Nghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toán

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Lời Cảm Ơn

H

Ơ

đến thầy giáo - Th.S Nguyễn Đức Minh, người đã luôn bên em

N

Lời đầu tiên cho em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

cho em những kiến thức khoa học bổ ích để em có thể hoàn

TR ẦN

thành khóa luận tốt nghiệp.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè luôn

10 00

B

luôn ở bên, động viên, giúp đỡ tôi để tôi có thêm động lực,

-H

Ó

A

niềm tin hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.

-L

Ý

2018.

Đồng Hới, ngày 15 tháng 5 năm

ÀN

TO

ÁN

Sinh viên

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quảng Bình đã trang bị

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

Em xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô giáo trong Khoa

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U .Q

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

nghiên cứu và thực hiện để hoàn thành khóa luận.

Y

N

tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong suốt quá trình

D

IỄ N

Đ

Dương Thị Trang

i Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

B

trung thực.

10 00

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung khoa học của công trình này.

Quảng Bình, tháng 5 năm 2018

-H

Ó

A

Tác giả

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

Dương Thị Trang

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

hướng dẫn của thầy giáo Th.S Nguyễn Đức Minh. Các tài liệu, những nhận định là

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

TR ẦN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính tôi thực hiện dưới sự

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

LỜI CAM ĐOAN

G

Đ ẠO

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

Y

N

H

Ơ

N

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ii Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

IỄ N

D

ÀN

Đ

http://daykemquynhon.ucoz.com

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

A

Ó

-H B

10 00 TR ẦN G

N

H Ư

Đ ẠO

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Ý

-L

TP

Y

U

.Q

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

ÁN

TO

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

N

Ơ

H

N

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

iii

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................ii

Ơ

B. NỘI DUNG ................................................................................................................3

N

A. MỞ ĐẦU .................................................................................................................1

N

H

Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÓA HỌC LƯỢNG TỬ ................................3

Y

1.1. Phương trình Schrödinger ........................................................................................3

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

1.3. Hàm sóng của hệ nhiều electron ...............................................................................5

G

1.4.2. Bộ hàm cơ sở .........................................................................................................7

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

1.4.2.1. Obitan kiểu Slater và kiểu Gaussian ...................................................................7

H Ư

1.4.2.2. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở .....................................................................8

TR ẦN

1.4.3. Phân loại bộ hàm cơ sở ..........................................................................................8 1.5. Phương pháp gần đúng Hartree-Fock và các phương pháp liên quan......................9 1.5.1. Phương pháp Hartree-Fock ...................................................................................9

10 00

B

1.5.2. Các phương pháp bán kinh nghiệm .....................................................................11 1.5.3. Các phương pháp Post-Hartree-Fock ..................................................................11

A

1.6. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) .................................................................11

-H

Ó

1.6.1. Mô hình Thomas – Fermi ....................................................................................11 1.6.2. Các định lý Hohenberg – Kohn ...........................................................................12

-L

Ý

1.6.3. Các phương trình Kohn – Sham ..........................................................................12

ÁN

1.6.4. Một số phiếm hàm trao đổi ..................................................................................14

TO

1.6.5. Một số phiếm hàm tương quan ............................................................................14 1.6.6. Một số phương pháp DFT thường dùng ..............................................................15

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

1.4.1. Cấu hình electron ...................................................................................................6

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

1.4. Cấu hình electron và bộ hàm cơ sở ..........................................................................6

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

U

1.2. Toán tử Hamilton......................................................................................................4

D

IỄ N

Đ

ÀN

1.6.6.1. Các phương pháp DFT thuần khiết ..................................................................15 1.6.6.2. Các phương pháp DFT hỗn hợp .......................................................................15

1.7. Phân tích sự phân bố electron .................................................................................16 1.7.1. Phương pháp Mulliken ........................................................................................16 1.7.2. Phương pháp obitan liên kết tự nhiên (NBO)......................................................17 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU ......................................18 2.1. Hệ chất nghiên cứu .................................................................................................18 2.1.1. Cacbon đioxit .......................................................................................................18 iv

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

2.1.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................19 2.1.3. Nước ....................................................................................................................20 2.1.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................21

Ơ

2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................22

N

2.1.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................22

H

2.2.1. Phần mềm tính toán .............................................................................................22

N

2.2.2. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................23

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

3.1. Khảo sát các phương pháp tính toán ......................................................................24

TP

3.1.1 Cacbon đioxit ........................................................................................................24

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

3.1.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................28

H Ư

3.1.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................30

TR ẦN

3.2. Cấu trúc các phân tử hợp chất vô cơ ......................................................................31 3.2.1. Cacbon đioxit .......................................................................................................31 3.2.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................32

10 00

B

3.2.3. Nước ....................................................................................................................33 3.2.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................33

A

3.2.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................34

Ó

3.3. Liên kết hóa học trong các phân tử vô cơ...............................................................35

-H

3.3.1. Cacbon đioxit .......................................................................................................35

-L

Ý

3.3.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................36 3.3.2. Nước ....................................................................................................................36

ÁN

3.3.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................37

TO

3.3.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................38

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

3.1.3. Nước ....................................................................................................................27

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

3.1.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................26

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

Y

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................24

ÀN

KẾT LUẬN ..................................................................................................................39

D

IỄ N

Đ

KIẾN NGHỊ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .........................................................................39

v Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Các đồng phân bền của CO2 ..........................................................................32 Hình 2.2. Các đồng phân bền của CO ...........................................................................33

Ơ

Hình 2.4. Các đồng phân bền của SO2 ..........................................................................34

N

Hình 2.3. Các đồng phân bền của H2O ..........................................................................33

N

H

Hình 2.5. Các đồng phân bền của NO2 ..........................................................................35

Y

Hình 3.1. Cấu trúc bền nhất của CO2 ............................................................................35

TP

Hình 3.4. Cấu trúc bền nhất của SO2 .............................................................................37

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

Đ ẠO

Hình 3.5. Cấu trúc bền nhất của NO2 ............................................................................38

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

Hình 3.2. Cấu trúc bền nhất của CO ..............................................................................36

vi Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Độ dài liên kết và góc liên kết của CO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP ........ 24 Bảng 2.2. Độ dài liên kết và góc liên kết của CO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91 ..... 25

N

Bảng 2.4. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp B3LYP .................................. 26

Ơ

Bảng 2.5. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp B3PW91 ............................... 26

N

H

Bảng 2.6. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp PBEPBE ............................... 26

Y

Bảng 2.7. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp B3LYP........ 27

TP

Bảng 2.9. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp PBEPBE ..... 28

G

Bảng 2.12. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE .... 29

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

Bảng 2.13. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP...... 30 Bảng 2.14. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91 ... 30

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

Bảng 2.15. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE ... 31

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Bảng 2.11. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91 .... 29

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

Bảng 2.10. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP ...... 28

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

Bảng 2.8. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp B3PW91 ..... 27

vii Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

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 nhất (Highest Occupied

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

10 00

B

SCF

A

open-shell HF)

Năng lượng điểm không (Zero Point Energy)

STO

Obitan kiểu Slater (Slater Type Orbital)

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

ZPE

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Molecular Orbital)

TR ẦN

Obitan phân tử không bị chiếm thấp nhất (Lowest Unoccupied

LUMO

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

H Ư

Molecular Orbital)

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

G

Đ ẠO

TP

.Q

U

Y

N

H

Ơ

N

α, β

N

http://daykemquynhon.ucoz.com

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

viii Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

A. MỞ ĐẦU Nhân loại đã và đang chứng kiến sự bùng nổ và phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin trong tất cả các lĩnh vực. Sự phát triển nhanh như vũ bão của công nghệ thông tin đã tạo ra những bước đột phá trong nghiên cứu khoa học, công nghệ cũng như trong

Ơ

N

đời sống con người. Hóa học là ngành khoa học nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về

N

H

thành phần, cấu trúc, tính chất và sự biến đổi của vật chất. Trong đó, phương pháp hoá

Y

học tính toán, mô phỏng các cấu trúc và phản ứng hoá học bằng những bộ số liệu dựa

TP

bởi nó giúp chúng ta nghiên cứu các hiện tượng bằng các tính toán trên máy tính thay

G

lường vật lý nào nhưng để thu được số liệu phù hợp với thực nghiệm thì quá trình tính

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

toán cũng hết sức phức tạp. Bằng cách xây dựng mô hình không những cho các phân tử

TR ẦN

ổn định mà còn cho cả những sản phẩm trung gian có thời gian sống ngắn, không ổn định, ngay cả những trạng thái chuyển dời giúp dự đoán và giải thích bản chất của các phản ứng phức tạp. Theo cách này, chúng ta sẽ có được những thông tin về phân tử, quá

10 00

B

trình phản ứng mà chúng ta không thể thu được từ việc quan sát. Do đó, phương pháp hoá học tính toán vừa là một lĩnh vực nghiêncứu độc lập vừa bổ sung cho những nghiên

A

cứu thực nghiệm cho những nhà hóahọc, vật lý học, quang phổ học...

-H

Ó

Đối với khoa học nói chung và khoa học Hóa học nói riêng, bên cạnh công cụ lý

Ý

thuyết và thực nghiệm thì tính toán đang trở thành công cụ thứ ba tạo nên sự vững chắc,

-L

hoàn thiện cho quá trình nghiên cứu khoa học. Sự phát triển của các phương pháp tính

ÁN

toán cũng như các phần mềm tính toán cho phép dự đoán cấu trúc electron, cấu trúc

TO

hình học, khả năng phản ứng, cơ chế phản ứng, các thông số nhiệt động lực học…

ÀN

Ngoài ra, chúng ta còn có thể tính toán phổ hồng ngoại, phổ khối lượng, phổ UV-Vis

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

chuẩn bị mẫu, kỹ thuật phân tích, cô lập; không cần quang phổ kế hoặc bất cứ sự đo

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

cho việc khảo sát thực nghiệm. Có thể nói rằng, hoá học tính toán không đòi hỏi sự

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

vào những định luật của vật lý đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

D

IỄ N

Đ

của các hợp chất đã biết hoặc chưa biết, kể cả những hợp chất khó xác định trong thực nghiệm hoặc rất tốn kém để xác định.

Các hợp chất vô cơ có vai trò hết sức quan trọng trong đời sống và sản xuất.

Chúng được hình thành và tham gia vào nhiều quá trình trong đời sống hàng ngày có ảnh hưởng đến cuộc sống của con người. Trong đó, một số hợp chất vô cơ điển hình và thường gặp, đó là cacbon đioxit (CO2), cacbon monoxit (CO), nước (H2O), lưu huỳnh đioxit (SO2), nitơ đioxit (NO2). Các chất vô cơ này gây ra hiệu ứng nhà kín, ô nhiễm 1

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

môi trường, mưa axit ... Vì vậy cần làm rõ hơn nữa bản chất hóa học của chúng nhằm đề xuất các biện pháp xử lý một cách hiệu quả nhất. Mặc dù một số đặc điểm và tính chất của chúng đã được xác định nhưng khi tính toán về mặt lý thuyết có cho ta kết quả phù hợp với thực nghiệm hay không và bản chất liên kết hóa học trong các phân tử là như

Ơ

N

thế nào?

N

H

Do vậy, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu cấu trúc và liên kết

Y

hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toán” nhằm lựa

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

Đ ẠO

TP

khám phá bản chất liên kết hóa học trong phân tử.

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

U

chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết phù hợp nhất với một số hợp chất vô cơ và

2 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

B. NỘI DUNG Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÓA HỌC LƯỢNG TỬ 1.1. Phương trình Schrödinger [10] Ba định luật Newton ra đời đã đánh dấu một bước ngoặc lớn cho sự phát triển của

Ơ

N

vật lý học cổ điển. Tuy nhiên, các định luật này lại không áp dụng được cho các hệ vật

N

H

lý vi mô (hệ lượng tử). Năm 1926, Schrödinger đã xây dựng môn cơ học sóng, hợp nhất

Y

thuyết lượng tử Planck và thuyết lưỡng tính sóng hạt của Louis De Broglie. Chuyển

=

h 2

G

TR ẦN

V (x, t) là hàm thế năng của hệ m là khối lượng của hạt, i2 = -1

10 00

B

Ψ(x,t) là hàm sóng toàn phần mô tả trạng thái của hệ phụ thuộc vào biến tọa độ x và biến thời gian t. Hàm sóng Ψ(x,t) là hàm liên tục, xác định, đơn trị, khả

Ó

A

2 vi, nói chung là phức và thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa:  Ψ*Ψdτ   Ψ dτ  1.Tuy

-H

nhiên, hầu hết các hệ lượng tử đều được khảo sát ở trạng thái dừng – trạng thái mà mật

Ý

độ xác suất tìm thấy hệ không biến đổi theo thời gian mà chỉ biến đổi theo tọa độ. Do

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

đó, phương trình Schrödinger không phụ thuộc thời gian của hệ một hạt, một chiều là:

2 d 2 ( x ) + V ( x) ( x) = E ( x) 2m dx 2

(1.2)

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

h là hằng số Planck và

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Trong đó:

(1.1)

N

2 (x, t)  2 (x, t)   V(x, t)(x, t) i t 2m x 2

H Ư



Đ ẠO

Schrödinger phụ thuộc thời gian có dạng đơn giản nhất:

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

TP

Schrödinger. Đối với hệ một hạt chuyển động trong không gian một chiều phương trình

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

động của hệ lượng tử có tính chất sóng hạt này được mô tả bởi phương trình

Trong đó  ( x) là hàm sóng chỉ phụ thuộc tọa độ không gian.

