Xây dựng phần mềm dạy học trong hóa học

Đ Ạ I HỌC Q U Ố C G IA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN' XÂY DỤNG PHẨN MỂM d HOÁ HỌC y h ọ c t r o n g M Ã SỐ: Q T - 01 - 37 C h ủ tr ì đ ê tài: TS LÊ K I M LONG ĐA ? c TRUN'r ì ■ D T / Gi/, r '■■■- T!N THƯ ' í ; - Hà nội - 2005 Đ Ạ I H Ọ C Q UỐ C G IA H À NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN XÂY DỤNG PHẨN MỂM d y HOÁ HỌC M Ã SỐ: Q T - 01 - Chủ trì đ ề tài : TS LÊ K IM L O N G Các cán tham gia: TS N g u y ễ n C ả n h H o àn g ThS Vũ H ù n g Sinh CN N s u y ẻ n Thị P hư ơng học B Á O CÁO T Ó M T Ắ T Đ Ể T À I N G H IÊ N c ứ u K H O A HỌ C T én để tài: X ây dự n g ph ần m ềm dạy học H oá học M ã số: Q T - 01 - C hủ trì đề tài: Lé K im Long C án tham gia: TS N g u y ễ n C ả n h H o àng ThS V ũ H ùn g Sinh CN N g u y ễ n Thị Phương M ục tiêu đề tài: - X ây dựng k h u n g chương trình nội d u n s cần thiết tron« phần m ề m d ạy học bậc học - X â y dựng nội d u n g phần m ề m có thê sử d ụng tro n s giảng dạy m ô n H oá học N ội dung nghién cứu cùa đề tài: - L ậ p trình tính tốn pH phương pháp đổ thị - L ậ p trình xây du ng phấn m ề m chu ẩn độ axit - bazư - K hai thác ph ần m ề m H y p e rC h e m d ù n e giảng day m ôn Câu tạo chất - Đ ại c n s K ết đạt được: Sản ph ẩm khoa học: - C h n g trình p h ần m ề m tính pH phương ph áp đổ thị - P h ầ n m ể m c h u ẩ n độ n g ô n n g ữ V isual Basic - H n g dẫn sử d ụ n g phần m ề m H y p erC h em cho giảng dạy Sản phẩm công nghệ/khả ứng dụng thực tiễn: - M ộ t đĩa a phần m ề m H y p e rC h e m hường d ẫn sử dung T ình hình thực kinh phí đề tài: Đ ã sử dụng hết toán N g ày 15 tháng 02 nãm 2005 C hủ trì đé tài K hoa qu ản lí BÁO C Á O ĐỂ TÀI N G H IÊ N c ứ u K H O A H Ọ C M Ỏ Đ Ầ U Sự phát triển nhanh chóng tin học 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 xây dựn vù phổ biến rộng rãi mang đến cho nhà Hoá học khả ứng dụng hữu hiệu, làm cho hóa học lượng tử có sức luit ngày tãng Các phần mềm hóa học lượng tử sử dụng rộng rãi HyperChem, Gamess Mopac, Gassian, Tùy theo mục đích nahiẽn cứu, độ xác yêu cầu, đối tượng nghiên cứu, mà nhà nghiên cứu phái lựa chọn phần mểm thích hợp N Ộ I D UNG C H ÍNH HYPERCHEM phần mềm tính tốn bán kinh nghiệm, sứ dụns có độ xác chấp nhận được, công cụ hữu hiệu ĩ rợ iúp cho nhà hoá học thực nghiệm nghiên cứu đồng thịi Cơn2 cụ trợ giúp cho việc giảnii dav Hoá học cách hiệu Phần mềm HyperChem khả nãng biểu diễn phân tư phong phú sinh động lại dễ sử duns:, cịn thực phép tính tốn Hoá lương từ với kết phù hợp thưc nghiệm HyperChem phổ cặp cho giáo viên học sinh trường truns học phổ thơng cũn ì: sinh viên trường