Xây dựng phần mềm dạy học trong hóa học

người giáo viên thực sự gặp khó khãn trong việc biểu diễn hình ảnh do các phân tư trên có khối lượng rất lớn, nhiểu nguvên tư, phân tử nhỏ và liên kết phức tạp.. * Xét vé mặt điện tích:

D T / 3 6 4

CN N s u y ẻ n Thị P h ư ơ n g

5 N ội dung nghién cứu cùa đề tài:

- L ậ p trình tính toán pH b ằng phư ơng p háp đổ thị

K hoa q u ản lí

N g à y 15 th á n g 02 n ãm 2005

C h ủ trì đé tài

4

BÁ O C Á O Đ Ể TÀ I N G H IÊ N c ứ u K H O A H Ọ C

1 M Ỏ Đ Ầ U

Sự phát triển nhanh chóng của tin học đã làm cho Hoá lượng từ trờ nên

“thân thiện” hơn, dể sử dụng đến mức trở thành phổ biến Nhiều phần mểm Hoá lượng tử được xây dựn2 vù phổ biến rộng rãi mang đến cho các nhà Hoá học khả năng ứng dụng hữu hiệu, làm cho hóa học lượng tử có sức luit ngày càng tãng Các phần mềm hóa học lượng tử đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là HyperChem, Gamess Mopac, Gassian, Tùy theo mục đích nahiẽn cứu, độ chính xác yêu cầu, đối tượng nghiên cứu, mà các nhà nghiên cứu phái lựa chọn phần mểm thích hợp

2 N Ộ I D U N G C H ÍN H

HYPERCHEM là một phần mềm tính toán bán kinh nghiệm, do sứ d ụ n s và

có độ chính xác có thể chấp nhận được, là một công cụ hữu hiệu ĩ rợ 2iúp cho

các nhà hoá học thực n g h iệm trong n g hiên cứu của mình đồng thòi là một Côn2

cụ trợ giúp cho việc giảnii dav Hoá học một cách hiệu quá

Phần mềm HyperChem ngoài khả nãng biểu diễn phân tư phong phú sinh động và lại dễ sử duns:, còn có thể thực hiện các phép tính toán Hoá lương

từ với kết quá khá phù hợp thưc nghiệm HyperChem có thể được phổ cặp cho các giáo viên và học sinh của các trường truns học phổ thông cũn ì: như sinh viên các trường đại học

A K h ai thác phần m ềm H yperC hem :

Trong chương trình Hoá học trung học phổ thông hay chươns trình đại học lí thuvết về cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học các quv luật cua phan ứn2 Hoá học hữu cơ, các hiệu lìng cấu trúc là những phần trừu tượng nhât Hoc sinh, sinh viên đều cho rằng các vấn đề kể trên khá khó nắm bắt vì không có minh hoạ hình ảnh hay bầna số liệu cụ thể Do vậy, đề tài nghiên cứu “ Cim duns cua phần mềm Hyperchem trong giáng dạy hóa học ” là một công việc có thể đem lại hiệu quả cao trong thực tiễn giảng dạy Hoá học Chúng tõi đã khao sát phán mềm HyperChem đẽ

- Xác định các tham số lượng tử cho các chất nshiên cứu nhu' : dạn s hình

- Kiểm chứng lại các quy tắc trong phản ứng thế gốc và phán ứng thế electrophin.

- Bước đầu nghiên cứu cơ chế phản ứng thống qua trạng thái chuyển tiếp

- Khẳng định lại tĩnh đúng đắn của phần mểm Hyperchem và khả nãns áp dụng trong giảng dạy

Kết quả khai thác phần mểm này được tóm tất bằng một vài tình huốno sư phạm đã được giải quyết bằng Hyperchem như sau:

1 Sử dụng HyperChem đê biểu diễn phàn ử và giải thích cấu trúc phân từ

* Phân tử HịO : Sau khi vẽ băng Hyperchem và tối ưu bans một so phương phápbán kinh nghiệm thu được kết quá như sau:

* Phàn tử C 0 2: chọn phuơng pháp AM1 để tối ưu ta thu đuợc kết qua sau:

b) Giải thích tại sao momen lưỡng cực cùa NH, lớn hcm nhiéu so với NF,7

Phức[ C u (NH4), ]-'t : Phức [ F e ( C N ) J 4

Biểu diễn các phân tử lớn:

Đối với các phán tứ lớn như tinh thể, đường, polipeptit người giáo viên thực sự gặp khó khãn trong việc biểu diễn hình ảnh do các phân tư trên có khối lượng rất lớn, nhiểu nguvên tư, phân tử nhỏ và liên kết phức tạp Ngoài tinh thế, các phân tử khác rất khó cỏ thế biểu diễn bằng mô hình hay vẽ trực tiếp Trong Hyperchem có những trình đã được lập sẩn đê xâv dựns các phàn tử trên mà không cần tốn công vẽ lại hay chỉnh sửa Với mỏ hình có sẵn và sử dụng công

cụ quay, việc biểu diẻn hình anh không gian các phân tử lớn và phàn tử trờ nên

b Xây dựng chuỗi polipeptit:

Peptit được hình thành từ nhiều phân tử a - aminoaxit Peptit thường tồn tại dưới dạng ion lưỡng cực N H +r R-COO" Ví dụ với peptit Ala-V al-G lv-H is trong sách giáo khoa chỉ viết dược côns thức như sau:

9

L iê n kết peptit

N H

So sánh với hình ảnh được xây dựng bằng Hyperchem:

Mô hình peptir Ala-Val-Gh-His

Giáo viên có thế chi rõ cho học sinh thấv các liên kết peptit bằng cách đánh dấu vào các liên kết này (liên kết màu xanh nhạt) Hình ánh không những đẹp hơn, rõ ràn° hơn mà còn mô tả đúng câu trúc khỏns 12iíin của peptit không gâv cho học sinh hiếu lâm rằng peptit có câu tạo thẳng

c Xáy dựng phàn tủ đườìig:

C ô n g thức c ấu tạo c ủ a a - D - glu c o zo và P -D -g lu c o z o trong sách

g iá o k h o a trình bày nh ư sau:

Công thức cấu tạo trên chưa mô tả đúng cấu trúc các phân tứ đườiií vì học sinh

đễ tưởng rằng vòng piranozo có cấu tạo phẳng Thực tế khi xá\ dưng bằne

H vperchem như sau:

6

H Ọ C H

a - D - u j u c o z o f3-D-glucozo

M ủ hình a-D- glucozo và J3-D-g!uco:o

Giáo viên có thê chi cho học sinh thấy hai nhóm - O H semi bằna cách đánh dấu (nguvên tử ôxi màu vàng, nguyên tử hiđro màu tím) Hoc sinh sẽ nhìn thấy rõ mội nhóm - O H hướng xuống dưới mặt phảng vòng la đổng phân

a , một nhóm - O H hư ớn2 lên mặt phẳng vòng tà đồng phân p Viéc phân biệt hai đổng phân và hiểu đúna cấu trúc của chúng trở nên dễ dàng hơn

Kết luận chung:

Phần mềm Hvperchem là một cõng cụ trực quan hữu hiện n one giáng dạy hoá học Với nhữnợ minh hoạ động cấu trúc không gian ba chiều cùa các phân tử, ion nhỏ và các phân tử lớn (protein, axit nucleic, ) tạo từ các gốc tiêu chuẩn với nhiều dạng biéu diẻn khác nhau, Hyperchem sẽ thực sự tạo hứng thú cho nsười học, qua đó n ans cao chất lượng bài giảng

2 Sử dụng HvperChem đe tính toán minh họa:

a) So sánh tính axi t- bazo của các hợp chất hữu cư:

Thí dụ ỉ : ảnh hưởng của dan xuất halogen đến tính axiì của nhữnv ơxit có cùng

CF,COOH > CH2C1 - CO O H > CH ,C O O H

- Có thể giải thích do hiệu ứng -I của F và C1 đã làm cho Ilẽn kết O - H trong C F3COOH và CH-C1 - COOH phân cực mạnh hơn so với liên kết O - H trong CH,COOH Do vặv tính axit cùa CF-jCOOH và CH2C l-C O O H mạnh hơn

CH3COOH Mặt khác ba nsuyên tử F sẽ có tổng hiêu ÚT12 -I lớn hơn một nguyên tử Cl.vì vậy tính axit cùa CF,COOH mạnh hơn CH ;C l-C O O H K ết quá chúng ta có sự sắp xếp như trên

- Kết qủa tính toán hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm

b) Phàn ứng thế electrơphin vào nhãn thơm: (SE)

-0.359

0.191 -0.05 -0.169

N(CH3)2

- o - i e v ^ N - i -0.184

- 0 ' Ũ 5 S ^ ^ - 0 ’058 -0.16

N ( C H 3)3

-0 021

c f3-0 -0 4 5 f< ^ O ì -0'043

* Xét vé mặt điện tích: Theo cơ chế phản ứng electrophin ờ nhân thơm thì giai đoạn một - giai đoạn 'ân công của tiểu phân tích điện dưưns (tác nhãn electronphin) vào một trong các nguyên tử cacbon còn lại của nhàn thơm tạo thành phức ơ - là giai đcMn quvết định tốc độ phản ứng Do dó, đièii tích là một trong những yếu tố quyết định sự định hướng của nhóm thế mới vào nhân thơm Bằng cách so sánh giá trị mặt độ điện tích trên các vị trí o, m p trong nhân benzen ta thấy:

+Các chất với các nhóm thế là:-CH3, -C2H 5, -OH, -OCH , -O', -NH- - N(CH j ; đều có điện tích trên nguyên tử cacbon ở vị trí 0 và p âm hơn vị trí m

Có thể giải thích như sau:

Các nhóm -CH *C:H có hiệu ứng cảm ứng dương +1 và hicu ứng siêu liên hợp +H, cá hai hiệu ứng này đều là hiệu ứng đẩy electron làm tàng mặt độ electron trong vòng thơm đặc biệt là các vị trí octo và para. Do đó các nhóm - CH,, -C2H 5 là nhóm hoat hoá nhân thơm và định hướnơ nhóm thê thứ hai un tiên vào vị trí octu và purj.

Thực nshiệm cho biết ti lệ sản phẩm đổng phàn của phán ứna nitro hoá toluen như sau: vị trí ortho la 56 - 63%, vị trí meta là 2- 4%, vị tri para là 34 - 41% Nghĩa là sản phẩm thế ưu tiên vị trí octo và para.

Kết qua tính cho thấ; mật độ điên tích trẽn các nguyên tứ cacbon ớ \ị trí octo (C; Q ) và para (C4) cùa toluen là âm nhất Do đó, đày phai là các vị trí

ưu tiên ch o sự tấn cô n g cùa tác nhân electrophin.

N hư vậy, kết quả tính toán hoàn toàn phù hơp với thực nghiệm và ỉíthuyết

* Với m ột sô hệ thơm khác:

- Naphtalen và các dẫn xuất:

- 0 0 9 1 ;no

1 Khi trons nhân thơm có một nhóm thế:

+ Loại I: Nhóm thế vào sau sẽ ưu tiên vào vị trí 01 tho vu para cùa nhóm thế đính san

+ Loại II: nhóm thế vào sau sẽ ưu tiên vào vị trí meta cùa nhóm thẽ đính sẩn.

2 Khi trong nhân thơm có sẵn hai nhóm thế:

- Hai nhóm loại 1: Nhóm thế có hiệu ứng đẩy electron manh hơn sẽ quyết định hướng của nhóm thế thứ ba

+ Hai nhóm th ế loại II: Nhóm thế thứ ba sẽ ưu tiên vào vị trí meta cùa nhóm thế có hiệu ứns hút electron mạnh hơn

+ Hai nhóm thế khác loại: Nhóm có hiệu ứng đẩv electron sẽ quyết định hướng của nhóm thế vào sau (Nhóm thế thứ ba sẽ ưu tiên vào vị trí ortho và para cùa nhóm thế loại I)

Kết luận:

Khảo sát sự định hướng của các nhóm thẻ sẩn có trong nhân thơm đến

sự định hướns cùa nhóm thế vào sau dựa trẽn số liêu tính lượng tư gan đúng cho phép chúng tói rút ra một số kết luận sau:

] Đã xác định được các 2Ìá trị mât dộ điện tích trên các nguvòn tư cacbon trong nhãn thơm và giá trị năng lượng của các tiểu phân trons hai phản

úm 2 thế

2 Xét ảnh hưởng của các nhóm thế sẵn có trong nhàn thơm đến sự định hướng của nhóm thế mới qua sự phân bố điện tích của các nguyên tử cacbon trong nhân thơm và kết quả về năng lượng của hê khao sát Có thể áp dụng các phươna pháp lượng từ gần đúng đế kháo sút hướna ưu

tiên của nhóm thế mới trong phản ứng thế electrophin của nhãn thơm đã

có sẵn một hay nhiểu nhóm thế và các nhóm thế chưa biết rõ hiệu ứng

3 Từ kết quả tính lượng tử có thể tiên đoán được hiệu ứng của một nhóm

th ế trons nhãn thơm hoặc có thể so sánh mức độ ảnh hườn2 của các nhóm thế khác nhau

Trên thực tế, chi có một vài phản ứng đã có kết quả thực n d u ệ m nhưng còn nhiều trường hợp thì lại chưa Một trong nhữns vấn để khó hay gảp đó là trong một nhóm thế có thể có các hiệu ứng tác động nsược chiều nhau, hoặc có hiệu ứng không ổn định, hoặc trong trường hợp trong nhân thơm có nhiều hơn một nhóm thế thì khône thế dẻ dàng có thể tiên đoán được ảnh hườn2 tổng quát của các nhóm thế đó lên nhân thơm Bans việc tính các tham số Iưnn2 t ử , Yiêc xác định sản phẩm chính trở nên dễ dàns