Hoặc viết đơn giản dưới dạng: Ĥ  E

(1.3)

Trong đó,  là hàm riêng của toán tử Hamilton Ĥ , E là trị riêng năng lượng của Ĥ .

Giải phương trình hàm riêng – trị riêng (1.3) sẽ thu được dãy các hàm riêng n và trị riêng En, hàm riêng mô tả trạng thái của hệ lượng tử cho phép rút ra được tất cả các thông tin khác về hệ lượng tử.

3 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

1.2. Toán tử Hamilton [1, 2, 3, 9, 15, 16, 17] Xét hệ gồm M hạt nhân và N electron. Trong hệ đơn vị nguyên tử, toán tử Hamilton Ĥ đầy đủ được xác định theo biểu thức:

Hˆ  Tˆn  Tˆel  Uen  Uee  U nn

N

(1.4)

N

H

Ơ

Tˆn : toán tử động năng của hạt nhân

Trong đó:

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U en : là thế năng tương tác hút tĩnh điện giữa e- và hạt nhân

M 1 2 N M Z A N N 1 M M Z AZ B 1 2 (1.5)  Ĥ   2i   2 M  A    r   r    R A A1 i 1 A1 iA i1 ji ij A1 B A AB i1

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

N

A, B: kí hiệu cho hạt nhân A và B

TR ẦN

Trong đó:

MA: tỉ số khối lượng của hạt nhân A đối với khối lượng của 1e-

B

i, j : kí hiệu cho electron trong hệ

10 00

ZA, ZB: số đơn vị điện tích các hạt nhân A và B tương ứng rij: khoảng cách giữa electron thứ i và thứ j

Ó

A

riA: khoảng cách giữa electron thứ i và hạt nhân A

-H

RAB: khoảng cách giữa hai hạt nhân A và B

-L

Ý

2 2 là toán tử Laplace có dạng:  

2 2 2   x 2 y 2 z 2

ÁN

Trên thực tế, chỉ có thể giải chính xác phương trình Schrödinger đối với hệ 1

ÀN

TO

electron và 1 hạt nhân (bài toán nguyên tử H và những ion giống H). Đối với hệ nhiều

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

U nn : là thế năng tương tác đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

U ee : là thế năng tương tác đẩy tĩnh điện giữa các e-

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

Y

Tˆel : là toán tử động năng của N e-

electron, ngoài sự tương tác giữa electron với hạt nhân còn có sự tương tác giữa

D

IỄ N

Đ

các electron với nhau. Trạng thái của hệ phải được mô tả bởi những hàm sóng phụ thuộc tọa độ của tất cả electron trong hệ. Phương trình Schrödinger đối với các hệ này không thể giải chính xác nên phải áp dụng các mô hình gần đúng sẽ được trình bày trong những phần sau.

Sự gần đúng Born-Oppenheimer xem hạt nhân đứng yên so với electron là sự gần đúng đầu tiên cho phép tách chuyển động của hạt nhân và electron. Khi coi hạt nhân

4 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

đứng yên so với electron, sự phân bố của electron không phụ thuộc vào tốc độ hạt nhân mà phụ thuộc vào vị trí của hạt nhân. Áp dụng cho phương trình (1.5): số hạng thứ hai Tˆn  0 ; và số hạng cuối cùng

Ơ

N

Uˆ nn = C = const. Toán tử Hamilton của cả hệ trở thành toán tử Hamilton của các

N

H

electron ứng với năng lượng electron toàn phần Eel.

Y

N

H Ư

Như vậy, với sự gần đúng Born-Oppenheimer thì hàm sóng đầy đủ cho hệ N

TR ẦN

electron, M hạt nhân sẽ là:

 ri ,RA   el ri ,RA nucl RA

(1.8)

10 00

B

1.3. Hàm sóng của hệ nhiều electron [10]

Trong sự gần đúng Born-Oppenheimer và mô hình hạt độc lập, Hamilton Ĥ el của

A

hệ có thể được xem gần đúng bằng tổng các Hamilton 1e- và hằng số C. Do đó, hàm

-H

Ó

sóng  el của hệ có thể là được xem là hàm tích tích của các hàm sóng obitan-spin 1e-

Ý

(được gọi là tích Hartree):

ÁN

-L

 el  x1, x2 , x3,..., xN   1  x1  2  x2  3  x3 ... N  xN 

i  i  r  .  

TO

Trong đó:

(1.9)

IỄ N

Đ

ÀN

i là hàm obitan-spin 1e- thứ i;

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

(1.7)

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)





G

M M M Z Z 1 2  A  Eelec RA    A B Hˆ nucl    A1 2 M A A1 B A RAB

Đ ẠO

Toán tử hạt nhân có dạng:

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

TP

Khi xét sự chuyển động của hạt nhân trong trường trung bình của các electron.

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

(1.6)

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

N 1 2 N M ZA N N 1 ˆ H el   i       C r 2 iA i 1 i 1 A1 i 1 ji rij

xi là tọa độ khái quát của electron i;

 i  r  là hàm sóng không gian;    là hàm spin, có thể là α hoặc β; Hàm sóng dạng tích Hartree không thỏa mãn nguyên lý không phân biệt các hạt

đồng nhất và nguyên lý phản đối xứng nên phải tổ hợp tuyến tính một cách thích hợp các tích này, tổ hợp đó có thể được viết dưới dạng định thức Slater. Đối với hệ vỏ kín có số chẵn electron, hàm sóng toàn phần của hệ là một định thức Slater: 5 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

(1.10)

.....................................  N  x1   N  x2  ... N  xN  là thừa số chuẩn hóa được xác định từ điều kiện chuẩn hóa hàm

Ơ

1/ 2

H

Với  N !

1/ 2

1  x1  1  x2  ...1  xN   2  x1   2  x2  ... 2  xN 

N

 el   N !

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

N

sóng. Hàng của định thức (1.10) được ký hiệu tương ứng với hàm obitan-spin, và cột

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

cột sẽ làm thay đổi dấu của định thức. Nếu có hai electron có cùng spin chiếm cùng một

TP

obitan thì tương ứng với hai cột của định thức giống nhau và định thức sẽ bằng zero. Vì

:

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

TR ẦN

 el  12... N

(1.11)

Việc đối xứng hóa một tích Hartree để thu được một định thức Slater mang lại 2

bất biến khi đổi chỗ bất kỳ hai

B

những hiệu ứng trao đổi vì điều kiện hàm sóng 

10 00

electron. Hàm định thức Slater gắn với tương quan trao đổi, có nghĩa rằng có kể đến tương quan của hai electron với spin song song. Tuy nhiên, chuyển động của những

Ó

A

electron với spin đối song chưa được xét đến, mặc dù đây là sự đóng góp chính đến

-H

năng lượng tương quan. Vì vậy thông thường ta gọi hàm sóng định thức đơn Slater là

-L

Ý

một hàm sóng không tương quan. Đối với hệ kín (N=2n), hàm sóng một định thức

ÁN

Slater có thể mô tả tốt trạng thái của hệ, còn đối với hệ mở có số lẻ electron (N=2n+1) hàm sóng phải là tổ hợp tuyến tính của nhiều định thức Slater.

Đ

ÀN

TO

1.4. Cấu hình electron và bộ hàm cơ sở

IỄ N D

1/ 2

N

thức Slater, với quy ước đã có mặt thừa số chuẩn hóa  N !

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

G

Hàm sóng  el có thể được biểu diễn ngắn gọn dưới dạng đường chéo chính của định

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

vậy, chỉ có tối đa 1 electron có thể chiếm một obitan-spin (nguyên lý loại trừ Pauli).

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

Y

của định thức ứng với electron. Khi đổi tọa độ hai electron tương ứng với sự hoán vị 2

1.4.1. Cấu hình electron [10] Cấu hình electron cho biết sự phân bố electron trong hệ lượng tử vào các obitan và có thể được phân loại như sau: - Cấu hình vỏ đóng (Closed shell): Hệ có 2n electron chiếm n obitan không gian.

- Cấu hình vỏ mở (Opened shell): Hệ có 2n+1 electron, trong đó 2n electron chiếm

n obitan không gian, một electron còn lại chiếm obitan thứ n+1.

- Cấu hình hạn chế (Restricted): là cấu hình mà một hàm không gian ứng với hai hàm spin  và hàm spin  (2 electron ghép đôi). Các electron độc thân (nếu có) thuộc 6 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

về các hàm không gian khác nhau. Như vậy, chỉ các MO bị chiếm bởi các electron không ghép đôi mới được xử lý riêng biệt. Phương pháp Hatree-Fock với cấu hình này có thể là RHF (Restricted Hartree-Fock) đối với cấu hình vỏ đóng hoặc ROHF (Restricted Open-Shell Hartree-Fock) đối với cấu hình vỏ mở.

Ơ

N

- Cấu hình không hạn chế (Unrestricted): là cấu hình mà các hàm spin  và  ứng

N

H

với hai hàm không gian khác nhau, nghĩa là không suy biến năng lượng. Cấu hình này

U

Y

có thể sử dụng với hệ có vỏ đóng hoặc mở và trạng thái kích thích. Phương pháp HF với

N

G

Để giải phương trình Schrödinger cho phân tử, người ta dùng hàm MO là tổ hợp

H Ư

tuyến tính các AO (MO-LCAO): n

C νiΦi  ν1

(1.12)

TR ẦN

Ψi =

B

Cνi là các hệ số tổ hợp; Φi là các AO cơ sở. Tập hợp các hàm Φi được gọi là bộ cơ

10 00

sở. Mỗi AO cơ sở gồm phần bán kính và phần góc: Φ(r,θ,φ) = R(r).Y(θ,φ).

Ó

thường được sử dụng:

A

Theo cách biểu diễn toán học khác nhau của phần bán kính, có 2 kiểu hàm cơ sở

Ý

-H

AO kiểu Slater (STO): ΦSTO = CS. e

-L

AO kiểu Gaussian (GTO): Φ

GTO

- η r R A

= C .e G

-  r-R A

2

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

Trong đó: r: toạ độ electron

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

1.4.2.1. Obitan kiểu Slater và kiểu Gaussian [10, 18]

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Đ ẠO

1.4.2. Bộ hàm cơ sở

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

TP

là gốc, ion.

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

cấu hình này được gọi là là UHF, phương pháp này cho kết quả tốt trong trường hợp hệ

RA: toạ độ hạt nhân nguyên tử A CS, CG: các hệ số (bao gồm phần góc) η, α: thừa số mũ của các hàm STO và GTO tương ứng, là các số dương

xác định sự khuếch tán hay “kích thước” của hàm.

Nhược điểm của hàm Slater là khi dùng để tính những tích phân 2 electron nhiều tâm (nhiều nguyên tử) thì rất khó hội tụ. Những phép tính này được đơn giản rất nhiều khi dùng hàm Gaussian. Tuy nhiên, hàm Gaussian mô tả không tốt trạng thái ở gần nhân

7 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

dΦGTO và cả ở những khoảng cách lớn xa nhân vì dr

 0 . Để có bộ hàm cơ sở tốt hơn, r RA

có thể làm theo 2 cách:

N

- Tổ hợp tuyến tính n hàm GTO thành 1 hàm STO thu được các bộ hàm cơ sở

H

Ơ

STO-nG.

N

VD: bộ hàm STO-3G, STO-4G,…

TP

=

i a iΨ i

GTO

Đ ẠO

Φ

(1.13)

G

Trong đó: hệ số rút gọn ai (contraction coefficient) được chọn sao cho ΦCGF giống

N H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

hàm STO nhất; k: bậc rút gọn.

1.4.2.2. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở

TR ẦN

Một bộ hàm cơ sở tối thiểu (minimal basis set) bao gồm tất cả các obitan vỏ trong và obitan vỏ hóa trị.

B

VD: H: 1s; C: 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz

10 00

Bộ hàm cơ sở hóa trị tách (split valence basis set): gấp đôi, gấp ba,…số hàm cơ sở cho mỗi AO hóa trị, làm thay đổi kích thước của obitan.

Ó

A

VD: H: 1s, 1s’; C: 1s, 2s, 2s’, 2px, 2py, 2pz , 2px’, 2py’, 2pz’

-H

Bộ hàm cơ sở mở rộng (extended basis sets): là tập cơ sở tối thiểu bao gồm thêm

-L

Ý

các obitan của lớp vỏ bên ngoài vỏ hóa trị (obitan ảo – virtual orbital)

ÁN

Hàm phân cực: thêm các AO có momen góc lớn hơn cho nguyên tử nặng và nguyên tử H vào bộ cơ sở hóa trị tách, có thể làm biến đổi hình dạng các obitan.

TO

Hàm khuyếch tán: là những hàm s, p có kích thước lớn, mô tả các obitan có không

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

k

CGF

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

thu được hàm Gaussian rút gọn, kí hiệu là CGF (Contracted Gaussian Functions):

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

Y

- Tổ hợp tuyến tính một số hàm GTO gọi là các hàm Gaussian ban đầu (PGTO)

D

IỄ N

Đ

ÀN

gian lớn hơn. Bộ cơ sở có hàm khuếch tán quan trọng với các hệ có electron ở xa hạt nhân như các phân tử có cặp electron riêng, các anion, các hệ ở trạng thái kích thích, hệ có thế ion hóa thấp, hệ tương tác yếu…

1.4.3. Phân loại bộ hàm cơ sở  Bộ cơ sở kiểu Pople [10]: - Bộ cơ sở STO-nG: tổ hợp n GTO thành STO, với n = 2 - 6. Thực tế với n > 3, kết quả rất ít thay đổi so với n = 3, do đó bộ hàm STO-3G được sử dụng phổ biến nhất và là một bộ cơ sở cực tiểu.

