Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 KNTT bài 11: Thực hành tính tham số cấu trúc và năng lượng
Dưới đây là phần hướng dẫn giải chi tiết cụ thể cho bộ chuyên đè học tập hoá học 10 Kết nối tri thức bài 11: Thực hành tính tham số cấu trúc và năng lượng. Lời giải đưa ra ngắn gọn, cụ thể sẽ giúp ích cho em các em học tập ôn luyên kiến thức tốt, hình thành cho học sinh phương pháp tự học, tư duy năng động sáng tạo. Kéo xuống để tham khảo
Câu hỏi mở đầu
Không dùng máy móc thí nghiệm, bằng máy tính làm thể nào để giải thích mối quan hệ giữa cấu tạo phân tử và tính chất của chất?
MOPAC là một chương trình (hay phần mềm) tính toán hóa học để thực hiện các phép tính bán thực nghiệm trên các hệ nguyên tử và phân tử. Chương trình được vận hành bằng cách tạo tệp đầu vào ASCII sử dụng bất kì chương trình soạn thảo văn bản thuận tiện nào, ví dụ như Notepad hay Wordpad sau đó chạy chương trình. Kết quả của phép tính là một hoặc nhiều tệp đầu ra.
I. Mở đầu
II. Tối ưu hóa cấu trúc hình học và tính nhiệt tạo thành của một cấu trúc phân tử bằng phương pháp bán kinh nghiệm
III. Cách đọc file kết quả và sử dụng kết quả
Câu hỏi 1: Xác định độ dài liên kết O-H và góc liên kết $\widehat{HOH}$ trong phân tử nước, tính tối ưu được theo phương pháp AM1. Hãy so sánh chúng với giá trị thực nghiệm độ dài liên kết O – H.
(0,97 Å) và góc liên kết $\widehat{HOH}$ (104,5o).
Câu hỏi 2: Tạo file dữ liệu và thực hiện phép tính tối ưu hoá cấu trúc của phân tử, tính nhiệt hình thành và năng lượng phân tử của NH3, CH4.
Câu hỏi 3: Sử dụng kết quả tính tối ưu hóa cấu trúc để thấy được cấu trúc hình học, hiển thị được các tham số cấu trúc của phân từ NH3, CH4. Từ đó, thấy được xu hướng biến đổi độ dài liên kết H−X và góc liên kết HXH (X là O, N, C).
Hướng dẫn. Thực hiện theo các bước như ở Hoạt động 4, Hoạt động 5, mục III.
Câu hỏi 1:
Độ dài liên kết O-H và góc liên kết ˆHOHHOH^ trong phân tử nước, tính tối ưu được theo phương pháp AM1 lần lượt là và 103,5o. Kết quả này gần với các giá trị thực nghiệm đã cho.
Câu hỏi 2:
File dữ liệu để tối ưu hoả cấu trúc, tinh nhiệt hình thành và năng lượng phân tử của NH3 bằng phần mềm MOPAC có nội dung như sau:
Bước 1. Vào Notepad, gõ lại nội dung để tối ưu hóa ⟶ Lưu file với đuôi “.txt”
Bước 2. Đổi đuôi file thành “.mop”
Bước 3. Chọn file vừa đổi đuôi, nháy chuột phải ⟶ Chọn Open with ⟶ Choose another app ⟶ MOPAC2016. Khi này sẽ có 1 file đuôi “.out”.
Bước 4. Chọn file đuôi “.out” ⟶ Chuột phải ⟶ Open with ⟶ Notepad hoặc WordPad.
Bước 5. Đọc kết quả
Giá trị nhiệt tạo thành của phân tử NH3 (thể khí) ở file “NH3_AM1.out” là:
Giá trị năng lượng phân tử của NH3 (thể khí), kí hiệu là ETOT (EONE + ETWO) ở file “NH3_AM1.out” là:
Phân tử CH4
Bước 1. Vẽ cấu trúc phân tử CH4. Ở phía trái giao diện phần mềm Avogadro, chọn Draw Settings ⟶ Element, chọn nguyên tố carbon. Nháy chuột vào màn hình Avogadro, cấu trúc phân tử CH4 được hiển thị.
Bước 2. Chọn Extensions ⟶ MOPAC ⟶ Nhập Title, Method chọn là AM1, Calculation chọn Geomtry Optimization ⟶ Chọn Generate.
Bước 3. Tiến hành lưu file
Bước 4. Chọn mở file vừa lưu bằng MOPAC 2016 sẽ có file out xuất hiện.
Bước 5. Mở file đuôi “.out” bằng Notepad hoặc WordPad.
Bước 6. Đọc kết quả
Giá trị nhiệt tạo thành của phân tử CH4 (thể khí) là:
Giá trị năng lượng phân tử của CH4 (thể khí) là:
Trong đó 120.0 là giá trị góc nhị diện của hai mặt phẳng: H(4)N(2)H(3) và N(2)H(3)H(1). Cách tiến hành: thực hiện theo các bước như ở Hoạt động 1, Hoạt động 2 và Hoạt động 3, ở các mục II, III.
Câu hỏi 3:
Kết quả độ dài liên kết C – H và góc liên kết HCH là:
Kết quả độ dài liên kết N – H và góc liên kết HNH là:
Ta thấy độ dài liên kết O-H là (0,96 Å) nhỏ hơn độ dài liên kết N-H (0,999 Å) và nhỏ hơn độ dài liên kết C-H (1,11Å). Góc liên kết HOH (103,5o) nhỏ hơn góc liên kết HNH (108,5o), và nhỏ hơn góc liên kết HCH (109,5o)
Các độ dài liên kết và góc liên kết tính được có thể có sai khác so với số liệu thực nghiệm, nhưng độ dài liên kết X-H giảm dần khi X lần lượt là C, N đến O; góc liên kết HXH cũng giảm dần theo chiều tương tự.
Em có thể:
Sử dụng kết quả tính toán đề thấy được xu hướng thay đổi độ dài liên kết, góc liên kết, năng lượng phân tử trong dãy chất, ví dụ CH4, NH3, H2O phù hợp với định luật tuần hoàn.
Độ dài liên kết giảm dần từ H2O < NH3 < CH4 và điều này phù hợp với định luật tuần hoàn.