15

Từ nhũng kết qua tính toán hoá học lượng tử có thể khẳng đinh lí thuyết

về phản ứng hoá học, cho phép giải quyết các bài toán khó, đưa ra con số cụ thể

để làm sáng tỏ hơn về mặt lí thuyết giúp học sinh tiếp nhận vấn đề trực quan và

có cơ sở hơn tránh mơ hồ phái công nhận khi hoc Sau khi tính toán, kết hơp với lí thuyết đê giải thích các kết quả tính và nsươc lai chúng tòi tin rằng các

em sẽ nắm chắc kiến thức hơn đồng thời tiếp thu kiến thức một cách khoa học

3 C á c thao tác trên H yp erC hem

5 Tạo liên kết đôi, ba bằng cách nhấp trái chuột vào chính liên kết

đó M uốn sửa trở lại thàiứi liên kết đơn ta chỉ việc lần lượt nhấp phai chuột vào giữa liên kết đòi, ba đã tạo ra

3 3 Chọn nguyért tử và ỉoại bỏ lựa chọn

3 4 Tạo những phán tủ nho trong không gian hai chiêu (2D) va ba chiêu

(3D).

3 4 1 V ẽ phán tử trén không gian hai chiếu:

3 4 2 Lưu hình đã vẽ vào trong một File

Trước khi thực hiện sửa đổi bức vẽ, có thế lun bức vẽ lại Cách lưu như

1 Nhấp trái chuột vào Save (lưu) trong File menu

HyperChem sẽ hiện lẽn hộp thoại có dạng như sau:

2 Đánh tên file muốn đãt vào mục File name

3 Đặt kiêu đuôi HIN đế lưu dạng ảnh trong phần Save as lỵpe

4 Nhấp trái chuôt vào nút Save để lưu file

Lúc này hộp thoại lưu tự độns thoát và ta đã có được hình ảnh phân tử hiện tại

đã lưu

5 Những thao tác lúc sau trèn phàn tử đã vẽ muốn lưii chi việc nhấpchuột vào Save Nếu muốn lưu vào tên file khác thì nhấp chuội vào Save astrong File menu

3 4. 3 Tôi Itu hình học phán tử và lưu kết quả tính toán

3 4 4 Chỉnh sửa các nguyên tử

3 4 5 Thèm nhanh hydro cỏn thiếu

3 4 6 Các kiểu biểu diễn phân tử:

Trong Hyperchem cho phép biểu diễn phân tử dưới các hình thức sau:

2 Balls: Dạng hình cầu

3 Balls and Cylinders: Dạng cầu-que

4 Overlappin Spheres: Dạng cầu chồng lẽn nhau

Dạng que và dạng chấm

6 Sticks and Dots:

Để thay đổi các hình thức biểu diễn ta làm như sau:

Vào Display menu/Rendering/ chọn hình thức muốn biếudiễn/OK

3 5 Đo thuộc tính cấu trúc phán tử

3 5.1 Xem thuộc tính của nguyền tử

Cách làm như sau:

1 Nhấp trái chuôt tích vào Atoms và bỏ tích ở Multiple Selections trong Select menu

2 Nhấp trái chuột vào công cụ lưa chọn trên thanh cổng cu

3 Nhấp trái chuột vào nguyên tử muốn biết đặc tính

Nguyên tử được lựa chọn sẽ sáng hơn và đặc tính của phản tứ hiện ra ớ thanh hiện trạng bẽn dưới

Dòng hiên tran ti cho ta biết số nguyên tứ tẽn ngu vén tư điện tích

n g u y ê n tử theo trường c ơ h ọ c phân tử hiện tại, toạ độ theo cá c phương X V và z.

3 5 2 Đo độ dài liên kết

Ta hoàn toàn có thể xác định được độ dài các liên kết trone phân từ Giá trị độ dài này trinh bày trong dòng hiện trạng bên dưới

Cách đo như sau

1 Nhấp trái chuột vào công cụ lựa chọn trên thanh công cu

2 Nhấp trái chuôt vào nguyên từ thứ nhất muốn đo kéo đến nguyên tử thứ hai rồi nhả chuột ra

Liên kết giữa hai nguyên tử sẽ sáng hơn, độ dài đo đưọc biếu diẻn ớ dòng hiện trạng

C h ú Ý: Ta c ũ n s có thể biết được giá trị độ dài liên kết bans cách nhấp trái chuột vào Constrain bon length trong Build menu để hộp thoai giá trị độ dài