8

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

- Bộ cơ sở k-nlmG: với k là số hàm GTO tổ hợp thành obitan lõi, bộ số nlm vừa chỉ số hàm obitan vỏ hóa trị được phân chia thành và vừa chỉ số hàm GTO sử dụng tổ hợp. Mỗi bộ hàm có thể thêm hàm khuếch tán, phân cực hoặc cả hai. Hàm khuếch tán thường là hàm s và hàm p đặt trước chữ G, kí hiệu bằng dấu “+” hoặc “++”; dấu “+” thứ

Ơ

N

nhất thể hiện việc thêm 1 bộ hàm khuếch tán p cho nguyên tử nặng, dấu “+” thứ hai thể

N

H

hiện việc thêm 1 bộ hàm khuếch tán s cho nguyên tử H. Hàm phân cực được chỉ ra sau

Y

chữ G, kí hiệu bằng chữ thường (hoặc dấu * và **).

G

31+G(d), 6-311+G(d,p), 6-311++G(d,p), 6-311++G(3df,2p).

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

 Bộ cơ sở phù hợp tương quan (correlation consistent basis set) [13]:

TR ẦN

Dunning và cộng sự đã đề nghị loại cơ sở GTO nhỏ hơn mà kết quả đạt được đáng tin cậy. Bộ cơ sở này gọi là phù hợp tương quan (cc: correlation consistent), gồm các loại bộ cơ sở sau: cc-pVDZ, cc-pVTZ, cc-PVQZ, cc-pV5Z và cc-pV6Z (correlation

10 00

B

consistent polarized Valence Double/ Triple/ Quadruple/ Quintuple/ Sextuple Zeta).

Nhìn chung, các bộ cơ sở trên được hình thành nhờ vào việc thêm các hàm phân cực

A

nhằm tăng không gian để mô tả tốt hơn vị trí phân bố của electron. Những bộ cơ sở cc

-H

Ó

sau đó được bổ sung những hàm khuyếch tán và chúng được ký hiệu aug-cc-pVTZ,

Ý

aug-cc-pVQZ, aug-cc-pV5Z. Những bộ cơ sở này cho kết quả tính toán rất tốt và mô tả

-L

tốt đối với những hệ tương tác yếu, không cộng hoá trị.

ÁN

1.5. Phương pháp gần đúng Hartree-Fock và các phương pháp liên quan [10]

TO

1.5.1. Phương pháp Hartree-Fock

ÀN

Phương pháp này xuất phát từ quan niệm về trường thế hiệu dụng trung bình đối

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Một số bộ hàm cơ sở Pople thường dùng: STO-3G, 3-21G(d), 3-21G(d,p), 6-

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

được tổ hợp từ 3 hàm GTO, bộ CGF thứ hai được tổ hợp từ 1 GTO

TP

hợp từ 6 hàm GTO, bộ obitan hóa trị được tổ hợp từ 2 bộ hàm CGF, bộ CGF thứ nhất

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

VD: 6-31G là một bộ cơ sở hoá trị tách đôi. Trong đó mỗi obitan phần lõi được tổ

D

IỄ N

Đ

với mỗi electron được hợp bởi thế hút của hạt nhân và thế đẩy trung bình hoá do tất cả các electron khác sinh ra. Đây là sự gần đúng đầu tiên hướng đến sự gần đúng chính xác hơn.

Hàm sóng phản đối xứng đơn giản nhất được sử dụng để mô tả trạng thái cơ bản của một hệ N electron là hàm một định thức Slater:

elec  i  x1   j  x 2  ... k  x N 

(1.14)

9 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Theo nguyên lý biến phân, hàm sóng tốt nhất ứng với hàm cho năng lượng thấp nhất: E =  el Hˆ  el , với Ĥ là toán tử Hamilton electron đầy đủ. Bằng việc tối ưu E0 với sự lựa chọn obitan-spin ta nhận được một phương trình, được gọi là phương trình

N Y



J j (1) i (1)    *j (2) 

 1  (2)d2  i (1) r12 j 



 1 i (2)d2   j (1) r12 

10 00

K j (1) i (1)    *j (2) 

(1.18)

(1.19)

A

Trong đó:

(1.17)

-H

Ó

 HF (1) là toán tử hiệu dụng một electron hay thế năng HF của một electron trong sự có mặt những electron khác.

-L

Ý

Ji(1) là toán tử Coulomb, thay thế thế năng tĩnh điện khu trú trung bình ở  1 gây

ÁN

ra bởi một electron ở  j .

TO

Kj(1) là toán tử trao đổi, được xem như toán tử giải toả vì không có tồn tại thế

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

j 1

H Ư

N

G

 2 J j (1) – Kj (1)

TR ẦN

(1) =

(1.16) MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

N /2

B

http://daykemquynhon.ucoz.com

Đ ẠO

1 2 M ZA f(1) = - 1     HF (1) 2 A1 r1A

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U TP

f(1) là toán tử một electron hiệu dụng, được gọi là toán tử Fock:

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

 i là năng lượng obitan-spin HF



H

(1.15)

Trong đó:

HF

Ơ

f (1) i (1)   i i (1)

N

HF. Phương trình này sẽ xác định được obitan-spin tối ưu, có dạng:

D

IỄ N

Đ

ÀN

năng đơn giản Kj(  1 ) duy nhất được xác định ở điểm khu trú trong không gian  1 .

Thế năng HF, HF (1), phụ thuộc vào những obitan-spin của những electron khác

electron khảo sát. Phương trình HF (1.16) không tuyến tính và phải giải bằng phương pháp lặp. Thủ tục giải phương trình này được gọi là phương pháp trường tự hợp (Self Consistent Field, SCF). Thủ tục giải SCF khá đơn giản: bằng việc đưa vào obitan-spin ban đầu, ta tính được trường trung bình (  HF (1)), sau đó giải phương trình trị riêng (1.16) để nhận bộ obitan-spin mới. Sử dụng bộ này để đạt được trường mới và lặp lại 10

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

thủ tục trên cho đến khi SCF đạt được (trường không còn thay đổi nữa và obitan-spin giống như hàm riêng của toán tử Fock).

Phương pháp Hartree-Fock có nhược điểm là chỉ áp dụng được cho hệ nguyên tử, nhưng khó áp dụng với hệ phân tử, vì đối với nguyên tử ta khó có thể trung bình hoá các

Ơ

N

thế hiệu dụng 1e- sao cho chúng có đối xứng xuyên tâm để phương trình 1e- có 3 biến

N

H

trở thành phương trình chỉ có một biến. Roothaan đã khắc phục được những hạn chế của

Y

phương pháp Hartree-Fock về việc giải được phương trình 1e- trong phân tử bằng cách

Sử dụng các tham số rút ra từ thực nghiệm để thay thế cho các tích phân trong quá

G

trình giải phương trình Schrödinger nên các phép tính trở nên đơn giản hơn, tiết kiệm

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

hơn mà vẫn thu được thông tin có ý nghĩa. Vì vậy, các phương pháp bán kinh nghiệm

TR ẦN

vẫn được dùng rộng rãi trong nghiên cứu hoá học lượng tử, đặc biệt đối với những hệ lớn. Trong nhóm phương pháp này có các phương pháp: Huckel mở rộng, phương pháp NDDO, CNDO, INDO, MINDO, AM1, PM3…

10 00

B

1.5.3. Các phương pháp Post-Hartree-Fock Phương pháp Post-Hartree-Fock là những phương pháp tính từ đầu dựa trên

A

obitan phân tử MO. Trên cơ sở phương pháp HF, nhưng được kể thêm tương quan

-H

Ó

electron, những phương pháp này còn được gọi là phương pháp hậu Hartree-Fock (Post-

Ý

HF), bao gồm: Phương pháp nhiễu loạn (MPn), phương pháp tương tác cấu hình (CI),

-L

phương pháp tương tác chùm Coupled Cluster (CC)…

ÁN

1.6. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) [11, 12]

TO

Thuyết DFT cho phép mô tả trạng thái hệ N electron theo hàm sóng ( r ) và

ÀN

phương trình Schrödinger tương ứng với hàm mật độ ( r ) và những tính toán liên quan

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Đ ẠO

1.5.2. Các phương pháp bán kinh nghiệm

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

TP

tốt nhất là MO-LCAO-SCF thu được khi áp dụng phương pháp trường tự hợp Hartree-Fock.

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

thay thế các AO trong phương trình Hartree-Fock bằng các MO-LCAO và MO-LCAO

D

IỄ N

Đ

đến việc sử dụng hàm này, xuất phát từ quan điểm cho rằng năng lượng của một hệ các electron có thể được biểu thị như một hàm của mật độ electron ( r ). Do đó, năng lượng của hệ các electron E[( r )] là một phiếm hàm đơn trị của mật độ electron.

1.6.1. Mô hình Thomas – Fermi Năm 1927, Thomas và Fermi xuất một biểu thức năng lượng Thomas – Fermi cho nguyên tử dựa trên mật độ electron là:

11 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ETF[] =

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

 (r) 1  ( r1)  ( r1) 3 (32)2/35/3(r)dr-Zdr + dr1dr2 Rr 2 10 r1  r2

(1.20)

Trong đó Z là điện tích của hạt nhân, R là vectơ toạ độ của hạt nhân, r là vectơ toạ độ electron. Phương trình này chỉ dùng cho nguyên tử (có một hạt nhân). Mô hình

Ơ

N

Thomas – Fermi quá đơn giản, không dùng được cho phân tử, độ chính xác khi dùng

N

H

cho các nguyên tử cũng không cao, chỉ nghiệm đúng trong một số ít trường hợp (xem

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

1.6.2. Các định lý Hohenberg – Kohn

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

Định lý 2: Đối với một ma trận mật độ thử  (r ) sao cho ma trận mật độ thử đó là

TR ẦN

không âm và   (r ) d r = N thì ta có năng lượng: E0 E[  (r ) ]

(1.21)

B

Trong đó E0 là năng lượng của hệ ở trạng thái cơ bản. Biểu thức (1.21) tương tự

10 00

nguyên lý biến phân với E = E[( r )]. Nó cho thấy phiếm hàm năng lượng E  (r ) ] có

E [  r  ]  0 thì ( r ) xác định năng lượng của hệ ở trạng thái

Ó

d

d r 

-H

Do đó, tại

A

cực trị (cực tiểu là E0).

-L

Ý

cơ bản, điều này được áp dụng khi xây dựng các phương trình Kohn-Sham.

ÁN

1.6.3. Các phương trình Kohn – Sham

TO

Phương pháp này thay bài toán nhiều electron bằng một tập hợp tương đương chính xác các phương trình tự hợp 1 electron. Ưu điểm của phương pháp là bao hàm

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

như các tính chất khác của hệ ở trạng thái cơ bản.

G

Định lý 1: Mật độ electron ( r ) xác định thế ngoài Vext( r ), hàm sóng ( r ) cũng

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

thái cơ bản và mật độ electron và chứng minh năm 1964.

TP

Hohenberg và Kohn đã đưa ra hai định lý cơ bản để chỉ ra mối quan hệ giữa trạng

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

Y

electron là các hạt độc lập).

D

IỄ N

Đ

ÀN

đầy đủ hiệu ứng trao đổi, tương quan năng lượng electron. Xét hệ có N electron đã được ghép đôi.

Năng lượng của hệ theo Kohn-Sham ở trạng thái cơ bản được xác định theo biểu

thức:

 

1  r   R drdR  Exc    r       r  Vext ( r )d r E[( r )] = T[( r )]+  2 rR

(1.22)

12 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Trong đó: T[( r )] là phiếm hàm động năng của các electron: T[( r )] = 

1N *i ( r )2 i  r  d r  2 1

(1.23)

Ơ

N

 i  r  là hàm không gian 1 electron, còn gọi là obitan Kohn-Sham. Exc[( r )] là

H

năng lượng tương quan trao đổi của hệ.

Y

N

∫( r )Vext ( r ) d r biểu thị năng lượng hút giữa hạt nhân và electron.

G

(1.24)

H Ư

Trong đó:  i là năng lượng obitan Kohn-Sham

TR ẦN

VXC là thế tương quan trao đổi:VXC =

 E XC    

(1.25)

B

Nếu EXC[] đã được biết thì thu được VXC[]. Nhưng dạng chính xác của EXC[]

10 00

hiện tại chưa tìm ra. Khi có dạng của EXC[] thì (1.24) cũng được giải theo phương pháp

A

trường tự hợp SCF thu được các obitan không gian 1 electron là  i (r1) . Từ các obitan

N

 i  r 

Ý

 ( r ) =

-H

Ó

Kohn-Sham có thể tính được ( r ) theo biểu thức: .

-L

i 1

2

ÁN

Sự phát triển của lý thuyết DFT ngày nay là tập trung vào việc làm sao để có

TO

phiếm hàm EXC[] ngày càng tốt hơn. Các phương pháp DFT khác nhau ở dạng của

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

http://daykemquynhon.ucoz.com



   r2  e2  dr V r i i  r1   4 0r12 2 XC  1  i  ri    

N

M 2  Z1e2 2      1 2 4  m r  I 1 e 0 12 

Đ ẠO

Phương trình Kohn-Sham:

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

toàn phần ( r1 ), ( r2 ).

