Mecanica cuantica, reprezentarea computationala, gamess

1. UNIVERSITATEA DE STAT DIN TIRASPOL
FACULTATEA BIOLOGIE ȘI CHIMIE
Departamentul Chimie
Lucrare individuală
Izomerii de structură ai acid sulfuric.
Reacții de adiție. Clorura de amoniu.
A efectuat:
Uzun Ana,
Masterandă, gr. MCe-I
A verificat:
Arsene Ion,
Docor în științe chimice,
conferențiar universitar
Chișinău 2021

2. 2
CUPRINS
INTRODUCERE 3
1. CARACTRISTICA GENERALĂ A ACIDULUI SULFURIC................. 4
1.1 ANALIZA LITERATURII.................................................................... 4
1.2 PROPRIETATILE FIZICO – CHIMICE ALE ACIDULUI
SULFURIC.................................................................................................... 5
1.3. PARAMETRII GEOMETRICI ȘI ENERGIA TOTALĂ A
CONFORMERILOR.................................................................................... 6
1.4. CONCLUZIE 9
2. CARACTRISTICA GENERALĂ A ETANULUI...................................... 9
2.1 ANALIZA LITERATURII.................................................................... 9
2.2 PROPRIETATILE FIZICO – CHIMICE ALE ETANULUI .......... 10
2.3. CONFORMERII ȘI ECUAȚIILE CHIMICE DE OBȚINERE A
ETANULUI ................................................................................................. 11
2.4. CONCLUZIE 12
2.5. CONFORMERII ȘI ECUAȚIILE CHIMICE DE OBȚINERE A
CLORURII DE AMONIU
12
BIBLIOGRAFIE 15

3. 3
INTRODUCERE
Modelarea moleculară cuprinde toate metodele, teoretice și computaționale,
care pot fi utilizate pentru a determina sau modela comportamentul și structura
moleculelor. Metodele de modelare moleculară sunt utilizate în chimia
computațională, în designul medicamentelor, în știința materialelor și ajută la studiul
sistemelor moleculare, începând cu sistemele chimice mici și până la moleculele
biologice de dimensiuni mari.
Substanțele chimice ne asigură energia electrică și termică, posibilitatea de a
cumpăra bunuri și îmbrăcăminte și accesul permanent la telecomunicații, mass-
media și muzică oriunde ne-am afla. Multe dintre schimbările pe care le observăm
în mediul natural care ne înconjoară sunt de fapt generate de reacții chimice, cum ar
fi schimbarea culorii frunzelor sau creșterea unei plante.
Pentru a înțelege și a afla rolul unei substanțe, dar și structura sa, pentru a
vedea cum interacționează cu mediul, dar și cu alte elemente sau compuși, mai întâi
trebuie să o modelăm, să calculăm energiile și să-i descoperim proprietățile. Cu asta
ne vine în ajutor modelarea computațională și o mulțime de programe de calcul.
Scopul acestei lucrări este:
• calcularea proprietăților moleculelor folosind aproximații matematice
cât mai eficiente;
• aplicarea programelor de calculator unor sisteme fizico-chimice
concrete.
Modelarea moleculară realizează calcule de:
1. optimizarea structurii (conformeri);
2. energia de legatură;
3. energia de interacțiune;
4. determinarea parametrilor geometrici;
5. energia de stabilizare ș. a.

4. 4
1.CARACTRISTICA GENERALĂ A ACIDULUI SULFURIC
1.1 ANALIZA LITERATURII
Acidul sulfuric este produs de peste 1000 de ani. Inițial, a fost obținut de către
alchimiști din „piatra verde” (sulfat feros) sau alaun prin încălzire puternică
(calcinare). Astfel, din sulfatul feros a fost obținut un lichid uleios greu - ulei de
vitriol:
2[FeSO 4 •7Н2O] = Fe2O 3 + Н2SO4 + SO2 + 13Н2O.
Sumerienii aveau o listă cu diferite tipuri de vitriol. În plus, Galen, medicul
grec Dioscoride și Pliniu cel Bătrân și-au ridicat utilizarea medicală.
În lucrările alchimice elenistice au fost deja menționate utilizările metalurgice
ale substanțelor vitriolice. Vitriolul se referă la un grup de minerale sticloase din
care poate fi obținut acid sulfuric.
Prima mențiune despre gazele acide obținute prin calcinarea alaunului sau a
sulfatului feros se găsește în lucrările atribuite alchimistului arab Jafar al-Sufi
(Geber), care a trăit în secolul al VIII-lea. Unii savanți atribuie onoarea
descoperirii acidului sulfuric alchimistului persan Abubeker al-Razi în secolul al
X-lea.
În Europa medievală, acidul sulfuric era cunoscut sub numele de vitriol, ulei
de vitriol sau lichior de vitriol de către alchimiști. A fost considerată cea mai
importantă substanță chimică și s-a încercat să fie folosită ca piatră filosofică.
În secolul XV alchimiștii au descoperit că acidul sulfuric poate fi obținut prin
arderea unui amestec de sulf și nitrat.
Producția de acid sulfuric s-a dezvoltat rapid la începutul secolului al XIX-lea
elaborându-se două procese principale folosite în producția de H2SO4, procedeul
camerei de plumb și procedeul de contact. Procesul camerei de plumb este o
metodă veche și produce o soluție de acid în apă de concentrație 62÷78%. Prin
procesul de contact se obține acid sulfuric pur. În ambele procese, dioxidul de sulf,
SO2, este oxidat la trioxid de sulf SO3, care este dizolvat în apă.
Toate aceste îmbunătățiri au făcut din acidul sulfuric un produs ieftin și larg
utilizabil.

