Примери испита и колоквијума
ПРВИ КОЛОКВИЈУМ ИЗ РАЧУНАРСКЕ ХЕМИЈЕ (07.12.2017.)
1. Напишите Z-матрицу за молекул анилина тако да она може да се користи за припремање улазног фајла у програму ORCA. Користите геометријске параметре које ћете добити оптимизацијом молекула анилина молекулском механиком у програму Аргуслаб. Оптимизујте геометрију овог молекула и у програму ОРКА користећи написану матрицу, HF методу и STO-3G базис сет и запишите енергију.
! HF STO-3G Opt
*int 0 1
C 0 0 0 0.0 0.0 0.0
C 1 0 0 1.4 0.0 0.0
C 2 1 0 1.4 120.1 0.0
C 3 2 1 1.4 120.3 0.0
C 4 3 2 1.4 119.4 0.0
C 5 4 3 1.4 120.1 0.0
N 4 3 2 1.45 119.3 180.0
H 7 4 3 1.07 102.5 -128.7
H 7 4 3 1.07 102.5 128.7
H 3 2 1 1.09 119.63 180.0
H 2 1 6 1.09 119.63 180.0
H 1 6 5 1.09 119.98 180.0
H 6 5 4 1.09 119.09 180.0
H 5 4 3 1.09 120.30 180.0
*
E = -282.2047336 Eh
2. У програму Аргуслаб нацртајте и оптимизујте геометрију молекула тимина (користите УФФ поље сила). Тако оптимизовану геометрију поново оптимизујте у програму ОРКА користећи B3LYP методу и 3-21G базис сет. Упоредите дужине веза добијених овим методама и изразите разлику у процентима.
Дужина везе (Å)
Веза B3LYP/3-21G UFF Разлика %
C1-C4 1.464 1.404 0.060 4.098
C3-C4 1.348 1.400 -0.052 -3.858
C4-C5 1.504 1.503 0.001 0.066
C1-O1 1.238 1.283 -0.045 -3.635
C2-O2 1.233 1.282 -0.049 -3.974
C1-N1 1.414 1.372 0.042 2.970
C2-N1 1.393 1.371 0.022 1.579
C3-N2 1.385 1.370 0.015 1.083
3. Израчунајте енергију корелације уатомухелијума применом методе потпуне интеракције конфигурација (full CI) и коришћењем 6-31g базног скупа.
! hf 6-31g
*xyz 0 1
He 0 0 0
*
! fci 6-31g
*xyz 0 1
He 0 0 0
*
Ehf = -2.855160426 Eh Efci = -2.870162139 Eh
Ecorr = Efci - Ehf = 0.015001713 Eh
Ecorr = 0.015001713 Eh x 627,51 = 9.413724869 kcal/mol
Е cor = 9.413724869 kcal/mol
4. Користећи 6-31G(d) базни скуп оптимизујте геометрију молекула воде следећим ab initio методама: HF, MP2, и full CI. Упоредите величине H-O-H угла добијене различитим методама са експерименталним подацима (експериментално одређена величине H-O-H угла у молекулу воде износи 104,5°).
ПРВИ КОЛОКВИЈУМ ИЗ РАЧУНАРСКЕ ХЕМИЈЕ 06.12.2017. (12:15-15:00)
1. Користећи УФФ поље сила израчунајте енергије оптимизованих структура молекула циклохексана а) у конформацији лађе и б) у конформацији столице.
Која од ове две конформације ће се чешће наћи у природи? Објасните.
Е (лађа)= 16.27750643 kcal/mol Е (столица) = 6.45664217 kcal/mol
________________________________________________________________________________
2. Напишите Z-матрицу за молекул метанола користећи дате геометријске параметре (торзиони углови: H-O-C-H1 = 0,0°; H-O-C-H2 = 120,5°; H-O-C-H3 = -120,5°). У програму ОРКА мењајте торзиони угао H-C-O-H од 0 до 360°са кораком од 60° и скицирајте графикон зависности потенцијалне енергије од торзионог угла. Запишите енергију најстабилније конформације (у kcal/mol). За прорачуне користите HFметоду и STO-3G базис сет.
! HF STO-3G opt
%geom scan
D 0 1 2 3 = 0.0, 360.0, 7
end
end
*int 0 1
H 0 0 0 0 0 0
O 1 0 0 0.964 0 0
C 2 1 0 1.445 111.1 0
H 3 2 1 1.085 112.6 0
H 3 2 1 1.085 109.3 -120.5
H 3 2 1 1.085 109.3 120.5
*
ugao Energija
0 -113.5459855
60 -113.5491906
120 -113.5459866
180 -113.5491933
240 -113.5459866
300 -113.5491907
360 -113.5459854
3. Израчунајте енергију корелације у атому литијума применом методе потпуне интеракције конфигурација (full CI) и коришћењем 6-31g базног скупа.
! fci 6-31g
* xyz 0 2
Li 0.0 0.0 0.0
*
! hf 6-31g
* xyz 0 2
Li 0.0 0.0 0.0
*
Екорелације = ЕCI - ЕHF = -7,431554224783- (-7,431233875262) = 0,00032 Eh = 0,21 kcal/mol
4. Користећи функционале наведене у табели и 6-31G* базни скуп оптимизујте геометрије молекула водоника, етана и етина (почетне геометрије унесите као x,y,z-координате). Унесите у табелу вредности за одговарајуће дужине веза после оптимизације и запишите одговарајуће енергије.
! LDA 6-31G* opt
*xyz 0 1
H 0.704890362 1.064539361 0.622516461
H 0.378178685 0.484868203 0.380385558
*
! LDA 6-31G* opt
*xyz 0 1
C 0.418466552 -0.709197355 1.752240600
C 0.089580355 -0.153317510 0.377355346
H -0.405909480 -0.471797621 2.462298776
H 1.364154751 -0.255494470 2.126422921
H 0.542059372 -1.814400453 1.693101898
H -0.034785655 0.951721782 0.437007208
H -0.856030772 -0.607129427 0.003110463
H 0.914206307 -0.389812957 -0.332791400
*
! LDA 6-31G* opt
*xyz 0 1
C -0.859758378 -1.683657011 0.039640452
C -0.302120666 -0.615702388 0.000771199
H -1.350878597 -2.624221283 0.073873209
H 0.188999552 0.324861883 -0.033461557
*
Молекул Веза LDA BLYP BP86 E (Eh)
H-H dH-H 0,76 0,75 0,75 -1,173821778997
H3C-CH3 dC-H 1,11 1,10 1,10 -79,820011624659
dC-C 1,51 1,54 1,53
HC≡CH dC-C 1,21 1,22 1,22 -77,317966110590
dC-H 1,08 1,07 1,07
КОЛОКВИЈУМ ИЗ РАЧУНАРСКЕ ХЕМИЈЕ 28.11.2017. (16:00-19:00)
1. Применом молекулске механике у програму Аргуслаб оптимизујте геометрију молекула водоник-сулфида. Испитајте енергије молекула за вредности H-S-H угла: 62, 72, 82, 92, 102,112,122. Скицирајте график зависности потенцијалне енергије од H-S-H угла, и запишите израчунате енергије изражене у kcal/mol.
2. Користећи HF и MP2 методе као и 6-31G базни скуп одредите енергију корелације електрона у молекулу CH3OH (користите следеће податке за Z-матрицу: торзиони углови: H-O-C-H1 = 0,0°; H-O-C-H2 = 120,5°; H-O-C-H3 = -120,5° - дужине и углове веза преузмите са слике).
! MP2 6-31G
*int 0 1
H 0 0 0 0 0 0
O 1 0 0 0.964 0 0
C 2 1 0 1.445 111.1 0
H 3 2 1 1.085 112.6 0
H 3 2 1 1.085 109.3 -120.5
H 3 2 1 1.085 109.3 120.5
*
Ehf = -114.985691700653 Eh
Emp2 = -115.200835849795 Eh
Ecorr = Emp2 - Ehf
Ecorr (kcal/mol) = Ecorr (Eh) * 627,51
E corr = -134,89 kcal/mol
3. Уз помоћ Хартри-Фокове методе оптимизујте геометрију молекула флуороводоника користећи следеће базне скупове: STO-3G, 3-21G, 6-31G и 6-31G(d). Упоредите време трајања прорачуна и растојања између атома флуора и водоника за прорачуне са различитим базним скуповима и са експерименталним подацима (експериментално одређена дужина везе у молекулу HF износи 0,917Å).
STO-3G 0,99546 Å
3-21G 0,93745 Å
6-31G 0,92085 Å
6-31G(d) 0,91192 Å
4. Уз помоћ Хартри-Фокове методе и 3-21G базног скупа скенирајте валенциони угао у молекулу воде од вредности угла 64,4° до вредности 144,4° у 8 корака. Запишите енергије за сваку тачку и графички прикажите зависност енергије од валенционог угла.
Улазни фајл:
! HF 3-21G opt
%geom Scan
A 0 1 2 = 64.4, 144.4, 8
end
end
*int 0 1
H 0 0 0 0.00 0.00 0.00
O 1 0 0 0.95 0.00 0.00
H 2 1 0 0.95 104.5 0.00
*
The Calculated Surface using the 'Actual Energy'
64.40000000 -75.52467869
75.82857143 -75.55280501
87.25714286 -75.57265574
98.68571429 -75.58349203
110.11428571 -75.58579054
121.54285714 -75.58091190
132.97142857 -75.57088972
144.40000000 -75.55831465
КОЛОКВИЈУМ ИЗ РАЧУНАРСКЕ ХЕМИЈЕ 28.11.2017. (08:00-11:00 часова)
1. Применом молекулске механике у програму Аргуслаб урадите конформациону анализу молекула 1,2-дифлуоро етана (H-C-C-H торзиони угао треба мењати са кораком од 60°). Скицирајте график зависности потенцијалне енергије од торзионог угла, и запишите израчунате енергије.
