Phân tử Hydrogen cyanide HCN tồn tại trong khí quyển và là một trong những đối tượng nghiên cứu rộng rãi, có cấu trúc phân tử khá đơn giản (cấu trúc thẳng). Trong các đám mậy lạnh và đậm đặc người ta còn nhận thấy sự có mặt đồng phân HNC. Chính những yếu tố trên phân tử HCN phù hợp chọn để khảo sát quá trình đồng phân hóa từ HCN đến HNC cùng các tác nhân của nó.
Tổng quan Hydrogen cyanide
Công thức phân tử HCN Phân tử gam 27.03 g/mol
Biểu hiện Khí hoặc chất lỏng không màu hoặc màu xanh nhạt. Là chất lỏng dễ bay hơi
Điểm nóng chảy 25.6°C
Điểm sôi -13.4°C
Bảng 2.2.1 Tổng quan về HCN Hình 2.2.1
Phân tử HCN và đồng phân HNC
Hydrogen cyanide (hydro xyanua_ công thức phân tử là HCN) khi tan vào nước tạo thành axit xyanua, không màu hoặc có màu xanh nhạt, có mùi khó chịu, dễ
độc, hàm lượng cho phép trong không khí 0.0003 mg/l. HCN tan được trong nước và trong ête theo bất cứ tỉ lệ nào, là axit rất yếu
HCN được dùng trong nhiều quá trình tổng hợp khác nhau bao gồm trong sản xuất nylon, các chất tạo phức, hóa dược, trong các ngành hóa học chuyên môn… Các hoạt động sản xuất thải ra HCN như ngành mạđiện, khai thác kim loại, luyện kim, và các quá trình làm sạch kim loại, sản xuất thuốc trừ sâu và chất diệt nấm mốc. Khi đốt cháy hợp chất polyme chứa Nitơ cũng có thể sản sinh ra HCN. Bên cạnh đó, khí thải xe cộ, khói thuốc lá cũng có chứa HCN.
HCN là thành phần nhỏ trong khí quyển và khi có sự tăng nhiệt cao nhiệt độ
thì một phần chuyển thành đồng phân HNC. Quá trình chuyển đổi đồng phân này phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong điều kiện nhiệt độ 2000-3000K thì một tỉ lệ không nhỏ là đồng phân HNC.
II.3 SÓNG HÀI PHÁT RA DO TƯƠNG TÁC
LASER-HCN
Hình 2.3.1 Sơđồ tương tác
LASER 800nm, 2.1014 W/cm2, 30 fs Trong đó k
là vectơ phân cực LASER, là góc định phương _ góc giữa trục phân tử và véc tơ phân cực ck ủa LASER.
Thiết lập mô hình tương tác trên máy tính
Ta đã biết như giả thiết thứ hai của Keldysh, LASER tương tác chủ yếu với electron ở lớp ngoài cùng (tức HOMO). Vì vậy, thay vì thiết lập quá trình tương tác giữa LASER với phân tử HCN, ta chỉ thiết lập những tính toán đối với HOMOcủa phân tử HCN. Để thu được sóng hài do HCN tương tác với LASER. Ta thực hiện theo các bước sau:
Sử dụng chương trình GAUSSIAN, tính toán các thông tin của phân tử HCN như khoảng cách giữa các nguyên tử, điện tích, các MOvà đặc biệt là HOMO… Tất cả các thông tin này sẽ chứa trong file *.out. Bên cạnh đó, GAUSSIAN còn giúp ta có được các số liệu về cấu trúc năng lượng của phân tử dùng để xác định mặt phẳng thế năng của phân tử.
Bên cạnh đó, tác giả còn dùng chương trình GAUSSVIEW để mô tả hình ảnh HOMO của phân tử HCN và HNC, và trạng thái chuyển tiếp. Bằng cách thiết lập cấu trúc giảđịnh của phân tử. Sau đó, chạy tính toán trong GAUSSIAN để tìm cấu trúc hợp lý của phân tử. Bằng cách cung cấp một cấu trúc ban đầu bất kỳ, chọn hệ
hàm sóng cơ sở, chức năng optimization của Gaussian sẽ cho ta vị trí của tất cả các nguyên tử trong phân tử khi hệ đạt được trạng thái cân bằng (trạng thái có năng lượng nhỏ nhất). Với phân tử HCN, tác giả sử dụng hệ hàm cơ sở 6-31+G(d,p) cho cả hai đồng phân và trạng thái chuyển tiếp.
