Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toánNghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toán
Lời Cảm Ơn Lời cho em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo - Th.S Nguyễn Đức Minh, người bên em tận tình hướng dẫn, bảo, động viên em suốt q trình nghiên cứu thực để hồn thành khóa luận Em xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô giáo Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quảng Bình trang bị cho em kiến thức khoa học bổ ích để em hồn thành khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ln ln bên, động viên, giúp đỡ tơi để tơi có thêm động lực, niềm tin hồn thành khóa luận tốt nghiệp Đồng Hới, ngày 15 tháng năm 2018 Sinh viên Dương Thị Trang i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn thầy giáo Th.S Nguyễn Đức Minh Các tài liệu, nhận định trung thực Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nội dung khoa học cơng trình Quảng Bình, tháng năm 2018 Tác giả Dương Thị Trang ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i LỜI CAM ĐOAN ii A MỞ ĐẦU B NỘI DUNG Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÓA HỌC LƯỢNG TỬ 1.1 Phương trình Schrưdinger 1.2 Toán tử Hamilton 1.3 Hàm sóng hệ nhiều electron .5 1.4 Cấu hình electron hàm sở 1.4.1 Cấu hình electron 1.4.2 Bộ hàm sở 1.4.2.1 Obitan kiểu Slater kiểu Gaussian 1.4.2.2 Một số khái niệm hàm sở .8 1.4.3 Phân loại hàm sở 1.5 Phương pháp gần Hartree-Fock phương pháp liên quan 1.5.1 Phương pháp Hartree-Fock 1.5.2 Các phương pháp bán kinh nghiệm .11 1.5.3 Các phương pháp Post-Hartree-Fock 11 1.6 Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) 11 1.6.1 Mơ hình Thomas – Fermi 11 1.6.2 Các định lý Hohenberg – Kohn 12 1.6.3 Các phương trình Kohn – Sham 12 1.6.4 Một số phiếm hàm trao đổi 14 1.6.5 Một số phiếm hàm tương quan 14 1.6.6 Một số phương pháp DFT thường dùng 15 1.6.6.1 Các phương pháp DFT khiết 15 1.6.6.2 Các phương pháp DFT hỗn hợp .15 1.7 Phân tích phân bố electron 16 1.7.1 Phương pháp Mulliken 16 1.7.2 Phương pháp obitan liên kết tự nhiên (NBO) 17 Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 18 2.1 Hệ chất nghiên cứu 18 2.1.1 Cacbon đioxit .18 iv 2.1.2 Cacbon monoxit 19 2.1.3 Nước 20 2.1.4 Lưu huỳnh đioxit 21 2.1.5 Nitơ đioxit 22 2.2 Phương pháp nghiên cứu 22 2.2.1 Phần mềm tính tốn .22 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu .23 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 3.1 Khảo sát phương pháp tính tốn 24 3.1.1 Cacbon đioxit 24 3.1.2 Cacbon monoxit 26 3.1.3 Nước 27 3.1.4 Lưu huỳnh đioxit 28 3.1.5 Nitơ đioxit 30 3.2 Cấu trúc phân tử hợp chất vô 31 3.2.1 Cacbon đioxit .31 3.2.2 Cacbon monoxit 32 3.2.3 Nước 33 3.2.4 Lưu huỳnh đioxit 33 3.2.5 Nitơ đioxit 34 3.3 Liên kết hóa học phân tử vô .35 3.3.1 Cacbon đioxit .35 3.3.2 Cacbon monoxit 36 3.3.2 Nước 36 3.3.4 Lưu huỳnh đioxit 37 3.3.5 Nitơ đioxit 38 KẾT LUẬN 39 KIẾN NGHỊ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 39 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Các đồng phân bền CO2 32 Hình 2.2 Các đồng phân bền CO 33 Hình 2.3 Các đồng phân bền H2O 33 Hình 2.4 Các đồng phân bền SO2 34 Hình 2.5 Các đồng phân bền NO2 35 Hình 3.1 Cấu trúc bền CO2 35 Hình 3.2 Cấu trúc bền CO 36 Hình 3.4 Cấu trúc bền SO2 .37 Hình 3.5 Cấu trúc