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

U

Số hạng còn lại biểu thị năng lượng tương tác Coulomb giữa 2 mật độ electron

D

IỄ N

Đ

ÀN

phiếm hàm EXC[]. Các phiếm hàm đó thường được xây dựng dựa vào việc so sánh với kết quả thực nghiệm hoặc so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết ở mức cao. Thông thường năng lượng trao đổi – tương quan EXC được tách thành hai phần riêng biệt, phần trao đổi EX và phần tương quan EC. Sau đây là một số phiếm hàm trao đổi và tương quan đã và đang được sử dụng phổ biến.

13 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

1.6.4. Một số phiếm hàm trao đổi [12] - Hàm trao đổi được xây dựng bởi Slater (LDA) 1

N

4 3  3 3 = -      r  3 dr 4 

Ơ

1

N

H

3 3 Thế tương ứng là  xLDA         r    

x

 x   ,0  Cx 

1 3;

U

1

3  3 3 Cx     .

4  

N



1 3;

H Ư

 x   ,1

1  23 C

B



1 23

1

3  3 3 ; A    ;   0,0042 .

4  

4

3

-H

Ó

Trong đó: z =

   z2     1  1 1 1  6 z sinh  z    2 3 Ax 

10 00

   

LDA  x

A



B88  x

TR ẦN

- Hàm trao đổi Beck’s 1988 (B Hoặc B88):

Ý

- Hàm trao đổi Perdew-Wang (PW91):

-L





Trong đó:

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

1  sa sinh 1 sa  a  a e100 s2 s 2   2 3 4 1   xPW 91   xLDA      1 4 1  sa1 sinh  sa2   a5s    

s

 1 2 3

 24 



4 3

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

2

Đ ẠO

4 23

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

4

G

Với f   là hàm nội suy, f  

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

.Q

4

1    3  1    3  2 

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

 xLSDA   ,    x   ,0  f    x   ,1   x   ,0 

Y

- Hàm trao đổi phụ thuộc vào mật độ spin địa phương (LSDA):

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

ExLDA[]

;

a1 = 0,19645; a2 = 7,7956; a3 = 0,2743; a3 = -0,1508 và a5 = 0,004.

1.6.5. Một số phiếm hàm tương quan [12] - Hàm tương quan Lee, Yang và Parr (LYP)



LYP x

    a

1 1 d 

1 3

1 5  2  1 1 2  c 3   3 3    b CF   2tw   tw      e  9 2          

14 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Trong đó: 

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

a = 0,04918; b = 0,132; c = 0,2533; d =0,349. 

2 1   2   ; CF  3  3 2  3 . tw    8  10

2





Ơ

N

- Hàm tương quan Perdew-Wang (PW91)

N

H

VcPW 91      cLDA      H   , s, t 

TR ẦN

C2  C3rs  C4rs2 Cc() = C1 + 1  C5rs  C6rs2  C7rs3

B

với C1 = 0,001667; C2 = 0,002568; C3 = 0,023266;

10 00

C4 = 7,389.10-6; C5 = 8,723; C6 = 0,472 và C7 = 0,07389.

A

1.6.6. Một số phương pháp DFT thường dùng [8]

-H

Ó

1.6.6.1. Các phương pháp DFT thuần khiết Mỗi một phương pháp DFT là sự kết hợp phù hợp giữa các dạng cụ thể của

-L

Ý

phiếm hàm trao đổi và phiếm hàm tương quan.

TO

LYP.

ÁN

- Phương pháp BLYP kết hợp phiếm hàm trao đổi B88 và phiếm hàm tương quan - Phương pháp BP86 sử dụng phiếm hàm hiệu chỉnh B đối với năng lượng trao đổi

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

 = 0,09;  = 0,0667263212; Cc0 = 15,7559; Cc1 = 0,0035521

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

G N

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

s có giá trị tương tự như ở hàm trao đổi PW91

Đ ẠO

  6  2 cLDA       2   2  ; t   3   .

A e  1 7    4 6   1

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

1

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

U

Y

2  2  2 t 2  At 4    2 100 s ; 1n 1  Trong đó: H = 2 2 4   Cc 0 Cc     Cc1  t e 2   1  At  A t 

D

IỄ N

Đ

ÀN

LSDA và phiếm hàm tương quan là phiếm hàm hiệu chỉnh gradient cho phiếm hàm LSDA, kí hiệu P86.

1.6.6.2. Các phương pháp DFT hỗn hợp Các phiếm hàm hỗn hợp được tạo ra từ sự kết hợp một phần của năng lượng trao đổi HF với năng lượng trao đổi DFT thuần khiết.

15 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DấyKèmQuyNhƥn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

- Phiáşżm hĂ m Half-and-Half: năng lưᝣng trao Ä‘áť•i HF gĂłp máť™t náť­a vĂ năng lưᝣng trao Ä‘áť•i – tĆ°ĆĄng quan LSDA gĂłp máť™t náť­a vĂ o phiáşżm hĂ m trao Ä‘áť•i – tĆ°ĆĄng quan:



1 1 H H Exc  ExHF  ExLSDA  EcLSDA 2 2



(1. 26)

B3 Exc  1  a  ExLSDA  a.ExHF  b.ExB  ECLSDA  c.ďƒ‘ECGGA

Ć

N

- Phiếm hà m B3: là phiếm hà m ba thông sᝑ cᝧa Becke:

N

H

(1.27)

Y

a, b, c là cåc hᝇ sᝑ do Becke xåc đᝋnh: a = 0,2; b = 0,7; c = 0,8

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

- Phưƥng phåp B3P86 là phưƥng phåp h᝗n hᝣp chᝊa phiếm hà m trao đ᝕i h᝗n hᝣp

TR ẌN

1.7. Phân tích s᝹ phân bᝑ electron

H ĆŻ

B3 vĂ phiáşżm hĂ m tĆ°ĆĄng quan P86 (lĂ cĂĄc phiáşżm hĂ m kiáťƒu GGA).

Máť™t trong nhᝯng đấi lưᝣng đạc trĆ°ng cho sáťą phân báť‘ electron trong phân táť­ lĂ

B

điᝇn tích riêng phần trên cåc nguyên t᝭ trong phân t᝭ (g�i tắt là điᝇn tích nguyên t᝭

10 00

trong phân táť­). Ä?ây lĂ máť™t đấi lưᝣng khĂ´ng tháťƒ Ä‘o đưᝣc báşąng tháťąc nghiᝇm nhĆ°ng cĂł nhiáť u phĆ°ĆĄng phĂĄp lĂ˝ thuyáşżt Ä‘áťƒ Ä‘ĂĄnh giĂĄ. Trong khuĂ´n kháť• khĂła luáş­n nĂ y chĂşng tĂ´i

Ă“

A

gi᝛i thiᝇu 2 phưƥng phåp là phưƥng phåp Mulliken và phưƥng phåp NBO.

-H

1.7.1. PhĆ°ĆĄng phĂĄp Mulliken

Ă?

CĆĄ sáť&#x; cᝧa phĆ°ĆĄng phĂĄp nĂ y lĂ cĂĄc electron đưᝣc phân chia cho cĂĄc nguyĂŞn táť­ dáťąa

-L

trên bản chẼt cᝧa s᝹ đóng góp obitan nguyên t᝭ và o hà m sóng phân t᝭. Phưƥng phåp

Ă N

Mulliken sáť­ d᝼ng ma tráş­n máş­t Ä‘áť™ (P) vĂ ma tráş­n xen phᝧ (S) tᝍ hĂ m sĂłng Ä‘áťƒ xây dáťąng

TO

ma trận phân bᝑ electron. Mật đ᝙ electron cᝧa m᝙t tích phân xen phᝧ đưᝣc chia đᝠu cho

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

v᝛i a = 0,80; b = 0,72; c = 0,81

(1.28) MáťŒI YĂŠU CẌU GᝏI Vᝀ Háť˜P MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Ä? áş O

B 3LYP Exc  aExLDA  1  a  ExHF  b.ExB88  ECVWN  c.ECLYP

Dáş Y KĂˆM QUY NHĆ N OFFICIAL ST&GT : Ä?/C 1000B TRẌN HĆŻNG Ä?áş O TP.QUY NHĆ N

.Q

tĆ°ĆĄng quan GGA lĂ phiáşżm hĂ m LYP, ta cĂł biáťƒu thᝊc:

TP

NĆĄi báť“i dưᝥng kiáşżn thᝊc ToĂĄn - LĂ˝ - HĂła cho háť?c sinh cẼp 2+3 / Diáť…n Ä?Ă n ToĂĄn - LĂ˝ - HĂła Quy NhĆĄn 1000B Trần HĆ°ng Ä?ấo Tp.Quy NhĆĄn Tᝉnh BĂŹnh Ä?áť‹nh

U

- Phưƥng phåp B3LYP chᝊa phiếm hà m trao đ᝕i h᝗n hᝣp B3, trong đó phiếm hà m

D

Iáť„ N

Ä?

Ă€N

2 nguyĂŞn táť­ tham gia (khĂ´ng Ä‘áťƒ Ă˝ Ä‘áşżn Ä‘áť™ âm Ä‘iᝇn cᝧa cĂĄc nguyĂŞn táť­) . Ä?iᝇn tĂ­ch Mulliken luĂ´n đưᝣc phân tĂ­ch mạc Ä‘áť‹nh trong Gauusian. Sau đây lĂ biáťƒu

thᝊc toĂĄn háť?c cᝧa phân tĂ­ch Mulliken, trong Ä‘Ăł N lĂ táť•ng sáť‘ electron cᝧa hᝇ (bao gáť“m hai nguyĂŞn táť­, r vĂ s): đ?‘ = ∑đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘› âˆŤ ď šj(rj)(ď šj)(rj)drj đ?‘— ∑đ?‘&#x;,đ?‘ âˆŤ đ?‘? j,rď Şr(rj)cjsď Şs(rs)drj = ∑đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘› đ?‘— = ∑đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘› (∑đ?‘&#x; đ?‘? 2jr + ∑đ?‘&#x;≠đ?‘ đ?‘? jrcjsSrs) đ??˝

(1.29)

Nk = ∑đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘œđ?‘› (∑đ?‘&#x;∈đ?‘˜ đ?‘? 2jr + ∑đ?‘&#x;,đ?‘ ∈đ?‘˜,đ?‘&#x;≠đ?‘ đ?‘? jrcjsSrs+ ∑đ?‘&#x;∈đ?‘˜,đ?‘ ďƒ?đ?‘˜ đ?‘? jrcjsSrs) (1.30) đ?‘— 16 Ä?Ăłng gĂłp PDF báť&#x;i GV. Nguyáť…n Thanh TĂş

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

qk = Zk - Nk Ưu điểm: Phương pháp này dễ sử dụng cho hầu hết các các phần mềm tính toán hóa học lượng tử. Đối với bộ cơ sở hóa trị tách tối thiểu và nhỏ, phương pháp này nhanh chóng cho kết quả về điện tích trên các nguyên tử và độ lớn điện tích khá hợp lý. Nó là

Ơ

N

công cụ hữu ích dùng để so sánh sự thay đổi trong chuyển điện tích giữa hai hình học

N

H

khác nhau khi bộ cơ sở giống nhau.

Y

Nhược điểm: Điện tích nguyên tử tính được khi dùng phương pháp Mulliken khác

TP

tăng của kích thước bộ cơ sở là một bất lợi lớn đối với lý thuyết. Không có cách nào để

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

Phương pháp này tính toán dựa trên sự khu trú hóa các MO chính tắc, sau đó phân

TR ẦN

loại chúng thành ba nhóm: Obitan nguyên tử tự nhiên không liên kết (NAO), obitan liên kết và phản liên kết (NBO) và các obitan Rydberg. Các obitan kiểu Rydberg và NAO được xem là các AO riêng của các nguyên tử, NBO được tạo thành từ sự kết hợp của

10 00

B

các AO của hai nguyên tử. Điều này tương tự như quan điểm về các electron lõi, electron riêng và electron hóa trị. Điện tích NBO được tính bằng cách chỉ xem xét các

A

obitan liên kết tự nhiên NBO. Sau đó tính toán các NBO giống như phương pháp

-H

Ó

Mulliken tính toán cho tất cả các AO.

Ý

Ưu điểm: Phương pháp này phân biệt các obitan tham gia xen phủ tạo liên kết và

-L

obitan lõi, obitan không liên kết của một nguyên tử. Vì thế điện tích nguyên tử tính theo

ÁN

phương pháp này khá ổn định khi thay đổi kích thước bộ hàm cơ sở.

TO

Nhược điểm: Tính toán theo phương pháp này tốn kém hơn so với phương pháp

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

G

1.7.2. Phương pháp obitan liên kết tự nhiên (NBO)

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

luôn luôn chia đều cho mật độ electron giữa hai nguyên tử.

Đ ẠO

tính toán sự khác biệt về độ âm điện của các nguyên tử trong phân tử; phương pháp này

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

nhau nhiều khi tính toán sử dụng bộ cơ sở khác nhau. Sự thay đổi về điện tích với sự gia

D

IỄ N

Đ

ÀN

Mulliken.

17 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU 2.1. Hệ chất nghiên cứu 2.1.1. Cacbon đioxit [4] Cacbon đioxit là một trong các khí đầu tiên được miêu tả như là chất hiện hữu

Ơ

N

trong không khí. Vào thế kỷ XVII, nhà hóa học người Flanders là Jan Baptist van

H

Helmont đã quan sát thấy khi ông đốt than củi trong bình kín thì khối lượng còn lại của

Y

N

tro là thấp hơn so với khối lượng nguyên thủy của than củi. Diễn giải của ông là phần

.Q TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

"linh hồn hoang dã" (spiritus sylvestre).

