Bề mặt thế năng: cực tiểu, điểm yên, đường phản ứng
Khám phá một bề mặt kiểu tính toán với hai giếng nối qua điểm yên, theo đường năng lượng cực tiểu và liên hệ với năng lượng hoạt hoá của thuyết trạng thái chuyển tiếp.
Mục tiêu
Xác định vùng chất phản ứng, sản phẩm và trạng thái chuyển tiếp trên bề mặt thế năng 2D, rồi vẽ đường năng lượng cực tiểu giữa chúng.
Dụng cụ và hoá chất
Một bề mặt thế năng mô hình hai toạ độ (đồng phân hoá A → B) vẽ thành cảnh 3D xoay được.
Cách làm
- Xoay bề mặt cho tới khi thấy rõ cả hai giếng (loài A và B) và đường gờ giữa chúng.
- Xác định điểm yên ở giữa: cực đại dọc theo đường phản ứng nhưng là cực tiểu theo phương ngang.
- Đi theo đường đứt nét từ giếng A qua điểm yên tới giếng B và ước lượng chiều cao rào so với mỗi giếng.
- Nghiêng khung nhìn sang ngang để biến cảnh quan thành biểu đồ phản ứng 1D quen thuộc: A – rào – B.
Điều cần quan sát
- Hai giếng sâu bằng nhau: phản ứng trung hoà nhiệt, nhưng đường đi vẫn phải leo qua điểm yên.
- Điểm yên bằng phẳng theo phương ngang và dốc theo phương đường phản ứng — dấu hiệu của điểm yên bậc một (một tần số ảo).
- Lệch khỏi đường đứt nét đều tốn năng lượng về cả hai phía — đường năng lượng cực tiểu là con đường mà phản ứng chậm thực sự ưu tiên.
Giải thích
Bề mặt thế năng cho năng lượng điện tử theo toạ độ hạt nhân (cận Born–Oppenheimer). Cực tiểu là các phân tử bền; điểm yên bậc một là trạng thái chuyển tiếp. Thuyết trạng thái chuyển tiếp biến chiều cao rào thành hằng số tốc độ, , nên mỗi kJ·mol⁻¹ rào thêm làm phản ứng chậm theo hàm mũ. Các phương pháp năng lượng tự do tính lại mặt này có kể entropy ở nhiệt độ hữu hạn.
Nhà hoá học liên quan
Thí nghiệm ảo: một mô hình đơn giản hoá để xây dựng trực giác. Nó không thay thế thực hành thật và huấn luyện an toàn; không tự làm lại tại nhà khi không có người hướng dẫn.