bền NO2 38 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Độ dài liên kết góc liên kết CO2 tối ưu phương pháp B3LYP 24 Bảng 2.2 Độ dài liên kết góc liên kết CO2 tối ưu phương pháp B3PW91 25 Bảng 2.4 Độ dài liên kết CO tối ưu phương pháp B3LYP 26 Bảng 2.5 Độ dài liên kết CO tối ưu phương pháp B3PW91 26 Bảng 2.6 Độ dài liên kết CO tối ưu phương pháp PBEPBE 26 Bảng 2.7 Độ dài liên kết góc liên kết H2O tối ưu phương pháp B3LYP 27 Bảng 2.8 Độ dài liên kết góc liên kết H2O tối ưu phương pháp B3PW91 27 Bảng 2.9 Độ dài liên kết góc liên kết H2O tối ưu phương pháp PBEPBE 28 Bảng 2.10 Độ dài liên kết góc liên kết SO2 tối ưu phương pháp B3LYP 28 Bảng 2.11 Độ dài liên kết góc liên kết SO2 tối ưu phương pháp B3PW91 29 Bảng 2.12 Độ dài liên kết góc liên kết SO2 tối ưu phương pháp PBEPBE 29 Bảng 2.13 Độ dài liên kết góc liên kết NO2 tối ưu phương pháp B3LYP 30 Bảng 2.14 Độ dài liên kết góc liên kết NO2 tối ưu phương pháp B3PW91 30 Bảng 2.15 Độ dài liên kết góc liên kết NO2 tối ưu phương pháp PBEPBE 31 vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT α, β Hàm spin BE Năng lượng liên kết trung bình (Average Binding Energy) CGF Hàm Gausian rút gọn (Contracted Gaussian Function) GTO Obitan kiểu Gaussian (Gaussian Type Orbital) MO Obitan phân tử (Molecular Orbital) E Năng lượng (Energy) DFT Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) HF Phương pháp Hartree-Fock NBO Obitan liên kết tự nhiên (Natural Bond Orbital) HOMO Obitan phân tử bị chiếm cao (Highest Occupied Molecular Orbital) LUMO Obitan phân tử không bị chiếm thấp (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) SCF Phương pháp trường tự hợp RHF Phương pháp Hartree-Fock hạn chế (Restricted HF) ROHF Phương pháp Hartree-Fock hạn chế cho cấu hình vỏ mở (Restricted open-shell HF) ZPE Năng lượng điểm không (Zero Point Energy) STO Obitan kiểu Slater (Slater Type Orbital) viii A MỞ ĐẦU Nhân loại chứng kiến bùng nổ phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin tất lĩnh vực Sự phát triển nhanh vũ bão công nghệ thông tin tạo bước đột phá nghiên cứu khoa học, cơng nghệ đời sống người Hóa học ngành khoa học nghiên cứu, giải vấn đề thành phần, cấu trúc, tính chất biến đổi vật chất Trong đó, phương pháp hố học tính tốn, mơ cấu trúc phản ứng hoá học số liệu dựa vào định luật vật lý thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giúp nghiên cứu tượng tính tốn máy tính thay cho việc khảo sát thực nghiệm Có thể nói rằng, hố học tính tốn khơng địi hỏi chuẩn bị mẫu, kỹ thuật phân tích, lập; khơng cần quang phổ kế đo lường vật lý để thu số liệu phù hợp với thực nghiệm q trình tính tốn phức tạp Bằng cách xây dựng mơ hình khơng cho phân tử ổn định mà cho sản phẩm trung gian có thời gian sống ngắn, khơng ổn định, trạng thái chuyển dời giúp dự đoán giải thích chất phản ứng phức tạp Theo cách này, có thơng tin phân tử, q trình phản ứng mà thu từ việc quan sát Do đó, phương pháp hố học tính tốn vừa lĩnh vực nghiêncứu độc lập vừa bổ sung cho nghiên cứu thực nghiệm cho nhà hóahọc, vật lý học, quang phổ học Đối với khoa học nói chung khoa học Hóa học nói riêng, bên cạnh cơng cụ lý thuyết thực nghiệm tính tốn trở thành cơng cụ thứ ba tạo nên vững chắc, hồn thiện cho q trình nghiên cứu khoa học Sự phát triển phương