물리화학실험 Gaussian tutorial

문서 내 토픽

1. Gaussian 프로그램 사용

Gaussian 프로그램을 사용하여 다양한 분자의 구조와 물성을 계산하고 분석하였다. OPT, FREQ, SCAN 등의 방법을 통해 분자의 결합길이, 진동수, 해리에너지 등을 구하였고, 이를 바탕으로 분자의 특성을 이해할 수 있었다.
2. NH3 분자의 구조 분석

NH3 분자의 inversion 실험 결과를 Avogadro 프로그램을 통해 확인하였고, 다양한 basis set을 사용하여 계산한 결과와 실험값을 비교하였다. 이를 통해 basis set이 커질수록 실험값과 더 가까운 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
3. Ethane 분자의 회전 장벽 분석

Ethane 분자의 staggered 구조와 eclipsed 구조를 계산하고, 이를 바탕으로 회전 장벽을 구하였다. 다양한 basis set을 사용하여 계산한 결과와 실험값을 비교하였으며, STO-3G basis set이 실험값과 가장 유사한 결과를 보였다.
4. H2O2 분자의 회전 장벽 분석

H2O2 분자의 Cis 구조와 Trans 구조를 계산하고, 이를 바탕으로 회전 장벽을 구하였다. 다양한 basis set을 사용하여 계산한 결과와 실험값을 비교하였으며, basis set이 커질수록 실험값과 더 가까운 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
5. Markovnikov's rule 실험

Avogadro 프로그램을 사용하여 Tert-butyl cation, Tert-butyl chloride, Isobutyl cation, Isobutyl chloride 등의 구조를 모델링하고, Gaussian 프로그램을 통해 최적화하였다. 이를 통해 Isobutyl cation의 구조가 잘 최적화되지 않는 것을 확인하였고, 이를 바탕으로 Markovnikov's rule을 도출할 수 있었다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. Gaussian 프로그램 사용

Gaussian 프로그램은 양자화학 계산을 수행하는 강력한 도구입니다. 이 프로그램을 사용하면 분자의 구조, 에너지, 진동 주파수 등 다양한 물리화학적 특성을 계산할 수 있습니다. 특히 실험적으로 관찰하기 어려운 중간체나 전이상태와 같은 반응 중간체의 특성을 예측하는 데 유용합니다. 또한 분자 궤도함수, 전하 분포, 반응 메커니즘 등을 분석할 수 있어 화학 연구에 필수적인 도구라고 할 수 있습니다. 다만 계산 시간이 오래 걸리고 계산 결과의 정확성이 계산 방법과 기저함수 선택에 따라 달라지므로 이를 고려하여 적절한 계산 조건을 선택해야 합니다.
2. NH3 분자의 구조 분석

NH3 분자는 질소 원자에 3개의 수소 원자가 결합한 구조를 가지고 있습니다. 질소 원자의 전자쌍 수가 4개이므로 정사면체 구조를 취하게 되며, 이에 따라 H-N-H 결합각이 약 107도로 나타납니다. 이러한 구조는 질소 원자의 sp3 혼성화에 의해 설명될 수 있습니다. 또한 질소 원자의 lone pair 전자가 수소 원자들을 밀어내어 결합각이 109.5도의 정사면체 구조보다 작게 나타나는 것으로 이해할 수 있습니다. 이러한 NH3 분자의 구조적 특성은 분자의 물리화학적 성질, 반응성 등을 이해하는 데 중요한 기초가 됩니다.
3. Ethane 분자의 회전 장벽 분석

Ethane 분자(CH3-CH3)는 두 개의 메틸기(CH3)가 단일 결합으로 연결된 구조를 가지고 있습니다. 이 분자는 C-C 단일 결합 주위에서 자유롭게 회전할 수 있습니다. 그러나 이 회전에는 일정한 에너지 장벽이 존재하는데, 이를 회전 장벽이라고 합니다. 이 장벽은 약 3 kcal/mol 정도로 알려져 있습니다. 이 에너지는 메틸기 사이의 반발력과 van der Waals 인력이 균형을 이루는 지점에 해당합니다. 회전 장벽의 크기는 분자의 구조와 결합 특성을 이해하는 데 중요한 정보를 제공합니다. 또한 이 값은 분자의 열역학적 성질과 반응성 등을 예측하는 데 활용될 수 있습니다.
4. H2O2 분자의 회전 장벽 분석

H2O2 분자(과산화수소)는 두 개의 수소 원자와 두 개의 산소 원자로 구성된 분자입니다. 이 분자는 O-O 단일 결합 주위에서 자유롭게 회전할 수 있습니다. 그러나 이 회전에는 일정한 에너지 장벽이 존재하는데, 이를 회전 장벽이라고 합니다. H2O2 분자의 회전 장벽은 약 3-4 kcal/mol 정도로 알려져 있습니다. 이 에너지는 두 개의 OH기 사이의 반발력과 수소 결합 등이 균형을 이루는 지점에 해당합니다. 회전 장벽의 크기는 분자의 구조와 결합 특성을 이해하는 데 중요한 정보를 제공합니다. 또한 이 값은 분자의 열역학적 성질과 반응성 등을 예측하는 데 활용될 수 있습니다.
5. Markovnikov's rule 실험

Markovnikov's rule은 알켄과 수소 할로겐화물의 첨가 반응에서 관찰되는 반응 방향성을 설명하는 경험적 규칙입니다. 이 규칙에 따르면 수소 할로겐화물이 알켄에 첨가될 때 수소 원자는 상대적으로 안정한 카보늄 이온이 형성되는 쪽으로 첨가됩니다. 이를 실험적으로 검증하기 위해서는 다음과 같은 실험을 수행할 수 있습니다. 1) 프로펜과 HBr의 첨가 반응을 수행하여 2-브로모프로판이 생성되는 것을 확인 2) 2-부텐과 HBr의 첨가 반응을 수행하여 2-브로모부탄이 생성되는 것을 확인 3) 이소부틸렌과 HBr의 첨가 반응을 수행하여 2-브로모이소부탄이 생성되는 것을 확인 이러한 실험 결과는 Markovnikov's rule을 뒷받침하며, 카보늄 이온 중간체의 안정성이 반응 방향성을 결정하는 주요 요인임을 보여줍니다.