Chuyên đề Hóa học 10 Cánh diều Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng phân của phân tử

Giải bài tập Chuyên đề Hóa học 10 Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng phân của phân tử

1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm tính toán (hóa học lượng tử) và bán kinh nghiệm

2. Cài đặt phần mềm MOPAC

3. Thực hiện tính và hiển thị kết quả

Luyện tập trang 64 Chuyên đề học tập Hóa học 10: Tính lại cấu trúc của C₆H₅OH trong dung môi nước. Các giá trị nhiệt tạo thành, năng lượng tổng, độ dài liên kết O-H và góc HOC là bao nhiêu?

Lời giải:

Bước 1: Sử dụng ChemSketch để vẽ cấu trúc 2D của phenol; vào Tool chọn 3D Structure Optimization. Chọn 3D viewer để hiển thị cấu trúc 3D của chất này.

Bước 2: Trong 3D Viewer, vào menu chọn File, chọn Save As, đặt tên file là C₆H₅OH, lưu file dưới dạng .mop (phần Save As type chọn MOPAC Z – Matrix) vào một thư mục nào đó (chú ý, không để trong thư mục có đường dẫn bằng tiếng Việt).

Bước 3: Nhấn chuột phải lên file C₆H₅OH.mop, Open with NotePad, ở dòng trống trên cùng thêm lệnh OPT EPS=78.4 và ENPART (Lệnh xác định cấu trúc và năng lượng):

Sau đó vào file rồi Save

Bước 4: Nháy đúp chuột trái vào file C6H5OH. Mop, chương trình này sẽ chạy và kết thúc trong vài giây (nếu không thấy chạy thì nhấn chuột phải vào C6H5OH.mop, Open with để mở bằng MOPAC2016.exe nằm trong thư mục C:\Program Files\MOPAC). Thêm 2 file mới xuất hiện là file kết quả C6H5OH.out và C6H5OH.arc.

Bước 5: Hiển thị kết quả

– Mở file C6H5OH. Out bằng NotePad.

– Phần kết quả:

Như vậy:

Giá trị nhiệt tạo thành trong dung môi nước là: -117,65887 kJ mol^-1

Năng lượng tổng: -1112,9781 EV

Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, nháy chuột phải lên file C6H5OH. arc, chọn remane để thêm mop vào cuối; nhận được file C6H5OH.arc.mop.

Trong menu File của 3D Viewer vào Open, phần File of Type chọn MOPAC Z – Matrix rồi chọn file C6H5OH.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phenol.

Để biết độ dài liên kết, góc liên kết, chọn công cụ  rồi nháy chuột lên các nguyên tử tương ứng. Kết quả được như sau:

Độ dài liên kết O-H bằng: 0,999A

Độ dài góc liên kết HOC bằng: 112,748 độ

Giá trị nhiệt tạo thành trong dung môi nước là: -117,6 kJ mol^-1

Năng lượng tổng: -1112,9779 EV

Độ dài liên kết O-H bằng: 0,999A

Độ dài góc liên kết HOC bằng: 112,714 độ

Bài tập (trang 66, 67)

Bài tập 1 trang 66 Chuyên đề học tập Hóa học 10: Sử dụng phương pháp PM7 để xác định đồng phân cis-2-butene hay trans-2-butene bền hơn. Biết rằng, đồng phân có năng lượng tổng âm hơn sẽ bền hơn

Lời giải:

Đồng phân cis-2-butene có năng lượng tổng là -599,1950 EV

Đồng phân trans-2-butene có năng lượng tổng là -599,2296 EV

⇒ trans-2-butene bền hơn

Bài tập 2 trang 66 Chuyên đề học tập Hóa học 10: Sử dụng phương pháp PM7 tính cấu trúc (độ dài liên kết, góc liên kết), nhiệt tạo thành, năng lượng tổng của 3 đồng phân o, m, p-cresol. So sánh độ bền giữa các đồng phân.

Lời giải:

Đồng phân có năng lượng tổng âm hơn sẽ bền hơn. Dựa vào kết quả ta thấy độ bền của các đồng phân được sắp xếp như sau: o-cresol < p-cresol < m-cresol

Bài tập 3 trang 66 Chuyên đề học tập Hóa học 10: Cho dãy hợp chất H₂X, với X là các nguyên tố nhóm VIA gồm O, S, Se. Sử dụng phương pháp tính PM7 để tối ưu hóa cấu trúc, từ đó tính độ dài liên kết X-H và góc HXH. Tìm quy luật biến đổi các giá trị này trong dãy nêu trên.

