ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ TRONG VIỆC TÍNH NĂNG LƯỢNG ION HÓA

ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ TRONG VIỆC TÍNH NĂNG LƯỢNG ION HÓA Phần 1. Giới thiệu 1.1. Lịch sử ra đời của lý thuyết phiếm hàm mật độ Trong cơ học lượng tử, khái niệm hàm sóng được thừa nhận như một tiên đề không thể chứng minh được và cũng không thể suy ra từ bất cứ một tiên đề nào khác. Tiên đề này được phát biểu như sau: Trạng thái của một hệ được mô tả một cách đầy đủ bởi một hàm số gọi là hàm sóng hay hàm trạng thái của hệ. Hàm sóng Ψ(x) của một hạt cơ bản (hay một hệ các hạt cơ bản) chứa đựng mọi thông tin cần biết liên quan đến hệ đó (trong không gian một chiều). Năm 1926, Schrodinger đã xây dựng cơ học sóng viết cho hệ nhiều electron: Ĥ Ψ(x) = E Ψ(x) (1.1) Hàm sóng là một hàm phức do đó bản thân nó hoàn toàn không có một ý nghĩa vật lý nào mà |ψ(x)|2dt mới cho biết xác suất hay khả năng tìm thấy hạt tại một thời điểm dt. Hàm |ψ(x)|2 là hàm mật độ xác suất . Mục đích cuối cùng của chúng ta là dùng phương trình sóng ψ(x,t) để mô tả hành vi của electron trong tinh thể.Trong hóa học, đại lượng quan trọng nhất là năng lượng E của một nguyên tử, phân tử hay siêu phân tử (gồm những nhân nguyên tử và electron), và sự thay đổi năng lượng dọc theo tọa độ của phản ứng hóa học. Người làm hóa học cần có các thông tin này để hiểu diễn biến và cơ chế của phản ứng hóa học dựa trên những nguyên lý của nhiệt động lực học và động học, và để có thể kiểm soát hay thay đổi được chúng. Cung cấp thông tin về năng lượng của một hệ phân tử ở mọi trạng thái electron hay thể loại là một mục đích chính của việc áp dụng những nguyên lý CHLT vào hóa học. Vì hàm sóng có N tọa độ spin và 3N tọa độ biến số không gian (x,y,z) như vậy hàm sóng có 4N tọa độ. Hàm sóng có nhiều biến số như vậy sẽ làm cho việc giải phương trình Schrodinger gặp nhiều trở ngại. Đặc biệt đối với phương pháp tính tương quan electron, số lượng electron tạo ra trong quá trình kích thích electron từ các obitan bị chiếm lên các obitan ảo là rất lớn. đó là lí do mà các phương pháp tính tương quan electron thường yêu cầu rất lớn về sức mạnh của máy tính. Mặt khác theo tiên đề của hàm sóng, bản thân hàm sóng không có ý nghĩa vật lí trực tiếp nên hàm sóng không phải là một tính chất có thể “đo được” của vật chất. Trước những khó khăn thực tế của phương pháp hàm sóng, trong thập niên 1990, phương pháp density functional theory (viết tắt là DFT, tạm dịch là lý thuyết phiếm hàm mật độ) đã được phát triển nhanh chóng và áp dụng rộng rãi. Lý thuyết phiếm hàm mật độ là gì? Lịch sử phát triển của lý thuyết phiếm hàm mật độ như thế nào? Vì sao lý thuyết phiếm hàm mật độ lại được sử dụng rộng rãi như vậy? Chúng ta cùng nghiên cứu lịch sử ra đời của lý thuyết phiếm hàm mật độ và ứng dụng của nó.

