Luận văn thạc sĩ: Kiểm nghiệm cơ chế phản ứng 2NO(k) → N2(k) + O2(k) bằng phương pháp tính hóa ...

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu cơ chế phản ứng 2NOK, N2K, O2K bằng phương pháp tính hóa học lượng tử, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hóa học.

• Tác giả: Vũ Thị Huyền Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Nhiêu
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Kiểm Nghiệm Cơ Chế Phản Ứng 2NO(k) → N2 (k)+ O2(k) Bằng Phương Pháp Tính Hóa Học Lượng Tử
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lí do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử
• 1.1.1. Phương trình Schrodinger
• 1.1.2. Sự gần đúng Born – Oppenheirmer
• 1.1.3. Phương pháp biến phân
• 1.1.4. Thuyết trường tự hợp Hartree – Fock
• 1.1.5. Phương trình Roothaan
• 1.2. Cơ sở của các phương pháp tính gần đúng lượng tử
• 1.2.1. Giới thiệu các phương pháp tính gần đúng lượng tử
• 1.2.2. Tương quan electron
• 1.2.3. Bộ hàm cơ sở
• 1.2.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT)
• 1.3. Bề mặt thế năng (Potential Energy Surface: PES)
• 1.3.1. Bề mặt thế năng
• 1.3.2. Điểm yên ngựa và đường phản ứng
• 1.3.3. Tọa độ phản ứng thực (Intrinsic Reaction Coordinate – IRC)
• 1.4. Cơ sở lí thuyết về động hóa học
• 1.4.1. Tốc độ phản ứng. Cơ chế phản ứng, phân tử số và bậc của phản ứng. Hằng số tốc độ phản ứng
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu động học của phản ứng phức tạp
• 1.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Năng lượng hoạt hóa. Thuyết phức hoạt động (Còn gọi là trạng thái chuyển tiếp)
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hệ chất nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phần mềm tính toán
• 2.2.2. Lựa chọn phần mềm và phương pháp tính toán
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Lựa chọn bộ hàm và phương pháp tính
• 3.2. Kết quả tính toán
• 3.2.1. Kết quả tính toán lí thuyết
• 3.2.2. Kết quả tính toán hóa học lượng tử
• ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY HÓA HỌC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
• DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan về cơ chế phản ứng 2NO k thành N2 k và O2 k

Nghiên cứu cơ chế phản ứng 2NO(k) thành N2(k) và O2(k) là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học lượng tử. Phản ứng này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Khí NO là một trong những tác nhân gây ô nhiễm không khí, và việc chuyển hóa nó thành N2 và O2 là một giải pháp khả thi để cải thiện chất lượng không khí.

1.1. Cơ sở lý thuyết về phản ứng hóa học

Phản ứng hóa học là quá trình chuyển đổi các chất này thành các chất khác. Trong trường hợp của phản ứng 2NO(k) thành N2(k) và O2(k), cần hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng, bao gồm năng lượng hoạt hóa và các trạng thái chuyển tiếp.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu cơ chế phản ứng

Nghiên cứu cơ chế phản ứng giúp hiểu rõ hơn về cách thức các phản ứng hóa học diễn ra. Điều này không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn trong ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong việc phát triển các phương pháp xử lý khí thải.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu phản ứng 2NO k

Mặc dù nghiên cứu cơ chế phản ứng 2NO(k) thành N2(k) và O2(k) đã được thực hiện, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn là điều kiện phản ứng, bao gồm nhiệt độ và áp suất, ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng

Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất của phản ứng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể dẫn đến hiệu suất cao hơn trong việc chuyển hóa NO thành N2 và O2.

2.2. Khó khăn trong việc mô phỏng phản ứng

Mô phỏng phản ứng hóa học bằng phương pháp hóa học lượng tử đòi hỏi tính toán phức tạp. Việc lựa chọn phương pháp tính toán và bộ hàm phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

III. Phương pháp nghiên cứu cơ chế phản ứng 2NO k thành N2 k và O2 k

Để nghiên cứu cơ chế phản ứng 2NO(k) thành N2(k) và O2(k), phương pháp hóa học lượng tử được áp dụng. Phương pháp này cho phép mô phỏng và dự đoán các trạng thái của phản ứng một cách chính xác.

