặt câu hỏi:

+ Hoá học tính toán là gì? Mục đích chính, ứng dụng của hoá học tính toán?

+ Hoá học tính toán có mấy phương thức phổ biến? Đó là những phương thức phổ biến nào?

+ Hoá học tính toán có mấy phương pháp chủ yếu? Đó là những phương pháp nào?

- HS thảo luận nhóm đôi trả lời câu hỏi Thảo luận 1:

1. Hãy tìm hiểu thêm những ưu điểm của Hoá học tính toán ứng dụng để tối ưu hoá các quá trình hoá học phức tạp

- GV yêu cầu HS đọc nội dung về quy trình tính toán bằng phương pháp bán kinh nghiệm (SGK – tr64) và trả lời các câu hỏi:

+ Các phương pháp tính toán bán kinh nghiệm được sử dụng trong các bộ phần mềm nào? Sử dụng những thông số nào?

+ Phương pháp bán kinh nghiệm có ưu điểm 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 HS ghi chép đầy đủ vào vở.

1. Hoá học tính toán

Hoá học tính toán là một chuyên ngành của hoá học lí thuyết với mục đích là tạo ra mô hình toán học và sử dụng các chương trình máy tính để tính toán cấu trúc và các tính chất của phân tử (như hình học phân tử, độ dài, góc liên kết, năng lượng tổng cộng,…) và ứng dụng các chương trình tính toán này cho các bài toán cụ thể.

Hoá học tính toán có hai phương thức phổ biến:

1. Cơ học phân tử MM (Molecular Mechanics): sử dụng những định luật vật lí cổ điển để dự đoán các tính chất và cấu trúc phân tử.

2. Lí thuyết cấu trúc electron (electronic structure): sử dụng các định luật cơ học lượng tử thay cho vật lí cổ điển làm cơ sở tính toán.

Có hai phương pháp chủ yếu: Phương pháp bán kinh nghiệm và phương pháp tính toán lượng tử (ab initio).  

Thảo luận 1:

Hoá học hiện đại là sự kết hợp của các tính toán lí thuyết và thực nghiệm. Trong các chương trình nghiên cứu lớn, các tính toán lí thuyết sẽ chỉ ra quá trình hoá học nào là khả dĩ, phản ứng nào là có thể xảy ra, xảy ra như thế nào, điều kiện nào là tối ưu,… Tất cả những điều nào được mô phỏng và tính toán trên máy tính trước. Sau đó các thực nghiệm mới được tiến hành. Nhờ sự kết hợp này mà thực nghiệm không còn phải mò mẫm như trước nữa. Đầu tư và công sức, do đó là chi phí, giảm đi rất nhiều, có thể lên đến 90% nhờ sự hỗ trợ của mô phỏng và tính toán lí thuyết.

Tìm hiểu về quy trình tính toán bằng phương pháp bán kinh nghiệm

Các phương pháp tính toán bán kinh nghiệm, chẳng hạn như AMI, ZINDO/1, ZINDO/s, MINDO/3, PM3,… được sử dụng trong các bộ phần mềm MOPAC, AMPAC, HyperChem và Gaussian.

Các phương pháp này sử dụng những thông số đã được rút ra từ dữ liệu thực nghiệm nhằm để đơn giản hoá việc tính toán. Phương pháp này thực hiện tương đối nhanh, cung cấp những kết quả và những dự đoán định lượng khá chính xác về năng lượng và cấu trúc cho hệ trong điều kiện là các thông số phù hợp tốt với hệ khảo sát.

Phần mềm MOPAC đã tích hợp sẵn phương pháp PM7 nên rất thuận tiện người dùng

HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV hướng dẫn HS truy cập trang chủ của nhà cung cấp theo đường dẫn, tải phần mềm, sau đó lưu và giải nén trong thư mục của máy tính.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu, hoạt động cặp đôi, kiểm tra chéo đáp án.

- 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.

Cài đặt và sử dụng phần mềm MOPAC

Cài đặt:

Truy cập trang chủ của nhà cung cấp theo đường dẫn:

http://openmopac.net/Download_MOPAC_Executable_Step2.html

nhấp vào “Download 64 bit MOPAC 2016 for windows” tải phần mềm. Lưu và giải nén trong thư mục máy tính.

Ví dụ: D:\MOPAC2016

Cài đặt theo hướng dẫn trong file “Installation instruction.txt”

Khởi chạy phần mềm MOPAC (Windows 10): Nhấp chuột vào file MOPAC data set. Cụ thể là file Example_data_set.mop. Chọn Open with, bỏ chọn Always use this app to open.mop files à Look for another app on this PC.

Tới D:\MOPAC2016, nhấp chuột trái vào MOPAC2016.exe “MOPAC2016.exe” xuất hiện trong hộp thoại File name. Chọn Open.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV hướng dẫn HS các bước tính nhiệt tạo thành của phân tử ammonia sử dụng phần mềm MOPAC, tính được tham số cấu trúc (độ dài liên kết, góc liên kết,..), năng lượng phân tử, nhiệt tạo thành,..

Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChemSketch ở bài 8 cho phân tử H₂O, vẽ cấu trúc 3D của phân tử.

Bước 2: Lưu tên file H₂O.mop

Bước 3: Mở fỉle H₂O bằng Notepad, thêm lệnh OPT ENPART rồi lưu lại

Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file H2O.mop hoặc nhấn chuột phải lên file H2O.mop à open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất.

Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất.

- GV đưa ra các kết luận về ứng dụng của phần mềm MOPAC.

- HS thảo luận, suy nghĩ trả lời câu hỏi thảo luận 2, 3, 4:

2. Thực hiện nhập dữ liệu như hướng dẫn cho phân tử C₂H₆ (ethane).

3. Từ kết quả nhiệt tạo thành của phân tử H₂O. So sánh với giá trị thực nghiệm, đưa ra kết luận (Giá trị thực nghiệm của phân tử H₂O(g) là – 241,8 kJ/mol)

4. Từ kết quả độ dài liên kết O – H và góc liên kết H – O – H trong phân tử H₂O, so sánh với giá trị thực nghiệm, đưa ra nhận xét (Độ dài liên kết O – H là 0,97 , góc liên kết H – O – H là 104,5^o)

- HS áp dụng làm luyện tập:

Thực hành tạo file dữ liệu

a. (C₂H₆.mop)

b. (C₃H₈.mop)

Tối ưu hoá cấu trúc của phân tử và tính nhiệt tạo thành của phân tử C₂H₆, C₃H₈ bằng phương pháp PM7.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu, hoạt động cặp đôi, kiểm tra chéo đáp án.

- 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.

2. Tính toán bằng phương pháp bán kinh nghiệm

Tính nhiệt tạo thành của phân tử ammonia sử dụng phần mềm MOPAC (SGK – tr65)

Kết luận:

Phần mềm MOPAC cho phép tính được tham số cấu trúc (độ dài liên kết, góc liên kết,…), năng lượng phân tử, nhiệt tạo thành,…

Thảo luận 2:

Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChemSketch ở Bài 8 cho phân tử C₂H₆. Sau khi vẽ xong, chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử

Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file C2H6.mop (save as file chọn MOPACMaxtrix).

Bước 3: Nhấp chuột phải lên file C2H6.mop à Open with Notepad à Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file C2H6.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là C2H6.out và C2H6.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file C2H6.mop à open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất

Mở file C2H6.out bằng Notepad. Ở đầu của cửa sổ outpuSt có thông tin như sau:

Ở cuối của cửa sổ output có thông tin như sau:

Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tốt và cung cấp một số dữ liệu thống kê về phép tính

Thảo luận 3:

Kết quả nhiệt tạo thành của phân tử H₂O = -241,83 kJ/mol (Giá trị thực nghiệm của phân tử H₂O(g) là -241,8 kJ/mol). Vậy kết quả tính toán gần trùng với giá trị thực nghiệm của phân tử.

Thảo luận 4:

Kết quả độ dài liên kết O – H là 0,99  và góc liên kết H-O-H trong phân tử H₂O là 105,39^o, so sánh với giá trị thực nghiệm độ dài liên kết O – H là 0,97 , góc lên kết H – O – H là 104,5^o. Vậy kết quả tính toán gần đúng với giá trị thực nghiệm đo được của phân tử.

Luyện tập:

a. C2H6.mop

Bước 1: Sử dụng phần mềm ChemSketch cho phân tử C₂H₆. Sau khi vẽ xong, chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử.

Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file C2H6.mop (save as file chọn MOPACZMaxtrix).

Bước 3: Nhấp chuột phải lên file C2H6.mop à Open with Notepad à Thêm lệnh OPT ENPART (xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file C2H6.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là C2H6.out và C2H6.arc

Bước 5: Mở file C2H6.out bằng Notepad.

Ở cuối của cửa sổ output có thông tin như sau:

Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tốt và cung cấp một số dữ liệu thống kê về phép tính

Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

Phần kết quả:

Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION) của phân tử C₂H₆ (ở điều kiện tính toán) là xấp xỉ -71,85 kJ/mol

Tổng năng lượng phân tử C₂H₆ (ETOT (EONE + ETWO)) là -326,9216 eV

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C₂H₆ trong file C2H6.out được thể hiện như hình dưới

b. C3H8.mop

Cách làm tương tự C₂H₆

Phần kết quả:

Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION) của phân tử C₃H₈ (ở điều kiện tính toán) là xấp xỉ -96,59 kJ/mol

Tổng năng lượng phân tử C₃H₈ (ETOT (EONE + ETWO)) là -476,9317 eV

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C₃H₈trong file C3H8.out được thể hiện như hình dưới