متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :شیمی

گرایش : شیمی تجزیه

عنوان : محاسبات کوآنتومی برهمکنش یونهای کبالت ، جیوه ، سرب و آلومینیوم با نانولوله های کربنی و بورنیترید

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد رشت

 

دانشکده علوم پايه

گروه آموزشی شيمی

 

پايان‌نامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

رشته: شیمی   گرايش: شیمی تجزیه

 

عنوان:

محاسبات کوآنتومی برهمکنش یونهای کبالت ، جیوه ، سرب و آلومینیوم با نانولوله های کربنی و بورنیترید

 

استاد راهنما:

دکتر مجید کیاء

اردیبهشت 1394

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

عنوان                                                                صفحه

چکیده 1

فصل اول: مقدمات و تعاریف اولیه

1-1 مقدمه. 3

1-2 محاسبات کوانتومی.. 7

1-2-1انواع محاسبات کوانتومی.. 7

1-2-2 کاربرد محاسبات کوانتومی.. 8

1-3 یون کبالت و خواص آنها 11

1-3-1 کاربرد کبالت… 14

1- 4 یون جیوه و خواص آن. 15

1-4-1 کاربرد جیوه 17

1-5 یون سرب وخواص آن. 18

1-5-1 کاربرد سرب… 22

1-6 یون آلومینیوم و خواص آن. 28

1-6-1 کاربرد آلومینیوم. 30

1-7  نانولوله های کربنی و ویژگی های آنها 31

1-7-1 کاربرد نانولوله های کربنی.. 32

1-8 نانولوله های بور نیترید. 33

1-8-1 کاربرد نانو لوله های بور نیتریدو ویژگی های آنها 34

فصل دوم: مروری بر اطلاعات لازم

2-1 مقدمه. 36

2-2 نقاط کوانتومی.. 38

2-3 محاسبه شعاع نانو لوله ها 43

2-4 پیوند یونی.. 45

فصل سوم: روش انجام کار

3-1 روش های انجام کار. 52

3-2 انرژی اتصال. 59

3-3  ممان دوقطبی.. 61

3-4  محاسبات خواص بنیادی.. 62

3-4-1 بررسی مقادیر انرژی یونش… 63

3-4-2 بررسی مقادیر الکترونخواهی.. 64

3-4-3 بررسی مقادیر پتانسیل شیمیایی.. 64

3-4-4 بررسی مقادیر سختی و نرمی.. 64

3-5( شکاف بین HOMO و LUMO.. 64

منابع و مأخذ. 90

فهرست جداول

عنوان                                                                                            صفحه

جدول 1-1 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی کبالت… 12

جدول 1-2 خواص حرارتی و الکتریکی کبالت… 13

جدول 1-3 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی جیوه 16

شکل 1-4 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی سرب… 20

جدول 1-5 خواص مکانیکی و حرارتی سرب… 20

جدول 1-6 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آلومینیوم. 29

جدول 3-1 انرژی ساختارها بعد از قرار گرفتن یون های کبالت(II)، سرب(II)، جیوه(II)، آلومینیم(III)، در داخل نانو لوله‎ها به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ. 60

جدول 3-2 ممان دو قطبی ساختار ها، قبل و بعد از برهمکنش یون های کبالت(II)، سرب(II)، جیوه(II)،آلومینیم(III)، با نانولوله ها به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ   برحسب دبای.. 61

جدول 3-3 بررسی خواص بنیادی ساختارها 63

جدول 3-4 شکاف بین HOMO – LUMO بعد از قرار گرفتن یونها در داخل نانولوله ها به روش DFT/B3LYP و سری پایه Lanl2DZ برحسب ev. 65

فهرست اشکال

عنوان                                                                                       صفحه

شکل 1-1 نمایش حرکت الکترون در فضای اطراف هسته در مدل اتمی بور. 3

شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف… 4

شکل 1-3 خواص یون کبالت… 12

شکل 1-4 یون جیوه و خواص آن. 16

شکل 1-5 یون سرب و خواص آن. 20

شکل 1-6 یون آلومینیوم و خواص آن. 30

شکل 2-1 مکانیزم هدایت الکتریکی در یک ترکیب نیمه هادی.. 40

شکل 2-2 خاصیت فوتوالکتروشیمیایی نقاط کوانتومی تحت تابش نور الف) ایجاد جریان آندی در حضور ترکیب الکترون دهنده (D) در محلول ب)ایجاد جریان کاتدی در حضور ترکیب الکترون گیرنده (A) در محلول. 43

شکل 2-3 روابط میان اضلاع یک مثلث… 46

شکل 2-4 ارتباط طول بردار کایرال با طول بردارهای m و n.. 46

شکل 2-5 انرژی پتانسیل و فاصله یونی.. 50

شکل 3-1 ساختار بهینه شده نانولوله های  مطالعه شده به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ.. 54

شکل3-2 ساختار بهینه شده نانولوله ها بعد از قرار گرفتن یون های کبالت(II)، سرب(II)، جیوه(II)، آلومینیم(III) در داخل آن ها به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ.. 60

(1)شکل 3-3- ساختار اوربیتال های   HOMO(a) و  LUMO(b) و طیف  DOS CNT & Co(II) 67

(2)شکل 3-4-HOMO وLUMO و طیف  DOS نانولوله. 69

(3) شکل 3-5- اوربیتال های   HOMO(a) و  LUMO(b) وطیف  DOS ساختار CNT &Pb+2 70

(4)شکل 3-6- اوربیتال‎های  HOMO(a) و  LUMO(b)وطیفDOS ساختار CNT )& Al+3. 71

(5)شکل 3-7- ساختارHOMO وLUMO   و طیف  DOS نانولوله BNT(6,0)& Al+3. 73

(6)شکل 3-8 ساختارHOMO وLUMO طیف DOS نانولوله BNT(6,0) & Co+2. 74

(7)شکل 3-9 ساختارHOMO وLUMO طیف DOS نانولوله BNT & Hg+2 75

(8)شکل 3-10 HOMO وLUMO و طیف  DOS نانولولهBNT(6,0) & Pb2+. 77

(9) شکل 3- 11-HOMO  وLUMO وطیف  DOS نانولوله BNnt-Ga &Hg2+. 78

(10) شکل 3-12- HOMO  وLUMO و طیف  DOS نانولوله BNNT-Ga& Pb2+. 79

(11) شکل 3-13- HOMO وLUMO و طیف  DOS نانولولهBNNT-Ga&Al3+. 81

(12) شکل3-14 –HOMO  وLUMO و طیف  DOS نانولوله  BNNT-Ga& Co2+. 82

(13) شکل3-15 – HOMO وLUMO و طیف  DOS نانولوله  CNT(5-5) &Al3+. 84

(14) شکل 3-16- HOMO  وLUMO و طیف  DOS نانولوله CNT(5-5)&Co2+. 85

(15) شکل 3-17- HOMO وLUMO و طیف  DOS نانولوله     CNT(5-5) & Hg2+. 86

(16) شکل3-18 –  HOMO وLUMO و طیف  DOS نانولولهCNT(5-5) &Pb2+ 88

چکیده

در سال های اخیر، استفاده از نانولوله ها به عنوان نانو حامل های انتقال دارو مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق از نانولوله های کربنی CNT(5-5) و CNT(6-0) و BNNT(6-0) و BNNT(5-5) dopped Ga استفاده شده است.

ابتدا نانولوله ها به‎وسیله نرم افزارهای Gauss View و Nanotube Modeler ترسیم شده و سپس به‎وسیله نرم افزار Gaussian 09  با روش DFT و سری پایه B3LYP/LanL2DZ محاسبه گردید و سپس یونهای سرب (II) ، کبالت (II) و جیوه (II) و آلومینیم (III) در داخل نانولوله هایی قرار گرفت و به روش ذکر شده محاسبه گردید. نتایج حاصل شامل اطلاعات مربوط به انرژی اتصال، ممان دو قطبی، بارهای اتمی، خواص بنیادی (پتانسیل یونش، الکترونخواهی، پتانسیل شیمیایی و سختی و نرمی) و شکاف انرژی HOMO و LUMO محاسبه و ارزیابی شدند و نتایج زیر بدست آمد. از نظر انرژی اتصال و میزان جذب، نانولوله CNT(5,5) بیشترین برهمکنش و جذب را با یون Pb2+ دارد.

از نظر ممان دو قطبی نانولوله BNNT(5,5)dopped Ga بیشترین ممان دو قطبی را با یون Al3+ نشان داده است و ساختار نانولوله CNT(5-5) با یون Al3+ کمترین ممان دو قطبی را دارا است.

مقادیر انرژی یونش نشان داده که ساختار Hg2+ & BNNT-Ga بیشترین انرژی یونش و ساختار Hg2+ & CNT(6,0) کمترین انرژی یونش و بیشترین واکنش پذیری را دارد.