3.1. Phương pháp tính toán hóa học lượng tử

Phương pháp DFT (Density Functional Theory) là một trong những phương pháp phổ biến trong nghiên cứu hóa học lượng tử. Phương pháp này giúp tối ưu hóa cấu trúc phân tử và tính toán năng lượng của các trạng thái khác nhau trong phản ứng.

3.2. Sử dụng phần mềm Gaussian trong nghiên cứu

Phần mềm Gaussian là công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán hóa học lượng tử. Nó cho phép mô phỏng các phản ứng hóa học phức tạp và cung cấp thông tin về bề mặt thế năng và các trạng thái chuyển tiếp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phản ứng 2NO(k) thành N2(k) và O2(k) có thể được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh các điều kiện phản ứng. Những thông tin thu được từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tiễn để giảm thiểu ô nhiễm không khí.

4.1. Kết quả tính toán và phân tích

Kết quả tính toán cho thấy rằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng có thể được giảm thiểu bằng cách tối ưu hóa cấu trúc phân tử. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các phương pháp xử lý khí thải hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp và môi trường

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các ngành công nghiệp để phát triển các công nghệ xử lý khí thải, từ đó góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng không khí.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu cơ chế phản ứng 2NO(k) thành N2(k) và O2(k) mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học lượng tử. Những kết quả đạt được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn quan trọng trong việc bảo vệ môi trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp hóa học lượng tử có thể giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các phản ứng hóa học phức tạp khác và phát triển các phương pháp mới để xử lý khí thải hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- VŨ THỊ HUYỀN ANH KIỂM NGHIỆM CƠ CHẾ PHẢN ỨNG 2NO(k) → N2 (k)+ O2(k) BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH HÓA HỌC LƯỢNG TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC HÀ NỘI - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- VŨ THỊ HUYỀN ANH KIỂM NGHIỆM CƠ CHẾ PHẢN ỨNG 2NO(k) → N2 (k)+ O2(k) BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH HÓA HỌC LƯỢNG TỬ Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số: 60440119 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. PHẠM VĂN NHIÊU TS. VŨ VIỆT CƯỜNG HÀ NỘI - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Lời cảm ơn ===***=== Em xin gửi tới PGS.TS Phạm Văn Nhiêu và TS Vũ Việt Cƣờng lời cảm ơn với lòng tri ân sâu sắc nhất. Em rất cảm ơn các thầy đã tận tình hƣớng dẫn, dành thời gian, công sức để giúp đỡ, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian nghiên cứu. Để hoàn thành luận văn này, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy, cô trong khoa Hóa học – trƣờng ĐHKHTN – ĐHQGHN với lòng tri ân sâu sắc. Trong suốt quá trình học tập tại trƣờng, các thầy cô đã chỉ bảo cho em cái nhìn tổng quan, một định hƣớng vững chắc trong việc tƣ duy và thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới GS.Keiji Morokuma – Đại học Kyoto và GS. Richard Wang – Đại học Quốc gia Singapore đã cho chúng tôi sử dụng phần mềm Gaussian 09 để phục vụ cho khóa luận tốt nghiệp của mình. Đồng thời, con cũng xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, các anh chị em, bạn bè và ngƣời thân đã động viên và nhiệt tình giúp đỡ con trong quá trình hoàn thành khóa luận của mình. Do còn giới hạn về mặt thời gian cũng nhƣ những kinh nghiệm của bản thân nên luận văn không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Trong quá trình học tập về sau em sẽ cố gắng học hỏi và tìm hiểu thêm để bổ sung những hạn chế trên. Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến trực tiếp của quý thầy cô và bạn bè. Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn với tất cả tấm lòng! Hà Nội, tháng 10 năm 2015 Ngƣời thực hiện Vũ Thị Huyền Anh LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU . Lí do chọn đề tài . Mục đích nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Cơ sở lý thuyết hóa học lƣợng tử . Phƣơng trình Schrodinger . Sự gần đúng Born – Oppenheirmer. Phƣơng pháp biến phân . Thuyết trƣờng tự hợp Hartree – Fock . Phƣơng trình Roothaan .2 Cơ sở của các phƣơng pháp tính gần đúng lƣợng tử . Giới thiệu các phƣơng pháp tính gần đúng lƣợng tử . Tƣơng quan electron . Bộ hàm cơ sở . Phƣơng pháp phiếm hàm mật độ (DFT) .3 Bề mặt thế năng ( Potential Energy Surface: PES) .1 Bề mặt thế năng .2 Điểm yên ngựa và đƣờng phản ứng .3 Tọa độ phản ứng thực ( Intrinsic Reaction Coordinate – IRC) .4 Cơ sở lí thuyết về động hóa học . Tốc độ phản ứng. Cơ chế phản ứng, phân tử số và bậc của phản ứng. Hằng số tốc độ phản ứng . Phƣơng pháp nghiên cứu động học của phản ứng phức tạp . 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Năng lƣợng hoạt hóa. Thuyết phức hoạt động (Còn gọi là trạng thái chuyển tiếp) . 41 CHƢƠNG 2: HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Hệ chất nghiên cứu .2 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Phần mềm tính toán.2 Lựa chọn phần mềm và phƣơng pháp tính toán . 52 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 Lựa chọn bộ hàm và phƣơng pháp tính .2 Kết quả tính toán . Kết quả tính toán lí thuyết . Kết quả tính toán hóa học lƣợng tử . 84 ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY HÓA HỌC TRUNG HỌC PHỔ……….86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt NBO Natural Bond Obital Obitan liên kết thuần khiết NPA Natural Population Analysis Phân tích mật độ thuần khiết DFT Density Functional Theory Thuyết phiếm hàm mật độ Sự gần đúng mật độ địa LDA Local Density Approximation phƣơng Sự gần đúng gradient suy GGA Generalised Gradient Approximation rộng ZPE Zero Point Energy Năng lƣợng điểm không PES Potential Energy Surface Bề mặt thế năng IRC Intrinsic Reaction Coordinate Tọa độ phản ứng thực IS Intermediate State Trạng thái trung gian LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] TS Transition State Trạng thái chuyển tiếp DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: So sánh năng lƣợng E (au) , thời gian t (s) của các phƣơng pháp tính và bộ hàm khác nhau (thực hiện tính toán với phân tử O2) . Năng lƣợng liên kết của phân tử N2O, NO và nguyên tử O.3: Năng lƣợng E (au) các trạng thái của phản ứng:2NO→N2O+ O.4: Năng lƣợng E (kcal/mol) các trạng thái của phản ứng:2NO→N2O+O.5: Năng lƣợng E các trạng thái của phản ứng 2NO → N2O + O . Năng lƣợng liên kết của phân tử N2O, N2 và nguyên tử O .7: Năng lƣợng E (au) các trạng thái của phản ứng N2O→N2+O . Năng lƣợng liên kết của phân tử O2, NO và nguyên tử O, N .9: Năng lƣợng E (au) các trạng thái của phản ứng:NO+O  k2 N+O2 .10: Năng lƣợng E (kcal/mol) các trạng thái của phản ứng: .11: Năng lƣợng E các trạng thái của phản ứng:NO+O  k2 N+O2 . Năng lƣợng liên kết của phân tử O2, NO và nguyên tử O, N.13: Năng lƣợng E các trạng thái của phản ứng:N+NO  k3 N2+O . Năng lƣợng liên kết của phân tử O2 và nguyên tử O .15: Năng lƣợng E các trạng thái của phản ứng: 2O+M↔O2+ M .16: Giá trị các đại lƣợng động học Hcorr, Gcorr, H0, G0, H 298K 0 , G298K 0 của nguyên tử, phân tử trong cơ chế phản ứng . 