5. 5
1.2. PROPRIETATILE FIZICO – CHIMICE ALE ACIDULUI SULFURIC
Acidul sulfuric pur este un lichid vâscos, incolor și inodor.
Punctul de topire al acidului sulfuric 100% (așa numitul “monohidrat”) este
10,36°C, punctul de fierbere279,6 °C, densitatea ρ=1,84 g/ml, masă molară - 98,1
g/mol.
La diluarea acidului sulfuric cu apă se degajă multă căldură. Căldura degajată,
nu corespunde formării unor combinații cu compoziție definită (de ex. H2SO4∙H2O,
H2SO4∙2H2O, etc) ci crește continuu până la diluții mari. Căldura degajată se
datorează celor două reacții de ionizare succesive ale acidului în apă și hidratării
ionilor formați.
Tendința de a absorbi apa este atât de mare, încât acidul sulfuric este unul din
agenții de uscare cei mai eficienți pentru gaze.
Este coroziv pentru metale și țesuturi.
Din cauza afinității mari pentru apă, acidul sulfuric distruge (“carbonizează”),
multe substanțe organice, ca hârtia, celuloza, etc. și majoritatea altor materii
organice la contact (produce arsuri pe piele), dar este puțin probabil să provoace un
incendiu.
Acidul sulfuric ionizează în soluție apoasă.
Metalele cu potențiale de oxidare mai mare decât hidrogenul reacționează cu
acid sulfuric diluat, formând sulfații respectivi.
Acidul sulfuric concentrat se conserva și se transportă în rezervoare de oțel
obișnuit, pe care nu-l atacă, datorită unui fenomen de pasivitate. Acidul sulfuric
mai diluat decât 80% atacă ferul, dar poate fi conservat în vase de plumb sau vase
căptușite cu o foaie de plumb. Rezistența plumbului fața de acidul sulfuric diluat se
datorește formării unui strat protector subțire de sulfat de plumb, PbSO4, insolubil
în apă și acid sulfuric diluat, dar solubil în acid concentrat.
Acidul sulfuric, încălzit cu sulf, este redus la bioxid de sulf, în timp ce sulful
este oxidat tot la bioxid de sulf:
2 H2SO4 + S 3 SO2 + CO2 + H2O
Carbonul (cărbunele de lemn) reacționează la fel:

6. 6
2 H2SO4 + C 2 SO2 + CO2 + 2 H2O
Acidul sulfuric se comporta ca agent oxidant slab și față de alți compuși, de
ex. fata de ionii Br+
si I-
.
Acidul sulfuric este un reactiv mult utilizat în chimia organică, pentru reacția
de sulfonare, nitrare, adiții la alchene, ca catalizator etc.
1.3. PARAMETRII GEOMETRICI ȘI ENERGIA TOTALĂ A
CONFORMERILOR
S-a studiat teoretic structura geometrică a acidului sulfuric cu determinarea
parametrilor geometrici și a energiei de stabilizare. În acest scop a fost folosit
programul Gamess. Datele obținute în urma prelucrărilor realizate în program
împreună cu parametrii identificați în literatura de specialitate sunt prezentate în
tabelul 1.
Tabelul 1. Parametrii geometrici și energia conformerilor studiați ai acidului
sulfuric
№ Structura geometrică
Parametri geometrici
calculat literatură
1. R (S=O)=1,59
R(S-O)=1,81
R(H-O)=0,96
∡(O=S=O)=102,48
∡(O-S-O)=85,78
∡(H-O-S)=120,29
∡(O=S-O)=85,87
E=-697,4847
R (S=O)=1,42
R(S-O)=1,57
R(H-O)=0,97