مقادیر شکاف HOMO و LUMO در یونها قبل از برهمکنش با نانولوله ها زیاد و بعد از برهمکنش آن کاهش پیدا کرده است که این کاهش نشان دهنده انتقال بار و افزایش رسانایی می باشد و در بین ساختارها بعد از قرار گرفتن یون در داخل آنها، ساختار Hg2+ & BNNT-Ga بیشترین شکاف و کمترین رسانایی را دارا هستند.

کلیدواژه ها: محاسبات کوآنتومی، برهمکنش یونها، نانولوله های کربنی و بور نیتریدو DFT

فصل اول

مقدمات و تعاریف اولیه

1-1 مقدمه

مدل اتمي بور كه تا پيش از پيدايش مكانيك كوانتومي،كاملترين نظريه در توصيف جهان خُرد بود، نمي توانست در مورد قواعد انتخاب اتم هيدروژن اظهار نظر درستي نمايد. بر طبق چنين قواعدي كه از لحاظ تجربي مشاهده شده بودند، تنها ترازهاي معيني از انرژي ديده مي شوند. در واقع الكترون اتم هيدروژن، هر انرژي دلخواهي ندارد و تنها مقيد به برخي انرژي هاي معين است. نظريه اتمي بور كه امروزه نظريه كوانتوم قديم خوانده مي شود، ريشه هاي در مكانيك كوانتومي نداشت و اصول خود را از مكانيك كلاسيك به وام مي‎گرفت. با اين حال، نظريه بور به وضوح، گسستگي ترازهاي انرژي را در اتم هيدروژن نشان مي داد. در اين نظريه علاوه بر انرژي، اندازه حركت زاويهاي هم كميتي گسسته بود. حتي فضاي حركت الكترون به دور دسته هم محدود به مدارهاي خاص با فاصله معيني از هسته مي‎شد. تمايز نظريه كوانتوم قديم و مكانيك كلاسيك در گسسته بودن مقادير كميتهايي مثل انرژي و اندازه حركت زاويه هاي بود.همان طور كه در شكل 1-1 مي‎بينيد در نظريۀ  بور، الكترون روي ترازهايي با انرژي و شعاع معين از هسته قرار دارد.

اين نظريه عدم سقوط الكترون بر روي هسته اتم هيدروژن را نيز توجيه مي نمود. چون الكترون تنها مي تواند در مدارهاي معيني باشد، در گذر از مداري به مدار ديگر، انرژي از خود نشر ميكند كه مقدار آن دقيقاً برابر با انرژي جدا كنندگي اين دو تراز از همديگر است. اوايل قرن بيستم آزمايشات جديدي آغاز شد كه نكاتي را در مورد صحت و سقم مكانيك سيالات آشكار ساخت. يكي از آنها كه ظرفیت گرمای در حجم ثابت و در فشار ثابت  اجسام بود.[1و11]

شکل 1-1 نمایش حرکت الکترون در فضای اطراف هسته در مدل اتمی بور

طبق نظريۀ كلاسيك و بر اساس اصل همبخشي سهم ارتعاش  بايد برابر  باشد اما در عمل وابستگي دمايي زيادي براي  مشاهده شد. در ابتدا ماكس پلانك بود كه با فرض گسسته بودن مقادير انرژي، توانست مدلي رضايتبخش براي توصيف تابش دمايي از يك كاواك فراهم سازد. نظريه ي وي به دليل اين فرض بسيار عجيب و غيرمتداول كه انرژي مقادير گسسته اي دارد، طرد شد. اما چند سال بعد اَينشتن در آزمايش فتوالكتريك درستي اين فرض را نشان داد. وي طي آزمايشي كه به اثر فتوالكتريك معروف شد نشان داد كه تنها مقادير معيني از انرژي مجاز هستند و انرژي، كميتي گسسته است. در اين آزمايش سطح صاف فلزي مانند  را تحت تابش قرار مي دهند و دو سر آن را به دو الكترود وصل مي‎كنند. جريان الكتريكي ناشي از كنده شدن الكترونها باعث ثبت اختلاف ولتاژ ميشود. در اين آزمايش نور رفتار بسيار متفاوتي با آنچه كه در مورد آن دانسته مي شد ارائه داد.[1]

طبق مكانيك كلاسيكي فرض مي شود كه انرژي تابش متناظر با شدت تابش است. بنابراين در آزمايش فتوالكتريك انتظار مي رفت كه با افزايش شدت نور تابيده شده به سطح فلز، جريان بيشتري حاصل آيد. اما در عمل با افزايش شدت نور هيچ تغييري در جريان خروجي حاصل نشد. از سوي ديگر در مكانيك كلاسيك با افزايش فركانس نبايد تغييري در شدت جريان رخ دهد. اما مشاهده شد كه با افزايش فركانس و رسيدن به حد معيني (فركانس آستانه) شدت جريان زياد ميشود. پس آزمايش نشان مي دهد كه انرژي به فركانس بستگي دارد. آينشتن سرانجام رابطۀ زير را براي توصيف اين پديده پيشنهاد نمود:

در اينجا  فركانس آستانه است كه اگر فركانس تابش كمتر از آن باشد جذبي صورت نميگيرد و  انرژي جنبشي الكترون خروجي از سطح است. وي پيشنهاد نمود كه نور بايد رفتار غير موجي داشته باشد و بايد ذرهاي عمل نمايد. پيش از اين نيز نيوتن ماهيت ذرهاي براي نور قائل بود. اما آزمايش هايي مثل آزمايش يانگ (آزمايش دو شكاف) موجي بودن نور را نشان ميدادند. در آزمايش يانگ با گذشتن نور از دو شكاف در كنار هم الگوي پراشي در پرده مشاهده مي شود كه به سادگي از مكانيك موجي نتيجه گرفته مي‎شود[8و1].

شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف

اما نظريه‎ي كوانتومي بر پايه‎ي گسسته بودن مقادير كميت‎ها به رشد خود ادامه داد و پس از فرمول‎بندي در سال 1925 توسط هايزنبرگ و 1926 توسط شرودينگر تا اوايل دهه چهل، آن قدر مسائل لاينحلي را حل نمود كه قابل تصور نبود. مكانيك كوانتومي نظريه اي كاملاً آماري است و بسياري از قواعد آماري كلاسيك در آن موجود هستند. با اين تفاوت كه آمار در مكانيك كلاسيك براي مجموعه اي از سيستم ها و به دليل جهل ما از وضعيت كامل سيستم استفاده مي‎شد، اما در مكانيك كوانتومي به دليل اين كه پديده‎ها ذاتاً آماري هستند مورد استفاده قرار ميگيرد. حتي آمار كوانتومي براي تك سيستم هاي منفرد وجود دارد. مضاعف بر اين كه احتمال در مكانيك كوانتومي ارجاع به وضعيت حال سيستم ندارد و تنها در مورد پس از انجام عمل اندازه گيري است. اما در مكانيك كلاسيك، احتمال وضعيت فعلي سيستم را تشريح مي‎كند.[8]

به فاجعه ماوراءبنفش معروف شد شكست مطلق مكانيك آماري كلاسيك در توصيف تغييرات مضرّات و آثار سوء کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت مربوط به انواع مختلف آلودگی[1] آب، هوا، خاک، پسماندهای خطرناک[2]، فلزات سنگین و غیره بر کسی پوشیده نیست. امروزه در سراسر گیتی، هزینه هایی گزاف در راستای کنترل و بی خطرسازی آلاینده ها مصرف می گردد و بدیهی است کشور ما نیز با توجه به روند پرشتاب توسعه، از این امر مستثنی نخواهد بود. بنابراین، هرگونه پژوهش مفید در این زمینه ها می تواند کمکی قابل ملاحظه به حفاظت و صیانت از محیط زیست و تضمین سلامت مردم نماید؛ ضمن آنکه پدیده مخرب ریزگردها[3] را نیز که استان های کشور به طور جدی با آن دست به گریبان هستند نباید به فراموشی سپرد.

از طرف دیگر، پدیده های مرتبط با مقیاس نانو در بسیاری از فرآیندهای محیط زیستی غالب هستند؛ بنابراین، اینگونه میانکنش ها دارای اهمیت ویژه در حوزه محیط زیست و سلامت انسان می‎باشند. با توجه به اینکه واکنش های رایج در مقیاس نانو، ذاتاً در سطح مولکولی روی می دهند، هماهنگی دقیق در خصوص مطالعه ذراتِ در مقیاس نانو مرتبط با سیستم های طبیعی از یکسو، و قوانین شیمی کوانتومی[4] و شیمی محاسباتی[5]  وجود دارد. [9و7]

مبنای شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، مدلسازی و انجام محاسبات بسیار پیچیده، طولانی و زمان بر،  براساس تحلیل انواع مختلف معادلات شرودینگر[6] و دیگر مدلهای ریاضی پیشرفته در مکانیک کوانتومی میباشد که از طریق به کارگیری کامپیوترهای با کیفیت و قدرتمند و استفاده از نرم افزارهای کاملاً تخصصی، مطالعه و پژوهش در این زمینه ها انجام می‎پذیرد.