80 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chu kì phản ứng xúc tác.2: Diễn biến năng lƣợng của hệ phản ứng có và không có xúc tác . Biến thiên thế năng theo đƣờng phản ứng.1: Cấu tạo của N2O .2: Cấu tạo của nito mono oxit NO .3: Cấu tạo của N2 .4: Chu trình nitrogen .5: Cấu tạo của O2 . Phân tử N2O, NO và nguyên tử O sau khi chạy mô phỏng động lực học bằng Gaussian .2: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng 2NO → N2O + O theo góc liên kết ONN = 1800, 1500, 1350, 1200, 900 .3: Hình học tối ƣu của các chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp của phản ứng 2NO → N2O + O.4: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng 2NO → N2O + O.5: Phân tử N2O, N2 và nguyên tử O sau khi chạy mô phỏng động lực học bằng Gaussian .6: Hình học tối ƣu của các chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp của phản ứng N2O → N2 + O .7: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng N2O → N2 + O .8: Phân tử NO, O2 và nguyên tử O, N sau khi chạy mô phỏng động lực học bằng Gaussian .9: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng NO + O  k2 N + O2 theo góc liên kết NOO = 1800, 1500, 1350, 1200, 900.10: Hình học tối ƣu của các chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp của phản ứng NO + O  k2 N + O2 .11: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng NO+O  k2 N+O2 . 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.12: Phân tử NO, N2 và nguyên tử O, N sau khi chạy mô phỏng động lực học bằng Gaussian .13: Hình học tối ƣu của các chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp của phản ứng N + NO  k3 N2 + O .14: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng N+NO  k3 N2+O .15: Phân tử O2 và nguyên tử O sau khi chạy mô phỏng động lực học bằng Gaussian .16: Hình học tối ƣu của các chất trung gian, trạng thái chuyển tiếp của phản ứng 2O + M ↔ O2 + M .17: Đƣờng cong thế năng giả định của phản ứng 2O + M ↔ O2 + M . 78 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài Cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế, hiện nay, khoa học công nghệ đã và đang đạt đƣợc những thành tựu vƣợt bậc đánh dấu những bƣớc phát triển quan trọng trọng sự phát triển chung của toàn nhân loại. Bên cạnh đó, khoa học kĩ thuật phát triển vƣợt bậc cũng kéo theo những hệ lụy về môi trƣờng. Ô nhiễm môi trƣờng đã và đang ảnh hƣởng nghiêm trọng đến đời sống của conngƣời và hệ sinh thái. Trong số những thủ phạm gây ra sự ô nhiễm này phải kể sự có mặt của khí nitoxit (NO) và đinitoxit (N2O). NO gây thiệt hại lớn cho môi trƣờng, không những là một trong những thành phần chính của mƣa axit, mà còn hình thành sƣơng khói quang hóa trong khí quyển, phá hủy tầng ozon. N2O có mặt tự nhiên trong không khí nhƣ một phần chu trình nitơ của trái đất và vô số các nguồn tự nhiên. Tuy nhiên những hoat động của con ngƣời trong sản xuất nông nghiệp, đốt cháy nhiên liệu, quản lý nƣớc thải và các quá trình công nghiệp, giao thông vận tải… đang gia tăng hàm lƣợng N2O trọng khí quyển. Mặc dù là một khí đƣợc sử dụng trong y khoa nhƣ một loài thuốc an thần, tuy nhiên nếu nồng độ khí N2O đi vào cơ thể vƣợt quá 50ppm (theo viện quốc gia về hỗ trợ kinh tế NIOSH) có thể gây đau đầu, giảm khả năng nghe nhìn, tổn thƣơng đến hệ thần kinh. N2O còn đƣợc nhìn thấy là một khí gây hiệu ứng nhà kính. Theo số liệu thống kê từ tổ chức bảo vệ môi trƣờng Mĩ (US Environmental Protection Agency ) 1 pound (450g) N2O làm ảnh hƣởng đến sự nóng lên toàn cầu gấp trên 300 lần so với một pound CO2. Vì vậy vấn đề cấp bách đặt ra cho chúng ta hiện nay là thực hiện công cuộc cƣ dân toàn cầu cùng nhau hành động để bảo vệ môi trƣờng, bảo vệ chính cuộc sống của mỗi chúng ta. Đứng trên lĩnh vực nghiên cứu, để có những biện pháp tích cực và hiệu quả trong công cuộc bảo vệ môi trƣờng thì chúng ta cần hiểu rõ bản chất của các quá trình gây ô nhiễm trên. Chính vì vậy, sự chuyển hóa các hợp chất NOx thành các chất thân thiện với môi trƣờng baogồm N2 đang nhận đƣợc sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu. Trong đó, việc phân hủy các hợp chất của nitơ có thể theo con đƣờng trực tiếp 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.