Chuyên đề Hóa học 10 Chân trời sáng tạo Bài 10: Tính tham số cấu trúc và năng lượng

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

1. Hóa học tính toán

• Câu hỏi 1 trang 63 Chuyên đề Hóa học 10: Hãy tìm hiểu thêm những ưu điểm của Hóa học tính toán khi ứng dụng để tối ưu hóa các quá trình hóa học phức tạp.

  Lời giải:

  Ưu điểm: Thời gian tính nhanh, mức độ chính xác phù hợp cho việc giảng dạy và học tập.

• 2. Tính toán bằng phương pháp bán kinh nghiệm

• Câu hỏi 2 trang 65 Chuyên đề Hóa học 10: Thực hiện nhập dữ liệu như hướng dẫn cho phân tử C₂H₆ (ethane)

  

  Lời giải:

  Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChenSketch ở Bài 8 cho phân tử C₂H₆. Sau khi vẽ xong, chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử.

  

  Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file C2H6.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

  Bước 3: Nhấp chuột phải lên file C2H6.mop → Open with Notepad → Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

  

  Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file C2H6.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là C2H6.out và C2H6.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file C2H6.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

  Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất

  Mở file C2H6.out bằng notepad. Ở đầu của cửa sổ output có thông tin như sau

  

  Ở cuối cửa sổ output có thông tin như sau:

  

  Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tố và cung cấp một số dữ liệu thống kê về phép tính.

  Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

  Phần kết quả:

  

  Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION) của phân tử C₂H₆ (ở điều kiện chuẩn theo tính toán) là xấp xỉ -71,85 kJ/mol

  Tổng năng lượng phân tử C₂H₆ (ETOT (EONE + ETWO)) là -326,9216 eV.

  Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C₂H₆ trong file C2H6.out được thể hiện như hình dưới.

  

• Câu hỏi 3 trang 66 Chuyên đề Hóa học 10: Từ kết quả nhiệt tạo thành của phân tử H₂O. So sánh với giá trị thực nghiệm, đưa ra kết luận (Giá trị thực nghiệm của phân tử H₂O(g) là – 241,8 kJ/mol)

  Lời giải:

  Kết quả tính nhiệt tạo thành của phân tử H₂O bằng cách sử dụng phần mềm MOPAC cho giá trị là -241,83 kJ/mol. Giá trị này gần đúng với giá trị thực nghiệm.

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

• Câu hỏi 4 trang 66 Chuyên đề Hóa học 10: Từ kết quả độ dài liên kết O-H và góc liên kết H-O-H trong phân tử H₂O, so sánh với giá trị thực nghiệm, đưa ra nhận xét (Độ dài liên kết O-H là 0,97 $\stackrel{°}{A}$, góc liên kết H-O-H là 104,5^o)

  Lời giải:

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

  + Độ dài liên kết O-H là 0,96 $\stackrel{°}{\mathrm{A}}$

  + Góc liên kết H-O-H là 105,4^o

  Kết quả này gần đúng với giá trị thực nghiệm.

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

• Luyện tập trang 66 Chuyên đề Hóa học 10: Thực hành tạo file dữ liệu

  a) (C₂H₆.mop)

  b) (C₃H₈.mop)

  Tối ưu hóa cấu trúc của phân tử và tính nhiệt tạo thành của phân tử C₂H₆, C₃H₈ bằng phương pháp PM7

  Lời giải:

  a) (C₂H₆.mop)

  Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChenSketch ở Bài 8 cho phân tử C₂H₆ . Sau khi vẽ xong, chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử.

  

  Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file C2H6.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

  Bước 3: Nhấp chuột phải lên file C2H6.mop → Open with Notepad → Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

  

  Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file C2H6.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là C2H6.out và C2H6.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file C2H6.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

  Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất

  Mở file C2H6.out bằng notepad. Ở đầu của cửa sổ output có thông tin như sau

  

  Ở cuối cửa sổ output có thông tin như sau:

  

  Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tố và cung cấp một số dữ liệu thống kê về phép tính.

  Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

  Phần kết quả:

  

  Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION) của phân tử C₂H₆ (ở điều kiện chuẩn theo tính toán) là xấp xỉ -71,85 kJ/mol

  Tổng năng lượng phân tử C₂H₆ (ETOT (EONE + ETWO)) là -326,9216 eV.

  Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C₂H₆ trong file C2H6.out được thể hiện như hình dưới.

  

  b) (C₃H₈.mop)

  Bước 1: Sử dụng kết quả từ phần mềm ChenSketch ở Bài 8 cho phân tử C₃H₈ . Sau khi vẽ xong, chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử.

  

  Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file C3H8.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

  Bước 3: Nhấp chuột phải lên file C3H8.mop → Open with Notepad → Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

  

  Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file C3H8.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là C3H8.out và C3H8.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file C3H8.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

  Bước 5: Xem xét dữ liệu xuất

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

  

  Ở cuối cửa sổ output có thông tin như sau:

  

  Kết quả cho biết phép tính đã được thực hiện tố và cung cấp một số dữ liệu thống kê về phép tính.

  Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

  Phần kết quả:

  

  Kết quả cho biết nhiệt tạo thành (FINAL HEAT OF FORMATION) của phân tử C₃H₈ (ở điều kiện chuẩn theo tính toán) là xấp xỉ -96,59 kJ/mol

  Tổng năng lượng phân tử C₃H₈ (ETOT (EONE + ETWO)) là -476,9317 eV.

  Độ dài liên kết (BOND LENGTH) và góc liên kết (BOND ENGLE) của phân tử C₃H₈ trong file C3H8.out được thể hiện như hình dưới.

  

• 3. Sử dụng kết quả tính toán hiển thị độ dài, góc liên kết các chất

• Câu hỏi 5 trang 67 Chuyên đề Hóa học 10: Sử dụng dữ “Output” của phân tử C₂H₆, C₃H₈, xem và so sánh dữ liệu năng lượng của các phân tử với giá trị thực nghiệm.

  Biết giá trị thực nghiệm của phân tử C₂H₆, C₃H₈ lần lượt là -84,66 kJ/mol, -105,00 kJ/mol

  Lời giải:

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

  + Nhiệt tạo thành phân tử C₃H₈ là -96,59 kJ/mol ≈ -105,00 kJ/mol

  + Nhiệt tạo thành phân tử C₂H₆ là -71,85 kJ/mol ≈ -84,66 kJ/mol

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

• Câu hỏi 6 trang 67 Chuyên đề Hóa học 10: Thực hiện các bước hiển thị các tham số cấu trúc: độ dài các liên kết và góc liên kết của của phân tử C₂H₆, C₃H₈.

  Lời giải:

  – Đối với phân tử C₂H₆

  Bước 1: Để quan sát cấu trúc nhận được sau khi tính, tìm file C2H6.arc rồi chuyển đuôi file thành C2H6.arc.mop

  Bước 2: Mở 3D viewer → Open, xuất hiện hộp thoại Open, chọn file MOPAC Z Maxtrix rồi chọn file C2H6.arc.mop sẽ hiện hình ảnh 3D của phân tử C2H6

  Bước 3: Chọn công cụ, nháy chuột vào các nguyên tử sẽ hiển thị độ dài các liên kết và góc liên kết.

  

  

  

  Độ dài liên kết và góc liên kết của C2H6 còn được hiển thị trong file C2H6.out

  

  – Đối với phân tử C3H8

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

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

  Bước 3: Chọn công cụ, nháy chuột vào các nguyên tử sẽ hiển thị độ dài các liên kết và góc liên kết.

  

  

  

  Độ dài liên kết và góc liên kết của C3H8 còn được hiển thị trong file C3H8.out

  

• Luyện tập trang 67 Chuyên đề Hóa học 10: Từ kết quả của các giá trị về năng lượng phân tử, độ dài các liên kết và góc liên kết của phân tử C₂H₆, C₃H₈ so sánh và nhận xét xu hướng thay đổi các kết quả thu được.

  Lời giải:

  – Nhiệt tạo thành phân tử C₃H₈ là -96,59 kJ/mol âm hơn nhiệt tạo thành phân tử C₂H₆ là -71,85 kJ/mol. Do cả hai phân tử đều chỉ chứa liên kết đơn, mặt khác số lượng liên kết trong phân tử C₃H₈ nhiều hơn trong phân tử C₂H₆

  – Bảng giá trị độ dài liên kết và góc liên kết trong phân tử C₂H₆

  

  Bảng giá trị độ dài liên kết và góc liên kết trong phân tử C₃H₈

  

  Nhận xét: Độ dài các liên kết và góc liên kết của phân tử C₂H₆, C₃H₈ là tương đương nhau.

• Bài tập (trang 68)

• Bài 1 trang 68 Chuyên đề Hóa học 10: Tối ưu hóa cấu trúc của phân tử và tính nhiệt tạo thành của phân tử, độ dài các liên kết và góc liên kết của các phân tử bằng phương pháp PM7. Xác định quy luật biến đổi các giá trị trong dãy các chất sau:

  a) Cl₂, Br₂ và I₂.

  b) CH₄, NH₃, H₂O

  Lời giải:

  Phương pháp tính toán bằng phần mềm MOPAC:

  Bước 1: Vẽ công thức phân tử bằng phần mềm ChemSketch. Sau khi vẽ xong chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử

  Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file ví dụ: Cl2.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

  Bước 3: Nhấp chuột phải lên file Cl2.mop → Open with Notepad → Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

  Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file Cl2.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là Cl2.out và Cl2.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file Cl2.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

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

  Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

  Phần kết quả:

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

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

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

  b) – Đối với Cl₂

  + Kết quả nhiệt tạo thành của Cl₂:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với Br₂:

  + Kết quả nhiệt tạo thành của Br₂:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với I₂

  + Kết quả nhiệt tạo thành của I₂:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Xác định quy luật biến đổi trong dãy Cl₂, Br₂, I₂:

  + Kết quả nhiệt tạo thành tăng dần từ Cl₂ đến I₂ ⇒ Độ bền của các liên kết giảm dần từ Cl₂ đến I₂

  + Độ dài liên kết tăng dần từ Cl₂ đến I₂ do bán kính nguyên tử tăng dần nên khoảng cách giữa hai hạt nhân tăng dần.

  b) Đối với CH₄:

  + Kết quả nhiệt tạo thành của CH₄:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với NH₃

  + Kết quả nhiệt tạo thành của NH₃:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với H₂O

  + Kết quả nhiệt tạo thành của H₂O

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Xác định quy luật biến đổi trong dãy CH₄, NH₃, H₂O

  + Kết quả nhiệt tạo thành giảm theo dãy H₂O > CH₄ > NH₃

• Bài 2 trang 68 Chuyên đề Hóa học 10: Tối ưu hóa cấu trúc của phân tử và tính độ dài các liên kết H-X (Với X là F, Cl, Br, I)

  Lời giải:

  Phương pháp tính toán bằng phần mềm MOPAC:

  Bước 1: Vẽ công thức phân tử bằng phần mềm ChemSketch. Sau khi vẽ xong chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử

  Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file ví dụ: HF.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

  Bước 3: Nhấp chuột phải lên file HF.mop → Open with Notepad → Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

  Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file HF.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là HF.out và HF.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file HF.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

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

  Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

  Phần kết quả:

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

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

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

  – Đối với HF

  + Kết quả nhiệt tạo thành

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với HCl

  + Kết quả nhiệt tạo thành

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với HBr

  + Kết quả nhiệt tạo thành

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với HI

  + Kết quả nhiệt tạo thành

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

• Bài 3 trang 68 Chuyên đề Hóa học 10: a) Bằng phương pháp PM7, tối ưu hóa cấu trúc của phân tử CH₄, C₄H₁₀.

  Bằng phương pháp PM7, tối ưu hóa cấu trúc của phân tử, đưa ra kết luận. Biết giá trị thực nghiệm của phân tử CH₄ và C₄H₁₀ lần lượt là -74,8 kJ/mol và -126,00 kJ/mol

  b) Sử dụng kết quả tính toán ở trên để xác định quy luật biến đổi giá trị nhiệt tạo thành của phân tử trong các dãy chất: CH₄, C₂H₆, C₃H₈ và C₄H₁₀.

  Lời giải:

  Phương pháp tính toán bằng phần mềm MOPAC:

  Bước 1: Vẽ công thức phân tử bằng phần mềm ChemSketch. Sau khi vẽ xong chọn Tool, chọn 3D Optimization. Sau đó chọn nút 3D Viewer để nhận được cấu trúc 3D của phân tử

  Bước 2: Trong 3D viewer vào menu file, chọn Save as, đặt tên file ví dụ: CH4.mop (save as file chọn MOPAC Z Maxtrix).

  Bước 3: Nhấp chuột phải lên file HF.mop → Open with Notepad → Thêm lệnh OPT ENPART (Xác định cấu trúc và năng lượng). Sau đó lưu lại.

  Bước 4: Nhấp đúp chuột trái lên file CH4.mop, chương trình sẽ chạy và cho 2 file mới xuất hiện là CH4.out và CH4.arc. Nếu không thấy kết quả thì nhấn chuột phải lên file CH4.mop → open with MOPAC2016 nằm trong thư mục D:\MOPAC2016

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

  Bước 6: Diễn giải dữ liệu xuất

  Phần kết quả:

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

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

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

  – Đối với CH₄:

  + Kết quả nhiệt tạo thành của CH₄:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với C₄H₁₀

  + Kết quả nhiệt tạo thành :

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

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

  b) – Đối với C₂H₆

  + Kết quả nhiệt tạo thành:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Đối với C₃H₈

  + Kết quả nhiệt tạo thành:

  

  + Tổng năng lượng phân tử:

  

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

  

  – Quy luật biến đổi giá trị nhiệt tạo thành

  Giá trị nhiệt tạo thành giảm dần theo dãy C₄H₁₀ > C₃H₈ > C₂H₆ > CH₄

  Giải thích:

  Nhiệt tạo thành càng âm thì hợp chất càng bền. Các hydrocarbon trên đều chỉ chứa liên kết xích ma, bên cạnh đó số lượng liên kết C-H giảm dần theo dãy C₄H₁₀; C₃H₈; C₂H₆; CH₄

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

  ⇒ Giá trị nhiệt tạo thành giảm dần.