7. 7
2. R (S=O)=1,59
R(S-O)=1,78
R(H-O)=0,96
∡(O=S=O)=101,69
∡(O-S-O)=78,26
∡(H-O-S)=109,37
∡(O=S-O)=90,02
E=-697,5096
3. R (S=O)=1,62(1,2)
R (S=O)=1,56(1,3)
R(S-O)=1,84 (1,5)
R(S-O)=1,75 (1,4)
R(H-O)=0,96
∡(O=S=O)=103,18
∡(O-S-O)=78,19
∡(H-O-S) =
=109,35(1,4,6)
∡(H-O-S)=
=114,58(1,5,7)
∡(O=S-O)=
=88,66(5,1,2)
∡(O=S-
O)=89,96(3,1,4)
E=-697,5163

8. 8
4. R (S=O)=1,60
R(S-O)=1,76
R(H-O)=0,96
∡(O=S=O)=179,99
∡(O-S-O)=179,99
∡(H-O-S)=114,57
∡(O=S-O)=89,01
E= -697,5229
5. R (S=O)= 1.62 (5,1)
R (S=O)=1,58 (3,1)
R(S-O)=1,76
R(H-O)=0,95
∡(O=S=O)=179,99
∡(O-S-O)=178,60
∡(H-O-S)=114,11
∡(O=S-O)=90,69
E= -697,5234
6.
3D
R (S=O)=1,59
R(S-O)=1,78
R(H-O)=0,96
∡(O=S=O)=101,69
∡(O-S-O)=78,26
∡(H-O-S)=109,37
∡(O=S-O)=90,02
E=-697,5096

9. 9
Fig. 1. Stabilitatea energetică a acidului sulfuric
1.4.CONCLUZIE
Conformația tridimensională a acidului sulfuric este mai stabilă din punct de
vedere energetic, având valoarea E =-116,152101 kcal/mol
2. CARACTRISTICA GENERALĂ A ETANULUI
2.1 ANALIZA LITERATURII
Printre numărul mare de compuși organici formați din atomi de carbon și
hidrogen (cunoscuți sub numele de hidrocarburi), se numără și cei care se află în
stare gazoasă la temperaturi și presiuni ambientale, fiind utilizați pe scară largă în
numeroase industrii.
Etanul este unul dintre gazele terestre care a fost detectat și pe alte planete și
corpuri stelare din jurul sistemului solar. A fost descoperit de omul de știință
Michael Faraday în 1834.

10. 10
2.2 PROPRIETATILE FIZICO – CHIMICE ALE ETANULUI
Etanul este un alcan cu formula chimică C2H6, cu punct de topire de 183,3°C
și punct de fierbere de 88,6°C. În condiții standard, etanul este un gaz inflamabil,
incolor și inodor, insolubil în apă, puțin solubil în etanol și acetonă, solubil în
benzen și miscibil cu tetraclorură de carbon.
Moleculele de etan au o configurație simetrică și au forțe de atracție slabe
care le mențin împreună, numite forțe de dispersie.
Când se încearcă dizolvarea etanului în apă, forțele de atracție formate între
gaz și lichid sunt foarte slabe, deci este fo arte dificil ca etanul să se lege cu
moleculele de apă.
Din acest motiv, solubilitatea etanului este considerabil scăzută, crescând ușor
atunci când presiunea sistemului este crescută.
Amestecul de etan și aer poate forma un amestec exploziv care se poate
aprinde și exploda atunci când este expus la căldură și foc deschis. Produșii de
ardere (descompunere) sunt monoxidul de carbon și dioxidul de carbon. La
contactul cu fluor, clor, etc. pot avea loc reacții chimice violente. Etanul este
prezent în gazul petrolier, gazul natural, gazul cuptorului de cocs și gazul petrolier
cracat și se obține prin separare. În industria chimică, etanul este utilizat în
principal pentru a produce etilenă, clorură de vinil, clorură de etil, acetaldehidă,
etanol, oxid de etilen glicol etc. Prin cracare cu abur etanul poate fi folosit ca agent
frigorific în sistemele frigorifice. Poate fi folosit și ca gaz standard și gaz de
calibrare pentru tratarea termică în industria metalurgică. Se depozitează în baloane
metalice într-un depozit răcoros și ventilat, departe de foc și surse de
căldură. Temperatura de depozitare nu trebuie să depășească 30 ° C. Trebuie
depozitat separat de oxidanți și halogeni și trebuie evitată depozitarea mixtă.

