Chuyên đề Hoá 10 Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng có đáp án

Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChenSketch ở Bài 8 cho phân tử C$_{2}$H$_{6}$. 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 MOPAC Z Maxtrix).

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 output có thông tin như sau

Ở cuối cửa sổ output có thông tin như sau:

Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tố 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 C$_{2}$H$_{6}$(ở điều kiện chuẩn theo tính toán) là xấp xỉ -71,85 kJ/mol

Tổng năng lượng phân tử C$_{2}$H$_{6}$ (ETOT (EONE + ETWO)) là -326,9216 eV.

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C$_{2}$H$_{6}$ trong file C2H6.out được thể hiện như hình dưới.

Kết quả tính nhiệt tạo thành của phân tử H$_{2}$O bằng cách sử dụng phần mềm MOPAC cho giá trị là -241,83 kJ/mol. Giá trị này gần đúng với giá trị thực nghiệm.

Điều đó cho thấy cách tính toán sử dụng phần mềm MOPAC cũng cho độ chính xác cao.

Kết quả tính toán bằng cách sử dụng phần mềm MOPAC:

+ Độ dài liên kết O-H là 0,96$\overset{o}{A}$

+ Góc liên kết H-O-H là 105,4$^{o}$

Kết quả này gần đúng với giá trị thực nghiệm.

Điều đó cho thấy cách tính toán sử dụng phần mềm MOPAC cũng cho độ chính xác cao.

a) (C$_{2}$H$_{6}$.mop)

Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChenSketch ở Bài 8 cho phân tử C$_{2}$H$_{6}$. 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 MOPAC Z Maxtrix).

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 output có thông tin như sau

Ở cuối cửa sổ output có thông tin như sau:

Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tố 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 C$_{2}$H$_{6}$(ở điều kiện chuẩn theo tính toán) là xấp xỉ -71,85 kJ/mol

Tổng năng lượng phân tử C$_{2}$H$_{6}$ (ETOT (EONE + ETWO)) là -326,9216 eV.

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C$_{2}$H$_{6}$ trong file C2H6.out được thể hiện như hình dưới.

b) (C$_{3}$H$_{8}$.mop)

Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChenSketch ở Bài 8 cho phân tử C$_{3}$H$_{8}$. 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 C3H8.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

Bước 3: Nhấp chuột phải lên file C3H8.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 C3H8.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là C3H8.out và C3H8.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file C3H8.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất

Mở file C3H8.out bằng notepad. Ở đầu của cửa sổ output có thông tin như sau

Ở cuối cửa sổ output có thông tin như sau:

Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tố 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 C$_{3}$H$_{8}$(ở điều kiện chuẩn theo tính toán) là xấp xỉ -96,59 kJ/mol

Tổng năng lượng phân tử C$_{3}$H$_{8}$ (ETOT (EONE + ETWO)) là -476,9317 eV.

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C$_{3}$H$_{8}$trong file C3H8.out được thể hiện như hình dưới.

Giá trị năng lượng của các phân tử bằng cách sử dụng phần mềm tính toán MOPAC là:

+ Nhiệt tạo thành phân tử C$_{3}$H$_{8}$ là -96,59 kJ/mol ≈ -105,00 kJ/mol

+ Nhiệt tạo thành phân tử C$_{2}$H$_{6}$là -71,85 kJ/mol ≈ -84,66 kJ/mol

Vậy dữ liệu năng lượng của các phân tử bằng cách sử dụng phần mềm tính toán MOPAC với giá trị thực nghiệm xấp xỉ nhau

- Đối với phân tử C$_{2}$H$_{6}$

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 C2H6

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 C$_{2}$H$_{6}$ còn được hiển thị trong file C2H6.out

- Đối với phân tử C$_{3}$H$_{8}$

Bước 1: Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, tìm file C3H8.arc rồi chuyển đuôi file thành C3H8.arc.mop

Bước 2: Mở 3D viewer → Open, xuất hiện hộp thoại Open, chọn file MOPAC Z Maxtrix rồi chọn file C3H8.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phân tử C3H8

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 C$_{3}$H$_{8}$ còn được hiển thị trong file C3H8.out

- Nhiệt tạo thành phân tử C$_{3}$H$_{8}$ là -96,59 kJ/mol âm hơn nhiệt tạo thành phân tử C$_{2}$H$_{6}$là -71,85 kJ/mol. Do cả hai phân tử đều chỉ chứa liên kết đơn, mặt khác số lượng liên kết trong phân tử C$_{3}$H$_{8}$ nhiều hơn trong phân tử C$_{2}$H$_{6}$

- Bảng giá trị độ dài liên kết và góc liên kết trong phân tử C$_{2}$H$_{6}$

Bảng giá trị độ dài liên kết và góc liên kết trong phân tử C$_{3}$H$_{8}$

Nhận xét: Độ dài các liên kết và góc liên kết của phân tử C$_{2}$H$_{6}$, C$_{3}$H$_{8}$ là tương đương nhau.

