Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin 1. Zapisz konfigurację elektronową dla atomu helu (dwa elektrony) i wyjaśnij, dlaczego cząsteczka wodoru jest stabilna, a cząsteczka helu nie istnieje. 2. Zapisz konfigurację elektronową dla atomu boru, węgla, azotu, tlenu, siarki i fosforu. 3. Zapisz konfigurację elektronową dla atomu neonu i argonu. Wyjaśnij, dlaczego jako gazy szlachetne są one niereaktywne. 4. Zapisz konfigurację elektronową atomu sodu, potasu, magnezu i wapnia. 5. Narysuj kształty wszystkich orbitali atomowych dla wartości głównej liczby kwantowej 2 atomu wodoru. 6. Wymień orbitale atomowe w atomie wodoru, które mogą odpowiadać wartości głównej liczby kwantowej 3 i naszkicuj ich kształty. 7. Czy w atomie wodoru istnieje orbital opisywany następującym zestawem trzech liczb kwantowych: n=2, l=1, m=1? Jeśli tak, to naszkicuj jego kształt. 8. Jaki stopień degeneracji będzie obserwowany dla atomu wodoru w stanie charakteryzowanym główną liczbą kwantową cztery? Podaj symbole wszystkich orbitali atomowych w tym stanie i odpowiadające im wartości pobocznej i magnetycznej liczby kwantowej. 9. Czym różni się orbital 1s od orbitalu 2s dla atomu wodoru? 10. Jaką energię należy dostarczyć, aby wywołać pobudzenie elektronu w atomie wodoru ze stanu 1s do stanu 3p? 11. Co oznacza, że poziomy energetyczne w atomie azotu są kwantowane? Wyjaśnij na przykładzie. 12. Znając wyrażenie na energię elektronu w atomie wodoru, podaj wartość potencjału jonizacji atomu wodoru w jednostkach atomowych. 13. Jaki jest sens fizyczny funkcji falowej? 14. Czego dotyczy zakaz Pauliego? Wyjaśnij na przykładowej konfiguracji elektronowej. 1
15. Na wybranym przykładzie wyjaśnij, czego dotyczy reguła Hunda. 16. Wymień trzy czynniki wpływające na efektywność nakładania orbitali atomowych podczas tworzenia cząsteczki. W maksymalnie trzech zdaniach omów jeden z nich na wybranym przykładzie. 17. Naszkicuj diagram orbitali molekularnych w cząsteczce wodoru (poziomy energetyczne, kształt orbitali molekularnych, wyznacz rząd wiązania i wyjaśnij, dlaczego taka cząsteczka jest stabilna. 18. Czy kation helu He + 2 może być stabilny? Odpowiedź uzasadnij. 19. Znając konfigurację elektronową atomu węgla wyjaśnij, jak tłumaczy się powstawanie czterech równocennych wiązań σ węgiel-wodór w cząsteczce metanu. 20. Jak tłumaczy się płaską strukturę cząsteczki etylenu? Naszkicuj kształt orbitali molekularnych w tej cząsteczce. 21. Wyjaśnij, dlaczego rotacja wokół wiązania σ wymaga dostarczenia XXX energii, a rotacja wokół wiązania π aż 260 kj/mol? 22. W maksymalnie trzech zdaniach wyjaśnij ogólny sens przybliżenia Borna Oppenheimera. Jakie są istotne dla chemików konsekwencje tego przybliżenia? 23. W maksymalnie trzech zdaniach wyjaśnij istotę przybliżenia π-elektronowego. 24. Wyjaśnij szczególną stabilność cząsteczki benzenu posługując się diagramem poziomów energetycznych dla orbitali molekularnych benzenu. 25. Podaj warunki aromatyczności cząsteczki i przykłady trzech cząsteczek aromatycznych i trzech niearomatycznych. 26. Naszkicuj diagram poziomów energetycznych dla orbitali molekularnych cząsteczek cyklobutadienu, rodnika cyklopentadienylowego i benzenu i porównaj stabilność tych cząsteczek. 27. Posługując się diagramem poziomów energetycznych dla orbitali molekularnych cząsteczki cyklobutadienu wyjaśnij jej szczególną reaktywność. 28. Czy cząsteczka all-cis-[10]annulenu jest aromatyczna? Odpowiedź uzasadnij. 29. Jak w najprostszy sposób oszacować długość fali promieniowania absorbowanego przez cząsteczkę? 2
30. Wymień trzy sposoby oszacowania długości fali absorbowanej przez cząsteczkę β-karotenu. Który z nich będzie najmniej czasochłonny i pracochłonny, a który najbardziej? 31. Energie HOMO i LUMO dla następujących układów wynoszą odpowiednio: Wskaż cząsteczki absorbujące promieniowanie w zakresie widzialnym (350-1000nm). Przyjmij 1 ev = 1.602 10 19 J, h = 6.626 10 34 Js i c = 3 10 8 m/s. 32. Cząsteczka likopenu absorbuje promieniowanie o długości fali 900nm. Jaki kolor likopenu będzie obserwowany? Wyjaśnij. 33. Znając potencjał elektrostatyczny wyznaczony za pomocą obliczeń kwantowochemicznych dla benzenu, pirydyny i indolu wskaż trzy miejsca najbardziej podatne na atak protonu. 3
34. Znając rozkład ładunków cząstkowych w pirydynie i anilinie wskaż miejsca najbardziej podatne na atak grupy nitrowej i hydroksylowej. 35. Znając rozkład ładunków cząstkowych w pirydynie, pirolu i indolu wskaż miejsca najbardziej podatne na atak grupy nitrowej i hydroksylowej. 36. Znając kształt granicznych orbitali molekularnych dla cząsteczki butadienu i etylenu wskaż, według jakiego mechanizmu będzie zachodziła reakcja cykloaddycji w warunkach termicznych, a według jakiego w warunkach fotochemicznych. Odpowiedź uzasadnij. 4
37. Jaki wpływ ma energia orbitalu HOMO na charakter nukleofilowy związku? Znając energie HOMO cząsteczek benzenu (-6.89 ev), pirydyny (-6.98) i aniliny (-5.53) zdecyduj, która z nich będzie najmocniejszym nukleofilem. Odpowiedź uzasadnij. 38. Znając energie LUMO cząsteczek benzenu (-0.18 ev), pirydyny (-0.78 ev) i aniliny (0.002 ev) zdecyduj, która z tych cząsteczek będzie najmocniejszym elektrofilem. Odpowiedź uzasadnij. 39. Krótko wyjaśnij istotę przybliżenia jednoelektronowego. 40. Czy metody Hartree-Focka można użyć do oszacowania energii oddziaływania bocznego adeniny i tyminy? Odpowiedź uzasadnij. 41. Czy metody Hartree-Focka można użyć do oszacowania energii dysocjacji cząsteczki wodoru? Odpowiedź uzasadnij. 42. Jak w prosty sposób oszacować pierwszy potencjał jonizacji dla cząsteczki pirydyny znając jej energie orbitali HOMO (-6.98 ev) i LUMO (-0.78 ev)? 43. Wyjaśnij, co to jest energia korelacji elektronowej? 44. Podaj stopień utlenienia i ładunek formalny atomów w następujących cząsteczkach: CO, CO 2, NH 3, metan, metanol, metanal, kwas mrówkowy, eten, etyn, octan etylu. 45. Znając graniczne orbitale molekularne dla cząsteczki etenu wskaż, czy reakcja cykloaddycji 2+2 będzie biegła w warunkach termicznych/fotochemicznych w sposób suprafacjalny, czy antarafacjalny. 46. Znając kształt granicznych orbitali molekularnych cząsteczki 1,3-butadienu i etylenu uzasadnij, do jakich produktów prowadzi reakcja cykloaddycji w warunkach termicznych, a do jakich w warunkach fotochemicznych. 5
47. Znając kształt orbitali granicznych cząsteczki 1,3,5-heksatrienu uzasadnij, czy reakcja elektrocyklizacji w warunkach termicznych/fotochemicznych będzie biegła przez konrotację, czy przez dysrotację. Jakie w wyniku tej reakcji powstaną produkty? 48. Na czym polega stosowany powszechnie w chemii obliczeniowej ciągły model rozpuszczalnika? Czym różni się od modeli dyskretnych? 49. Co to jest solwatochromizm? Podaj przykład związku solwatochromowego i zastosowania tego zjawiska. 50. W trzech zdaniach wyjaśnij istotę metod opartych na teorii funkcjonałów gęstości. Jaka jest różnica między tymi metodami i metodami opartymi na funkcji falowej? Jakie są zalety tego podejścia? Karta wzorów E n = 1 Z 2 (1) 2 n 2 6