HCN Trạng thái chuyển tiếp HN Hình 2.3.2: HOMO của phân tử HCN-Trạng thái chuyển tiếp-HNC
Đồng thời ta tìm được thông tin cấu trúc của HCN và HNC. Những thông tin về khoảng cách phân tửđã được tìm hiểu từ các công trình của Nguyễn Đăng Khoa, Nguyễn Đông Hải. Ởđây vì không phục vụ cho mục đích luận văn, tác giả không trình bày lại việc khảo sát thông tin khoảng cách giữa các nguyên tử của phân tử
HCN và HNC, mà tham khảo để khảo sát các bước tiếp theo.
Sự nhạy của HHG với khoảng cách liên kết nguyên tử trong phân tử HCN
Khi lần lượt tăng các khoảng cách và đo sóng hài phát ra. Hình 2.3.3 dưới đây cho kết quả của sóng hài trong các trường hợp thay đổi khoảng cách C-H
Theo đó thấy rõ rằng, sự thay đổi khoảng cách C-H trong phân tử HCN không làm ảnh hưởng đến cường độ sóng hài phát ra.
Ngược lại, sóng hài sẽ thay đổi đáng kể khi khoảng cách C-N thay đổi như
Hình 2.3.4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.3.4: Cường độ HHG theo bậc khi thay đổi khoảng cách C-N
Kết luận rằng HHG nhạy với khoảng cách C-N. Vì vậy, khi sử dụng sóng hài
để tách thông tin từ phân tử, ta chỉ có thể thu được khoảng cách C-N.
Làm tương tự cho đồng phân HNC ta có cùng kết quả, HHG chỉ nhạy với sự
thay đổi khoảng cách liên kết N C và hoàn toàn không nhạy với mối liên kết có Hyđrô (H N trong phân tử HNC và H C trong trường hợp đồng phân HCN).
Điều này ta có thể thấy khi xem HOMO của HNC với sự thay đổi của mối liên kết có Hyđrô. Khảo sát tương tự cho phân từ C2H2 và C2H4 ta thấy mối liên kết có chứa H khi thay đổi quanh vị trí cân bằng hoàn toàn không ảnh hưởng đến phổ HHG phát ra.
Những thông tin này được dùng làm file input chạy chương trình FORTRANđể đo HHG phát ra khi tương tác.
Đo HHG
Đầu tiên, ta trích xuất thông tin AO, MO thu được từ file out của GAUSSIAN, cho vào get_wf_xie-modifyO2.f , đây là một source code được thiết lật trên lập trình FORTRAN dùng để thu được các thông tin về basis set, các MOvà
đặc biệt là HOMO.
Cuối cùng ta sử dụng LewMol_2.2.f, đây cũng là một source code viết bằng FORTRAN sử dụng mô hình Leweinstein để tính toán HHG phát ra do phân tử, nguyên tử tương tác với LASER cường độ mạnh. Sau đó, ta lấy trung bình kết quả
HHG bằng source code hhg-average-newH.f viết trong chương trình FORTRAN. Các Source Code này được viết bởi nhóm nghiên cứu ĐH Kansas Hoa kỳ và nhóm
ĐH Sư Phạm TP HCM.
Khi đã thực hiện thành công ta sẽ tìm được đo được HHG phát ra do tương tác giữa LASER 800nm, 2.1014 W/cm2, 30 fs với phân tử HCN, HNC.
Ở đây, tác giả chỉ đưa kết quả HHG thu được trong trường hợp khi phân tử
HCN được định phương trong không gian sao cho góc giữa trục phân tử và véc tơ
phân cực ck ủa LASER là 90 độ.
Trong phạm vi luận văn này, tác giả mô tả các bước tiến hành thu kết quả
chứng tỏ HHG chứa thông tin cấu trúc của phân tử đồng thời lấy số liệu vẽ mặt phẳng thế năng của phân tử. Chính vì vậy, tác giả không đi sâu vào giới thiệu các phần mềm ứng dụng và cơ sở lý thuyết của các chương trình đó. Phần hướng dẫn chạy chương trình sẽđược giới thiệu trong phần phụ lục, giúp người xem có thể tìm hiểu thêm.
Khảo sát cường độ sóng hài theo các góc định phương thay đổi từ 00đến 1800. Ta được đồ thị biểu diễn.
Có sự khác nhau về hình dạng đường biểu diễn HHG phát ra đối với phân tử
HCN và HNC trong cả trường hợp theo phương song song và theo phương vuông góc. Ta có thể kết luận rằng sử dụng dấu hiệu sự phân bố cường độ sóng hài HHG theo góc định phương cũng có thể phân biệt được đồng phân HCN và HNC.
Tiếp đến ta dùng chương trình GAUSSIAN tính toán theo quy trình SCAN để
khảo sát đồng phân và trạng thái chuyển tiếp của quá trình chuyển đồng phân HCN/HNC.
Hình 2.3.5: Sự phân bố cường độ LASER theo góc định phương.