Lời giải:

Với hợp chất H₂O

d(O-H) = 0,956 $\stackrel{o}{A}$

$\widehat{HOH}$ = 105,4^o

Với hợp chất H₂S

d(S-H) = 1,339 $\stackrel{o}{A}$

$\widehat{HSH}$ = 96,907^o

Với hợp chất H₂Se

d(Se-H) = 1,465 $\stackrel{o}{A}$

$\widehat{HSeH}$ = 93,752^o

Trong nhóm VIA từ O đến Se độ dài liên kết X-H tăng dần do độ âm điện của X giảm dẫn đến lực hút giữa X và H cũng giảm.

Góc liên kết HXH giảm dần.

Giải Chuyên đề Hóa học 10 Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng phân của phân tử

Bài tập 4 trang 66 Chuyên đề học tập Hóa học 10: Sử dụng phương pháp PM7 để tối ưu hóa cấu trúc, từ đó tính cấu trúc (độ dài liên kết, góc liên kết) các chất có trong các phương trình phản ứng sau:

O₂(g) + 2H₂(g) → 2H₂O(g) (1)

F₂(g) + H₂(g) → 2HF(g) (2)

a) Tính biến thiên enthalpy của phản ứng (1) và (2) theo phương pháp PM7. So sánh kết quả nhận được với kết quả tính từ enthalpy tạo thành chuẩn của các chất trong Phụ lục 2.

b*) Tính biến thiên năng lượng của phản ứng (1) và (2). Từ đó, so sánh khả năng phản ứng của oxygen và fluorine với hydrogen.

Biết rằng, biến thiên năng lượng của phản ứng cũng được tính giống như biến thiên enthalpy của phản ứng, nhưng thay nhiệt tạo thành bởi năng lượng tổng của phân tử.

Chú ý: Enthalpy tạo thành chuẩn của các đơn chất ở trạng thái bền bằng 0

Lời giải:

a) Kết quả tính nhiệt tạo thành chuẩn của H₂O và HF theo phương pháp PM7

∆_f$H_{298}^o$(H₂O) = -241,83 kJ.mol^-1

∆_{f$H_{298}^o$}(HF) = -259,14 kJ.mol^-1

∆_{r$H_{298}^o$}(1) = 2. ∆_{f$H_{298}^o$}(H₂O) – 1.0 – 2.0 = 2.(-241,83) = -483,66 kJ

∆_{r$H_{298}^o$}(2) = 2. ∆_{f$H_{298}^o$}(HF) – 1.0 – 1.0 = 2.(-259,14) = -518,28 kJ

Kết quả nhiệt tạo thành chuẩn của H₂O và HF theo phụ lục 2

∆_{f$H_{298}^o$}(H₂O) = -241,8 kJ.mol^-1

∆_{f$H_{298}^o$}(HF) = -273,3 kJ.mol^-1

∆_{r$H_{298}^o$}(1) = 2. ∆_{f$H_{298}^o$}(H₂O) – 1.0 – 2.0 = 2.(-241,8) = -483,6 kJ

∆_{r$H_{298}^o$}(2) = 2. ∆_{f$H_{298}^o$}(HF) – 1.0 – 1.0 = 2.(-273,3) = -546,6kJ

So sánh: Kết quả nhận được với kết quả tính từ enthalpy tạo thành chuẩn của các chất trong Phụ lục 2 là xấp xỉ nhau.

b*) Biến thiên năng lượng của phản ứng (1) = 2.năng lượng tổng H₂O – (năng lượng tổng O₂ + 2.năng lượng tổng H₂)

⇒ Biến thiên năng lượng của phản ứng (1) = 2. (-322,68) – [-585,91 + 2.(-28,05)]

⇔ Biến thiên năng lượng của phản ứng (1) = -3,35 eV

Biến thiên năng lượng của phản ứng (2) = 2.năng lượng tổng HF – (năng lượng tổng F₂ + năng lượng tổng H₂)

⇒ Biến thiên năng lượng của phản ứng (2) = 2.(-479,53) – [-927,72 + (-28,05)]

⇔ Biến thiên năng lượng của phản ứng (2) = -3,29 eV

⇒ Phản ứng của hydrogen với fluorine xảy ra thuận lợi hơn.

Bài tập 5 trang 67 Chuyên đề học tập Hóa học 10: Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc, hãy xác định độ dài các liên kết H–X (với X là F, Cl, Br, I).

Lời giải:

d(H–F) = 0,896 $\stackrel{o}{A}$

d(H–Cl) = 1,273 $\stackrel{o}{A}$

d(H–Br) = 1,459 $\stackrel{o}{A}$

d(H–I) = 1,637 $\stackrel{o}{A}$