Nghiên cứu cấu trúc và liên kết hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toán (Khóa luận tốt nghiệp)

Lời Cảm Ơn
Lời đầu tiên cho em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến thầy giáo - Th.S Nguyễn Đức Minh, người đã luôn bên em
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong suốt quá trình
nghiên cứu và thực hiện để hoàn thành khóa luận.
Em xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô giáo trong Khoa
Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quảng Bình đã trang bị
cho em những kiến thức khoa học bổ ích để em có thể hoàn
thành khóa luận tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè luôn
luôn ở bên, động viên, giúp đỡ tôi để tôi có thêm động lực,
niềm tin hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Đồng Hới, ngày 15 tháng 5 năm
2018.
Sinh viên

Dương Thị Trang

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo Th.S Nguyễn Đức Minh. Các tài liệu, những nhận định là
trung thực.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung khoa học của công trình này.
Quảng Bình, tháng 5 năm 2018
Tác giả
Dương Thị Trang

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................ii
A. MỞ ĐẦU .................................................................................................................1
B. NỘI DUNG ................................................................................................................3
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÓA HỌC LƯỢNG TỬ ................................3
1.1. Phương trình Schrödinger ........................................................................................3
1.2. Toán tử Hamilton......................................................................................................4
1.3. Hàm sóng của hệ nhiều electron ...............................................................................5
1.4. Cấu hình electron và bộ hàm cơ sở ..........................................................................6
1.4.1. Cấu hình electron ...................................................................................................6
1.4.2. Bộ hàm cơ sở .........................................................................................................7
1.4.2.1. Obitan kiểu Slater và kiểu Gaussian ...................................................................7
1.4.2.2. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở .....................................................................8
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
1.5.2. Các phương pháp bán kinh nghiệm .....................................................................11
1.5.3. Các phương pháp Post-Hartree-Fock ..................................................................11
1.6. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) .................................................................11
1.6.1. Mô hình Thomas – Fermi ....................................................................................11
1.6.2. Các định lý Hohenberg – Kohn ...........................................................................12
1.6.3. Các phương trình Kohn – Sham ..........................................................................12
1.6.4. Một số phiếm hàm trao đổi ..................................................................................14
1.6.5. Một số phiếm hàm tương quan ............................................................................14
1.6.6. Một số phương pháp DFT thường dùng ..............................................................15
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


2.1.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................19
2.1.3. Nước ....................................................................................................................20
2.1.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................21
2.1.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................22
2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................22
2.2.1. Phần mềm tính toán .............................................................................................22
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................23
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................24
3.1. Khảo sát các phương pháp tính toán ......................................................................24
3.1.1 Cacbon đioxit ........................................................................................................24
3.1.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................26
3.1.3. Nước ....................................................................................................................27
3.1.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................28
3.1.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................30
3.2. Cấu trúc các phân tử hợp chất vô cơ ......................................................................31
3.2.1. Cacbon đioxit .......................................................................................................31
3.2.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................32
3.2.3. Nước ....................................................................................................................33
3.2.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................33
3.2.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................34
3.3. Liên kết hóa học trong các phân tử vô cơ...............................................................35

3.3.1. Cacbon đioxit .......................................................................................................35
3.3.2. Cacbon monoxit ...................................................................................................36
3.3.2. Nước ....................................................................................................................36
3.3.4. Lưu huỳnh đioxit .................................................................................................37
3.3.5. Nitơ đioxit ............................................................................................................38
KẾT LUẬN ..................................................................................................................39
KIẾN NGHỊ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .........................................................................39

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Các đồng phân bền của CO2 ..........................................................................32
Hình 2.2. Các đồng phân bền của CO ...........................................................................33
Hình 2.3. Các đồng phân bền của H2O ..........................................................................33
Hình 2.4. Các đồng phân bền của SO2 ..........................................................................34
Hình 2.5. Các đồng phân bền của NO2 ..........................................................................35
Hình 3.1. Cấu trúc bền nhất của CO2 ............................................................................35
Hình 3.2. Cấu trúc bền nhất của CO ..............................................................................36
Hình 3.4. Cấu trúc bền nhất của SO2 .............................................................................37
Hình 3.5. Cấu trúc bền nhất của NO2 ............................................................................38

vi


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
Bảng 2.4. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp B3LYP .................................. 26
Bảng 2.5. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp B3PW91 ............................... 26

