ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
VŨ THỊ NGỌC LAN
KIỂM NGHIỆM CƠ CHẾ PHẢN ỨNG H2(k)+ Cl2(k) → 2HCl(k)
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH HÓA HỌC LƢỢNG TỬ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
VŨ THỊ NGỌC LAN
KIỂM NGHIỆM CƠ CHẾ PHẢN ỨNG H2(k)+ Cl2(k) → 2HCl(k)
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH HÓA HỌC LƢỢNG TỬ
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 60440119
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Phạm Văn Nhiêu
TS. Vũ Việt Cường
Hà Nội - 2015
Vũ Thị Ngọc Lan
PHẦN MỞ ĐẦU
I. Lí do chọn đề tài
Hóa học lượng tử (HHLT) là ngành khoa học nghiên cứu các hệ lượng tử
dựa vào phương trình chính tắc của CHLT do Schrodinger đưa ra năm 1926 . Với
sự xuất hiện của HHLT đã nhanh chóng làm thay đổi cơ bản quan niệm về thế giới
vi mô nhiều ngành khoa học đặc biệt trong nghiên cứu hóa học.
HHLT giúp tìm hiểu sâu, nghiên cứu vấn đề cốt lõi nhất của hóa học là cấu
trúc và tính chất hóa lý của các chất. Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
máy tính và sự ra đời của các phần mềm máy tính phục vụ trong việc tính HHLT
như MOPAC, HYPERCHEM, GAUSSIAN, GAUSSVIEW, VASP….Giúp cho
việc nghiên cứu HHLT được mở rộng hơn. Phần mềm tính toán cho ta biết nhiều
tham số về xác định cấu trúc phân tử, tham số về bề mặt thế năng, tham số về các
đại lượng nhiệt động học như: ∆H; ∆G; cũng như các đại lượng động học như E, tốc
độ phản ứng…. HHLT còn làm sáng tỏ nhiều cơ chế của phản ứng hóa học, giải
thích đúng đắn các quy luật hóa học, kiểm tra được kết quả thực nghiệm. Đặc biệt,
nó còn thể hiện tính ưu việt là nghiên cứu sự chuyển tiếp giữa các chất trung gian
mà có thời gian xảy ra rất ngắn. Khảo sát các phản ứng hóa học trong các điều kiện
khác nhau, nhất là đối với những phản ứng khó, phản ứng độc hại hay không thể
thực hiện được, đồng thời tiết kiệm được về kinh tế.
Với mong muốn học hỏi, hiểu biết thêm về HHLT, tìm hiểu bản chất của
phản ứng nên tôi chọn đề tài nghiên cứu:
“ Kiểm nghiệm cơ chế phản ứng H2(k)+ Cl2(k) → 2HCl(k) bằng phƣơng
pháp tính hóa học lƣợng tử”
II. Mục đích nghiên cứu.
Sử dụng lý thuyết hóa học lượng tử và các phương pháp tính toán gần đúng,
tốt áp dụng cho hệ nghiên cứu nhằm thu được các tham số về cấu trúc, tần số dao
động và các loại năng lượng… của hệ các chất tham gia, các chất sản phẩm, các
Vũ Thị Ngọc Lan
chất trung gian và các trạng thái chuyển tiếp qua đó thiết lập bề mặt thế năng đầy đủ
để giải thích cơ chế phản ứng.
Khi nghiên cứu cơ chế của phản ứng H2 + Cl2
HCl chúng tôi thấy phản
ứng xảy ra theo 3 giai đoạn. Trong đó, có giai đoạn phát triển mạch mà một nguyên
tử tấn công một phân tử. Vậy nguyên tử tấn công phân tử theo góc liên kết nào cho
lợi nhất về năng lượng? Về mặt động học phản ứng, phương trình động học của
phản ứng được biểu diễn như thế nào?
Với các kết quả nghiên cứu, chúng tôi hy vọng các thông số thu được có thể
được sử dụng làm thông tin đầu vào cho việc nghiên cứu nhiệt động học và động
lực học tiếp theo, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu hóa học
thực nghiệm.
III. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, các phương pháp tính toán và các phần mềm liên
quan trong hóa học lượng tử.
Sưu tầm các bài báo và các tài liệu liên quan đến hệ chất nghiên cứu.
Lựa chọn phương pháp tính toán tốt nhất để kháo sát hệ chất nghiên cứu.
Dự đoán, kiểm nghiệm các hướng phản ứng, xây dựng bề mặt thế năng đầy
đủ và lựa chọn được cơ chế phù hợp của phản ứng.
IV. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Sử dụng phần mềm Gaussian 09 và các phần mềm hỗ trợ như Gauss View,
Chemcraft, Chemoffice… để nghiên cứu.
Sử dụng phương pháp DFT để tối ưu hóa cấu trúc và tính năng lượng tương
quan với bộ hàm 6-31G cho các nguyên tố Cl, H. Cuối cùng chúng tôi dùng các kết
quả tính toán năng lượng tương quan để xây dựng bề mặt thế năng (PES) của hệ
chất nghiên cứu, từ đó rút ra được những kết luận quan trọng cho quá trình nghiên
cứu.
Cấu trúc khóa luận gồm phần mở đầu, nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo
và phụ lục. Phần nội dung bao gồm 3 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan
Vũ Thị Ngọc Lan
Chƣơng 2: Hệ chất nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Cơ sở lý thuyết hóa học lƣợng tử [1][4][9][10][12]
1.1.1. Phƣơng trình Schrodinger
Phương trình Schrodinger được đưa ra bởi nhà vật lý người Áo – Schrodinger
vào năm 1926.
Sự biến đổi trạng thái của hạt vi mô theo thời gian của một hệ lượng tử
được mô tả bởi phương trình Schrodinger có dạng tổng quát:
𝑖ħ𝜕𝜓
𝜕𝑡 =Ĥ (1.1)
Ở đây, Ψ(q,t) – Hàm sóng mô tả trạng thái của hệ lượng tử. Đó là hàm của
tọa độ q và thời gian t.
Ĥ = 𝑇 + U = - ħ2
2𝑚∇2+ 𝑈
Với ∇2= 𝜕2
𝜕𝑥2+ 𝜕2
𝜕𝑦2+ 𝜕2
𝜕𝑧2 : toán tử Laplace
U: thế năng (năng lượng tương tác giữa các hạt lượng tử trong hệ).
Trong trường hợp thế năng của hệ không phụ thuộc thời gian: U = U(q) (q:
tọa độ)
Trong hệ kín hoặc hệ chuyển động trong môi trường ngoài không đổi, thì
toán tử Hamilton Ĥ không phụ thuộc vào thời gian và trùng với toán tử năng lượng
toàn phần Ĥ(q) và trạng thái của hệ khi đó được gọi là trạng thái dừng:
ψ(q,t)→ψ(q). Phương trình Schrodinger ở trạng thái dừng:
Ĥ(q)ψ(q) = Eψ(q) (1.2)
E là trị riêng năng lượng, ψ(q) là hàm sóng (q là tọa độ).
Nghiệm của phương trình (1.1) có thể được viết dưới dạng:
Ψ(q,t) = ψ(q).𝑒𝑖𝐸𝑡ħ
(1.3)