Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Квантовая теория химических реакций

Когда две молекулы сталкиваются, один или несколько атомов могут перейти от одной молекулы к другой в результате получается новая молекула. Этот процесс называется химической реакцией, и он очень важен для биологии и промышленности. Химикам нужно понимать все тонкости химических реакций. Какие атомы перейдут от одной молекулы к другой во время столкновения, какими будут продукты реакции, какими должны быть реагенты, какова будет скорость реакции? Закономерности протекания химических процессов во времени изучает химическая кинетика.Туннельный эффектПри работе с химическими реакциями важно знать, какова константа скорости химической реакции. Многие ученые занимаются измерением скоростей химических реакций, а также изучают их продукты. Проблема в том, что проводить эксперименты зачастую сложно и дорого, но в современном мире нам стал доступен новый способ определения скоростей реакции, для которого не нужны эксперименты: мы можем использовать наше знание теории и компьютерные вычисления.Здесь важно понимать, что, когда две молекулы сталкиваются, потенциальная энергия между ними достигает пиковых значений, а затем спадает. Если у молекул достаточная скорость, достаточная кинетическая энергия, то есть она превышает энергетический барьер химической реакции, реакция пройдет очень быстро. Но зачастую молекулам не хватает кинетической энергии, чтобы пройти этот барьер. Как же тогда происходит реакция? Оказывается, даже в таком случае реакцию можно запустить, поскольку атомы могут преодолеть барьер благодаря туннельному эффекту. Этот невероятный эффект предсказан квантовой физикой, в классической ньютоновой механике его нет. Взгляните на окно: квантовая физика утверждает, что благодаря туннельному эффекту в теории я могу пройти сквозь оконное стекло и собраться на его другой стороне.Разумеется, на практике этого не происходит, поскольку вероятность такого события невероятно мала, но, когда две молекулы сталкиваются и, например, атом водорода переходит с одной молекулы на другую, туннельный эффект может возникнуть с довольно высокой вероятностью. Так что вычисление вероятностей прохождения через энергетический барьер это очень важная часть современной квантовой химии. С какой вероятностью атом преодолеет энергетический барьер? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно обратиться к квантовой механике.Уравнение Шрёдингера и скорость протекания химической реакцииКвантовая механика особенно активно разрабатывалась в 1920-е годы. В частности, квантовая теория связана со знаменитым уравнением великого австрийского ученого Эрвина Шрёдингера. Он записал ключевое уравнение квантовой механики, которое используется для такого рода вычислений для атомов и молекул. Оно пришло ему в голову совершенно неожиданно, когда он катался на лыжах в Швейцарии во время рождественских каникул 1925 года, и было опубликовано в 1926 году. Первое уравнение затрагивало только энергетические уровни электрона в атоме водорода, но затем он нашел решения и для гармонического осциллятора, а также для вращения молекул. Позднее Макс Борн, великий соперник Шрёдингера родом из Гёттингена, решил применить уравнение Шрёдингера к столкновениям атомов и молекул, а затем другие ученые поняли, что можно применить его к описанию химических реакций и прохождения атомов через энергетический барьер.Таким образом, у нас есть уравнение, которое описывает туннельный эффект. Вы можете решить его для нужной вам химической реакции и узнать, с какой вероятностью частица преодолеет энергетический барьер. Этот процесс сильно зависит от температуры: если она низкая, то и энергия молекул небольшая, а барьер высокий, и вероятность туннелирования очень мала. Но если повысить температуру, молекулы движутся активнее, и они могут пройти этот барьер, то есть вероятность туннелирования растет. Таким образом, скорость химической реакции и вероятность туннелирования зависят от температур, а значит, уравнение Шрёдингера нужно решать много раз сначала для низких энергий столкновений, а затем для все более и более высоких. Затем необходимо усреднить все значения и вы получите скорость химической реакции. Многие химики и другие ученые знают, что с помощью уравнения Шрёдингера можно вычислять свойства атомов и молекул: инфракрасные спектры молекул, электронные спектры молекул, термодинамические свойства вроде изменения энергии. Но немногие знают, что с его помощью можно получить скорость протекания химической реакции.Приложение идей квантовой механикиУ этой возможности есть множество важных сфер применения. Например, в атмосфере Земли практически при комнатной температуре протекает множество важных реакций с участием молекул воды, OH, кислорода, озона, оксидов азота, различных углеродных соединений в их числе, разумеется, диоксид углерода, который играет важную роль в глобальном потеплении. Мы можем рассчитать скорости этих реакций, так как иногда их сложно измерить напрямую. В этом случае мы сможем объяснить многие происходящие в атмосфере Земли процессы.Но мы можем вычислять скорость реакций и для задач астрономии, когда нужно изучать молекулы в открытом космосе. В частности, радиоастрономия позволила обнаружить в межзвездном пространстве много молекул, и они могут вступать в химические реакции. Нам важно понимать, как молекулы образуются в таких условиях, поскольку, например, в межзвездных облаках температуры могут быть очень низкие.Таким образом, одно из важных приложений квантовой механики в современной науке это предсказание скоростей химических реакций, протекающих в космосе иногда при низких температурах, а иногда и при высоких. Например, многим ученым важно понять, как образуются органические молекулы, то есть те, в которых есть атомы углерода. Если мы сможем в этом разобраться, то мы поймем, как образуются молекулы жизни, в составе которых есть углерод, азот, кислород и еще один-два других атома. Даже то, как образуются длинные углеродные цепочки, было не вполне понятно, пока ученые в моей команде и во многих других не начали обсчитывать эти реакции с помощью квантовой механики. Мы обнаружили, что, если атом углерода реагирует с молекулами вроде ацетилена и этилена, реакция происходит очень быстро даже при таких низких температурах, как в межзвездных облаках. Можно рассчитать скорость реакции и предсказать, какие молекулы смогут образоваться в результате. Иногда ученые получают спектр молекул, обнаруженных в открытом космосе, а затем сравнивают его с аналогичными вычислениями химиков.В астрофизике есть еще один крупный нерешенный вопрос, едва ли не самая фундаментальная проблема астрофизики. Она связана с водородом (H2). Во Вселенной больше молекул водорода, чем каких-либо еще. Сейчас фундаментальные астрономические теории подсказывают нам, что во Вселенной образуется много атомов водорода, но возникает вопрос: как они объединяются в молекулы? Если два атома водорода сталкиваются, они некоторое время остаются в неустойчивом состоянии, а затем снова распадаются на два атома.Среди всего прочего мы изучали и эту проблему. В космосе есть много межзвездной пыли, то есть маленьких твердых частиц, в их составе может быть кремний, кислород и другие элементы. Они могут выступать катализаторами химических реакций. Катализаторы снижают барьер химических реакций и невероятно важны в промышленности, поскольку позволяют проводить те химические реакции, которые в иных условиях не произошли бы. Мы обнаружили, что если поместить атомы водорода на твердые частицы вроде оксидов кремния, то эти частицы сработают как катализатор, а атомы водорода смогут сблизиться. Катализатор забирает энергию водорода, чтобы в результате получился H2, и происходит выделение водорода. Так образуется молекула H2.Катализаторы очень важны в промышленности: одна из самых важных химических реакций в промышленности это производство аммиака из азота и водорода (N2 и H2). Энергетический барьер этой реакции огромен, но великий немецкий химик Фриц Габер открыл металлические катализаторы, ускоряющие этот процесс. В частности, для этого применяется железо: если использовать в качестве катализатора железо, энергетический барьер снижается, и реакция может начаться. Таким образом, если у вас есть N2 и H2, вы снижаете барьер, расщепляете молекулу азота, и она может вступить в реакцию с H2, в результате чего получается NH. Потом NH может вступить в реакцию с H2 и образовать NH2, а затем присоединение еще одного атома водорода позволит получить аммиак, который очень важен, например, в сельском хозяйстве. Но весь этот процесс зависит от катализатора, который снизит энергетический барьер.И сегодня мы можем рассчитать все эти процессы при помощи квантовой механики Шрёдингера: мы можем предсказать скорости реакций и довольно хитроумным способом получить варианты катализаторов. Можно смешивать в разных пропорциях железо и рутений и получить крайне эффективный катализатор его действие можно вычислить методами квантовой механики. Поразительно, что Шрёдингер изначально разработал эту фундаментальную теорию в 1926 году для атома водорода, а теперь мы можем применять ее для решения разных задач в промышленности, экологии и других сферах.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 02.03.2021 12:16:32
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru