Bằng phương pháp PM7, tối ưu hóa cấu trúc của phân tử CH4, C4H10

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

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

So sánh giá trị nhiệt tạo thành của phân tử tính được với giá trị thực nghiệm, 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.

Trả lời:

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.