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

NHIỆT LIỆT CHÀO MỪNG CÁC EM ĐẾN VỚI BÀI HỌC MỚI!

KHỞI ĐỘNG

Làm thế nào để tính toán các tham số cấu trúc và năng lượng phân tử?

BÀI 10: TÍNH THAM SỐ CẤU TRÚC VÀ NĂNG LƯỢNG

NỘI DUNG BÀI HỌC

I. Hóa học tính toán

II. Tính toán bằng phương pháp bán kinh nghiệm

III. Sử dụng kết quả tính toán hiển thị độ dài, góc liên kết các chất.

I.

HÓA HỌC TÍNH TOÁN

Hóa học tính toán sử dụng một số phương pháp tính dựa trên hai cơ sở:

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

Cơ học lượng tử: sử dụng các định luật cơ học lượng tử thay cho vật lí cổ điển làm cơ sở tính toán.

Hoạt động 1: Hóa học tính toán

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

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

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.

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

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.

• 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  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.

II.

TÍNH TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÁN KINH NGHIỆM

• Tính nhiệt tạo thành của phân tử ammonia sử dụng phần mềm MOPAC

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

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  Open with Notepad  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  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

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)

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.

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.

• a. C2H6.mop

Trả lời:

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  Open with Notepad  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

III.

SỬ DỤNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HIỂN THỊ ĐỘ DÀI, GÓC LIÊN KẾT CÁC CHẤT

• Tìm hiểu cách hiển thị các tham số cấu trúc của phân tử dựa vào kết quả tính toán phân tử

Các bước hiển thị các tham số cấu trúc:

Bước 1: Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, tìm file H2O.arc rồi chuyển đuôi file thành H2O.arc.mop

Bước 2: Mở 3D viewer  Open, xuất hiện hộp thoại Open, chọn file MOPAC Z Maxtrix rồi chọn file H2O.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phân tử H2O.

Bước 3: Chọn công cụ, nháy chuột vào các nguyên tử sẽ hiển thị độ dài các liên kết và góc liên kết.

Chú ý:

Phải để chế độ hiện phần mở rộng của file. Với Windows 10, vào Control Panel  File Explorer Option  View, bỏ tích ô Hide extension for known file types để thực hiện thao tác đổi tên dưới file ở Bước 1.

Kết luận:

Phần mềm ChemSketch 3D Viewer cho phép xây dựng cấu trúc phân tử ban đầu và hiển thị cấu trúc của phân tử sau tính toán.

Sử dụng dữ liệu “Output” của phân tử C2H6, C3H8, xem và so sánh dữ liệu năng lượng của các phân tử với giá trị thực nghiệm. Biết giá trị thực nghiệm của phân tử C2H6, C3H8 lần lượt là -84,66 kJ/mol; -105,00 kJ/mol

Kết quả nhiệt tạo thành của phân tử C2H6 = -71,851 kJ/mol, của phân tử C3H8 = -96,592 kJ/mol. So sánh với giá trị thực nghiệm của 2 phân tử cho thấy các giá trị thực nghiệm cao hơn so với giá trị ta đo được.

Thực hiện các bước hiển thị các tham số cấu trúc: độ dài các liên kết và góc liên kết của phân tử C2H6, C3H8.

• Phân tử C2H6:

Bước 1: Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, tìm file C2H6.arc rồi chuyển đuôi file thành C2H6.arc.mop

Bước 2: Mở 3D viewer  Open, xuất hiện hộp thoại Open, chọn file MOPAC Z Maxtrix rồi chọn file C2H6.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phân tử H2O.

Bước 3: Chọn công cụ, nháy chuột vào các nguyên tử sẽ hiển thị độ dài các liên kết và góc liên kết.

Độ dài liên kết và góc liên kết của C2H6 còn được hiển thị trong file C2H6.out.

Từ các kết quả của các giá trị về năng lượng phân tử, độ dài các liên kết và góc liên kết của phân tử C2H6, C3H8 so sánh và nhận xét xu hướng thay đổi các kết quả thu được.

Độ dài liên kết C – C, C – H và góc liên kết H – C – H trong 2 phân tử gần bằng nhau thể hiện các chất có cấu tạo tương tự nhau.

LUYỆN TẬP

Câu 1 (sgk-68): Tối ưu hóa cấu trúc của phân tử và tính nhiệt tạo thành của phân tử, độ dài các liên kết và góc liên kết của các phân tử bằng phương pháp PM7. Xác định quy luật biến đổi các giá trị trong dãy các chất sau:

• Cl2 , Br2 và I2
• HC4 ,NH3, H2O

Trả lời:

a) Dãy các chất Cl2, Br2 và I2

b) CH4, NH3, H2O

Câu 2 (sgk-68): Tối ưu hóa cấu trúc của phân tử và tính độ dài các liên kết H – X ( Với X là F, Cl, Br, I)

--------------- Còn tiếp ---------------