11. 11
2.3. CONFORMERII ȘI ECUAȚIILE CHIMICE DE OBȚINERE A
ETANULUI
Hidrogenarea acetilenei:
C2H2 + H2 = C2H4
E(C2H2) = -76,7927 E(H2) = -1,1268 E(C2H4) = -78,0044
E(C2H4) =E(C2H2)+ E(H2)
ΔE= E(C2H4)-[ E(C2H2)+ E(H2)] = -78,0044-[-76,7927+-1,1268]= -0,0849=
= - 53,2756 kcal/mol => reacție exotermă, emană energie
C2H4 + H2 = C2H6 (intercalat)
E(C2H4) = -78,0044 E(H2) = -1,1268 E(C2H6)= -79,1975
E(C2H6-intercalat)= E(H2)+E(C2H4)
ΔE= E(C2H6)-[ E(C2H4)+ E(H2)] = -79,1975-[-78,0044+-1,1268]= -0,0663
= -41,6039 kcal/mol=> reacție exotermă, emană energie
C2H4 + H2 = C2H6 (eclipsat)

12. 12
E(C2H4) = -78,0044 E(H2) = -1,1268 E(C2H4) = -79,1931
E(C2H6-eclipsat)= E(H2)+E(C2H4)
ΔE= E(C2H6)-[ E(C2H4)+ E(H2)] = -79,1931-[-78,0044+-1,1268]= -0,0619
= -38,8428 kcal/mol=> reacție exotermă, emană energie
Etanul este cea mai simplă moleculă care prezintă izomerie
conformațională. Rotația în jurul unei legături simple duce la inter conversia
conformerilor. Mai sus este reprezentată conformația eclipsată ca o stare de
tranziție întrucât este mai stabilă termodinamic și energetic decât conformația
intercalată.
2.4. CONCLUZIE
Confirmația intercalată a etanului este mai stabilă din punct de vedere
energetic decât confirmația eclipsată, prezentând valoarea energiei totale E= -
79,1975 (C2H6 intercalat) și E= -79,1931(C2H4 eclipsat).
2.5. CONFORMERII ȘI ECUAȚIILE CHIMICE DE OBȚINERE A
CLORURII DE AMONIU
Clorura de amoniu, cunoscută și sub numele de sare amoniacală, este o sare
anorganică găsită în urină al cărei formulă este NH4Cl. Se găsește în formațiuni
mineralogice și în această formă se numește sare de amoniac.
Se poate obține prin diferite metode. Primul este prin neutralizarea unei soluții
apoase de amoniac cu acid clorhidric, și printr-un proces de recristalizare și
purificare din soluția saturată obținută: NH3 + HCl → NH4Cl.

13. 13
Fig. 2. Structura clorurii de amoniu
A doua metodă de obținere este prin procedeul Solvay. În procedeul Solvay,
bicarbonatul de sodiu, se recuperează prin filtrare și apoi clorura de amoniu care
rămâne în soluție cristalizează.
NH3 + CO2 + NaCI + H2O → NH4Cl + NaHCO3
Clorura de amoniu are o structură de rețea triclinică cu o structură cubică
centrată în centru. Greutatea sa moleculară este 53.490 g/mol, densitatea de 1.5274
g/ml, punctul de topire 338 ° C și punctul de fierbere - 520 ° C
Compusul este solubil în apă, fiind capabil să dizolve 383 g de compus pe
litru de solvent. Este, de asemenea, solubil în etanol, metanol și glicerol și ușor
solubil în acetonă. Este insolubil în solvenți organici, cum ar fi acetat de etil
(Societatea Regală de Chimie, 2015).
Figura 3 arată coordonatele geometrice inițiale care au fost introduse pentru
calcularea conformerilor clorurii de amoniu.
molecula 𝒆
̅ x y z
N 7 0,77 0 0
H1 1 1,1 0,7 0,3
H2 1 1,1 0 0,3
H3 1 1,1 -0,7 0,3
H4 1 -1,1 0,7 0,3
Cl 17 -3,1 2,7 0,3
Fig. 3. Coordonatele geometrice inițiale pentru conformerii clorurii de amoniu
N
H1
H2
H3
H4
Cl

14. 14
Ecuația de obținere a NH4Cl și energiile acestuia
HCl + NH3 = NH4Cl
E(HCl) = -460,0372 E(NH3) = -55,9727 E(NH4Cl) = -516,2280
E(NH4Cl)= E(HCl)+E(NH3)
ΔE= E(NH4Cl)-[ E(HCl)+ E(NH3)] = -516,2280-[-460,0372+-55,9727]=
= -0,2181= -136,86 kcal/mol=> reacție exotermă, emană energie

15. 15
BIBLIOGRAFIE
1. Damian L., Chimia organică și macromoleculară, EDP, București, 1995;
2. Barbă N.; Dragalina G.; Vlad P.. Chimie organică, Chișinău Știința, 1997;
3. Țvetca L.. Chimia organică, clasa XI-a, Chișinău, Lumina, 1989.
4. Nenițescu C.D., Chimie generală, E.D.P., București 1980.
5. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/15244547#section=3D-
Conformer
6. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/1118