pháp tính tốn phần mềm tính tốn cho phép dự đốn cấu trúc electron, cấu trúc hình học, khả phản ứng, chế phản ứng, thông số nhiệt động lực học… Ngồi ra, cịn tính tốn phổ hồng ngoại, phổ khối lượng, phổ UV-Vis hợp chất biết chưa biết, kể hợp chất khó xác định thực nghiệm tốn để xác định Các hợp chất vơ có vai trị quan trọng đời sống sản xuất Chúng hình thành tham gia vào nhiều trình đời sống hàng ngày có ảnh hưởng đến sống người Trong đó, số hợp chất vơ điển hình thường gặp, cacbon đioxit (CO2), cacbon monoxit (CO), nước (H2O), lưu huỳnh đioxit (SO2), nitơ đioxit (NO2) Các chất vô gây hiệu ứng nhà kín, nhiễm mơi trường, mưa axit Vì cần làm rõ chất hóa học chúng nhằm đề xuất biện pháp xử lý cách hiệu Mặc dù số đặc điểm tính chất chúng xác định tính tốn mặt lý thuyết có cho ta kết phù hợp với thực nghiệm hay khơng chất liên kết hóa học phân tử nào? Do vậy, định chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu cấu trúc liên kết hóa học số hợp chất vơ phương pháp hóa học tính tốn” nhằm lựa chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết phù hợp với số hợp chất vô khám phá chất liên kết hóa học phân tử B NỘI DUNG Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HĨA HỌC LƯỢNG TỬ 1.1 Phương trình Schrưdinger [10] Ba định luật Newton đời đánh dấu bước ngoặc lớn cho phát triển vật lý học cổ điển Tuy nhiên, định luật lại không áp dụng cho hệ vật lý vi mơ (hệ lượng tử) Năm 1926, Schrưdinger xây dựng mơn học sóng, hợp thuyết lượng tử Planck thuyết lưỡng tính sóng hạt Louis De Broglie Chuyển động hệ lượng tử có tính chất sóng hạt mơ tả phương trình Schrưdinger Đối với hệ hạt chuyển động không gian chiều phương trình Schrưdinger phụ thuộc thời gian có dạng đơn giản nhất: (x, t) (x, t) V(x, t)(x, t) i t 2m x Trong đó: h số Planck = (1.1) h 2 V (x, t) hàm hệ m khối lượng hạt, i2 = -1 Ψ(x,t) hàm sóng tồn phần mơ tả trạng thái hệ phụ thuộc vào biến tọa độ x biến thời gian t Hàm sóng Ψ(x,t) hàm liên tục, xác định, đơn trị, khả vi, nói chung phức thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa: Ψ*Ψdτ Ψ dτ 1.Tuy nhiên, hầu hết hệ lượng tử khảo sát trạng thái dừng – trạng thái mà mật độ xác suất tìm thấy hệ khơng biến đổi theo thời gian mà biến đổi theo tọa độ Do đó, phương trình Schrưdinger khơng phụ thuộc thời gian hệ hạt, chiều là: d 2 ( x ) + V ( x) ( x) = E ( x) 2m dx (1.2) Trong ( x) hàm sóng phụ thuộc tọa độ khơng gian Hoặc viết đơn giản dạng: Hˆ E (1.3) Trong đó, hàm riêng tốn tử Hamilton Hˆ , E trị riêng lượng Hˆ Giải phương trình hàm riêng – trị riêng (1.3) thu dãy hàm riêng n trị riêng En, hàm riêng mô tả trạng thái hệ lượng tử cho phép rút tất thông tin khác hệ lượng tử ... cho ta kết phù hợp với thực nghiệm hay không chất liên kết hóa học phân tử nào? Do vậy, định chọn đề tài nghiên cứu ? ?Nghiên cứu cấu trúc liên kết hóa học số hợp chất vơ phương pháp hóa học tính. .. phá nghiên cứu khoa học, công nghệ đời sống người Hóa học ngành khoa học nghiên cứu, giải vấn đề thành phần, cấu trúc, tính chất biến đổi vật chất Trong đó, phương pháp hố học tính tốn, mơ cấu trúc. .. dài liên kết góc liên kết SO2 tối ưu phương pháp B3PW91 29 Bảng 2.12 Độ dài liên kết góc liên kết SO2 tối ưu phương pháp PBEPBE 29 Bảng 2.13 Độ dài liên kết góc liên kết NO2 tối ưu phương pháp