Bảng 2.6. Độ dài liên kết của CO tối ưu bằng phương pháp PBEPBE ............................... 26
Bảng 2.7. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp B3LYP........ 27
Bảng 2.8. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp B3PW91 ..... 27
Bảng 2.9. Độ dài liên kết và góc liên kết của H2O tối ưu bằng phương pháp PBEPBE ..... 28
Bảng 2.10. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp B3LYP ...... 28
Bảng 2.11. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp B3PW91 .... 29
Bảng 2.12. Độ dài liên kết và góc liên kết của SO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE .... 29
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
Bảng 2.15. Độ dài liên kết và góc liên kết của NO2 tối ưu bằng phương pháp PBEPBE ... 31

vii


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
α, β

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
Molecular Orbital)

LUMO

Obitan phân tử không bị chiếm thấp nhất (Lowest Unoccupied
Molecular Orbital)

SCF

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
open-shell HF)

ZPE

Năng lượng điểm không (Zero Point Energy)

STO

Obitan kiểu Slater (Slater Type Orbital)

viii


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

thành phần, cấu trúc, tính chất và sự biến đổi của vật chất. Trong đó, phương pháp hoá
học tính toán, mô phỏng các cấu trúc và phản ứng hoá học bằng những bộ số liệu dựa
vào những định luật của vật lý đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học
bởi nó giúp chúng ta nghiên cứu các hiện tượng bằng các tính toán trên máy tính thay
cho việc khảo sát thực nghiệm. Có thể nói rằng, hoá học tính toán không đòi hỏi sự
chuẩn bị mẫu, kỹ thuật phân tích, cô lập; không cần quang phổ kế hoặc bất cứ sự đo
lường vật lý nào nhưng để thu được số liệu phù hợp với thực nghiệm thì quá trình tính
toán cũng hết sức phức tạp. Bằng cách xây dựng mô hình không những cho các phân tử
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
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
cứu thực nghiệm cho những nhà hóahọc, vật lý học, quang phổ học...
Đối với khoa học nói chung và khoa học Hóa học nói riêng, bên cạnh công cụ lý
thuyết và thực nghiệm thì tính toán đang trở thành công cụ thứ ba tạo nên sự vững chắc,
hoàn thiện cho quá trình nghiên cứu khoa học. Sự phát triển của các phương pháp tính
toán cũng như các phần mềm tính toán cho phép dự đoán cấu trúc electron, cấu trúc
hình học, khả năng phản ứng, cơ chế phản ứng, các thông số nhiệt động lực học…
Ngoài ra, chúng ta còn có thể tính toán phổ hồng ngoại, phổ khối lượng, phổ UV-Vis
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

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
thế nào?
Do vậy, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu cấu trúc và liên kết
hóa học của một số hợp chất vô cơ bằng phương pháp hóa học tính toán” nhằm lựa
chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết phù hợp nhất với một số hợp chất vô cơ và
khám phá bản chất liên kết hóa học trong phân tử.

2


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
vật lý học cổ điển. Tuy nhiên, các định luật này lại không áp dụng được cho các hệ vật
lý vi mô (hệ lượng tử). Năm 1926, Schrödinger đã xây dựng môn cơ học sóng, hợp nhất
thuyết lượng tử Planck và thuyết lưỡng tính sóng hạt của Louis De Broglie. Chuyển
động của hệ lượng tử có tính chất sóng hạt này được mô tả bởi phương trình
Schrödinger. Đối với hệ một hạt chuyển động trong không gian một chiều phương trình
Schrödinger phụ thuộc thời gian có dạng đơn giản nhất:



2
(x, t)
 2 (x, t)


 V(x, t)(x, t)
i
t
2m x 2

Trong đó:

h là hằng số Planck và

=

(1.1)

h
2

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

2
vi, nói chung là phức và thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa:  Ψ*Ψdτ   Ψ dτ  1.Tuy
nhiên, hầu hết các hệ lượng tử đều được khảo sát ở trạng thái dừng – trạng thái mà mật
độ xác suất tìm thấy hệ không biến đổi theo thời gian mà chỉ biến đổi theo tọa độ. Do
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)

Trong đó  ( x) là hàm sóng chỉ phụ thuộc tọa độ không gian.
Hoặc viết đơn giản dưới dạng: Hˆ  E

(1.3)

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


Khóa luận đủ ở file: Khóa luận full