Bài 11: Thực Hành Tính Tham Số Cấu Trúc Và Năng Lượng | Chuyên đề học tập Hóa học 10 | Chuyên Đề 3: Thực Hành Hóa Học Và Công Nghệ Thông Tin - Lớp 10 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 67)

MỤC TIÊU

• Nêu được quy trình tính toán bằng phương pháp bán kinh nghiệm (nhập file đầu vào, chọn phương pháp tính, thực hiện tính toán, lưu kết quả).
• Sử dụng được kết quả tính toán để thấy được hình học phân tử; xu hướng thay đổi độ dài, góc liên kết và năng lượng phân tử trong dãy các chất (cung nhóm, chu kì, dãy đồng đẳng).

I.MỞ ĐẦU

Trước đây, hoá học chỉ thuần tuý là khoa học thực nghiệm nhưng hiện nay, hoá học tính toán ngày càng phát triển và có vai trò quan trọng trong nghiên cứu các hệ phức tạp, các phân ứng xảy ra ở điều kiện phản ứng khắc nghiệt hoặc khi cần tìm hiểu phản ứng của các chất ở cấp độ phân tử.

Hoá học tính toán sử dụng một số phương pháp tính dựa trên hai cơ sở:

Cơ học phân tử: Áp dụng các định luật vật lí cổ điển mô tả chuyển động của hạt nhân các nguyên tử trong phân tử mà không cần xem xét chuyển động và vai trò của các electron. Ví dụ phương pháp MM2,...

Cơ học lượng tử: Dựa vào phương trình Schrödinger để mô tả phân tử dựa trên sự chuyển động của electron. Ví dụ: phương pháp ab initio, phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT), phương pháp bán kinh nghiệm. Trong đó phương pháp bán kinh nghiệm là sự đơn giản hoá của phương pháp ab initio, sử dụng các hiệu chỉnh theo kinh nghiệm.

Trong bài này, phần mềm MOPAC(*) sẽ giới thiệu mảng tính ví dụ. Phương pháp sử dụng là phương pháp bán kinh nghiệm, với phương pháp AM1, để giảm khối lượng tính toán.

Phần mềm MOPAC có thể được tải về và cài đặt như sau:

- Đi đến địa chỉ website http://openmopac.net/Download_MOPAC_Executable_Step2.html, tải về phần mềm MOPAC. Lưu và giải nén thư mục phần mềm vào máy tính, ví dụ “D:\ Phần mềm \MOPAC2016”

Cách khởi chạy phần mềm MOPAC (Windows-10)

• Bước 1. Nháy chuột phải vào file MOPAC data set. Ví dụ file Example_data_set.mop.
• Bước 2. Chọn Open with. Bỏ chọn Always use this app to open .mop files.
• Bước 3. Nháy chuột trái vào dòng chữ More apps. Bỏ chọn Always use this app to open .mop files.
• Bước 4. Cuộn xuống dưới và chọn Look for another app on this PC.
• Bước 5. Đi đến D:\Phanmem\MOPAC2016, nháy chuột trái vào MOPAC2016.exe. Nháy chuột trái vào "MOPAC2016.exe" xuất hiện trong hộp thoại File name. Chọn Open.

(*) Nguồn: http://openmopac.net/Download_MOPAC_Executable_Step2.html.

(Trang 68)

II. TỐI ƯU HOÁ CẤU TRÚC HÌNH HỌC VÀ TÍNH NHIỆT TẠO THÀNH CỦA MỘT SỐ PHÂN TỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÁN KINH NGHIỆM

1. Tạo file dữ liệu

Tệp dữ liệu MOPAC thường gồm:

- Một dòng từ khoá.

- Hai dòng văn bản do người dùng xác định.

- Ma trận Z mô tả phân tử. Sau ma trận Z phải có một dòng trống hoặc một dòng số 0.

Cách tiến hành:

• Bước 1. Sử dụng Notepad hoặc Wordpad tạo file dữ liệu. File dữ liệu để tối ưu hoá cấu trúc của phân tử và tính nhiệt hình thành của phân tử H2O có nội dung như sau:

AM1 OPT ENPART

Water

Example of geometry optimization

O   0.0 0     0.0 0   0.0 0

H 0.97 1     0.0 0   0.0 0   1 0 0

H 0.97 1  104.5 1   0.0 0   1 2 0

Trong đó:

- Từ khoá AM1 là để sử dụng phương pháp bán kinh nghiệm AM1.

