화학실험1 (000)

표지 유무/형식은 담당 조교님마다 다를 수 있으니 지시사항에 따르시면 됩니다.

계산화학실습

결과 보고서

제출일 : 2026.00.00

담당 교수님 : 000 교수님

담당 조교 : 000 조교

화학생물공학부

김새결 (2026-00000)

계산화학실습 (2026.00.00.)

Abstract

Abstract(초록)가 필요한 경우 보통 조교님께서 공지해주십니다. 실험의 핵심 내용을 요약하여 3~4줄 정도로 쓰시면 됩니다.

매뉴얼 표절이 되지 않도록 주의합니다.

본 실습에서는 Avogadro와 GAMESS를 이용하여 여섯 가지 다원자 분자의 구조적 특성(결합 길이, 결합각도, 쌍극자 모멘트, 결합에너지)을 분석하였다. 또한 네 가지 분자의 이합체에 대한 구조 최적화 계산을 통해 분자 간 힘을 계산하고 이를 비교하였다.

Results

매뉴얼에서 언급된 항목(결합 길이, 각도 등)을 모두 포함하여 작성합니다.

분자의 구조 최적화

[표 ] 6가지 분자들의 결합 길이, 결합각도, 쌍극자 모멘트, 에너지 및 결합 차수

	결합 길이(Å)		결합각도(°)		쌍극자 모멘트(D)	결합에너지 (Eh)	결합에너지 (eV)	결합 차수
[eqn: rm CH_4]	C-H	1.082	H-C-H	109.5	0.000	-40.1805541590	-1093.35	(C-H) 1
[eqn: rm C_{2}H_{4}]	C-H	1.074	H-C-H	116.1	0.000	-78.0036734345	-2122.56	(C-H) 1 (C-C) 2
	C=C	1.322	H-C=C	121.9
[eqn: rm C_{2}H_{2}]	C-H	1.053	H-C≡C	180	0.000	-76.6639840499	-2086.1	(C-H) 1 (C-C) 3
	C≡C	1.194	C≡C-H
[eqn: rm H_{2}O]	O-H	0.950	H-O-H	111.6	2.081	-75.9833851066	-2067.58	(O-H) 1
[eqn: rm H_{2}S]	S-H	1.353	H-S-H	96.1	0.548	-398.6271341863	-10847	(S-H) 1
[eqn: rm H_{2}Se]	Se-H	1.466	H-Se-H	93.7	0.241	-2400.6202578551	-65323.3	(Se-H) 1

데이터가 많은 만큼, 표를 최대한 직관적으로 구성합니다. 계산 결과로 나타나는 값의 단위에 주의합니다. (환산 필요)

GAMESS로 분자 구조를 계산한 후 결합 길이, 결합각도, 쌍극자 모멘트 및 결합에너지의 분석 결과를 확인하였다. 분자의 에너지는 [eqn: rm 1Eh SIMEQ 27.211`eV]임을 이용하여 환산하였다. 결합 차수는 [eqn: {(결합`오비탈의`전자`수)-(반결합`오비탈의`전자`수)} over {2}]로 계산한 결과 및 수소와 중심 분자가 이루는 결합의 차수가 1이라는 점을 이용해 구하여 나타내었다.

계산화학실습과 같이 계산 과정이 많은 실험의 경우, 데이터 환산 과정을 최대한 자세히 작성하시는 것이 좋습니다.

이합체의 구조 최적화

[표 ] 4가지 이합체에서의 (중심 원자) 핵간거리, 이합체의 에너지 및 이합체를 이루는 분자 간의 힘

	[eqn: rm CH_4] dimer	[eqn: rm H_{2}O] dimer	[eqn: rm H_{2}S] dimer	[eqn: rm H_{2}Se] dimer
중심 원자의 핵간거리(Å)	4.898	2.836	4.392	4.879
결합에너지(Eh)	-80.3601789334	-151.9756076907	-797.2550367633	-4801.2402409466
결합에너지(eV)	-2186.68	-4135.41	-21694.1	-130647
분자간 힘(eV)	0.019171	-0.24826	-0.10681	0.051804
구조 및 쌍극자 벡터

분자간 힘([eqn: E_{i n t er action{])은 가. 에서 계산한 단일 분자의 결합에너지([eqn: E _{monomer}])와 이합체에서의 결합에너지([eqn: E _{d i`mer}])를 이용하여 [eqn: E_{i n t er action} = E_{dimer} - 2 times E_{monomer}]로 계산하였다. [eqn: rm H_{2}O] dimer의 분자간 힘의 절댓값이 가장 크게 나타났다.

Discussion

분자의 구조 최적화

[eqn: rm CH_4], [eqn: rm C_{2}H_{4}], [eqn: rm C_{2}H_{2}]는 VSEPR 이론을 통해 예상할 수 있듯 각각 정사면체, 한 평면상에 위치하는 두 개의 평면 삼각형, 직선형의 구조를 가진다. 이때 [eqn: rm C_{2}H_{4}]의 H-C-H 결합각이 120°보다 작고 H-C=C 결합각이 120°보다 큰 것은, 탄소 간의 이중 결합을 이루는 공유전자쌍의 반발이 탄소-수소 간 단일 결합을 이루는 공유전자쌍의 반발보다 크게 작용하기 때문으로 해석할 수 있다. [eqn: rm C_{2}H_{4}]와 [eqn: rm C_{2}H_{2}]에서의 탄소 간 결합 길이를 살펴보면, 더 높은 결합 차수(3차)를 가지는 [eqn: rm C_{2}H_{2}]에서의 결합 길이가 더 짧은 것을 확인할 수 있다.

실습에서 나타난 결과 → 해석 순으로 서술하는 것이 좋습니다. 이때 적용되는 이론을 간략히 기술하여 결과 해석을 뒷받침합니다.

[eqn: rm H_{2}O], [eqn: rm H_{2}S], [eqn: rm H_{2}Se] 또한 VSEPR 이론을 통해 예상된 바와 같이 굽은형의 구조를 가지며, 결합각은 [eqn: rm H_{2}O]>[eqn: rm H_{2}S]>[eqn: rm H_{2}Se]로 나타났다. 이는 산소, 황, 셀레늄 모두 16족의 원소이면서 주기가 커짐에 따라 원자 반지름이 커지고, 이에 따라 전기음성도가 감소하기 때문으로 해석된다. 중심 원자의 전기음성도가 작을수록 전자가 분자에 고르게 분산되어 반발이 작아져, 이에 따라 결합각이 작아지게 되는 것이다. 결합 길이가 결합각과 반대로 [eqn: rm H_{2}O]<[eqn: rm H_{2}S]<[eqn: rm H_{2}Se] 순서로 계산되는 것을 통해, 또한 중심 원자의 전기음성도에 따른 결합의 세기를 확인할 수 있다.

이합체의 구조 최적화

네 가지 분자들의 이합체 구조 최적화 결과를 분석하여 [표 2]에 나타내었다. 이때 가. 의 분석 결과에서 쌍극자 모멘트가 0.5 이상으로 크게 나타난 [eqn: rm H_{2}O] 및 [eqn: rm H_{2}S]의 dimer는 분자간 힘이 음수로 나타나, 분자 간 인력이 작용함을 알 수 있으며 비교적 쌍극자 모멘트가 작은 [eqn: rm H_{2}Se]와 무극성인 [eqn: rm CH_4]의 dimer에서는 분자 간에 오히려 척력이 작용하고 있다. 분자 간의 인력이 강한 분자일수록 중심 원자의 핵간거리가 짧게 나타나는 것 또한 확인할 수 있다. [eqn: rm H_{2}O] dimer의 핵간거리가 특히 짧은(분자간 힘이 특히 강한) 이유는 나. 에서 분석한 네 가지 분자 중 [eqn: rm H_{2}O] 분자에서 유일하게 수소 결합 형성이 가능하기 때문으로 보이며, 수소 결합은 분자간 힘 중 가장 강하기 때문에 다른 세 가지 분자보다 특히 분자 간의 거리가 짧게 나타난 것으로 판단된다. 이합체에서의 쌍극자 세기는 단일 분자의 쌍극자 모멘트의 크기 순서와 마찬가지로 [eqn: rm CH_4](무극성이므로 쌍극자 모멘트=0)<[eqn: rm H_{2}Se]<[eqn: rm H_{2}S]<[eqn: rm H_{2}O]로 나타났다.

데이터에 특이사항이 있다면 discussion에서 그 이유에 대한 설명을 추가합니다.

References

계산화학실습은 특히 필수로 포함되어야 하는 참고문헌을 공지해주시니 해당 사항에서 감점되지 않도록 주의합니다.

GAMESS Manual, https://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/GAMESS_Manual/input.pdf (accessed 2024-04-02).

Gordon, M. S.; Schmidt, M. W. Advances in electronic structure theory: GAMESS a decade later. In Theory and Applications of Computational Chemistry; Elsevier, 2005; pp 1167-1189.

Atkins, P. W.; Jones, L. Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th ed.; MacMillan, 2009; pp 113-124.

결과 해석 과정에서 참고한 자료(책, 지식백과 등)도 작성하는 것이 좋습니다.

Assignment

담당 조교님께서 공지하신 과제를 풀어 작성합니다. 계산화학실습 보고서는 타 실험과 분량 제한이 다르니 주의합니다.

Supporting Information

분량 제한이 빡빡한 계산화학실습 보고서의 특성상, 오비탈 이미지 등 자리를 많이 차지하는 추가 자료는 부록으로 빼주시는 것이 좋습니다.

시뮬레이션 프로그램에서 이미지를 저장하여 삽입할 수 있습니다.

[eqn: rm CH_4], [eqn: rm C_{2}H_{4}], [eqn: rm C_{2}H_{2}]의 분자 오비탈 (HOMO, LUMO)

	[eqn: rm CH_4]	[eqn: rm C_{2}H_{4}]	[eqn: rm C_{2}H_{2}]
HOMO
LUMO

[eqn: rm H_{2}O], [eqn: rm H_{2}S], [eqn: rm H_{2}Se]의 분자 오비탈 (HOMO, LUMO)

	[eqn: rm H_{2}O]	[eqn: rm H_{2}S]	[eqn: rm H_{2}Se]
HOMO
LUMO