درک تازه ای از انرژی واکنش های شیمیایی در سطح کوانتومی

0

تمام واکنش های شیمیایی با تغییر انرژی همراهند که در مقیاس ماکروسکوپی می توان آن را با روش های مختلفی اندازه گیری کرد، اما فهم ریشه ی این انرژی در مقیاس کوانتومی، بسیار پیچیده تر است. با دیپ لوک همراه باشید…

شیمیدانان دانشگاه کرنل نیویورک، دکتر رام و پروفسور هوفمن، راه جدیدی برای فهم ریشه ی انرژی واکنش های شیمیایی در سطح کوانتومی پیدا کردند. مقاله ی آنها در ژورنال انجمن شیمی آمریکا (ACS) منتشر شد.

درک تازه ای از انرژی واکنش های شیمیایی در سطح کوانتومی

انرژی برهمکنش ملکول ها، اتم ها و الکترون ها را می توان به طور جمعی درنظر گرفت. این ایده، قلب مقاله ای است که دانشمندان به تازگی ارائه کرده اند. اما یک سوال بسیار بزرگ وجود دارد: این انرژی از کجا آمده است و چگونه در طول واکنش ها تغییر می کند؟ محققان در طول سالها، تفسیرهای مختلفی درباره ی تجزیه ی این انرژی و چگونگی تفکیک آن پیشنهاد کرده اند.

در این مقاله، دانشمندان طرح تازه ای برای تجزیه ی این انرژی ارائه کردند که بر اساس آن، تغییر  انرژی کل یک واکنش شیمیایی را می توان به سه مولفه، تفکیک کرد: دافعه ی هسته-هسته (انرژی دافعه ای بین هسته های مثبت اتم های مختلف)، میانگین انرژی پیوند الکترون (انرژی میانگین لازم برای حذف یک الکترون از اتم) و برهمکنش های الکترون-الکترون (انرژی دافعه ای بین الکترون های منفی). دانشمندان طرح خود را اینگونه توضیح دادند: زمانیکه دو اتم به یکدیگر نزدیک تر می شوند، ابتدا دافعه ی بین دو هسته، افزایش می یابد که باعث می شود الکترون ها برای پوشش قسمتی از این دافعه، به فضای بین هسته ها مهاجرت کنند. میانگین انرژی پیوند الکترون ها به علت متفاوت بودم جاذبه های الکترون-هسته تغییر می کند. زمانیکه الکترون ها به یکدیگر نزدیک می شوند، برهمکنش آنها قوی تر می شود. اندازه گیری این برهمکنش الکترون-الکترون، یکی از بزرگترین چالش ها در شیمی محاسباتی است.

یکی از نتایج بسیار مهم این پژوهش این است که اکنون می توان برهمکنش های الکترون-الکترون را از روی داده های تجربی، تخمین زد. در حالیکه تا پیش از این، تنها راه بدست آوردن انرژی برهمکنش الکترون-الکترون، ساخت یک تابع موج کوانتومی به صورت ریاضی و سپس تخمین حل معادله ی شرودینگر بود، اما این پژوهش ثابت می کند می توان چنین اطلاعاتی را از داده های تجربی و آزمایشگاهی دقیق استخراج کرد.

اندازه گیری الکترونگاتیوی

یکی دیگر از نتایج این پژوهش، درک تازه ای از مفهومی بنیادی به نام الکترونگاتیوی است. رایج ترین تعریفی که برای الکترونگاتیوی به کار می رود، توسط لینوس پاولینگ در سال ۱۹۳۲ به این شکل ارائه شد: قدرت یک اتم برای جذب الکترون ها به سمت خودش. تعریف دیگری که در سال ۱۹۸۹ و توسط لی آلن پیشنهاد شد، الکترونگاتیوی را معادل میانگین انرژی پیوند الکترون های والانس می داند. مقادیر الکترونگاتیوی آلن بسیار به مقادیر پائولینگ نزدیک است، اما مزیت اصلی تعریف آلن این است به کمک آن می توان الکترونگاتیوی را به طور تجربی (مثلاً با استفاده از طیف سنجی فوتوالکترون) اندازه گیری کرد، در حالیکه با روش پائولینگ، اندازه گیری تجربی امکان پذیر نیست.

از فهم بنیادی تا استفاده ی عملی

توانایی اندازه گیری تجربی میانگین انرژی پیوند الکترون و امکان تعیین دافعه ی هسته-هسته و برهمکنش های الکترون-الکترون از طریق داده های تجربی، بی سابقه است. مهم تر از همه اینکه، با این روش می توان درصد تغییر انرژی کل برای هر یک از سه نوع برهمکنش، اندازه گیری کرد. دانشمندان به کمک این اطلاعات، تمام واکنش های شیمیایی و تبدیل های فیزیکی را بسته به اینکه واکنش انرژی مصرف می کند یا انرژی آزاد می کند یا اینکه از نظر انرژی پیوند، مطلوب است یا نه، به هشت نوع تقسیم کردند. آنها همچنین نشان دادند که در چهار دسته از این هشت دسته، آگاهی از انرژی پیوند برای پیش بینی احتمال پیشرفت واکنش، کافی است.

بخش اعظمی از شیمی با مقادیر نسبی کار می کند، اما این مقاله، راه را برای اندازه گیری انرژی های مطلق باز می کند. در اولین گام، می توان انرژی مطلق یک سیستم تک الکترونی (مانند +C5، کربنی که یکی از الکترونهایش را از دست داده) را اندازه گیری کرد که در آن، دافعه ی الکترون-الکترون، صفر است. سپس با افزودن یکی یکی الکترون ها، می توان انرژی مطلق اتم کربن و برهکمنش های الکترون-الکترون را اندازه گیری گرفت. این روش کاملاً عملی است، چرا که می توان میانگین انرژی پیوند الکترون را برای هر مرحله، به طور تجربی اندازه گرفت.

با جمع بندی از توضیحات بالا در می یابیم که این مقاله، سه نتیجه ی مهم دارد: ۱- مفهوم بسیارمهم الکترونگاتیوی را با انرژی کل مرتبط می کند. ۲- از طریق داده های تجربی می توانیم اهمیت برهمکنش های الکترون-الکترون را در واکنش های شیمیایی تخمین بزنیم ۳-نخستین طرح تفکیک انرژی است که می تواند با استفاده از  هر یک از داده های تجری و محاسباتی به کار گرفته شود. دانشمندان قصد دارند تا این درک نظری و تئوری را برای مطالعه ی انواع واکنش های شیمیایی به کارگیرند.

منبع: phys.org

برای آگاهی از تازه ترین مقالات دیپ لوک، کافیست ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کنید: [wysija_form id=”1″]

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

ارسال نظر


*