Các thuộc tính của cacbon đioxit được nhà vật lý người Scot là Joseph

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Các hiệu ứng này là do

H Ư

khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axít cacbonic. Tỷ

TR ẦN

trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg m−3, nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần. Phân tử cacbon điôxít (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có dạng thẳng với độ dài liên kết của C=O là 1,16Å. Nó không có lưỡng cực điện do các liên kết C=O phân cực nhưng đối

10 00

B

xứng với nhau. Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không

-H

Ó

A

hoạt động lắm và cụ thể là không cháy. .

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử CO2

Ý

Đặc tính đặc biệt của CO2 là tính trơ và độ hòa tan trong nước cao nên CO2 là một

-L

khí hỗ trợ lý tưởng, đa dạng trong cuộc sống hàng ngày và trong công nghệ môi trường.

ÁN

Cacbon đioxit lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp

TO

thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở)

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

Black nghiên cứu nhiều hơn trong thập niên 1750. Cacbon đioxit là một khí không

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

còn lại của than củi đã được biến tố thành chất không nhìn thấy mà ông gọi là "khí" hay

ÀN

loại kem và các thực phẩm đông lạnh. Cacbon đioxit được sử dụng để sản xuất nước

D

IỄ N

Đ

giải khát cacbonat hóa và nước sođa.

Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột bị

phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axit.

Ngoài ra, cacbon đioxit còn dùng để sản xuất một số bình cứu hỏa dập tắt lửa, đặc biệt là các loại được thiết kể để dập cháy do điện, có chứa cacbon đioxit lỏng bị nén.

18

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Cacbon điôxít cũng được sử dụng như là môi trường khí cho công nghệ hàn, mặc dù trong hồ quang thì nó phản ứng với phần lớn các kim loại.

Cacbon đioxit được điều chế như sau: Trong phòng thí nghiệm Cho dd HCl tác dụng với đá vôi trong bình kíp

N

CaCl2 + CO2 + H2O.

Ơ

CaCO3 + 2HCl

N

H

Trong công nghiệp CO2 được tạo ra trong quá trình đốt than để thu năng lượng

Y

ngoài ra trong quá trình chuyển hóa khí thiên nhiên, các sản phẩm dầu mỏ, nung vôi, lên

G

khi cho khí thu được là hydro do nó cũng cháy với ngọn lửa màu xanh lam. Sau này, nó

H Ư

N

được nhà hóa học người Anh là William Cruikshank xác định là một hợp chất chứa cacbon và oxy năm 1800.

TR ẦN

Cacbon monoxit, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàn

10 00

B

của cacbon và các hợp chất chứa cacbon.

Cấu trúc của phân tử CO được mô tả tốt nhất dựa theo thuyết quỹ đạo phân tử. Độ

A

dài của liên kết hóa học (dlk = 1,12 Ao) chỉ ra rằng nó có đặc trưng liên kết ba một phần.

-H

Ó

Phân tử có momen lưỡng cực nhỏ (0,112 Debye hay 3,74x10−31 C.m) và thông thường

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

được biểu diễn bằng 3 cấu trúc cộng hưởng:

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

tiên năm 1776 bằng cách đốt nóng oxit kẽm (ZnO) với than cốc, nhưng ông đã sai lầm

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

Cacbon monoxit đã được nhà hóa học người Pháp là de Lassone điều chế lần đầu

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U TP

2.1.2. Cacbon monoxit [5]

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

men rượu từ glucozo,...

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử CO

CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm

vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí. CO có tính liên kết với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần so với oxy nên khi được hít vào phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở oxy đến tế bào. CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim.

Phân tử CO có liên kết ba bền vững nên ở nhiệt độ thường C rất trơ, chỉ hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao. Cacbon monoxit là oxit trung tính không có khả năng tạo 19

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

muối vì vậy nó không tác dụng với dung dịch bazơ và dung dịch axit ở nhiệt độ thường.

Ngoài ra, CO là chất khử mạnh nên được ứng dụng trong ngành luyện kim để sản xuất kim loại trong lò cao.

Cacbon monoxit được điều chế như sau:

Ơ

N

Trong công nghiệp, người ta cho hơi nước qua than nung đỏ hoặc thổi không khí

N

H

qua than nung đỏ CO2 bị khử thành CO (sản xuất trong lò gas).

Y

C + H2O ↔ CO + H2 (10500C)

G

Nước là một hợp chất hóa học của oxi và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hidro và tính bất thường

TR ẦN

của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm khoảng không gian lớn nên góc này sai lệch đi so với góc lý

-H

Ó

A

10 00

B

tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 0,96 Ao.

Hình 1.3. Cấu trúc phân tử H2O

Ý

Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđro giữa các phân tử là cơ sở cho

-L

nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho

ÁN

các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu.

TO

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

2.1.3. Nước [4, 5]

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

HCOOH → CO + H2O (H2SO4 đặc, t0)

TP

- Trong phòng thí nghiệm, cho H2SO4 đặc và axit HCOOH, đun nóng:

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U .Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

CO2 + C → 2CO (t0)

D

IỄ N

Đ

ÀN

điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ đóng băng của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius. Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước. Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hiđro.

Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể hiểu đơn giản khi một oxit axit hoặc một oxit bazơ tác dụng với nước sẽ tạo ra dung dịch axit hay bazơ tương ứng. Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hidroxit (OH-) cân bằng với hàm lượng của

20 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DấyKèmQuyNhƥn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

hidronium (H3O+). Khi phản ᝊng v᝛i m᝙t axit mấnh hƥn ví d᝼ như HCl, nư᝛c phản ᝊng như m᝙t chẼt kiᝠm: HCl + H2O ↔ H3O+ + ClV᝛i ammoniac nư᝛c lấi phản ᝊng như m᝙t axit:

Ć

N

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-

N

H

2.1.4. LĆ°u huáťłnh Ä‘ioxit [4,6,7]

Y

Lưu huᝳnh đioxit (hay còn g�i là anhiđrit sunfurƥ) là m᝙t hᝣp chẼt hóa h�c v᝛i

TP

Lưu huᝳnh đioxit là m᝙t khí vô cƥ không mà u, nạng hƥn không khí. Vᝠmạt hÏnh h�c thÏ

TR ẌN

Lưu huᝳnh đioxit là m᝙t oxit axit, tan trong nư᝛c tấo thà nh dung dᝋch axit yếu H2SO3 (nhưng nó vẍn có đầy đᝧ tính chẼt hóa h�c cᝧa axit). Ngoà i ra, SO2 vᝍa có tính

B

kh᝭ vᝍa có tính oxi hóa.

10 00

LĆ°u huáťłnh Ä‘ioxit cĂł ᝊng d᝼ng quan tráť?ng trong Ä‘áť?i sáť‘ng nhĆ°: TẊy trắng giẼy, báť™t giẼy, tẊy mĂ u dung dáť‹ch Ä‘Ć°áť?ng. Ä?Ă´i khi đưᝣc dĂšng lĂ m chẼt bảo quản cho cĂĄc loấi quả

Ă“

A

sẼy khô như mƥ, vải ... do thu᝙c tính chᝑng nẼm mᝑc cᝧa nó.

-H

Lưu huᝳnh đioxit đưᝣc điᝠu chế như sau:

Ă?

Trong phòng thí nghiᝇm, cho kim loấi tåc d᝼ng v᝛i axit H2SO4 đạc nóng:

-L

Cu + 2H2SO4 (đạc, nóng) → CuSO4 + SO2 + 2H2O

Ă N

Trong công nghiᝇp: S + O2→ SO2

- Ä?áť‘t quạng sunfua kim loấi nhĆ° FeS2,Cu2S,...

4FeS2 + 11O2→ 2Fe2O3 + 8SO2 - Kh᝭ thấch cao bẹng C có mạt SiO2 :

D

Iáť„ N

Ä?

Ă€N

TO

- Ä?áť‘t chĂĄy S

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

H ĆŻ

HÏnh 1.4. CẼu trúc phân t᝭ SO2

MáťŒI YĂŠU CẌU GᝏI Vᝀ Háť˜P MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

Ä? áş O

phân t᝭ lưu huᝳnh đioxit có góc liên kết là 119o và chiᝠu dà i liên kết S=O là 1,43 Ao.

Dáş Y KĂˆM QUY NHĆ N OFFICIAL ST&GT : Ä?/C 1000B TRẌN HĆŻNG Ä?áş O TP.QUY NHĆ N

NĆĄi báť“i dưᝥng kiáşżn thᝊc ToĂĄn - LĂ˝ - HĂła cho háť?c sinh cẼp 2+3 / Diáť…n Ä?Ă n ToĂĄn - LĂ˝ - HĂła Quy NhĆĄn 1000B Trần HĆ°ng Ä?ấo Tp.Quy NhĆĄn Tᝉnh BĂŹnh Ä?áť‹nh

.Q

U

công thᝊc SO2. ChẼt khí nà y là sản phẊm chính cᝧa s᝹ đᝑt chåy hᝣp chẼt lưu huᝳnh.

1000đ?‘œ đ??ś

CaSO4 + SiO2 + C →

CaSiO3 + CO + SO2

21 Ä?Ăłng gĂłp PDF báť&#x;i GV. Nguyáť…n Thanh TĂş

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

2.1.5. Nitơ đioxit [4,6] Nitơ đioxit là một hợp chất hóa học có công thức NO2. Nó là một trong các loại oxit của nitơ. Nitơ đioxit là chất trung gian trong quá trình tổng hợp công nghiệp của axit nitric, với hàng triệu tấn được sản xuất mỗi năm. Khí độc màu nâu đỏ này có

Ơ

N

mùi gắt đặc trưng và là một chất gây ô nhiễm không khí nổi bật. Nitơ điôxít là một phân

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

các tia cực tím tạo nên ô nhiễm quang hóa học và NO2 cũng có thể tạo mưa axit. Loại độc tố thường gặp nhất là NO2 (oxit nitơ). Đó là một trong số những loại chất độc được

TR ẦN

chú ý nhất vì khi trộn NO2 với hơi nước sẽ tạo thành axít nitric HNO3 và trở thành chất có thể gây hại cho phổi.

10 00

B

Độ dài liên kết giữa các nguyên tử nitơ và nguyên tử ôxy là 1,197 Ao. Chiều dài liên kết này là phù hợp với một trật tự liên kết giữa một và hai.

A

2.2. Phương pháp nghiên cứu

-H

Ó

2.2.1. Phần mềm tính toán Để có thể đạt được mục đích nghiên cứu, chúng tôi sử dụng phần mềm tính toán

-L

Ý

hóa học lượng tử Gaussian03 và phần mềm hiển thị hỗ trợ Gaussview05.

ÁN

Khi áp dụng phần mềm tính toán hóa học Gaussian03 cho hệ nghiên cứu chúng tôi

TO

thu được cấu trúc hình học, tần số dao động điều hòa và các giá trị năng lượng của hệ.

ÀN

Đối với mỗi phân tử ở mỗi trạng thái spin, năng lượng tương đối của các đồng

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

G

và tạo nên màu nâu đặc trưng bao phủ lên vùng đô thị. Nó có độ hấp thụ mạnh đối với

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

NO2 là khí được xem là bền vững, màu vàng sậm của nó có thể làm giảm tầm nhìn

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

Hình 1.5. Cấu trúc của NO2

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

Y

N

H

tử thuận từ, cong với nhóm điểm đối xứng C2V.

D

IỄ N

Đ

phân so với đồng phân bền nhất được tính dựa trên sự khác nhau về năng lượng tổng đã được hiệu chỉnh ZPE. Phần mềm Gaussview05 là công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc xây dựng cấu trúc ban đầu để tạo tệp đầu vào cho phần mềm tính toán Gaussian03. Phần mềm này cũng cho phép hiển thị hình dạng cấu trúc phân tử, điện tích trên các nguyên tử, phổ và các kiểu dao động cơ bản của phân tử giúp cho việc quan sát kết quả một cách trực quan.

22 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Phần mềm NBO 5.G được tích hợp vào Gaussian03 được dùng để phân tích obitan tự nhiên, tính điện tích nguyên tử, xác định cấu hình electron của nguyên tử trong phân tử và tính bậc liên kết Wiberg.

Ngoài ra, tôi còn sử dụng các công cụ hỗ trợ khác như Jmol để tính toán và xử lý

Ơ

N

các kết quả.

N

H

2.2.2. Phương pháp nghiên cứu

Y

Về mặt lý thuyết, từ các cấu trúc của các hợp chất vô cơ tối ưu được càng nhiều

TP

trạng thái spin khác nhau

G

lựa chọn phổ biến và khả thi nhất đối các chất vô cơ. Trên cơ sở hiểu biết về phương

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

pháp tính và bộ hàm cơ sở, và tham khảo những nghiên cứu đã công bố về cấu trúc và

TR ẦN

liên kết hóa học của cấc chất vô cơ, chúng tôi chọn phương pháp DFT để thực hiện cho hệ nghiên cứu này đó là phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP, B3PW91 và PBEPBE. Trước hết các đồng phân được tối ưu ở mức lí thuyết thấp. Sau đó sẽ tiếp tục

10 00

B

được tối ưu với cùng phương pháp B3LYP, B3PWW91, PBEPBE nhưng với bộ hàm cơ

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

sở cao hơn.