- Từ khoá OPT là để tối ưu hoá cấu trúc hình học. Từ khoá ENPART là để tính năng lượng phân tử.

- Cấu trúc hình học của phân tử H₂O ở file dữ liệu này được hiểu như sau: Nguyên tử thứ nhất là oxygen (O1) được mô tả ở hàng thứ nhất. Nguyên tử thứ 2 là hydrogen (H(2)) được mô tả ở hàng thứ ba, H(2) liên kết với O(1) bằng liên kết có độ dài 0,97 Å. Nguyên tử thứ 3 là hydrogen (H(3)) được mô tả ở hàng thứ ba, H(3) liên kết với O(1) bằng liên kết có độ dài 0,97 Å. Góc H(3)O(1)H(2) = 104,5º.

- Số 0 đứng sau mỗi giá trị độ dài liên kết hay góc liên kết có nghĩa là độ dài liên kết hay góc liên kết này được giữ cố định.

- Số 1 đứng sau mỗi giá trị độ dài liên kết hay góc liên kết có nghĩa là độ dài liên kết hay góc liên kết này sẽ được tối ưu.

• Bước 2. Lưu file dữ liệu vào thư mục “D:\ Nguyen_Van_A\MOPAC_Working”. Kiểu file là “.txt”. Ví dụ: “H2O_AM1.txt” -> Đổi đuôi file vừa soạn thảo thành “H2O_AM1.mop”.

2. Tính nhiệt tạo thành của phân tử bằng phương pháp bán kinh nghiệm

(Trang 69)

Cách tiến hành:

• Bước 1. Đổi file dữ liệu đã tạo (ở hoạt động 1) sang dạng đuôi “.mop”, ví dụ: “H2O _AM1.mop”. Vào thư mục “D:\Nguyen_Van_A\MOPAC_Working”, nháy chuột phải, chọn Rename rồi thay đuôi “.txt” thành đuôi “.mop”.
• Bước 2. Nháy chuột phải vào file “H2O_AM1.mop”

Chọn Open with -> MOPAC2016.exe.

Lúc này file dữ liệu “H2O_AM1.mop” được chạy bằng MOPAC. Sau khi chạy xong, xuất hiện file kết quả tính “H2O_AM1.out” trong thư mục “D:\Nguyen_Van_A\MOPAC_Working”.

III. CÁCH ĐỌC FILE KẾT QUẢ VÀ SỬ DỤNG KẾT QUẢ

1. Cách đọc file kết quả

File kết quả thu được từ Hoạt động 2 có các thông tin về nhiệt tạo thành, năng lượng phân tử, độ dài liên kết, góc liên kết của phân tử H₂O sau khi tối ưu theo phương pháp bán kinh nghiệm AM1.

Cách tiến hành:

Nháy chuột phải vào file “H2O_AM1.out”, chọn Open with Wordpad.

Đoạn văn bản đầu của file như sau:

 Site#: 36579 For non-commercial use only Version 21.125W

 Cite this program as: MOPAC2016, Version: 21.125W, James J. P. Stewart,

Stewart Computational Chemistry, web: HTТР://OpenMOPAC.net. Days left: 361

МОРАС2016

Đoạn văn bản kết thúc file "H2O_AM1.out" như sau:

JOB ENDED NORMALLY

TOTAL JOB TIME: 0.75 SECONDS
== MOPAC DONE ==
(Trang 70)

Giá trị nhiệt tạo thành của phân tử H₂O (thể hơi) ở file “H2O_AM1.out”:

FINAL HEAT OF FORMATION = -59.280 kcal/mol = -247.90410 KJ/MOL.

Giá trị này khá gần đúng so với giá trị thực nghiệm. Theo thực nghiệm, nhiệt tạo thành của phân tử H2O(thể hơi) là –241,826 KJ/mol.

Giá trị năng lượng phân tử của H2O (thể hơi), kí hiệu là ETOT (EONE + ETWO) ở file “H2O_AM1.out”:

ETOT (EONE + ETWO)               -348.5632 EV.

Cách tiến hành:

Nháy chuột phải vào file “H2O_AM1.out”, chọn open with Wordpad, đi đến đoạn văn bản sau:

Đoạn văn bản này cho thấy độ dài liên kết (bond length) và góc liên kết (bond angle) của phân tử H₂O.