Phương pháp tính toán bằng phần mềm MOPAC:

Bước 1: Vẽ công thức phân tử bằng phần mềm ChemSketch. 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 ví dụ: Cl2.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

Bước 3: Nhấp chuột phải lên file Cl2.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 Cl2.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là Cl2.out và Cl2.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file Cl2.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất ở file Cl2.out bằng notepad.

Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

Phần kết quả:

Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION)

Tổng năng lượng phân tử (ETOT (EONE + ETWO))

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

b) - Đối với Cl$_{2}$

+ Kết quả nhiệt tạo thành của Cl$_{2}$:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với Br$_{2}$:

+ Kết quả nhiệt tạo thành của Br$_{2}$:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với I$_{2}$

+ Kết quả nhiệt tạo thành của I$_{2}$:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Xác định quy luật biến đổi trong dãy Cl$_{2}$, Br$_{2}$, I$_{2}$:

+ Kết quả nhiệt tạo thành tăng dần từ Cl$_{2}$ đến I$_{2}$ ⇒ Độ bền của các liên kết giảm dần từ Cl$_{2}$ đến I$_{2}$

+ Độ dài liên kết tăng dần từ Cl$_{2}$ đến I$_{2}$ do bán kính nguyên tử tăng dần nên khoảng cách giữa hai hạt nhân tăng dần.

b) Đối với CH$_{4}$:

+ Kết quả nhiệt tạo thành của CH$_{4}$:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với NH$_{3}$

+ Kết quả nhiệt tạo thành của NH$_{3}$:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với H$_{2}$O

+ Kết quả nhiệt tạo thành của H$_{2}$O

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Xác định quy luật biến đổi trong dãy CH$_{4}$, NH$_{3}$, H$_{2}$O

+ Kết quả nhiệt tạo thành giảm theo dãy H$_{2}$O > CH$_{4}$ > NH$_{3}$

Phương pháp tính toán bằng phần mềm MOPAC:

Bước 1: Vẽ công thức phân tử bằng phần mềm ChemSketch. 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 ví dụ: HF.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

Bước 3: Nhấp chuột phải lên file HF.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 HF.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là HF.out và HF.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file HF.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất ở file HF.out bằng notepad.

Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

Phần kết quả:

Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION)

Tổng năng lượng phân tử (ETOT (EONE + ETWO))

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với HF

+ Kết quả nhiệt tạo thành

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với HCl

+ Kết quả nhiệt tạo thành

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với HBr

+ Kết quả nhiệt tạo thành

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với HI

+ Kết quả nhiệt tạo thành

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

Phương pháp tính toán bằng phần mềm MOPAC:

Bước 1: Vẽ công thức phân tử bằng phần mềm ChemSketch. 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 ví dụ: CH4.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

Bước 3: Nhấp chuột phải lên file HF.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 CH4.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là CH4.out và CH4.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file CH4.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất ở file CH4.out bằng notepad.

Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

Phần kết quả:

Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION)

Tổng năng lượng phân tử (ETOT (EONE + ETWO))

Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với CH$_{4}$:

+ Kết quả nhiệt tạo thành của CH$_{4}$:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với C$_{4}$H$_{10}$

+ Kết quả nhiệt tạo thành:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Các giá trị tính toán bằng phần mềm MOPAC gần đúng với các giá trị thực nghiệm. Điều đó cho thấy việc tính toán bằng phần mềm MOPAC cho kết quả chính xác cao.

b) - Đối với C$_{2}$H$_{6}$

+ Kết quả nhiệt tạo thành:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Đối với C$_{3}$H$_{8}$

+ Kết quả nhiệt tạo thành:

+ Tổng năng lượng phân tử:

+ Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE)

- Quy luật biến đổi giá trị nhiệt tạo thành

Giá trị nhiệt tạo thành giảm dần theo dãy C$_{4}$H$_{10}$ > C$_{3}$H$_{8}$ > C$_{2}$H$_{6}$ > CH$_{4}$

Giải thích:

Nhiệt tạo thành càng âm thì hợp chất càng bền. Các hydrocarbon trên đều chỉ chứa liên kết xích ma, bên cạnh đó số lượng liên kết C-H giảm dần theo dãy C$_{4}$H$_{10}$; C$_{3}$H$_{8}$; C$_{2}$H$_{6}$; CH$_{4}$

⇒ Năng lượng cần để phá vỡ các liên kết giảm dần

⇒ Giá trị nhiệt tạo thành giảm dần.