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

đề khá mới, chưa được nghiên cứu nhiều. Các phương pháp dựa trên thuyết DFT là sự

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

Việc xác định cấu trúc và liên kết hóa học của các chất vô cơ vẫn còn là một vấn

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

U

cấu trúc hình học khởi điểm càng tốt. Tối ưu hóa những cấu trúc khởi điểm đó trong các

23 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tiến hành xác định các cấu trúc bằng các phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP, B3PW91 và PBEPBE với các bộ hàm cơ sở khác nhau sau đó tính năng lượng tương đối của các cấu trúc với cấu trúc có năng lượng thấp nhất và sắp xếp các đồng

Ơ

N

phân theo thứ tự năng lượng tương đối tăng dần.

N

H

Trong hình vẽ quả cầu màu đỏ đại diện cho nguyên tử oxi, quả cầu màu xám đại

Y

diện cho nguyên tử cacbon, quả cầu màu trắng đại diện cho nguyên tử hidro, quả cầu

Các cấu trúc bền nhất của các phân tử tiếp tục lại được tối ưu bằng phần mềm

G

NBO 5.G [14] để để phân tích obitan tự nhiên, tính điện tích nguyên tử, xác định cấu

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

hình electron của nguyên tử trong phân tử và tính bậc liên kết.

TR ẦN

3.1. Khảo sát các phương pháp tính toán

Tiến hành xác định cấu trúc bền nhất của các phân tử hợp chất vô cơ bằng các phương pháp khác nhau, thu được kết quả như trong Bảng sau:

B

3.1.1 Cacbon đioxit

(2)

Ó

A

10 00

( 1)

-H

(1) và (2) là kí hiệu chiều dài liên kết C=O, đơn vị là Ao

-L

Ý

Bảng 2.1. Độ dài liên kết và góc liên kết của CO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP

singlet 1.195 1.195 179.9

triplet 1.271 1.271 119.63

singlet 1.193 1.193 179.99

septet 1.55 2.35 121.95

D

IỄ N

Đ

ÀN

OCO

B3LYP/3-21G singlet triplet quintet 1.18 1.19 1.24 1.18 1.71 2.05 179.9 139.36 153.64 B3LYP/LanL2DZ

ÁN

TO

(1) (2)

singlet 1.24 1.24 179.96

B3LYP/STO-3G triplet quintet septet 1.19 1.41 2.05 2.61 1.41 1.52 154.72 178.09 147.12 B3LYP/6-311G

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Đ ẠO

trong ngoặc vuông [] sau kí hiệu đồng phân.

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

TP

thông tin về nhóm điểm đối xứng, năng lượng tương đối (theo đơn vị eV) được đưa vào

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

vàng đại diện cho nguyên tử lưu huỳnh, quả cầu xanh đại diện cho nguyên tử nitơ. Các

(1) (2) OCO

quintet septet 1.45 2.26 1.45 1.53 140.15 156.4

triplet 1.28 1.28 120.25

quintet septet 1.25 1.54 2.19 2.48 173.45 107.63

24 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Bảng 2.2. Độ dài liên kết và góc liên kết của CO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91

(1)

1.223

1.312

1.414

(2)

1.223

1.312

OCO

179.97

164.32

septet

singlet

triplet

quintet

2.001

1.192

1.27

1.243

2.395

1.413

1.518

1.191

1.27

2.039

1.518

176.42

164.96

179.99

120.15

148.17

118.53

1.383

(2)

1.200

1.298

OCO

179.95

177.54

septet

1.491

1.199

1.38

1.46

2.52

1.383

2.869

1.199

1.26

1.46

1.51

100.06

78.02

179.95

143.10

145.85

125.12

N

http://daykemquynhon.ucoz.com

triplet

Quintet

(1)

1.223

1.312

1.414

(2)

1.223

1.312

OCO

179.97

164.32

septet

2.001

10 00

B

singlet

TR ẦN

PBEPBE/STO-3G

H Ư

Bảng 2.3. Độ dài liên kết và góc liên kết của CO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE

singlet

triplet

quintet

1.192

1.27

1.243

2.395

1.181

1.27

2.039

1.518

176.42

164.96

179.99

120.15

148.17

118.53

A

1.518

PBEPBE/LanL2DZ

Ó

-H

Ý

triplet

septet

1.413

PBEPBE/6-311G singlet

PBEPBE/3-21G

Quintet

septet

singlet

triplet

quintet

septet

1.200

1.299

1.383

1.491

1.2

1.38

1.46

2.52

(2)

1.200

1.298

1.383

2.869

1.2

1.26

1.46

1.51

179.95

177.54

100.06

78.02

179.95

143.10

145.85

125.12

TO

OCO

ÁN

-L

(1)

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

1.299

quintet

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

triplet

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

1.200

U

(1)

septet

.Q

singlet

TP

quintet

Đ ẠO

triplet

G

singlet

B3PW91/LanL2DZ

Y

B3PW91/6-311G Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

septet

Ơ

quintet

H

triplet

N

singlet

B3PW91/3-21G

N

B3PW91/STO-3G

ÀN

Theo lý thuyết, phân tử cacbon đioxit (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có dạng

D

IỄ N

Đ

thẳng với độ dài liên kết của C=O là 1,16Å và góc liên kết OCO = 180o. Xét theo lý

thuyết tôi thấy cấu trúc phân tử CO2 tính phương pháp B3LYP/3-21G ở trạng thái spin singlet là cho cấu trúc phù hợp nhất với độ dài liên kết là 1.18 Å và góc liên kết OCO = 179.9o.

25 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

3.1.2. Cacbon monoxit

(1)

N

(1) Độ dài liên kết của nguyên tử cacbon với nguyên tử oxi, đơn vị là Ao

1.19

1.26

1.53

2.20

singlet 1.13

H N

quintet

1.24

1.56

septet

2.28

B3LYP/LanL2DZ

Quintet

septet

1.47

1.24

1.53

2.35

singlet 1.67

triplet

quintet

septet

1.25

1.54

2.35

N

http://daykemquynhon.ucoz.com

triplet

Quintet

1.19

1.26

1.51

septet

2.22

singlet

1.15

B

(1)

singlet

TR ẦN

B3PW91/STO-3G

H Ư

Bảng 2.5. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp B3PW91

1.15

1.23

quintet

septet

1.24

1.53

2.29

B3PW91/LanL2DZ

Quintet

septet

1.50

2.38

A

triplet

triplet

singlet 1.16

triplet

quintet

septet

1.25

1.51

2.38

-H

Ó

(1)

singlet

10 00

B3PW91/6-311G

B3PW91/3-21G

-L

Ý

Bảng 2.6. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp PBEPBE

ÁN

PBEPBE/STO-3G

singlet

triplet

Quintet

septet

11.20

1.28

1.52

1.52

TO

(1)

singlet 1.17

Đ

ÀN

PBEPBE/6-311G

(1)

triplet

quintet

septet

1.25

1.54

2.30

PBEPBE/LanL2DZ

singlet

triplet

Quintet

septet

1.16

1.25

1.52

2.38

singlet 1.18

triplet

quintet

septet

1.26

1.53

2.38

D

IỄ N

PBEPBE/3-21G

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

triplet

G

singlet

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

B3LYP/6-311G

(1)

triplet

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

septet

Y

Quintet

U

triplet

TP

singlet

Đ ẠO

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

(1)

B3LYP/3-21G

.Q

B3LYP/STO-3G

Ơ

Bảng 2.4. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp B3LYP

Theo lý thuyết phân tử cacbon monoxit có độ dài của liên kết hóa học dlk = 1,12 Ao. Xét theo lý thuyết tôi thấy phương pháp B3LYP/3-21G ở trạng thái spin singlet cho cấu trúc phù hợp với lý thuyết nhất với độ dài liên kết dlk = 1,13 Ao. 26 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

3.1.3. Nước (1) ))

(2)

2.02

2.53

0.97

1.02

2.09

(2)

1.03

1.87

1.98

2.47

0.97

2.09

HOH

97.19

93.17

179.95

69.42

103.9

81.68

septet

2.49

1.02

2.49

81.68

67.6

singlet

triplet

(1)

0.99

0.99

0.97

0.99

(2)

0.99

4.34

0.97

HOH

109.03

178.76

109.03

singlet

singlet

triplet

0.99

0.99

0.97

0.99

4.34

0.99

4.34

0.97

4.34

178.76

109.03

178.76

109.03

178.76

N

triplet

H Ư

triplet

10 00

B

TR ẦN

singlet

G

B3LYP/LanL2DZ

Bảng 2.8. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp B3PW91 B3PW91/3-21G

Ó

A

B3PW91/STO-3G

1.02

1.05

(2)

1.02

HOH

97.15

-L

ÁN

TO

quintet

septet

singlet

triplet

quintet

septet

2.07

2.63

0.99

1.01

2.48

2.48

4.67

2.07

2.39

0.99

2.16

2.45

2.48

179.51

179.98

72.52

104.42

82.10

179.89

67.37

Ý

(1)

B3PW91/6-311G

singlet

triplet

quintet

(1)

0.99

0.99

3.61

(2)

0.99

4.34

HOH

109.36

178.76

ÀN Đ IỄ N

triplet

-H

singlet

B3PW91/LanL2DZ septet

singlet

triplet

quintet

2.78

0.97

0.99

4.33

2.65

3.19

2.78

0.97

3.68

4.31

2.66

106.89

89.88

110.08

179.89

107.17

83.02

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

quintet

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

1.05

N

triplet

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

1.03

Y

(1)

septet

U

quintet

.Q

triplet

B3LYP/6-311G

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

singlet

TP

singlet

B3LYP/3-21G

Đ ẠO

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

B3LYP/STO-3G

H

Ơ

Bảng 2.7. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp B3LYP

N

(1) và (2) là kí hiệu của độ dài liên kết O-H, đơn vị là Ao

septet

27 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Bảng 2.9. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp PBEPBE

triplet

quintet

2.39

1.01

2.06

2.35

2.49

1.04

1.87

1.06

2.40

1.01

1.03

2.34

2.49

HOH

96.11

90.73

90.73

70.45

102.6

77.82

179.96

triplet

quintet

singlet

(1)

0.96

1.00

3.02

2.76

0.99

(2)

1.01

2.63

3.05

2.76

0.99

HOH

103.91

74.09

176.34

92.63

108.78

triplet

quintet

septet

1.01

3.08

2.67

3.18

3.09

2.66

178.03

93.05

G

N

septet

Đ ẠO

singlet

172.48

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

PBEPBE/LanL2DZ

.Q

PBEPBE/6-311G

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

67.71

TR ẦN

Theo lý thuyết, phân tử nước có góc liên kết là 104,45° và chiều dài của liên kết O-H là 0.96 Ao. Xét theo lý thuyết , tôi thấy phương pháp B3LYP/3-21G ở trạng thái

B

spin singlet là cho cấu trúc phù hợp nhất với chiều dài liên kết O-H là 0.97 Ao và góc

10 00

liên kết HOH = 103.9.

(1)

(2)

-L

Ý

-H

Ó

A

3.1.4. Lưu huỳnh đioxit

(1) và (2) là kí hiệu của độ dài liên kết S=O, đơn vị là Ao

ÀN

TO

ÁN

Bảng 2.10. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP

(2) OSO

singlet 1.52

B3LYP/3-21G triplet quintet septet 1.8 2.78 2.45

1.62 106.7

1.68 109.6

1.52 117.9

1.63 106.91

singlet 1.60 1.60 108.65

B3LYP/6-311G triplet quintet septet 16.4 1.64 2.36 1.85 3.13 2.36 104.13 176.44 66.32

D

IỄ N

Đ

(1)

singlet 1.62

B3LYP/STO-3G triplet quintet septet 1.68 1.34 2.19

(1) (2) OSO

1.36 119.13

2.19 67.66

1.62 179.79

B3LYP/LanL2DZ singlet triplet quintet 1.61 1.64 1.63 1.61 1.84 3.26 112.77 102.78 176.07

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

(2)

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

1.87

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

1.06

H

1.04

septet

Ơ

singlet

N

(1)

septet

Y

quintet

U

triplet

TP

singlet

PBEPBE/3-21G

N

PBEPBE/STO-3G

2.45 48.76 septet 1.81 1.74 118.08

28 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Bảng 2.11. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91 B3PW91/STO-3G

triplet

quintet

2.28

1.58

1.62

1.62

2.31

1.44

2.28

1.58

1.79

2.9

2.32

OSO

106.88

109.82

109.69

50.12

115.13

106.9

179.62

66.88

singlet

triplet

quintet

septet

singlet

triplet

(1)

1.6

1.84

1.69

2.34

1.61

1.64

(2)

1.6

1.63

2.31

2.34

1.61

OSO

113.99

104.13

177.3

66.65

112.68

quintet

septet 2.36

1.83

2.85

2.36

102.87

174.56

66.87

Đ ẠO

1.58

N H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

Bảng 2.12. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE

triplet

quintet

(1)

1.64

1.69

1.69

(2)

1.64

1.69

OSO

107.73

11.09

septet

triplet

quintet

2.22

1.60

1.68

1.78

2.47

2.14

2.22

1.60

1.68

1.83

2.47

113.06

65.84

114.84

119.61

175.16

49.11

(2)

10 00 quintet

PBEPBE/LanL2DZ septet

singlet

triplet

quintet

septet

1.71

1.63

2.37

1.63

1.70

1.65

2.59

1.63

1.71

1.60

2.37

1.64

1.70

2.71

2.57

114.68

121.31

132.77

65.43

113.43

120.99

178.8

43.62

ÁN

TO

ÀN Đ

septet

A Ó

1.63

-L

(1)

triplet

Ý

Singlet

-H

PBEPBE/6-311G

OSO

PBEPBE/3-21G

singlet

B

Singlet

TR ẦN

PBEPBE/STO-3G

IỄ N D

B3PW91/LanL2DZ

G

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

B3PW91/6-311G

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

1.67

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

1.61

Ơ

(2)

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

1.45

H

1.67

N

1.61

septet

N

singlet

Y

(1)

septet

U

quintet

.Q

triplet

TP

singlet

B3PW91/3-21G

Theo lý thuyết, phân tử lưu huỳnh đioxit có góc liên kết là 119o và chiều dài liên

kết S=O là 1,43 Ao. Xét theo lý thuyết, tôi thấy phương pháp B3LYP/3-21G ở trạng thái spin singlet cho cấu trúc phù hợp nhất với độ dài liên kết S=O là 1.52 A o và góc liên kết

OSO = 117.9o.