Năng lượng ion hoá, lực với electron, độ âm điện Năng lượng ion hoá, lực với electron, độ âm điện a) Năng lượng ion hoá (I) Năng lượng ion hoá lượng tối thiểu cần để tách 1e khỏi nguyên tử trạng thái Nguyên tử dễ nhường e (tính kim loại mạnh) I có trị số nhỏ Đơn vị kJ/mol b) Ái lực với electron (E) Ái lực electron lượng giải phóng hay hấp thụ nguyênt tử trung hòa trạng thái khí nhận 1e để trở thành ion âm Nguyên tử có khả thu e mạnh (tính phi kim mạnh) E có trị số lớn c) Độ âm điện (c) Độ âm điện nguyên tử đại lượng đặc trưng cho khả hút electron nguyên tử nguyên tố tạo thành liên kết hóa học Độ âm điện tính từ I E theo công thức: - Nguyên tố có c lớn nguyên tử có khả hút cặp e liên kết mạnh - Độ âm điện c thường dùng để tiên đoán mức độ phân cực liên kết xét hiệu ứng dịch chuyển electron phân tử - Nếu hai nguyên tử có c liên kết tạo thành liên kết cộng hoá trị tuý Nếu độ âm điện khác nhiều (Dc > 1,7) liên kết tạo thành liên kết ion Nếu độ âm điện khác không nhiều (0 < Dc < 1,7) tạo thành liên kết cộng hoá trị có cực Ái lực điện tử Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Trong hóa học, lực điện tử lượng nguyên tử, trung hoà điện tích cô lập (ở thể khí), hấp thụ có điện tử thêm vào tạo thành khí ion có điện tích -1 điện tích nguyên tố Nó có giá trị âm lượng nhả Đa số nguyên tố hoá học có lực điện tử âm Điều nghĩa chúng không cần nhận lượng để bắt điện tử; thay vào đó, chúng nhả lượng Nguyên tử có nhiều khả bắt thêm điện tử có lực điện tử âm.Clo nguyên tố hoá học có lực điện tử mạnh nhất; radon có lực điện tử yếu Mặc dù lực điện tử biến đổi hỗn loạn bảng tuần hoàn, số quy luật phá Nói chung, phi kim có lực điện tử âm kim loại Tuy nhiên, khí ngoại lệ, chúng có lực điện tử dương Nhóm Chu kỳ H -73 Li -60 Na -53 K -48 Rb -47 Cs -45 Fr -44 Be 19 Mg 19 Ca Sc 10 -18 Y Sr -30 Ti -8 Zr -41 Ra Lr Rf Db Sg Bh V -51 Nb -86 Ta Ba Lu Hf -31 Cr -64 Mo -72 W -79 Mn Tc -53 Re -14 10 11 12 Fe Co Ni Cu Zn -16 -64 -112 -118 47 Ru Rh Pd Ag Cd -101 -110 -54 -126 32 Os Ir Pt Au Hg -106 -151 -205 -223 61 Hs Mt Ds Rg 13 B -27 Al -43 Ga -29 In -29 Tl -20 Cn Uut 14 [ẩn] 16 C N O -122 -141 Si P S -134 -72 -200 Ge As Se -116 -78 -195 Sn Sb Te -116 -103 -190 Pb Bi Po -35 -91 -183 Fl Bảng tuần hoàn lực điện tử, theo kJ/mol [1] Mục lục 15 Uup Lv 17 18 F -328 Cl -349 Br -325 I -295 At -270 He 21 Ne 29 Ar 35 Kr 39 Xe 41 Rn 41 Uus Uuo • 1Quy luật • 2Phân tử • 3Xem thêm • 4Tham khảo Quy luật[sửa | sửa mã nguồn] Ái lực điện tử tuân theo quy tắc tám Các nguyên tố nhóm 17 (flo, clo, brôm, iốt, astatin) có xu hướng bắt điện tử tạo anion có điện tích -1 điện tích nguyên tố Các khí nhóm 18 có đủ tám, việc thêm điện tử đòi hỏi lượng lớn, nhiên thực Các nguyên tố nhóm 2, berili nhóm 12 kẽm có lực điện tử với giá trị dương chúng có vỏ s hay vỏ d điền đầy Các nguyên tố nhóm 15 có lực điện tử thấp nitơ chí có lực điện tử với giá trị dương Lý vỏ điện tử điền nửa bền Ái lực điện tử có giá trị tăng lên hàng từ trái qua phải (do bán kính nguyên tử giảm dần, làm gia tăng sức hút từ hạt nhân, số điện tử vỏ tăng dần, khiến nguyên tử cân bền hơn) bảng tuần hoàn giảm từ xuống nhóm (do bán kính nguyên tử số điện tử vỏ tăng lên, điện tử đẩy lẫn nhau, làm giảm mức độ cân nguyên tử) Phân tử[sửa | sửa mã nguồn] Ái lực điện tử không định nghĩa cho nguyên tố hoá học, mà áp dụng cho phân tử Ví dụ, lực điện tử benzen dương, naphtalen gần anthracen dương Thí nghiệm in silico cho thấy lực điện tử hexacyanobenzen mạnh fulleren [2]  ... brôm, iốt, astatin) có xu hướng bắt điện tử tạo anion có điện tích -1 điện tích nguyên tố Các khí nhóm 18 có đủ tám, việc thêm điện tử đòi hỏi lượng lớn, nhiên thực Các nguyên tố nhóm 2, berili... mức độ cân nguyên tử) Phân tử[sửa | sửa mã nguồn] Ái lực điện tử không định nghĩa cho nguyên tố hoá học, mà áp dụng cho phân tử Ví dụ, lực điện tử benzen dương, naphtalen gần anthracen dương Thí