De moleculaire partitiefunctie

Presentatie over: "De moleculaire partitiefunctie"— Transcript van de presentatie:

1 De moleculaire partitiefunctie
en afgeleide thermodynamische en kinetische grootheden

2 Canonische vorm van de kinetische energie :
Hamiltoniaan dient uitgedrukt te worden in termen van veralgemeende coordinaten en de toegevoegde momenten kinetische energie in functie van toegevoegde momenten ipv snelheden : Voorbeeld voor 1 dimensionale rotatie rond as : Niet in canonische vorm Veralgemeende coordinaat is en indien q een hoek  voorstelt :

3 bij drie-dimensionele globale rotatie : bepaald door ogenblikkelijke hoeksnelheid

4 kinetische energie uitgedrukt in veralgemeende snelheden :
met toegevoegde momenten : matrix = functie van de Euler en torsiehoeken

5 Definities De energietoestanden van een molecule zijn gekwantiseerd
Ze worden gevonden als oplossing van de stationaire Schrodingervergelijking In een macroscopisch systeem zijn er heel veel moleculen aanwezig nl. Na per mol. Hoe verdelen de verschillende moleculen zich over de energietoestanden bij een bepaalde Temperatuur ? = waarschijnlijkheid om het systeem te vinden in energietoestand En (kB is de Boltzmann constanten en T de temperatuur) De probabiliteiten zijn genormeerd : De kans om het systeem aan te treffen in energietoestand En =

6 Partitiefunctie : legt de link tussen microscopische en macroscopische
beschrijving van het systeem Algemene definitie voor energietoestanden met ontaarding : g(En) is de ontaarding horende bij het energieniveua En

7 Decompositie van de partitiefunctie voor elke vrijheidsgraad
Onderstel dat de Hamiltoniaan van het systeem kan opgesplitst worden als volgt : De deelhamiltonianen behoren bij onafhankelijke vrijheidsgraden welke niet gekoppeld zijn. Voor elk van de subsystemen kan de eigenwaardevergelijking worden opgelost : De totale energie van het systeem is een som van de energiën van de subsystemen : De totale partitiefunctie kan aldus worden gefactoriseerd : Partitiefunctie van elke subsysteem

8 Klassieke definitie van de partitiefunctie
Als de temperatuur toeneemt : het aantal kwantumtoestanden dat bevolkt wordt stijgt energieniveaudichtheid neemt toe

9 De partitiefunctie kan klassiek worden bepaald :
Voor een systeem met N vrijheidsgraden. Hamiltoniaan in functie van de Veralgemeende coördinaten en toegevoegde momenten Het is steeds nodig een stel onafhankelijke veralgemeende coördinaten te vinden Waarmee de beweging éénduidig kan worden gedefinieerd. Het toegevoegd moment wordt afgeleid via het Lagrange Hamilton formalisme : Met de Lagrangiaan :

10 Illustratie : één-dimensionale rotatie van een asymmetrische top
Hamiltoniaan Toegevoegd moment Klassieke partitiefunctie

11 Geval : Vrije rotor van symmetrische top

12 Moleculaire Partitiefunctie
De energie van de molecule kan als volgt geschreven worden : Afsplitsing van elektronische en translationele energie Decompositie van de partitiefunctie Elektronische partitiefunctie in Born-oppenheimerbenadering : Grondtoestandsenergie van de molecule

13 Translationele partitiefunctie :
Kinetische energie geassocieerd met translationele beweging : De beweging van het massamiddelpunt is deze van een vrij deeltje met Hamiltoniaan : Oplossingen : De normering gebeurt door het opleggen van periodieke randvoorwaarden :

14 Deeltje in box met afmetingen a
Energieniveaus : a Voor klein.

15 Partitiefunctie van N onafhankelijke coordinaten (rotatie, vibratie,…)
Beschouwen we een probleem gekarakteriseerd door N onafhankelijke coordinaten Waarvan de kinetische energie volgende vorm heeft : Er dient overgegaan te worden naar toegevoegde momenten : Bijhorende klassieke partitiefunctie :

16 Algemeen uitwerking van volgende integraal met B niet diagonale matrix :
Diagonaliseer eerst B mbv unitaire transformatie : Dus de klassieke partiitiefunctie bij N veralgemeende co :

17 Bijzonder geval ontkoppeling van rotationele en interne modes :
Als de koppelingsterm tussen de globale rotatie en de interne modes kan verwaarloosd worden : De partitiefunctie wordt gefactoriseerd als volgt :

18 Rotationele partitiefunctie
Inertiaalmomenten : Diagonalisatie Ia,Ib,Ic Sferische top Geval I : Ia=Ib=Ic Vb. CH4 Geval I : Ia=Ib<=Ic Symmetrische top Vb. Benzeen, NH3 Geval I : Ia<=Ib<=Ic Assymetrische top Vb. H2O

19 Bijzonder geval :Rotationele partitiefunctie voor een diatomische molecule
Center of Mass Center of mass at origin =reduced mass of rotating molecule

20 In dit geval zijn er slechts 3N-5 rotationele vriijheidsgraden
Rotationele energieniveaus Met ontaarding 2J+1 massamiddelpunt Invoering van rotationele temperatuur : Als rotationele temperatuur laag genoeg kan overgegaan worden Naar klassieke behandeling Vb. CO2 : 2.77K en op kamertemperatuur

21 Voor lineaire moleculen met zware atomen kan rotationele partitiefunctie in gesloten
Vorm worden geschreven Als H atomen voorkomen zoals H2 moet de expliciete sommatie worden uitgevoerd

22 Symmetriegetal voor de rotationele beweging :
Aantal mogelijke gelijke configuraties worden bekomen door rotatie. 2 1 12 3

23 6 12 1 2

24 Algemeen geval : rotationele partitiefunctie van een polyatomische molecule
Kinetische energie van de globale rotationele beweging Overgaan op veralgemeende coordinaten en toegevoegde momenten : Veralgemeende coordinaten zijn de hoeken van Euler Of Klassieke partitiefunctie :

25 Vibrationele partitiefunctie
Harmonische oscillator met frequentie Energieniveaus : Vibrationele partitiefunctie

26 Vibrationele partitiefunctie klassiek :
In de limiet van hoge temperaturen convergeren klassieke en kwantummechanische Partitiefuncties naar elkaar

27 Bepalen van thermodynamische grootheden
Entropie in functie van de moleculaire partitiefunctie : Aldus wordt de entropie in functie van de moleculaire partitiefunctie : Symmetriegetal is bijzonder belangrijk en gaussian maakt dikwijls fouten

28 Bepalen van de entropie in alkanen :

29 q=qtrans qvib qrot qelectronic
Invloed van interne rotaties op de partitiefuncties : Totale moleculaire partitiefunctie q=qtrans qvib qrot qelectronic Sommige laag gelegen modes Corresponderen met interne rotaties rot,int,m k B

30 Rotational wave function
Alle interne rotaties zijn gekoppeld In eerste instantie kunnen alle interne rotaties worden ontkoppeld Reduced moment of inertia Energy Eigenvalues Rotational wave function

31

32 Coupling between total and internal rotation Global rotation
In rekening brengen van gekoppelde interne rotaties : Globale en interne rotaties zijn gekoppeld : Totale rotationele hamiltoniaan : H=H R+ H T + H RT Coupling between total and internal rotation Global rotation Coupled internal rotations Uncoupled internal rotation

33 Verschillende conformeren van het butylbenzeen radicaal

34

35 2 3 BB2 BB3 BB4 BB5 BB1

36

37 Illustratie adh van n-alkanen

38

39

40 Chemische kinetiek Chemische reactie tussen de moleculen A,B,… met vorming van ..,Y,Z Voorbeelden : Unimoleculaire reacties Radicalair : Cyclisatie Opeenvolging van cyclisaties (cascadereacties) Ionair : Thermische degradatie van carbonaten

41 Tube skin in Cr/Ni/Fe alloy
Chemische kinetiek Chemische reactie tussen de moleculen A,B,… met vorming van ..,Y,Z Voorbeelden : Unimoleculaire reacties Radicalair : Ionair : Thermische degradatie van carbonaten Process gas : Hydrocarbon mixture Tube skin in Cr/Ni/Fe alloy Coke layer

42 Bimoleculair Radicalair : Waterstofabstracties
Additiereacties : (Polymerisatie van ethyleen)

43 Ionair

44 Vereenvoudigde voorstelling van een chemische reactie :
Activatie energie

45 Omzettingsgraad van de reactie op het tijdstip t :
n is het aantal mol van de molecule i Reactiesnelheid : Verandering van de omzettingsgraad per tijdseenheid Genormeerd op een constant volume om concentraties in te voeren Praktisch niet bruikbaar Deeltjesaantallen Concentraties

46 Experimenteel geldt volgende uitdrukking :
Temperatuursafhankelijke factor : Reactiesnelheidsconstante ma,mb zijn partiele reactieorden ma+mb+…= totale reactie orde Eenheden : mol per tijdseenheid per volume-eenheid Eenheden van k zijn afhankelijk van de reactie orde

47 Eenheden van de reactiesnelheidsconstante voor verschillende reactieordes

48 Tijdsafhankelijkheid wordt opgenomen in de concentraties
A + B C Beginconcentratie op t0 : A0 Veronderstel eerste orde reactie : v(t)=k[A]=-d[A]/dt

49 Voor een reversibele reactie : A B

50 Temperatuursafhankelijkheid snelheidsconstante :
Exponentieel verloop Arrhenius rate law : Preexponentiele factor Activeringsenergie Explosieve reacties Enzymatische reacties

51 Uitbreidingen Arrhenius rate law :
Voorbeelden van Arrhenius plots :

52 Microscopische bepaling van de snelheidsconstante (Transitietoestandstheorie ):
bepaalde partitiefuncties

53 Moleculair energieverschil tussen geactiveerd
Complex en reactant

54 Geactiveerd complex Polymerisatie van ethyleen – Radicalaire additiereacties

55 Eerste reactie ethyl radicaal etheen butyl radicaal
eerste stap in het polymerisatieproces van polyethyleen (vrij radicalair propagatiemechanisme)

56 Vormende binding Benaderende reactiecoordinaat

57 tsAD1 tsAD2 tsAD3 tsAD4 tsAD5

58 Unimoleculair : thermische degradatie van polymeren

59

60 Gecombineerde reactiecoordinaat

61 Reacties binnen de cokesvorming

62 Waterstofabstractie

63 Cyclisatie

64 Arrhenius rate law Rate constant : transition state theory

65