29 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

3.1.5. Nitơ đioxit (1)

H

Ơ

N

(2)

Y

N

(1) và (2) là kí hiệu độ dài liên kết của N=O, đơn vị là Ao

1.30

1.40

1.40

1.40

1.2

(2)

1.30

1.40

1.74

1.75

1.2

ONO

128.47

106.82

179.85

179.96

133.93

triplet

quintet

(1)

1.25

1.34

1.34

(2)

1.25

1.34

1.89

ONO

136.35

114.85

septet

1.39

2.70

1.39

1.82

2.70

179.88

132.27

110.58

B3LYP/LanL2DZ triplet

quintet

1.25

1.36

1.35

3.24

3.16

1.25

1.36

1.88

3.18

129.36

133.9

11463

179.9

129.15

B

10 00

septet

singlet

3.16

septet

Ó

A

179.9

quintet

1.39

G

TR ẦN

B3LYP/6-311G

triplet

-H

Bảng 2.14. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91 B3PW91/3-21G

-L

Ý

B3PW91/STO-3G

TO

(1)

ÀN

(2)

triplet

quintet

1.3

1.39

1.38

1.3

1.39

128.78

107.2

ÁN

Singlet

Đ

septet

singlet

triplet

quintet

2.60

1.24

1.38

1.38

2.77

1.74

2.64

1.24

1.38

1.38

2.77

179.8

143.77

134.06

110.73

110.72

132.5

IỄ N

B3PW91/6-311G Singlet

triplet

quintet

(1)

1.26

1.33

1.33

(2)

1.26

1.33

ONO

134.5

115.09

septet

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

(1)

Singlet

singlet

N

septet

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

quintet

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

triplet

Đ ẠO

Singlet

TP

B3LYP/3-21G

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

B3LYP/STO-3G

ONO

D

.Q

U

Bảng 2.13. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP

B3PW91/LanL2DZ septet

singlet

triplet

quintet

septet

3.23

1.24

1.35

1.34

3.23

1.88

3.23

1.24

1.35

1.87

3.30

179.9

178.89

134.09

114.8

179.84

134.3

30 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Bảng 2.15. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE

triplet

quintet

1.3

1.39

1.38

(2)

1.3

1.39

ONO

128.78

107.2

2.60

1.24

1.38

1.38

2.77

1.74

2.64

1.24

1.38

1.38

2.77

179.8

143.77

134.06

110.73

110.72

(1)

1.23

1.33

1.33

3.23

1.24

(2)

1.23

1.33

1.88

3.23

1.24

ONO

136.5

115.09

179.9

178.89

134.09

triplet

N

quintet

septet

1.35

1.34

3.23

1.35

1.87

3.30

179.84

134.3

114.8

TR ẦN

Theo lý thuyết, phân tử nitơ đioxit có độ dài liên kết giữa các nguyên tử nitơ và nguyên tử oxi là 1,197 Ao và góc liên kết là ONO = 134.3o. Kết quả nghiên cứu của

10 00

B

chúng tôi cho thấy, với phương pháp B3LYP/3-21G ở trang thái spin singlet cho cấu trúc phù hợp nhất với độ dài liên kết N=O là 1.2 Ao và góc liên kết ONO = 133.93o.

A

Như vậy, phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP/3-21G là phù hợp cho việc tính

-H

Ó

toán với hệ các chất vô cơ trên. Vì vậy chúng tôi lựa chọn phương pháp B3LYP/3-21G

Ý

cho các nghiên cứu tiếp theo.

-L

3.2. Cấu trúc các phân tử hợp chất vô cơ

ÁN

3.2.1. Cacbon đioxit

TO

Phân tử CO2 bền nhất ở trạng thái spin singlet là CO2-a, có nhóm điểm đối xứng là

D

IỄ N

Đ

ÀN

D∞h có dạng thẳng chứa hai liên kết đôi, độ dài liên kết của nguyên tử cacbon với oxi là

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

singlet

G

septet

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

quintet

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

triplet

Đ ẠO

Singlet

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

132.5

PBEPBE/LanL2DZ

TP

PBEPBE/6-311G

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

septet

Ơ

singlet

H

(1)

septet

N

quintet

Y

triplet

U

Singlet

PBEPBE/3-21G

N

PBEPBE/STO-3G

1,18 Aovà góc liên kết OCO = 179,9o. Đồng phân CO2-b có dạng chữ V, có năng lượng tương đối so với đồng phân

CO2-a là 0,09 eV với chiều dài của hai liên kết giữa nguyên tử cacbon với nguyên tử oxi là một liên kết C=O có chiều dài là 1,19 Ao, còn liên kết C=O còn lại có chiều dài là 1,71 Ao, góc liên kết OCO = 139,6o. Đồng phân CO2-c có dạng chữ V, có năng lượng tương đối so với đồng phân CO2-a là 0,14 eV với chiều dài của hai liên kết giữa nguyên tử cacbon với oxi là một liên kết 31

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

C=O có chiều dài là 1,24 Ao và một liên kết C=O là 2,05 Ao, góc liên kết OCO = 153,6o. Đồng phân CO2-d có năng lượng tương đối so với đồng phân CO2-a là 0,19 eV với

N

chiều dài của hai liên kết giữa nguyên tử cacbon với oxi là một liên kết C=O có chiều

Singlet [0,00; D∞h]

CO2-d Septet [ 0,19; Cs]

Hình 2.1. Các đồng phân bền của CO2

10 00

B

Như vậy, khi tối ưu CO2 bằng phương pháp B3LYP/3-21G thì cấu trúc ở dạng thẳng với trang thái spin singlet là cấu trúc bền nhất.

A

3.2.2. Cacbon monoxit

-H

Ó

Đồng phân bền nhất của phân tử CO là CO-a, ở trạng thái singlet có nhóm điểm đối xứng C∞v với độ dài liên kết giữa nguyên tử cacbon với nguyên tử oxi là 1,13 Ao.

-L

Ý

Các đồng phân CO-b, CO-c, CO-d cũng có nhóm điểm đối xứng C∞h, nhưng

ÁN

không bền bằng CO-a, có độ dài kết giữa nguyên tử cacbon với nguyên tử oxi lần lượt

TO

là 1,24, 1,56, 2,28 Ao.

ÀN

Đồng phân CO-b, CO-c, CO-d có năng lượng tương đối so với CO-a lần lượt là

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Triplet [0,09; C2v]

TR ẦN

CO2-b

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

Đ ẠO

Quintet [0,14; Cs]

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

CO2-c

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

CO2-a

U

Y

N

H

Ơ

dài là 1,55 Ao và một liên kết C=O là 2,35 Ao, góc liên kết OCO = 121,9o.

D

IỄ N

Đ

0,03, 0,09, 0,11 eV.

CO-a

CO-c

Singlet [ 0,00; C∞v]

Quintet [ 0,09; C∞v]

CO-b

CO-d 32

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Triplet [ 0,03; C∞v]

Septet [ 0,11; C∞v]

Hình 2.2. Các đồng phân bền của CO Như vậy, khi tối ưu CO bằng phương pháp B3LYP/3-21G thì trang thái spin singlet cho cấu trúc bền nhất.

Ơ

N

3.2.3. Nước

N

H

Đồng phân bền nhất của nước là H2O-a, ở trạng thái spin singlet, có dạng chữ V

TP

Đồng phân H2O-b, H2O-c có nhóm điểm đối xứng là Cs với độ dài liên kết giữa

lượt là 0,25, 0,28 eV.

TR ẦN

Đồng phân H2O-d có năng lương tương đối so với H2O-a là 0,31 eV chiều dài liên

-H

Ó

A

10 00

C2v nhưng lại kém bền hơn H2O-a.

B

kết O-H là 2,49 Ao và góc liên kết HOH = 67,6o. Tuy H2O-d có nhóm điểm đối xứng là

(H2O-c)

-L

Ý

(H2O-a)

Quintet [0,28; Cs]

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

Singlet [0,00; C2v]

(H2O-b)

(H2O-d)

Triplet [0,25; Cs]

Septet [0,31; C2v]

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

Đồng phân H2O-b, H2O-c có năng lượng tương đối so với đồng phân H2O-a lần

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

G

lại có chiều dài là 2,09 Ao, góc liên kết là HOH = 81,68o.

Đ ẠO

nguyên tử oxi và hidro là một liên kết O-H có chiều dài là 1,02 Ao, còn liên kết O-H còn

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

của H2O-a là C2v.

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

D

U

Y

với góc liên kết HOH = 103,9o và độ dài liên kết O-H là 0,97 Ao, nhóm điểm đối xứng

Hình 2.3. Các đồng phân bền của H2O Như vậy, khi tối ưu H2O bằng phương pháp B3LYP/3-21G thì trang thái spin singlet cho cấu trúc bền nhất.

3.2.4. Lưu huỳnh đioxit 33

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Phân tử SO2 bền nhất ở trạng thái spin singlet là SO2-a, có nhóm điểm đối xứng là C2v có dạng chữ V chứa hai liên kết đôi, độ dài liên kết S=O là 1,52 Ao, góc liên kết

OSO = 117,9o.

N

Đồng phân SO2-b có dạng chữ V, có năng lượng tương đối so với đồng phân SO2-

H

Ơ

a là 0,04 eV với chiều dài của hai liên kết giữa nguyên tử lưu huỳnh với nguyên tử oxi

Y

N

không giống nhau, môt liên kết S=O có chiều dài là 1,8 Ao, còn liên kết S=O còn lại có

TP

G

góc liên kết OSO = 179,79o.

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

Đồng phân SO2-d có năng lượng tương đối so với đồng phân SO2-a là 0,09 eV với

TR ẦN

góc liên kết OSO = 48,76ovà chiều dài liên kết giữa nguyên tử lưu huỳnh với oxi là 2,45

10 00

B

Ao

SO2-a

SO2-c Quintet [0,07; C2v]

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

Singlet [0,00; C2v]

SO2-b

SO2-d

Triplet [ 0,04; C2v]

Septet [0,09; C2v]

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

giống nhau, một liên kết S=O có chiều dài là 2,78 Ao và một liên kết S=O là 1,62 Ao,

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

a là 0,07 eV với chiều dài của hai liên kết giữa nguyên tử lưu huỳnh với oxi không

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

Đồng phân SO2-c có dạng chữ V, có năng lượng tương đối so với đồng phân SO2-

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

D

U

chiều dài là 1,63 Ao, góc liên kết là OSO = 106,9o.

Hình 2.4. Các đồng phân bền của SO2 Như vậy, khi tối ưu SO2 bằng phương pháp B3LYP/3-21G thì đồng phân có dạng

chữ V ở trang thái spin singlet là đồng phân bền nhất 3.2.5. Nitơ đioxit Phân tử NO2 bền nhất ở trạng thái spin singlet là NO2-a, có nhóm điểm đối xứng là C2v có dạng chữ V chứa hai liên kết đôi, độ dài liên kết N=O là 1,2 Ao, góc liên kết

ONO = 133,7o 34 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Đồng phân NO2-b có dạng chữ V, có năng lượng tương đối so với đồng phân NO2-a là 0,09 eV với góc liên kết là ONO = 110,58o và chiều dài liên kết N=O là 1,39 Ao. Đồng phân NO2-c có dạng chữ V, có năng lượng tương đối so với đồng phân NO2-a

N

là 0,11 eV với Chiều dài của hai liên kết giữa nguyên tử lưu huỳnh với oxi không giống

H

Ơ

nhau, một liên kết N=O có chiều dài là 1,39 Ao và một liên kết N=O là 1,82 Ao, góc liên

Y

N

kết ONO = 179,88o.

N

G

hơn so với đồng phân NO2-a.

H Ư NO2-c Quintet [0,11; C2v]

NO2-d

-H

Ó

NO2-b

A

10 00

B

Singlet [0,00; C2v]

TR ẦN

NO2-a

Septet [0,15; C2v]

Hình 2.5. Các đồng phân bền của NO2

-L

Ý

Triplet [0,09; C2v]

ÁN

Như vậy, khi tối ưu NO2 bằng phương pháp B3LYP/3-21G thì trang thái spin

TO

singlet cho cấu trúc bền nhất

IỄ N

Đ

ÀN

3.3. Liên kết hóa học trong các phân tử vô cơ

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Các đồng phân NO2-b, NO2-c, NO2-d đều có điểm đối xứng C2v nhưng lại kém bền

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

nguyên tử nitơ với oxi là 2,70 Ao.

