Đặt vấn đề

Hướng nghiên cứu xác định các tính chất nhiệt động cân bằng lỏng-hơi và lỏng-

lỏng của các hệ hóa học khác nhau bằng phương pháp nhiệt động thống kê, hóa

lượng tử và mô phỏng toàn cục Monte Carlo hiện nay còn rất mới ở Việt Nam và

có rất ít tài liệu nghiên cứu đi sâu vào lĩnh vực nghiên cứu này. Hiện nay chỉ có

một vài kết quả nghiên cứu liên quan đến các tính chất cơ chế phản ứng của các

hợp chất dựa trên các nguyên lý cơ bản của hóa học lượng tử.

Ở một số nước trên thế giới việc nghiên cứu và dự đoán các tính chất nhiệt động

cân bằng pha dựa trên lý thuyết nhiệt động thống kê, tính toán lượng tử hiện đại và

các kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo vẫn đang là vấn đề chính được nhiều nhà khoa

học thuộc nhiều cơ sở của các Đại học trên thế giới như châu Âu, Nhật Bản, Hàn

Quốc và Mỹ khai thác nghiên cứu.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế không thể thiếu đối với các lĩnh vực khoa học ứng

dụng và khoa học cơ bản cần có những số liệu về tính chất nhiệt động của các hệ

cân bằng lỏng-hơi và lỏng- lỏng của các hợp chất và hỗn hợp bậc 2 và bậc 3 của

các chất. Các lĩnh vực có thể sử dụng các dữ liệu của đề tài này bao gồm lĩnh vực

nghiên cứu độc tố môi trường, kỹ thuật xử lý môi trường, hóa nông nghiệp, hóa

dầu, nhiên liệu lỏng, vật liệu tổng hợp, hóa dược và hóa thực phẩm.

Đặc biệt lĩnh vực môi trường rất cần đến các dữ liệu thông tin về tính chất hóa lý

của các hợp chất hữu cơ, như tính chất phân tán, cân bằng lỏng hơi, cân bằng lỏng-

lỏng liên quan đến độ tan của các chất trong môi trường nước. Dựa vào tính chất

hóa lý của các hợp chất hữu cơ, các nhà kỹ thuật xử lý môi trường có thể đánh giá,

quản lý và đưa ra biện pháp xử lý các chất gây ô nhiễm theo một kỹ thuật xử lý như

kỹ thuật chiết, kỹ thuật chưng cất. Trong các ngành dược phẩm, hóa thực phẩm và

đặc biệt là kỹ thuật lọc dầu việc tách chất và trộn chất luôn là vấn đề cần thiết liên

quan đến các kỹ thuật thiết kế thiết bị sản xuất thích hợp.

Vì có những ứng dụng tế như vậy cho nên đề tài này nhằm nghiên cứu đưa ra

các phương pháp tính toán mới trên cơ sở của lý thuyết nhiệt động thống kê, hóa

học lượng tử và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo cho phép giải quyết các vấn đề về

thông tin hóa lý của các hệ chất lỏng, giải quyết được nhiều vấn đề khó khăn đo đạc

trong thực nghiệm khi mà phương tiện, trang thiết bị phòng thí nghiệm phục vụ đo

đạc hiện nay chưa thể đáp ứng được đầy đủ ở mọi cơ sở nghiên cứu khoa học và cơ

sở sản xuất.

Chính từ những nhu cầu thực tế như vậy mà đề tài này cố gắng nghiên cứu đưa

ra các kỹ thuật tính toán tính chất nhiệt động của một số hợp chất dựa trên lý thuyết

nhiệt động thống kê, hóa lượng tử và các phương tiện hiện có của trường Đại học

Đà Lạt để giải quyết các vấn đề liên quan đến các hợp chất hữu cơ.

Mục tiêu chính của đề tài cần thực hiện bao gồm:

- Xây dựng cơ sở dữ liệu của một nhóm khoảng 20 hợp chất hóa học bao gồm

các đơn chất vô cơ, chất hữu cơ, các chất lỏng ion thông thường.

- Xây dựng phương trình thế cho các hệ hóa học từ tính toán nhiệt động thống

kê và hóa học lượng tử.

- Tính toán các tính chất nhiệt động cân bằng pha lỏng-hơi, lỏng-lỏng từ

phương trình thế được xây dựng từ lý thuyết nhiệt động thống kê, mô hình hệ

số hoạt độ, mô hình COSMO và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo toàn cục.

- So sánh các kết quả nghiên cứu với các phương pháp tính toán khác và các

nguồn dữ liệu thực nghiệm khác nhau.

MUÏC LUÏC

Tóm tắt kết quả 5

Đặt vấn đề 7

Tổng quan 9

I. Lý thuyết hóa lượng tử 9

I.1. Cơ sở lượng tử 9

I.2. Phương pháp tính toán lượng tử 9

II. Phương pháp nhiệt động thống kê 12

II.1. Các phương trình trạng thái 12

II.2. Các mô hình hệ số hoạt độ 15

II.3. Lý thuyết mô hình COSMO 16

II.4. Lý thuyết mô phỏng Monte Carlo 23

III. Các nhóm hợp chất 32

Phương pháp 34

I. Các điều kiện thực hiện 34

I.1. Dữ liệu cấu trúc 34

I.2. Phần mềm 34

I.3. Sơ đồ thực hiện chung 34

II. Phương trình trạng thái 35

III. Mô hình hệ số hoạt độ 36

IV. Mô hình COSMO 36

IV.1. Tối ưu hóa cấu hình 36

IV.2. Tính toán điện tích và năng lượng pha lỏng 36

IV.3. Tính toán điện tích bề mặt sigma 37

IV.4. Tính toán hệ số hoạt độ 37

IV.5. Tính toán sai số 37

V. Mô phỏng Monte Carlo 38

V.1. Xác định hàm thế tương tác 38

V.2. Xác định điều kiện thực hiện mô phỏng Monte Carlo GEMC 39

V.3. Tính toán tính chất nhiệt động cân bằng pha 40

Kết quả và thảo luận 41

A. Cân bằng lỏng - hơi 41

I. Mô hình hệ số hoạt độ 41

1. Hệ bậc 2 của các hệ ete vòng với 1-clorohexan 41

2. Hệ bậc 2 của etyl 1,1-dimetyletylete(1)+propan-1-ol(2) 45

3. Hệ bậc 2 axít acetic(1) + dietyl ete (2) 47

4. Hệ bậc 2 etanol (1)+nước(2); methanol(1)+benzene(2);

toluene(1)+clorobenzen(2)

51

5. Hệ bậc 2 2,3-butandiol với n-butanol, n-butylacetat và etylacetat 53

II. Mô hình COSMO-SAC 55

II.1. Hệ bậc 2 gồm các hỗn hợp bậc 2 tạo thành từ các hợp chất trong

nhóm ankan+ankan; ankan+ancol; ankan+ceton, ancol+nước trong

khoảng nhiệt độ (183,15 – 623,15 K) và áp suất (0,1-19,0MPa)

55

II.2. Hệ bậc 2 gồm phenol(1)+styren(2); etylmercaptan(1)+n-butan(2);

ter-butylmercaptan(1)+propan(2) và dimetylete(1)+propan(2)

58

III. Mô phỏng Monte Carlo 61

III.1. Sử dụng hàm thế kiểu Lennard-Jones 62

III.2. Sử dụng hàm thế tương tác ab initio 71

B. Cân bằng lỏng - lỏng 77

I. Độ tan của aspirin trong dung môi 77

II. Cân bằng lỏng – lỏng của hệ bậc ba 79

Kết luận 82

Tài liệu tham khảo 83

Các kết quả đạt được 86

Phụ lục 8