đại học A K hai thác phần m ềm H yperC hem : Trong chương trình Hố học trung học phổ thơng hay chươns trình đại học lí thuvết cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học quv luật cua phan ứn Hố học hữu cơ, hiệu lìng cấu trúc phần trừu tượng nhât Hoc sinh, sinh viên cho vấn đề kể khó nắm bắt khơng có minh hoạ hình ảnh hay bầna số liệu cụ thể Do vậy, đề tài nghiên cứu “ Cim duns cua phần mềm Hyperchem giáng dạy hóa học ” cơng việc đem lại hiệu cao thực tiễn giảng dạy Hoá học Chúng tõi khao sát phán mềm HyperChem đẽ - Xác định tham số lượng tử cho chất nshiên cứu nhu' : dạns hình học, mật độ điện tích, lượng, góc liên kết đỏ dài liên kết - Kiểm chứng lại quy tắc phản ứng gốc phán ứng electrophin - Bước đầu nghiên cứu chế phản ứng thống qua trạng thái chuyển tiếp - Khẳng định lại tĩnh đắn phần mểm Hyperchem khả nãns áp dụng giảng dạy Kết khai thác phần mểm tóm tất vài tình huốno sư phạm giải Hyperchem sau: Sử dụng HyperChem đê biểu diễn phàn giải thích cấu trúc phân từ * Phân tử HịO : Sau vẽ băng Hyperchem tối ưu bans so phương pháp bán kinh nghiệm thu kết sau: Phương pháp AM PM3 ZINDOl R„.h (A") 0.9613 0,951 1,014 Góc HOH(độ) 103.543 107,732 105.5 105 H(D) 1.8605 1,73844 2.42363 1.84 AH(kcal/mol) -59,266 -53,46 -207,85 -68.38 Thưc nghiệm 0.99 ^-ữ ^5 0.179 179 * Phàn tử C 2: chọn phuơng pháp AM1 để tối ưu ta thu đuợc kết qua sau: Phương pháp AM1 Rr=o( A") Góc o c o (đồ) M( D) 1,189 1.162 180 180 0 -79,847 AH(kcal/mol) Ví du 2: Cho hai phân tử NH,và NF, a) So sánh góc liên kết HNH FNF Thưc nphiém -94.13-1 b) Giải thích momen lưỡng cực cùa NH, lớn nhiéu so với NF,7 0.132 I Q n i„ 0132 -0.098 -Ũ.Ũ98 -0.098 Chất NH-, NF- \x ( D » 1,83 0.2 Thực nahiệm 1,46 0.2 Góc liên kết 107,62 102.“ Thưc nsliiêm 107 102 Ví du 4: Cho biếr dạniỉ hình học phán tứ sau gia: thíc h đó: a) IF, SF„ XeF4 b) PCI,, SF4 C1F, c) SiHj, PH, H S Sau vẽ tói ưu ta thu kết qua sau a) XeF4 , SF6, i f , cr Phức [Ni(CN)j f ; Phức [Ni(NHj sư khác Phức [ F e ( C N ) J Phức[ C u(NH4), ]-'t: Biểu diễn phân tử lớn: Đối với phán tứ lớn tinh thể, đường, polipeptit người giáo viên thực gặp khó khãn việc biểu diễn hình ảnh phân tư có khối lượng lớn, nhiểu nguvên tư, phân tử nhỏ liên kết phức tạp Ngoài tinh thế, phân tử khác khó cỏ biểu diễn mơ hình hay vẽ trực tiếp Trong Hyperchem có trình lập sẩn đê xâv dựns phàn tử mà không cần tốn công vẽ lại hay chỉnh sửa Với mỏ hình có sẵn sử dụng cơng cụ quay, việc biểu diẻn hình anh khơng gian phân tử lớn phàn tử trờ nên rõ ràng a Xày dựng tỉnh (hể: Tinh thể phần khó hố đại cương d e a) Tinh thể MgO; c) Tinh NaCl; d) Tinh thể kim cương; e) Tinh thể Cu; f) Tinh