Superficie de energía potencial

Una superficie de energía potencial describe la energía de un sistema, principalmente de un conjunto de átomos, en función de ciertos parámetros, normalmente las posiciones de los átomos. La superficie puede definir la energía como una función de una o más coordenadas; si solo hay una coordenada, la superficie se llama curva de energía potencial o perfil de energía. Un ejemplo es el potencial de Morse.

Superficie de energía potencial para una molécula de agua: muestra el mínimo de energía correspondiente a la estructura molecular optimizada del agua - longitud de enlace O-H de 0,0958 nm y ángulo de enlace H-O-H de 104,5°

Es útil usar la analogía de una cordillera: para un sistema con dos grados de libertad (por ejemplo, dos longitudes de enlace), el valor de la energía (analogía: el pico de una montaña) es una función de dos longitudes de enlace (analogía: las coordenadas de la posición en el suelo).^[1]​

El concepto de superficie de energía potencial tiene aplicaciones en campos como la química teórica o la física teórica. Se puede usar para explorar teóricamente las propiedades de estructuras compuestas por átomos, por ejemplo calculando velocidades de reacción.

Definición matemática y computación

La geometría molecular se puede describir con un vector ${\displaystyle \mathbf {r} }$  que determina las posiciones de los átomos. El vector ${\displaystyle \mathbf {r} }$  puede ser el conjunto de coordenadas cartesianas de los átomos, o también puede ser el conjunto de distancias y ángulos interatómicos.

Dado el vector ${\displaystyle \mathbf {r} }$ , la energía en función de las posiciones ${\displaystyle E(\mathbf {r} )}$ , es el valor de ${\displaystyle E(\mathbf {r} )}$  para todas las posiciones ${\displaystyle \mathbf {r} }$  de interés. Usando la analogía de la cordillera, ${\displaystyle E}$  corresponde con la altura de una montaña en una cordillera de energía.

Para estudiar una reacción química utilizando la superficie de energía potencial en función de las posiciones atómicas, es necesario calcular la energía para cada disposición atómica de interés.

Para sistemas químicos muy simples o cuando se hacen aproximaciones simplificadoras sobre interacciones interatómicas, algunas veces es posible usar una expresión derivada analíticamente para la energía en función de las posiciones atómicas. Un ejemplo es el potencial London-Eyring-Polanyi-Sato^[2]​^[3]​^[4]​ para el sistema H + H₂ en función de las tres distancias H-H.

Historia

El concepto de una superficie de energía potencial para reacciones químicas lo sugirió por primera vez el químico físico francés René Marcelin en 1913.^[5]​ El primer cálculo semiempírico de una superficie de energía potencial fue propuesto para la reacción H + H₂ por Henry Eyring y Michael Polanyi en 1931. Eyring usó superficies de energía potencial para calcular las constantes de velocidad de reacción en la teoría del estado de transición en 1935.

Véase también

• Química teórica
• Química computacional
• Coordenada de reacción
• Mecanismo de reacción

Referencias

1. Potential-energy (reaction) surface in Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997)
2. Sato, S. (1955). «A New Method of Drawing the Potential Energy Surface». Bulletin of the Chemical Society of Japan 28 (7): 450. doi:10.1246/bcsj.28.450. «On a New Method of Drawing the Potential Energy Surface». The Journal of Chemical Physics 23 (3): 592. 1955. Bibcode:1955JChPh..23..592S. doi:10.1063/1.1742043. 
3. Keith J. Laidler, Chemical Kinetics (3rd ed., Harper & Row 1987) p.68-70 ISBN 0-06-043862-2
4. Steinfeld J.I., Francisco J.S. and Hase W.L. Chemical Kinetics and Dynamics (2nd ed., Prentice-Hall 1998) p.201-2 ISBN 0-13-737123-3
5. Computational Chemistry: Introduction to the Theory and Applications of Molecular and Quantum Mechanics Errol G. Lewars, 2nd ed. (Springer 2011) p.21 ISBN 978-9048138616

•   Datos: Q2572687