نظر به اینکه ذرات بسیار ریز مقیاس، ویژگی های خاصی را از خود نشان می‎دهند به طوری که می‎توان آنها را به تفکیک مطالعه کرد و همچنین واکنش های آنها را در ارتباط با سایر نانوذرات بررسی نمود، توجهی خاص به پژوهش در این مسیر معطوف شده است. به ویژه در مورد نانوذرات، بررسی خصوصیاتِ مرتبط با مقیاس اتمیِ اینگونه ذرات در محیط زیست، انواع برهم‎کنش های احتمالی و به خصوص، امکان پیش بینیِ نتایجِ متنوع حاصله و مسیرهای کنترل آنها در محیط زیست، حائز اهمیت فوق العاده است.

در اغلب موارد، نانوذرات با به اصطلاح میزبان‎هایی دیگر نیز مرتبط و همساز می‎باشند؛ بطور مثال، از اینگونه میزبان ها در محیط زیست می توان به نانوذرات فلزی موجود در سولفیدها، هسته های کربنی ترکیبات آلی، سولفیدهای آرسنیک، سولفیدها یا اکسیدهای آهن و همچنین نانوذرات اتمسفری موجود در ریزگردها اشاره نمود.ساختار نانوذرات، پایداری، ویژگی های شیمیایی، بار الکتریکی، حالات الکترونی، خصوصیات مغناطیسی و سرانجام، میانکنش های نانوذرات در محیط زیست، بستگی به نحوه ارتباطات آنها با سایر ذرات، مولکولها و میزبان ها دارد؛ بنابراین، مهندسی مولکولی و درک دقیق اینگونه ارتباطات در سطح اتمی بسیار ضروری است. [6و1]

ب) اهمیت شیمی کوانتومی در محیط زیست:

به منظور مطالعه و دریافت جزئیات ویژه مربوط به موارد فوق الاشاره در هر مکان جغرافیایی و زیست محیطی خاص، لازم است ترکیبی از روش های علمی مدرن در مقیاس نانوذرات به کار گرفته شود؛ در این خصوص، مهمترین تکنیک برای درک کامل فرآیندهای شیمی– فیزیکی مشاهده شده، استفاده از شبیه سازی ها[7] و روش های علمی سطح بالا مبتنی بر مکانیک کوانتومی[8]، شیمی کوانتومی، شیمی محاسباتی و دینامیک مولکولی[9] می‎باشد. بعلاوه، با توجه به اینکه دستیابی به بسیاری از ویژگی های ساختاری و الکترونی نانوذرات و چگونگی ارتباطات و واکنش های آنها با سایر ترکیبات در محیط زیست، به صورت آزمایشگاهی بسیار مشکل و حتی در مواردی غیر ممکن است، شبیه سازی های دقیق مولکولی میتوانند به نحوی شایسته و قابل توجه، منجر به درک پدیده ها و فرآیندهای مقیاس نانو و خواص مولکولی شوند که از جمله می توان به طول و زاویه پیوندها، ممان دو قطبی، تفاوت سطوح انرژی، توضیح طیف های مولکولی، پایداری مولکول ها، پیش بینی خواص آروماتیکی، فرکانس ها و شدت خطوط طیفی، مکانیسم واکنشهای الکتروشیمیایی و … اشاره نمود.

از دو دیدگاه تئوریک و کاربردی، بررسی نانوذرات در محیط زیست و برهمکنش های آنها با سایر ترکیبات در مقیاس مکانیک کوانتومی، اهمیت بسیار دارد. در مقایسه با سایر روش های تجربی، فقط مکانیک کوانتومی قادر به دریافت ویژگی های فیزیک وشیمیایی نانوذرات می باشد؛ بر این اساس، مطالعه و کسب اطلاعات در خصوص ویژگی های الکترونی و مغناطیسی، چه از جنبه تأثیرات آنها بر پایداری مواد و هم از نظر نوع واکنش های احتمالی و پیش بینی نتایج حاصله، فقط از طریق محاسبات کوانتومی آبینیشیو[10] امکان پذیر است. با توجه ویژه به این موضوع که واکنش های اتم – اتم درون نانوذرات، نحوه واکنش با میزبانها و میانکنش های احتمالی، از طریق به کارگیری روش های مبتنی بر مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک آماری[11] قابل دستیابی است، بسیار مهم است که با بهره گرفتن از اطلاعات دریافت شده از مدل های مکانیک کوانتومی سطح بالا، بتوان سایر روش های مناسب تجربیِ مدلسازی مولکولی مبتنی بر میدان های نیرو[12] را نیز توسعه بخشید و مجموعه پارامترها و توابع را تعیین نمود. [5و2]

تعداد صفحه : 102

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

:        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :
 
 
Categories: شیمی