thể CuZn b Xây dựng chuỗi polipeptit: Peptit hình thành từ nhiều phân tử a - aminoaxit Peptit thường tồn dạng ion lưỡng cực N H +r R-COO" Ví dụ với peptit Ala-Val-Glv-His sách giáo khoa viết dược côns thức sau: L iên kết peptit NH So sánh với hình ảnh xây dựng Hyperchem: Mơ hình peptir Ala-Val-Gh-His Giáo viên chi rõ cho học sinh thấv liên kết peptit cách đánh dấu vào liên kết (liên kết màu xanh nhạt) Hình ánh khơng đẹp hơn, rõ ràn° mà cịn mơ tả câu trúc khỏns 12iíin peptit khơng gâv cho học sinh hiếu lâm peptit có câu tạo thẳng c Xáy dựng phàn tủ đườìig: C ng thức cấu tạo a - D - glucozo P -D -glu co zo sách g iá o k h o a trình bày sau: 6 HỌCH; HỌ CH f3-D-glucozo a - D - u ju c o z o Công thức cấu tạo chưa mô tả cấu trúc phân tứ đườiií học sinh đễ tưởng vịng piranozo có cấu tạo phẳng Thực tế xá\ dưng bằne Hvperchem sau: 10 M ủ hình a-D- glucozo 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 nhìn thấy rõ mội nhóm - O H hướng xuống mặt phảng vòng la phân a , nhóm -O H hướn lên mặt phẳng vòng tà đồng phân p Viéc phân biệt hai phân hiểu đúna cấu trúc chúng trở nên dễ dàng Kết luận chung: Phần mềm Hvperchem cõng cụ trực quan hữu none giáng dạy hoá học Với nhữnợ minh hoạ động cấu trúc không gian ba chiều cùa phân tử, ion nhỏ phân tử lớn (protein, axit nucleic, ) tạo từ gốc tiêu chuẩn với nhiều dạng biéu diẻn khác nhau, Hyperchem thực tạo hứng thú cho nsười học, qua nans cao chất lượng giảng a) So sánh tính axi t- bazo hợp chất hữu cư: Ị Sử dụng HvperChem đe tính tốn minh họa: Thí dụ ỉ : ảnh hưởng dan xuất halogen đến tính axiì nhữnv ơxit có s ố ca cb o n : CF 3COOH Tính chất CH 2C1 - COOH CF.COOH CH COOH CH 2C1 - COOH CH.COOH Điện tích H 0,262 0,249 AH,ROH)(kcal/mol) -243,72 -101,41 AH(K0.,(kcal/mol) -290,493 -127,447 -119,7 AH(1) (kcal/mol) 306,807 327,543 335,8 So sánh điện tích dương H, AH(RO- AH,|, đểu luận tính axit giàm dần theo thứ tự sau: 11 tJ 0,243 có the rút kết i Dạng hình cầu Balls: Balls and Cylinders: Overlappin Spheres: Dạng cầu-que Dạng cầu chồng lẽn Dots: Dạng chấm Sticks and Dots: Dạng que dạng chấm Để thay đổi hình thức biểu diễn ta làm sau: Vào Display menu/Rendering/ chọn hình thức muốn biếu diễn/OK Đo thuộc tính cấu trúc phán tử 5.1 Xem thuộc tính nguyền tử Cách làm sau: Nhấp trái cht tích vào Atoms bỏ tích Multiple Selections Select menu Nhấp trái chuột vào công cụ lưa chọn cổng cu Nhấp trái chuột vào nguyên tử muốn biết đặc tính Nguyên tử lựa chọn sáng đặc tính phản tứ trạng bẽn 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 học phân tử tại, toạ độ theo phương X V z Đo độ dài liên kết Ta hồn tồn xác định độ dài liên kết trone