2. Sử dụng file kết quả để hiển thị hình học phân tử

Từ kết quả tối ưu hoá cấu trúc bằng phần mềm MOPAC, sử dụng một số phần mềm như Chem3D, Avogadro,... để hiển thị cấu trúc hình học phân tử. Phần mềm Avogadro sẽ được giới thiệu mang tính chất ví dụ.

Cách tải và cài đặt phần mềm Avogadro: Đi đến website https://avogadro.cc/news/avogadro-1-2-0-released/, tải về và lưu file cài đặt của phần mềm Avogadro vào máy tính, ví dụ “D:/Phan mem/Avogadro-1.2.0n-win32.exe”.

Vào thư mục: “D:/Phan mem/”, nháy chuột vào file Avogadro-1.2.0n-win32.exe để cài đặt phần mềm.

(Trang 71)

Cách tiến hành:

• Bước 1. Mở phần mềm Avogadro. Chọn lệnh File → New → Display Settings (Cài đặt hiển thị) → Display Types (Kiểu hiển thị) → Ball and Stick (Quả cầu và que nối). Sau đó chọn lệnh Build → Cartesian Editor (Hình 11.1a), một cửa sổ xuất hiện cho phép dẫn toạ độ Descartes của các nguyên tử để hiển thị cấu trúc.
• Bước 2. Mở file kết quả tính “H2O_AM1.out” thu được ở trên, đi đến đoạn văn bản sau:

• Bước 3. Copy các dòng toạ độ Descartes này dán sang vị trí mô tả toạ độ Descartes tương ứng ở cửa sổ Cartesian Editor của giao diện Avogadro. Nháy chuột vào Apply rồi nháy vào giao diện Avogadro, hình ảnh cấu trúc hình học phân tử H2O xuất hiện trên màn hình Avogadro (Hình 11.1b).

Hình 11.1. Cách hiển thị cấu trúc của phân tử H₂O trong Avogadro từ kết quả tinh tối ưu cầu trúc hình học sử dụng phần mêm MOPAС

a) Cách hiển thị bảng toạ độ Descartes;

b) Cách dán toạ độ vào bảng toạ độ Descartes để hiển thị cấu trúc.

(Trang 72)

Các bước hiển thị các tham số cấu trúc:

• Hiển thị độ dài liên kết

Chọn lệnh View → Properties → Bond Properties.

Một bảng số liệu độ dài của các liên kết xuất hiện ở màn hình (Hình 11.2a).

• Hiển thị các góc liên kết

Chọn lệnh View → Properties → Angle Properties.

Một bảng số liệu các góc liên kết xuất hiện ở màn hình, nối tiếp phía dưới của độ dài liên kết (Hình 11.2b).

Hình 11.2. Hiển thị độ dài liên kết (a) và góc liên kết (b) của phân tử H₂O

(Trang 73)

Chú ý: Ngoài việc hiển thị được cấu trúc phân tử từ toạ độ Descartes và hiển thị được các tham số cấu trúc, phần mềm Avogadro còn cho phép tạo các file đầu vào cho các phép tính bán kinh nghiệm như AM1. Ví dụ: Tạo file đầu vào cho phép tính bán kinh nghiệm AM1 cho phân tử CH₄.

Bước 1: Về cấu trúc phân tử CH4. Ở phía trái giao diện phần mềm Avogadro, chọn Draw Settings → Element, chọn nguyên tố carbon. Nháy chuột vào màn hình Avogadro, cấu trúc phân tử CH₄ được hiển thị.

Bước 2: Chọn Extensions → MOPAC (Hình 11.3a), cửa sổ MOPAC input xuất hiện (Hình 11.3b) → Khai báo tên (Title), nội dung của phép tính (Calculation) và phương pháp tính (Method) (Hình 11.3b) → Nháy chuột vào Generate. Phần mềm sẽ tạo một file đầu vào cho phép tính AM1 có đuôi “.mop”, ví dụ CH4_AM1.mop. Lưu file này vào thư mục “D:\Nguyen_Van_A\MOPAC_Working” và thực hiện phép tính như được mô tả ở mục II.2.

Hình 11.3. Các bước tạo file đầu vào cho phép tinh bán kinh nghiệm AM1 dùng phần mêm Avogadro.

a) Đi đến Extension → МОРАС; b) Các khai bảo để tạo file đầu vào cho phép tinh. 

(Trang 74)