Ugao H-C-C-H (°) E (kcal/mol)
0 3.78107035
60 0.18382801
120 3.40884859
180 0.14897814
240 3.40884976
300 0.1838282
360 3.78107504
2. Користећи HF и MP2 методе као и 6-31G базни скуп одредите енергију корелације електрона у молекулу C2H2 (користите следеће податке за Z-матрицу: дужина C≡C - 1,195 Å ; дужина C-H везе - 1,060 Å; молекул је линеаран).
Z-матрица:
Улазни фајлови са матрицама:
! HF 6-31G
*int 0 1
H 0 0 0 0.0 0.0 0.0
C 1 0 0 1.060 0.0 0.0
DA 2 1 0 1.0 90.0 0.0
DA 3 2 1 1.195 90.0 180.0
C 4 3 2 1.0 90.0 0.0
H 5 4 3 1.060 90.0 180.0
*
! MP2 6-31G
*int 0 1
H 0 0 0 0.0 0.0 0.0
C 1 0 0 1.060 0.0 0.0
DA 2 1 0 1.0 90.0 0.0
DA 3 2 1 1.195 90.0 180.0
C 4 3 2 1.0 90.0 0.0
H 5 4 3 1.060 90.0 180.0
*
Ehf = -76,79268237 Eh
Emp2 = -76,97404243 Eh
Ecorr = Emp2 - Ehf = -0,181360061 Eh
Ecorr (kcal/mol) = Ecorr (Eh) * 627,51
E corr = -113,8052521 kcal/mol
3. У програму ArgusLab нацртајте молекул бензена и оптимизујте му геометрију помоћу молекулске механике. Сачувајте оптимизовану геометрију као .xyz фајл, а затим је поново оптимизујте у програму ORCA користећи Хартри-Фокову методу и 3-21G базни скуп. Упоредите дужине веза у геометријама оптимизованим молекулском и квантном механиком.
r (MM)C-H =1,085 Å r (HF)C-H = 1,072 Å
r (MM)C-C = 1,399 Å r (HF)C-C = 1,38 Å
Улазни фајл:
(вредности координата могу да се разликују док год су дужине веза тачне)
! HF 3-21G opt
*xyz 0 1
C 1.005989339 0.378739258 0.000000000
C 2.226887684 -0.304117104 0.000000000
C 2.245965608 -1.702874202 0.000000000
C -0.195830813 -0.337161231 0.000000000
C -0.176752977 -1.735917962 0.000000000
C 1.044145123 -2.418774576 0.000000000
H 0.991186770 1.463991722 0.000000000
H 3.159343079 0.251328209 0.000000000
H 3.193223098 -2.232681522 0.000000000
H -1.143088438 0.192645527 0.000000000
H -1.109208824 -2.291362302 0.000000000
H 1.058946442 -3.504027093 0.000000000
*
4. Користећи 6-31G(d) базни скуп оптимизујте геометрију молекула литијум-хидрида следећим ab initio методама: HF, MP2 и full CI. Упоредите време трајања прорачуна и дужине Li-H везе добијене различитим методама са експерименталним подацима (експериментално одређена дужина везе у молекулу LiH износи 1,596 Å).
(времена могу значајно да се разликују, важно је добити приближне трендове за времена и тачне дужине веза)
HF: 9 sec 459 msec, d = 1,63 A
MP2: 9 sec 122 msec, d = 1,64 A
Full CI: 50 sec 119 msec, d = 1,63 A
Улазни фајлови:
! HF 6-31G(d) OPT
*xyz 0 1
Li 0.0 0.0 0.0
H 0.0 0.0 1.596
*
! MP2 6-31G(d) OPT
*xyz 0 1
Li 0.0 0.0 0.0
H 0.0 0.0 1.596
*
! FCI 6-31G(d) OPT
*xyz 0 1
Li 0.0 0.0 0.0
H 0.0 0.0 1.596
*
ТЕСТ ИЗ РАЧУНАРСКЕ ХЕМИЈЕ 01.12.2016.
1. Нацртајте и оптимизујте геометрију молекула воде коришћењем молекулско-механичких прорачуна. Израчунајте енергије молекулa воде за следеће вредности H-O-H угла, запишите их и нацртајте график зависности енергије од величине датог угла. Прокоментаришите резултате.
Угао(˚) Енергија(kcal/mol)
101,51
102,51
103,51
104,51
105,51
106,51
107,51
2. Израчунаћемо енергије H-H везе за дужине у распону од 3,0Å до 0,5Å у 25 корака коришћењем MP2 методе и 3-21g базног скупа. Да ли је ова метода погодна за ову врсту прорачуна? Објасните.
3. Користећи MP2 методу и 6-31G базни скуп оптимизујте геометрију и израчунајте укупну унутрашњу енергију за молекул метана на температури од 298,15K и притиску од 1,00 atm. Запишите израчунате вредности унутрашње енергије, енталпије, ентропије и Слободне Гибсове енергије за овај молекул.
4. Користећи HF методу и 3-21G базни скуп оптимизујте геометрију и израчунајте вибрациони спектар за молекул бензена (почетну геометрију унесите у виду Z-матрице). Прикажите спектар, сачувајте га као слику и запишите вредности фреквенција.
r (C-H) = 1.08 Å
r (C-C) = 1.30 Å