phân từ Giá trị độ dài trinh bày dòng trạng bên Cách đo sau Nhấp trái chuột vào công cụ lựa chọn công cu Nhấp trái chuôt vào nguyên từ thứ muốn đo kéo đến nguyên tử thứ hai nhả chuột Liên kết hai nguyên tử sáng hơn, độ dài đo đưọc biếu diẻn dòng trạng C h ú Ý: Ta cũ ns biết giá trị độ dài liên kết bans cách nhấp trái chuột vào Constrain bon length Build menu để hộp thoai giá trị độ dài liên kết 18 5» g j ««» irrr* G2Đ ÉHlJUS»j6L25EJ ' ’N I c r c Đo góc lién kết Để đo góc liên kết ta nhấp trái chuột vào nguvên từ thứ rê đến nguyên tử thứ ba (theo thứ tự lập thành góc) Cách đo góc liên kết Nhấp trái chuột vào cơng cụ lựa chọn trẽn cịng cụ Nhấp trái chuột vào nguyên tử thứ rê đến nguyên tư thứba (theo thứ tự tạo nên góc) nhả chuột .* N ' Xáy dựng tinh the phân tử lớn: Xảy dựng tinh thê: Cytal Builder Hyperchem cho phép dễ dàng tạo tinh the dựa trẽn kiểu tinh bản: lập phương (cubic), tứ diên (tetragonal I trực thoi (orthorhombic) hình mật thoi (rhombohedralxó mặt hình t h o i) sáu canh, đơn tà (monoclinic) tam tà (triclinic) Trong Cỵstal Builder có cấu trúc mẫu (Samples) như: NaCl, CsCl CaF2, PbS, MgO ZnS, 19 Để tạo tinh thể Samples ta làm sau: - Vào Databases menu/Cystal Hộp thoại Cystal Builder sau: Đ ia ũ sa sL B E L si ZJmc c ỉ mbit*** Q rthaaiM bĩo r BhoMắri s«»« * Alt r rifUWc C.Hf riĩ ctềr f ĩ" | ■fĩ I ■[ĩ Ị ẼE cH (T - Vào Sampels /Chọn tinh thể muốn tạo/OK - Nhập số tế bào muốn tạo vào Number of unit cells - Nhấp chọn: HvperChem/Put đẻ chu vén cấu trúc tạo vào HyperChem Tinh thê xuất làm việc Hvperchem Đónu hộp thoại Cystal Builder để quan sát tinh thể (hoặc thu nhỏ lại mn nẻp tuc làm việc) Ta làm việc với tinh thể phân tử bình thườnu khác như: Save, tính tốn, hiệu chinh ổ Xây dựng aminoaxit, protit - Để mở hộp thoai cách làm sau: + Nhấp trái chuột vào Amino Aacids trone Database menu + Muốn quan sát nmino acids nhấp trái chuột vào tên hộp thoại + Nhấp trái chuột vào amino acids mà ta muốn thêm vào chuỗi - Muốn tạo ion lưỡng cực: + Chọn none phấn Atoms hộp thoại labels để dễ nhìn + Nhấp trái chuột chọn Make Zwitterion Database menu Hyperchem thèm vào oxi thiếu trẽn nguyên tử c vu them proton thiếu vào nguvén từ N 20 + M uốn bỏ ion lưỡng cực nhấp vào Remore ionic ends - Thay monome hợp phần amino acids khác + Nhấp trái chuột vào label Display menu + Nhấp trái chuột tích chọn Name + seq labels Nhâp Ok + Nhấp trái chuột tích chọn Residues selectmenu + Loại bỏ tất cá lưa chọn có trước + Nhấp trái chuột vào hợp phần muốn thay thế, hợp phẩn sáng + Nhấp trái chuột chọn M utate Database menu + hộp thoại Mutate, kéo cuộn chọn amino acids muốn thay Xây dựng phán tù đường: - Trình xảy dựne dưịns (Sugar Builder) cho phép ta xâ\ dung cấu trúc polysacarit - Ví dụ: Muốn tạo poly(l-4)-a-D-glucose; + Nhấp trái chuột Sacharrides Database menu + Dùng lệnh Add/Aldoses đẻ mờ hộp thoại Aldoses + Chọn D đế chọn đồng phàn D anotne a + Chọn Glucose đè tạo hợp phần Glucose Hyperchem sau xem lại phân tử vẽ ỏ góc độ khác + Chọn kiểu kết nối 1- + Đặt = 48.05 Vị/ = - 20 + Nhấp trái chuột iập lặp lại vào Glucose nhận chuỗi mong muốn xem chuỗi phân tử đường hinh Với phần mềm HvperChem có thê giảng cách trực quan sinh động cấu trúc khuôn khổ quv định chương trinh Hố THPT hay Đại học B Các chương trình tính pH vẽ đường chuấn độ: Sử dụng phương pháp lập trình ngơn ngữ Visual Basic Pascal đế tính pH vẽ đồ thị đường chuẩn độ axit - ba zơ, đa axit, đa bazư Khi chạy chương trinh quan sát biến đổi giá trị pH theo thể tích thuốc thử cho vào Trong thực tế có nhiều phần mềm nước nsoài ilụiv việc tương tự Tuy việc đát toán cần thiết cho việc láp dượt láp 21 trình hiểu thuật tốn phần mềm có Sau chương trình mẫu: Program Daaxit; const kw=le-14; var i ,n,s i t :i n t e ger ; c , m s , t o n g :double; h,ph,li,f, ht, ep s,p ht :extended; ka,pKa: a r r a y [1 5] of extended; h a , aha,h s h d :a r r a y [0 5] of extended; f t : text; f u n c t i o n rr.uio ( X : e x t e n d e d ) : e x t e n d e d ; begin mu 10 :=exp (- X* Ir (10) ) ; end; function r u ( a , b :extended) :extended; begin m u := e x p( b* in I a I , ; end ; procedure nhap; begin write I Che biet bac cua axit: Lzelr.; Writef1 n= ) ; read In ) ;wntelr ; Write ( Nhao nong cua axit: ' ; -/ritein; w r i t e (' c= ') ; read (c ; ;wr ite r.; write;' Nhao vao cac hang so phan ly cua da a x i t : 1) ;writelr ; for i :=1 to n CO begin write ( ' p K a ', i , ' := ');r e a c ;k a [i ]); ka [i ] :=exp (-ka [i ] * n (1 1; ) ; end; end; procedure tinhtcr.c; begin t o n g :=0; for i :=n dcv.T.ic begin tong:=tcr;c xha[i] * (n-i: ; end ; end; 11 procedure anpha; begin if n=: the.-, begir aha [c ] := k a [1]/(h + k a [1]); a h a [1!:= h / ( h + k a [1]); end; if n=2 the" begir “ := ! " h +h * k a [ ] + ka [ ] * k a [ ] ; a h a [ C ; := k a :1]*k a [2]/ m s ; aha [1; :=h* k a [1]/ms; a h a [ 2\ := h * h / m s ; end; if r.= ther begin ms :=h*h*h-h*h* >=: ;1; +h*ka [1] *ka [2 j+ k3 [1 ] * ka ' -:a ;3 j ; a h a [ C ; :=ka :1 ] * k a [ 2] * k a [ ] /ms; aha [1 ; := h * k a [1]* k a [2]/m s; aha [2 ‘ :=h + h *k a [1]/ ms ; a h a [3 ; := h * h * h / m s ; end ; if n = ther begir m s := h * h * h Tn + h*h Th* k a [1]+h*h* k a [1]* k a [2]+h* k a [1 Ị* k a [2 ] * ka [3 ] + ka ;1 ]* ka ;2 ] ’ kà [3 ] * ka [4 ] ; aha [c ; := :