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

NO2-a là 0,15 eV với góc liên kết ONO = 132,27o và chiều dài của hai liên kết giữa

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

U

Đồng phân NO2-d có dạng chữ V và có năng lượng tương đối so với đồng phân

Để xác định bản chất liên kết hóa học trong các phân tử hợp chất vô cơ trên, chúng

tôi sử dụng chương trình NBO 5.G và chạy cùng mức lý thuyết B3LYP/3-21G. 3.3.1. Cacbon đioxit Cấu trúc bền nhất của cacbon đioxit được mô tả ở hình 3.1

Hình 3.1. Cấu trúc bền nhất của CO2 35 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Ở cấu trúc này, CO2 có cấu hình electron của cacbon là 1s22s12p2.3, oxi là 1s22s22p4.74 Từ cấu hình electron trên, có thể thấy sự hình thành liên kết trong phân tử CO2 là do sự xen phủ obitan 2s và obitan 2p của nguyên tử cacbon và obitan 2p của nguyên tử oxi.

Ơ

N

Trong phân tử CO2, cacbon có bậc liên kết là 2 (C=O), oxi cũng có bậc liên kết là 2

N

H

(O=C).

Y

Trong phân tử CO2, cacbon có điện tích là +0,987, oxi có điện tích là -0,489. Như

TP

do nguyên tử Oxi có độ âm điện lớn hơn nên kéo electron liên kết về phía mình. Nhưng

H Ư

N

cộng hóa trị là 55,53%.

3.3.2. Cacbon monoxit

TR ẦN

Như vậy, phân tử CO2 có ½ liên kết cộng hóa trị và ½ liên kết ion.

10 00

B

Cấu trúc bền nhất của cacbon đioxit được mô tả ở hình 3.2

Ó

A

Hình 3.2. Cấu trúc bền nhất của CO

-H

Ở cấu trúc này, CO có cấu hình electron của cacbon là 1s22s1.682p1.77, oxi là

-L

Ý

1s22s1.762p4.74. Từ cấu hình electron trên, có thể thấy sự hình thành liên kết trong phân tử CO là do sự xen phủ obitan 2s và obitan 2p của nguyên tử cacbon và obitan 2s, obitan

ÁN

2p của nguyên tử oxi.Trong phân tử CO, cacbon có bậc liên kết là 3, oxi cũng có bậc

IỄ N

Đ

ÀN

TO

liên kết là 3

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

G

Mặt khác, phân tử CO2 ở dạng liên kết ion chiếm 44,47% là còn ở dạng liên kết

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

phân tử CO2 không phân cực.

http://daykemquynhon.ucoz.com

D

Đ ẠO

do cấu trúc CO2 dạng thẳng ( đối xứng D∞h) nên sự phân cực triệt tiêu nhau làm cho

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

vậy, electron dịch chuyển từ nguyên tử cacbon sang nguyên tử oxi. Điều này xảy ra là

Trong phân tử CO, cacbon có điện tích là +0,508, oxi có điện tích là -0,508. Như

vậy, electron dịch chuyển từ nguyên tử cacbon sang nguyên tử oxi. Điều này xảy ra là do nguyên tử oxi có độ âm điện lớn hơn nên kéo electron liên kết về phía mình.

Mặt khác, phân tử CO ở dạng liên kết ion chiếm 49.46% và ở dạng liên kết cộng

hóa trị chiếm 50,54%. Như vậy, phân tử CO có ½ liên kết cộng hóa trị và ½ liên kết ion.

3.3.2. Nước Cấu trúc bền nhất của phân tử được mô tả ở hình 3.3 36 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

Hình 3.3. cấu trúc bền nhất của H2O

Ơ

N

Ở cấu trúc này, H2O có cấu hình electron của oxi là 1s22s1.792p5.19, hidro là 1s0.5.

H

Từ cấu hình electron trên, có thể thấy sự hình thành liên kết trong phân tử H 2O là do sự

Y

N

xen phủ obitan 2s và obitan 2p của nguyên tử oxi và obitan 1s của nguyên tử hidro. Oxi

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

Trong phân tử H2O, oxi có điện tích là -0,992, hidro có điện tích là +0,496. Do

G

H2O có dạng liên kết ion chiếm 49,63% là còn ở dạng liên kết cộng hóa trị là 50,37%.

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

Nên phân tử H2O có ½ liên kết cộng hóa trị và ½ liên kết ion.

3.3.4. Lưu huỳnh đioxit

10 00

B

TR ẦN

Cấu trúc bền nhất của phân tử được mô tả ở hình 3.4

Hình 3.4. Cấu trúc bền nhất của SO2 1.91

2p4.72. Từ cấu hình electron trên, có thể thấy sự hình thành liên kết trong phân

-H

1s22s

Ó

A

Ở cấu trúc này, SO2 có cấu hình electron của lưu huỳnh là 1s22s22p63s1.733p2.93, oix là

-L

Ý

tử SO2 là do sự xen phủ obitan 3s và obitan 3p của nguyên tử lưu huỳnh và obitan 2s,

ÁN

obitan 2p của nguyên tử oxi.

TO

Lưu huỳnh khi liên kết với oxi thứ nhất sẽ có bậc liên kết là 1,43 và bậc liên kết với oxi thứ hai cũng là là 1,43. Điều đó có nghĩa là electron được phân bố đều trong cả

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

vậy, electron dịch chuyển từ nguyên tử hidro sang nguyên tử oxi. Mặt khác, phân tử

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

nguyên tử oxi có độ âm điện lớn hơn nên oxi sẽ kéo electron liên kết về phía mình. Như

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

U

có bậc liên kết là 2, hidro có bậc liên kết là 1.

D

IỄ N

Đ

ÀN

hai liên kết giữa nguyên tử S với 2 nguyên tử O. Trong phân tử SO2, lưu huỳnh có điện tích là +1,28, oxi có điện tích là -0,64. Vì

vậy, khi dịch chuyển các electron sẽ dịch chuyển từ nguyên tử lưu huỳnh sang phía nguyên tử oxi. Do nguyên tử oxi có độ âm điện lớn hơn nên oxi sẽ kéo electron liên kết về phía mình. Mặt khác, phân tử SO2 ở dạng liên kết ion chiếm 34,41% là còn ở dạng liên kết cộng hóa trị là 65,59% . Vì vậy, phân tử SO2 chủ yếu là liên kết cộng hóa trị.

37 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

3.3.5. Nitơ đioxit

Ơ

N

Cấu trúc bền nhất của phân tử được mô tả ở hình 3.5

N

H

Hình 3.5. Cấu trúc bền nhất của NO2

G

độ âm điện lớn hơn nitơ nên oxi sẽ kéo electron liên kết về phía mình. Do đó, khi các

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

electron dịch chuyển chúng sẽ dịch chuyển từ phía nguyên tử nitơ sang phía nguyên tử oxi. Mặt khác, phân tử NO2 ở dạng liên kết ion chiếm 27,74% là còn ở dạng liên kết

TR ẦN

cộng hóa trị là 72,26% . Như vậy liên kết trong phân tử NO2 chủ yếu là liên kết cộng

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

10 00

B

hóa trị .

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Trong phân tử NO2, nitơ có điện tích là +0,436, oxi có điện tích là -0,218. Oxi có

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

oxi. Bậc của hai liên kết N-O bằng nhau và xấp xỉ với 1 (~0,99).

TP

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

là do sự xen phủ obitan 2s và obitan 2p của nguyên tử nitơ và obitan 2p của nguyên tử

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U

2p4.39. Từ cấu hình electron trên, có thể thấy sự hình thành liên kết trong phân tử NO2

.Q

1.81

Y

Ở cấu trúc này, NO2 có cấu hình electron của nitơ là 1s22s1.332p3.19, oxi là 1s22s

38 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

KẾT LUẬN Sau khi nghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của các hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toán, tôi thu được một số kết quả như sau: 1. Xác định được phương pháp tối ưu để tính toán cho hệ các chất vô cơ CO2, CO,

Ơ

N

NO2, SO2, H2O là phương pháp B3LYP với bộ hàm cơ sở 3-21G.

N

H

2. Tôi đã tìm ra 5 cấu trúc bền nhất của các chất vô cơ CO2, CO, H2O, SO2, NO2.

Y

Cụ thể, CO2 có cấu trúc bền nhất tôi tìm được có dạng thẳng chứa hai liên kết đôi, CO

G

trúc đều tồn tại ở trạng thái spin thấp. Nhìn chung cấu trúc của các chất vô cơ đều có

N H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

cấu trúc bền nhất ở trạng thái spin singlet.

3. Phân tích bản chất liên kết hóa học của các chất vô cơ CO2, CO, H2O, SO2, NO2

TR ẦN

cho thấy, trong các phân tử CO2, CO, H2O có chứa ½ liên kết ion và ½ liên kết cộng hóa trị còn trong phân tử SO2, NO2 thì phân tử chủ yếu mang bản chất là liên kết cộng hóa

B

trị.

10 00

KIẾN NGHỊ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 1. Tiếp tục nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các chất vô cơ ở các công thức cấu

Ó

A

tạo phức tạp hơn.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

phương pháp hơn.

-H

2. Mở rộng nghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của các chất vô cơ ở nhiều

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

1174,9o, cấu trúc bền nhất của NO2 có dạng gọc với góc liên kết ONO =133,7o Các cấu

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

Đ ẠO

TP

HOH = 103,9o, cấu trúc bền nhất của SO2 có dang góc với góc liên kết là OSO =

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

.Q

U

có cấu trúc bền nhất ở dạng thẳng, H2O cấu trúc bền nhất có dạng góc với góc liên kết

39 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Lâm Ngọc Thiềm (Chủ biên), Phạm Văn Nhiêu, Lê Kim Long, (2007), “Cơ sở hóa

N

H

quốc gia Hà Nội,.

Ơ

[2] Lâm Ngọc Thiềm (2007), “Nhập môn hóa học lượng tử”, Nhà xuất bản Đại học

N

học lượng tử”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội.

[5] Nguyễn Đức Vận (2006), “Hóa học vô cơ”, tập (1), Nhà xuất bản khoa học và kĩ

G

thuật Hà Nội.

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

[6] Nguyễn Đức Vận (2010),‘Bài tập hóa học vô cơ”, Nhà xuất bản giáo dục 1983.

TR ẦN

[7] Nguyễn Xuân Trường (chủ biên), Nguyễn Đức Chuy, Lê Mậu Quyền, Lê Xuân Trọng (2007), “Sách giáo khoa hóa học lớp 10”, (Tái bản lần thứu nhất), Nhà xuất bản Giáo dục.

10 00

B

[8] Nguyễn Thị Tâm (2016), “ Nghiên cứu so sánh cấu trúc và độ bền của cluster gecmani pha tạp scandi ở trạng thái điện tích khác nhau bằng phương pháp hóa học

A

lượng tử”, khóa luận tốt nghiệp, trường đại học Quy Nhơn,.

-H

Ó

[9] Eyring H, Walter J, Kimball G, E, (1976), “Hóa học lượng tử”(bản dịch tiếng việt),

-L

TIẾNG ANH

Ý

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.

ÁN

[10] Levine I, N, (2000), Quantum Chemistry (Fifth Edition), Prentice-Hall,Inc, New

TO

Jersey, USA.

ÀN

[11] Chattaraj. P. K. (2009), “Chemical Reactivity Theory: A Density Functional

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

Đ ẠO

Giáo dục.

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

TP

[4] Hoàng Nhâm (2006), “Hóa học vô cơ” (Tái bản lần thứ 7), tập (2), Nhà xuất bản

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

U .Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

phân tử” (Tái bản lần thứ nhất), Tập (1, 2), Nhà xuất bản Giáo dục.

Y

[3] Nguyễn Đình Huề, Nguyễn Đức Chuy (2003), “Thuyết lượng tử về nguyên tử và

D

IỄ N

Đ

View”, Taylor & Francis Group, USA. [12] Koch. W., Holthausen. M. C. (2001), “A Chemitst’s Guide to Density Functional Theory (Second Edition)”, Villey-VCH, , Germany.

[13] Dunning, T. H. (1989), “Gaussian basis sets for Ues in Correlated Molecular Caculations, I, The Atoms Boron Through Neon and Hydrongen”, J. Chem. Phys., , 90,

pp. 1007-1023.

40 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

https://twitter.com/daykemquynhon plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon https://daykemquynhon.blogspot.com

[14] Weinhold. F. et al., GenNBO 5.G, “Theoretical Chemistry Institute, University of Wisconsin: Madison”, WI, 2001.

[15] Kohn W, Sham L, J, (1965), “Self-Consistent Equations IncludingExchange and Correlation Effects”,Phys, Rev, 140, pp, 1133-1138.

Ơ

N

[16] Li. X.-J., Su. K.-H. (2009), “Structure, stability and electronic property of the gold-

N

H

doped germanium clusters: AuGen (n = 2–13)”, Theor. Chem. Acc,124 (5-6), pp.345–

Y

354.

TP

Theory (Second Edition), Villey-VCH, Germany.

https://daykemquynhonofficial.wordpress.com/blog/

MỌI YÊU CẦU GỬI VỀ HỘP MAIL DAYKEMQUYNHONBUSINESS@GMAIL.COM HOTLINE : +84905779594 (MOBILE/ZALO)

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Ý

-H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

http://daykemquynhon.ucoz.com

N

G

Đ ẠO

[18] J. Frisch et al. (2008), Gaussian 03 (Revision E.01), Gaussian, Inc., Wall.

DẠY KÈM QUY NHƠN OFFICIAL ST&GT : Đ/C 1000B TRẦN HƯNG ĐẠO TP.QUY NHƠN

.Q

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa Quy Nhơn 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

U

[17] Koch W, Holthausen M, C, (2001), A Chemist’s Guide to DensityFunctional

41 Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial