上級 · 25分
ポテンシャルエネルギー曲面：極小・鞍点・反応経路
鞍点でつながる2つの谷をもつ計算風の面を探索し、最小エネルギー経路をたどって遷移状態理論の活性化エネルギーと結びつける。
目的
2次元ポテンシャルエネルギー面上で反応物・生成物・遷移状態の領域を特定し、その間の最小エネルギー経路をなぞる。
器具と試薬
回転可能な3D地形として描かれた、2座標のモデルポテンシャルエネルギー面（異性化 A → B）。
手順
- 面を回転させて2つの谷（種 A と B）とその間の尾根が見えるようにする。
- 中央の鞍点を見つける：反応経路方向では極大だが、直交方向では極小。
- 破線を A の谷から鞍点を越えて B の谷までたどり、各谷に対する障壁の高さを見積もる。
- 視点を横に傾けると、地形がなじみの1次元反応プロファイル A – 障壁 – B になる。
観察すること
- 2つの谷は同じ深さで反応は熱中性だが、経路は鞍点を登らなければならない。
- 鞍点は直交方向に平坦で経路方向に急峻——一次鞍点（虚振動数が1つ）の特徴。
- 破線から外れるとどちら側でもエネルギーが増す——最小エネルギー経路はゆっくりした反応が実際に好むルートである。
解説
ポテンシャルエネルギー面は核座標の関数として電子エネルギーを与える（ボルン–オッペンハイマー近似）。極小は安定分子、一次鞍点は遷移状態である。遷移状態理論は障壁の高さを速度定数 に変換するので、障壁が 1 kJ·mol⁻¹ 高くなるごとに反応は指数関数的に遅くなる。自由エネルギー法は有限温度のエントロピーを含めてこの面を再計算する。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。