cinÈtica quÍmica i dinÀmica moleculariqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_cqdm.pdf ·...

195
1 CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULAR 1 Cinètica Química .......................................................................................................................... 3 1.1 Velocitat de reacció.................................................................................................................. 5 1.2 Equació de velocitat ................................................................................................................. 7 1.2.1 Equació diferencial de velocitat ........................................................................................ 7 1.2.2 Integració de les equacions diferencials de velocitat ........................................................ 9 1.2.3 Temps de vida mitjana .................................................................................................... 14 1.3 Dependència de la constant de velocitat amb la Temperatura ............................................... 14 1.3.1 Els paràmetres d’Arrhenius............................................................................................. 15 1.3.2 Teoria d’Arrhenius de les reaccions elementals ............................................................. 16 1.4 Determinació de l’equació de velocitat.................................................................................. 18 1.4.1 Mètode de l’aïllament ..................................................................................................... 18 1.4.2 Mètode diferencial .......................................................................................................... 18 1.4.3 Mètode del temps de vida mitjana .................................................................................. 19 1.4.4 Classificació dels mètodes experimentals ....................................................................... 19 1.5 Reaccions complexes ............................................................................................................. 20 1.5.1 Reaccions reversibles ...................................................................................................... 21 1.5.2 Reaccions paral·leles ....................................................................................................... 23 1.5.3 Reaccions consecutives ................................................................................................... 25 1.5.4 Aproximació de l’estat estacionari.................................................................................. 27 1.5.5 Aproximació de l’etapa limitant ..................................................................................... 28 1.5.6 Reaccions en cadena ....................................................................................................... 29 1.5.7 Explosions ....................................................................................................................... 30 1.5.8 Polimerització ................................................................................................................. 32 1.5.9 Catàlisi ............................................................................................................................ 37 1.5.10 Mecanisme general d’una catàlisi ................................................................................... 37 2 Reacciones complexes II............................................................................................................. 39 2.1 Solucions analítiques exactes de reaccions complexes .......................................................... 41 2.1.1 Mètode de les transformades de Laplace ........................................................................ 41 2.1.2 Mètode dels determinants o mètode matricial ................................................................ 47 2.2 Mètodes numèrics .................................................................................................................. 51 2.2.1 Mètodes d’un pas ............................................................................................................ 52 2.2.2 Mètode de predictor-corrector ........................................................................................ 61 2.3 Mètodes estocàstics ................................................................................................................ 64 2.3.1 Desenvolupament analític del mètode estocàstic ............................................................ 65 2.3.2 Simulació numèrica estocàstica de reaccions químiques................................................ 71 2.4 Resolució del mecanisme d’una reacció a partir de les mesures experimentals i càlculs teòrics 77 3 Teoria de les col·lisions clàssica ................................................................................................. 78 3.1 Nombre de col·lisions per unitat de temps ............................................................................. 80 3.2 Requeriment d’una energia mínima ....................................................................................... 86 3.2.1 Comparació amb l’expressió d’Arrhenius ...................................................................... 90 3.3 Factors estèrics ....................................................................................................................... 91

Upload: others

Post on 08-Apr-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

1

CINÈTICA QUÍMICA

I DINÀMICA MOLECULAR 1 Cinètica Química .......................................................................................................................... 3

1.1 Velocitat de reacció.................................................................................................................. 5 1.2 Equació de velocitat ................................................................................................................. 7

1.2.1 Equació diferencial de velocitat........................................................................................ 7 1.2.2 Integració de les equacions diferencials de velocitat ........................................................ 9 1.2.3 Temps de vida mitjana .................................................................................................... 14

1.3 Dependència de la constant de velocitat amb la Temperatura ............................................... 14 1.3.1 Els paràmetres d’Arrhenius............................................................................................. 15 1.3.2 Teoria d’Arrhenius de les reaccions elementals ............................................................. 16

1.4 Determinació de l’equació de velocitat.................................................................................. 18 1.4.1 Mètode de l’aïllament ..................................................................................................... 18 1.4.2 Mètode diferencial .......................................................................................................... 18 1.4.3 Mètode del temps de vida mitjana .................................................................................. 19 1.4.4 Classificació dels mètodes experimentals....................................................................... 19

1.5 Reaccions complexes ............................................................................................................. 20 1.5.1 Reaccions reversibles...................................................................................................... 21 1.5.2 Reaccions paral·leles....................................................................................................... 23 1.5.3 Reaccions consecutives................................................................................................... 25 1.5.4 Aproximació de l’estat estacionari.................................................................................. 27 1.5.5 Aproximació de l’etapa limitant ..................................................................................... 28 1.5.6 Reaccions en cadena ....................................................................................................... 29 1.5.7 Explosions....................................................................................................................... 30 1.5.8 Polimerització ................................................................................................................. 32 1.5.9 Catàlisi ............................................................................................................................ 37 1.5.10 Mecanisme general d’una catàlisi ................................................................................... 37

2 Reacciones complexes II............................................................................................................. 39 2.1 Solucions analítiques exactes de reaccions complexes.......................................................... 41

2.1.1 Mètode de les transformades de Laplace ........................................................................ 41 2.1.2 Mètode dels determinants o mètode matricial ................................................................ 47

2.2 Mètodes numèrics .................................................................................................................. 51 2.2.1 Mètodes d’un pas ............................................................................................................ 52 2.2.2 Mètode de predictor-corrector ........................................................................................ 61

2.3 Mètodes estocàstics................................................................................................................ 64 2.3.1 Desenvolupament analític del mètode estocàstic............................................................ 65 2.3.2 Simulació numèrica estocàstica de reaccions químiques................................................ 71

2.4 Resolució del mecanisme d’una reacció a partir de les mesures experimentals i càlculs teòrics 77

3 Teoria de les col·lisions clàssica ................................................................................................. 78 3.1 Nombre de col·lisions per unitat de temps............................................................................. 80 3.2 Requeriment d’una energia mínima....................................................................................... 86

3.2.1 Comparació amb l’expressió d’Arrhenius ...................................................................... 90 3.3 Factors estèrics....................................................................................................................... 91

Page 2: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

2

4 Superfícies d’energia potencial (PES) ........................................................................................ 96 4.1 Aproximació de Born-Oppenheimer...................................................................................... 99

4.1.1 Equació de Schrödinger electrònica................................................................................ 99 4.1.2 Equació de Schrödinger nuclear ................................................................................... 101

4.2 Superfícies adiabàtiques i diabàtiques ................................................................................. 101 4.3 Determinació de la PES ....................................................................................................... 104

4.3.1 Forces intermoleculars i intramoleculars ...................................................................... 104 4.3.2 Potencial Empíric.......................................................................................................... 106

4.4 Perfil de la reacció, punts estacionaris de la PES, i camí de reacció intrínsec .................... 110 4.5 Localització dels punts estacionaris en la PEHS ................................................................. 114

4.5.1 Localització de mínims ................................................................................................. 115 4.5.2 Localització d’estats de transició .................................................................................. 121

5 Teoria de l’estat de transició ..................................................................................................... 122 5.1 Postulats de la TET .............................................................................................................. 124 5.2 Desenvolupament de la teoria de l’estat de transició........................................................... 126 5.3 Correccions quàntiques: efecte túnel ................................................................................... 133 5.4 Formulació termodinàmica de la TET ................................................................................. 140 5.5 Relació entre la TET i la teoria de col·lisions clàssica ........................................................ 144 5.6 Efectes isotòpics................................................................................................................... 145

5.6.1 Efecte isotòpic primari.................................................................................................. 146 5.6.2 Efecte isotòpic secundari .............................................................................................. 148

5.7 Teoria Variacional de l’estat de transició ............................................................................ 149 5.8 Aplicació de la TET............................................................................................................. 153

5.8.1 Dependència de la TET amb la temperatura................................................................. 155 5.9 La TET per reaccions en dissolució..................................................................................... 158

5.9.1 Efecte cinètic salí .......................................................................................................... 161 5.9.2 Formulació termodinàmica de la TET per reaccions en dissolució.............................. 164

6 Dinàmica molecular de les reaccions químiques ...................................................................... 166 6.1 Càlcul de les trajectòries clàssiques..................................................................................... 169

6.1.1 Elecció del tipus de PES ............................................................................................... 172 6.2 Selecció de les condicions inicials ....................................................................................... 174 6.3 Determinació de la funció opacitat ...................................................................................... 175

6.3.1 Exemples de funció opacitat ......................................................................................... 176 6.4 Secció eficaç de col·lisió i secció reactiva de col·lisió ........................................................ 179 6.5 Determinació de la secció reactiva de col·lisió .................................................................... 181 6.6 Determinació de la constant de velocitat ............................................................................. 182 6.7 Anàlisis de les trajectòries ................................................................................................... 183 6.8 Superfícies atractives i superfícies repulsives...................................................................... 190

6.8.1 Superfícies atractives .................................................................................................... 192 6.8.2 Trajectòries repulsives .................................................................................................. 192

6.9 Efectes quàntics ................................................................................................................... 193 7 Dinàmica de les col·lisions elàstiques moleculars .................................................................... 196

7.1 Moviments respecte al centre de masses ............................................................................. 196 7.2 L’energia centrifuga............................................................................................................. 199 7.3 Conservació del moment angular......................................................................................... 201 7.4 La barrera centrifuga............................................................................................................ 204 7.5 Secció eficaç de col·lisió...................................................................................................... 206 7.6 Constant de velocitat de les reaccions entre ions i molècules ............................................. 208 7.7 Constant de velocitat per reaccions amb barrera energètica................................................ 211 7.8 Introducció dels requeriments estèrics................................................................................. 214

Page 3: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

3

1 Cinètica Química

1.1 Velocitat de reacció.................................................................................................................. 5 1.2 Equació de velocitat ................................................................................................................. 7

1.2.1 Equació diferencial de velocitat........................................................................................ 7 1.2.2 Integració de les equacions diferencials de velocitat ........................................................ 9 1.2.3 Temps de vida mitjana .................................................................................................... 14

1.3 Dependència de la constant de velocitat amb la Temperatura ............................................... 14 1.3.1 Els paràmetres d’Arrhenius............................................................................................. 15 1.3.2 Teoria d’Arrhenius de les reaccions elementals ............................................................. 16

1.4 Determinació de l’equació de velocitat.................................................................................. 18 1.4.1 Mètode de l’aïllament ..................................................................................................... 18 1.4.2 Mètode diferencial .......................................................................................................... 18 1.4.3 Mètode del temps de vida mitjana .................................................................................. 19 1.4.4 Classificació dels mètodes experimentals....................................................................... 19

1.5 Reaccions complexes ............................................................................................................. 20 1.5.1 Reaccions reversibles...................................................................................................... 21 1.5.2 Reaccions paral·leles....................................................................................................... 23 1.5.3 Reaccions consecutives................................................................................................... 25 1.5.4 Aproximació de l’estat estacionari.................................................................................. 27 1.5.5 Aproximació de l’etapa limitant ..................................................................................... 28 1.5.6 Reaccions en cadena ....................................................................................................... 29 1.5.7 Explosions....................................................................................................................... 30 1.5.8 Polimerització ................................................................................................................. 32 1.5.9 Catàlisi ............................................................................................................................ 37 1.5.10 Mecanisme general d’una catàlisi ................................................................................... 37

Page 4: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

4

Sinopsi En aquest capítol introduirem els principis de la cinètica química, els quals es

basen en l’estudi de la velocitat de les reaccions químiques. Es comença definint

rigorosament la velocitat de reacció, concepte essencial per mesurar inequívocament la

velocitat de les reaccions químiques. Després, deduirem les equacions de velocitat,

expressions matemàtiques simples que relacionen la velocitat d’una reacció química

amb la concentració dels reactius i productes. A continuació, s’explicarà com la

velocitat de les reaccions químiques també depèn de la temperatura, utilitzant la Teoria

d’Ahrrenius, la primera teoria cinètica de la història. Seguidament, estudiarem diferents

mètodes per determinar les equacions de velocitat a partir de les dades mesurades en un

laboratori. Després, classificarem des del punt de vista de la cinètica química els

diferents tipus d’etapes que poden tenir les reaccions complexes, reaccions on els

reactius no es transformen directament en productes, sinó que prèviament generen

intermedis. Per acabar, estudiarem la cinètica de les explosions, les reaccions de

polimerització, i de les reaccions accelerades per l’efecte d’un catalitzador.

Page 5: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

5

químiquesreaccionslesdemecanismequímiquesreaccionslesdevelocitat

químicacinètica

El mecanisme d’una reacció química és defineix com la seqüència de reaccions

elementals o etapes que segueixen els reactius d’una reacció fins assolir els productes.

Els aspectes cinètics són tant important com la termodinàmica quan s’estudia una

reacció química.

o Segons la termodinàmica el H2 reacciona espontàniament amb l’O2 per formar H2O,

però si aquests gasos es barregen no es detecta la formació d’aigua.

o Per altra banda, si es detecta la formació d’aigua, tot i que de manera molt lenta, si la

barreja dels dos gasos es fa en presència d’un catalitzador.

o Per últim, la formació d’aigua és explosiva (reacció molt ràpida) si la barreja es fa en

presència d’una flama.

1.1 Velocitat de reacció

Reacció homogènia (reactius i productes formen una sola fase) genèrica.

aA + bB → cC + e E (1)

Evolució del numero de mols amb el temps:

EdemolsCdemols

Bdemols

Ademols

0

0

ξ

ξ

ξ

ξ

encn

bnn

ann

E

C

BB

AA

=

=

−=

−=

(2)

on An , Bn , Cn i En són els mols dels reactius i productes quan ha transcorregut un

temps t, i An0 i Bn0 són els mols inicials de A i B respectivament.

ξ (xi) es defineix com a grau d’avenç d’una reacció. Si suposem que A és el reactiu

limitant de la reacció (el reactiu limitant d’una reacció és el que governa quina és la

Page 6: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

6

màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es defineix pel cas

particular en que an A =0 , i be donat per:

ann AA

−−

= 0ξ (3)

ξ és igual a zero al inici de la reacció i igual a 1 quan el reactiu limitant s’ha exhaurit.

El canvi en el numero de mols després d’un diferencial de temps ve donat per:

ξ

ξ

ξ

ξ

eddncddn

bddnaddn

E

C

B

A

=

=

−=

−=

(4)

Es defineix la velocitat de reacció, R, com la derivada del grau d’avenç respecte al

temps:

dtdn

edtdn

cdtdn

bdtdn

adtdR

ECBA 1111==

−=

−==

ξ (5)

R és una magnitud extensiva. Es defineix com a propietat extensiva una propietat que

depèn de la quantitat de mostra, com per exemple la massa, exemple de propietats

intensives són la T o la densitat.

Si la reacció química te lloc a V constant, es defineix la velociatat de reacció per

unitat de Volum, r, com:

( )dtdx

dtVd

dtd

VVRr ====

/1 ξξ (6)

on Vx ξ= is s’anomena variable de conversió.

Page 7: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

7

Tenint en compte que la concentració d’un reactiu o d’un producte A es defineix com

[ ] VnA A= l’Eq. (2) es pot expressar en funció de variables intensives com:

[ ] [ ][ ] [ ][ ][ ] exE

cxCbxBBaxAA

==

−=−=

0

0

(7)

Expressió r en funció del canvi de la concentració d’un reactiu o d’un producte:

[ ] [ ] [ ] [ ]dtEd

edtCd

cdtBd

bdtAd

adtdxr 1111

==−

=−

== (8)

Determineu per la reacció següent l’expressió de R i r en funció de cada un dels

reactius i productes.

H2O2 (g) + 2H+ +2I– → I2 + 2H2O (9)

1.2 Equació de velocitat

1.2.1 Equació diferencial de velocitat

La velocitat de reacció per unitat de volum r depèn de la pressió (P), la temperatura (T)

i de la concentració dels reactius, productes i altres espècies com catalitzadors o

productes intermedis.

L’expressió experimental que relaciona r amb la concentracions dels sistema

homogeni a T i P constants s’anomena llei o equació diferencial de velocitat, i es pot

expressar com:

[ ]( )niATPfr i ,...,1;;; == (10)

on n és el numero total d’espècies del sistema homogeni.

Page 8: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

8

Per la gran majoria de les reaccions homogènies l’anterior equació general te la

següent expressió:

[ ]

= ∏

=

m

ii

iRkr1

α (11)

on Ri són els reactius del sistema, m és el numero de reactius.

L’exponent αi és un nombre enter o semienter (0, 1, 1/2, 2/3, ..) i s’anomena ordre

parcial de la reacció respecte al reactiu i.

El ordre total de la reacció, p, ve donat per:

∑=

=m

iip

1

α (12)

Els αi només són sempre iguals als coeficients estequiomètrics o de combinació de la

reacció (a,b,c o e) quan la reacció global és una reacció elemental.

Una reacció elemental és una reacció amb un mecanisme amb una sola etapa, es a dir

la reacció que ens dona la reacció es igual a la que descriu el mecanisme.

Per les reaccions que no són elementals, les quals s’anomenen reaccions complexes,

en alguns casos els αi són iguals als coeficients de combinació mentre que en altres no.

Exemple de reacció complexa on els αi són iguals als coeficients de combinació:

H2(g) + I2(g) → 2HI [ ][ ]22 IHkr = (13)

Exemple on passa el contrari:

CH3CHO(g) → CH4(g) + CO(g) [ ] 23

3CHOCHkr = (14)

Per les reaccions elementals, i només per les reaccions elementals l’ordre de reacció

s’anomena molecularitat.

La molecularitat ens dona el numero de molècules que participa en una reacció

elemental.

Page 9: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

9

Les reaccions elementals on participen una, dues o tres molècules s’anomenen

reaccions unimoleculars, bimoleculars o termoleculars, respectivament.

Exemple de reacció unimolecular:

O3(g) → O2(g) + O(g) [ ]3Okr = (15)

Exemple de reacció bimolecular:

H(g) + Br2(g) → HBr(g) + Br(g) ]Br][H[ 2kr = (16)

Exemple de reacció termoleculars

2O(g) + N2(g) → O2(g) + N2(g) ]N[]O[ 22kr = (17)

Teòricament res impedeix l’existència de reaccions elementals amb molecularitat més

alta que tres, però la probabilitat de que més de tres molècules es trobin en el mateix

punt de l’espai en el mateix instant es tant baixa que mai s’ha detectat en la natura.

En principi la constant k depèn de T i P, però la variació amb P es tant petita que es pot

negligir i només s’ha de tenir en compte la variació amb T.

Les unitats de la k depenen de l’ordre de l’equació de velocitat i venen donades per

(mol/l)-p+1 s-1 (amb l’objectiu que les unitats de r siguin (mol/l) s-1).

o Per exemple si l’ordre de la reacció és igual a 1 les unitats de k són s-1 mentre que si

és igual a 3 són (mol/l)-2 s-1.

1.2.2 Integració de les equacions diferencials de velocitat

La integració de les equacions diferencials de velocitat ens porta a equacions que

expressen la concentració dels reactius en funció del temps.

1.2.2.1 Reaccions d’ordre zero

Són d’ordre zero les reaccions en les que la velocitat de reacció és independent de la

concentració dels reactius.

Page 10: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

10

Per una reacció tipus:

aA → pP (18)

o L’equació diferencial de velocitat es pot escriure com:

[ ] [ ] kAkdtAd

ar ==

−= 01

(19)

o Reordenant els termes obtenim:

[ ] dtkakdtAd a−=−= (20)

o Integrant obtenim:

[ ][ ]

[ ]tdkAd

t

a

A

A

t

∫∫ −=00

(21)

[ ] [ ] tkAA at −= 0 (22)

Moltes reaccions en bioquímica aparenten ser d’ordre zero, es a dir no depenen de la

concentració de reactiu. Això es degut a que la reacció està catalitzada per un enzim.

La velocitat de reacció depèn de la concentració de l’enzim, sempre i quan el reactiu es

trobi en excés.

1.2.2.2 Reaccions de primer ordre

Per una reacció del tipus donat per l’Eq. (18) l’equació diferencial de velocitat d’una

reacció de primer ordre es pot expressar com:

[ ] [ ]AkdtAd

a=

−1

(23)

o Reordenant i integrant obtenim:

[ ][ ][ ]

[ ]tdk

AAd t

a

A

A

t

∫∫ −=00

(24)

Page 11: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

11

[ ] [ ] tkAA at −= 0lnln (25)

Així doncs, en una reacció de primer ordre la representació del logaritme neperià de la

concentració de A en front del temps dona una recta amb pendent -ka i amb una

ordenada al origen igual a [ ]0ln A .

A partir de l’Eq. (25) s’obté fàcilment l’equació que ens dona com evoluciona [ ]tA amb

el temps.

[ ] [ ] tkt

aeAA −= 0 (26)

Un exemple de reacció de primer ordre és la isomerització del isocianur de hidrogen en

cianur de hidrogen.

HNC(g) → HCN(g) (27)

Quina massa de HNC queda després de 1.5 hores de reacció si al principi de la reacció

hi havia una mostra de 1000 g de HNC? Dada k = 4.403×10-4 s-1.

o Solució: Queda per reaccionar 92.7 g de HNC.

1.2.2.3 Reaccions d’ordre mes alt que u

Per una reacció del tipus donat per l’Eq. (18) l’equació diferencial de velocitat d’una

reacció de ordre n es pot escriure com:

[ ] [ ]nAkdtAd

a=

−1 (28)

o Reordenant i integrant obtenim:

[ ][ ][ ]

[ ]tdk

AAd t

a

A

An

t

∫∫ −=00

(29)

[ ][ ]

[ ]

tkn

Aa

A

A

n t

−=+−

+−

01

1

(30)

Page 12: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

12

[ ] [ ] ( ) tknAA ann

t

1111

01 −+= −− (31)

Es a dir que en una reacció de ordre n la representació de [ ] 1+−n

tA en front del temps

dona una recta amb pendent (n+1)ka i amb una ordenada al origen igual a [ ] 10

+−nA .

o Per exemple per una reacció de segon ordre obtenim:

[ ] [ ] tkAA a

t

+=0

11 (32)

o Un exemple de reacció de segon ordre d’aquest tipus és la formació del Iode

molecular.

2I(g) → I2(g) (33)

Un altre cas particular interessant d’estudiar és una reacció de segon ordre del tipus:

aA + bB → pP (34)

o Una mescla de reactius és estequiomètrica quan compleix la relació següent:

[ ][ ]0

0

BA

ba

= (35)

o Per una mescla estequiomètrica s’obté la següent equació diferencial de velocitat:

[ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ]221 AbkdtAdAk

abBAk

dtAd

a−=⇒==

− (36)

o Reordenant i integrant obtenim:

[ ] [ ]tk

AA bt

+=0

11 (37)

Page 13: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

13

o Per una mescla no estequiomètrica, obtenim la següent equació diferencial de

velocitat:

[ ] [ ][ ] [ ]( ) [ ]( )bxBaxAkBAkdtdx

dtAd

a−−===

−00

1 (38)

o Reordenant obtenim:

[ ]( ) [ ]( ) ktbxBaxA

dxx

=−−∫0 00

(39)

o La integral es pot resoldre utilitzant el mètode de les fraccions parcials:

[ ]( ) [ ]( ) [ ] [ ] [ ] [ ]

−−−

=−− axA

abxB

bBaAbbxBaxA 000000

11 (40)

[ ]( ) [ ]( ) [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ][ ]

[ ][ ]

[ ] [ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]

=

−+

−−

−=

−−−

=−− ∫∫∫

t

t

xxx

BABA

BaAbAaxA

BbxB

BaAb

axAadx

bxBbdx

BaAbbxBaxAdx

0

0

000

0

0

0

00

0 00 0000 00

ln1lnln1

1

(41)

o Per tant l’equació integrada de velocitat per una mescla no estequiomètrica és:

[ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ]( )ktBaAb

BABA

t

t00

0

0ln −=

(42)

Un exemple de reacció de segon ordre és la formació del hidrur d’iode.

H2(g) + I2(g) → 2 HI(g) (43)

Per una equació del tipus aA + bB → pP es determinen les velocitats inicials següents:

[A] (M) [B] (M) r0 (M/s) 1.44 0.35 5.37 × 10-3

1.44 0.70 2.15 × 10-2 2.89 0.35 2.69 × 10-3

Determineu els ordres parcials de velocitat respecte a [A] i [B].

Solució: Els ordres parcials de velocitat respecte a [A] i [B] són -1 i 2, respectivament.

Page 14: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

14

1.2.3 Temps de vida mitjana

Es defineix com temps de vida mitjana com el temps que tarda la concentració d’un

reactiu limitant en assolir la meitat del seu valor inicial.

El valor del temps de vida mitjana es pot deduir fàcilment a partir de l’equació

integrada de velocitat.

o Per a una reacció d’ordre zero el temps de vida mitjana, 2

1t , ve donat per:

[ ] [ ] [ ]a

a kAttkAA22

0

21

210

0 =⇒−= (44)

o Mentre que per a una reacció de primer ordre es pot escriure com:

[ ] [ ]a

a kttkAA 2lnln

2ln

21

210

0 =⇒−= (45)

o I per últim per a una reacció d’ordre superior a 1 ve donat per

[ ] [ ] ( ) [ ] ( ) an

n

ann

n

knAttkn

AA 112112

10

1

21

211

01

0

1

−−=⇒−+= −

−−

(46)

o Aquesta equació també és valida per ordres de reacció n no enters.

Troba el temps de vida mitjana per la reacció de segon ordre A → P amb una constant

de velocitat igual a 3.07×10-4 L mol-1 s-1 quan la concentració inicial de A és:

o a) 0.05M.

o b) 0.005 M.

Solució: a) t = 65100 s; t = 651000 s.

1.3 Dependència de la constant de velocitat amb la Temperatura

Per la majoria de reaccions la constant de velocitat augmenta amb la Temperatura.

Page 15: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

15

o Per exemple, per la hidròlisi de la sucrosa la constant de velocitat es quadruplica al

passar de 25ºC a 35ºC.

1.3.1 Els paràmetres d’Arrhenius

Experimentalment es comprova que per molts casos la representació del logaritme

neperià de la constant de velocitat en front de 1/T dona una recta anomenada Equació

d’Arrhenius que es pot escriure com:

RTEAk a−= lnln (47)

o Eliminant els neperians obtenim:

RTEa

Aek−

= (48)

o La constant A s’anomena factor pre-exponencial, R és la constant dels gasos ideals i

Ea és l’energia d’activació.

o A i Ea s’anomenen els paràmetres d’Arrhenius.

o Per les reaccions que segueixen l’Equació d’Arrhenius Ea és pot obtenir a partir de la

pendent de la recta i és independent de la Temperatura.

L’expressió general de l’energia d’activació, Ea, es pot deduir a partir de la fórmula de

la constant de velocitat d’Ahrrenius:

∂∂

=⇒=∂

∂⇒−=⇒=

tkRTE

RTE

Tk

RTEAkAek a

aaRTEa lnlnlnln 2

2 (49)

o L’equació anterior de Ea és valida per les reaccions que compleixen l’Equació

d’Arrhenius i per les reaccions que no compleixen l’Equació d’Arrhenius.

o En les reaccions que no compleixen l’equació d’Ahrrenius Ea depèn de la

temperatura.

Page 16: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

16

1.3.2 Teoria d’Arrhenius de les reaccions elementals

Amb l’objecte d’explicar la dependència de la constant d’equilibri amb la Temperatura

Arrhenius en el 1889 va desenvolupar la primera teoria cinètica.

o La teoria d’Arrhenius considera que una reacció elemental es produeix com a resultat

del xocs entre les molècules de reactius.

o Però no totes les col·lisions són prou eficaces per donar lloc a la reacció, sinó que tant

sols les que aportin una energia suficient per trencar els enllaços dels reactius i

generar les molècules dels productes.

o Aquesta energia necessària per assolir el màxim de la superfície d’energia potencial

en el progrés de la reacció de reactius a productes és l’energia d’activació.

o Quan els reactius en el seu camí cap els productes assoleixen la zona propera al

màxim de la superfície potencial formen el que s’anomena complexa activat.

o El complexa activat no és cap intermedi de reacció ja que alguns dels seus enllaços

no són definitius sinó que estan en procés de formació o trencament.

o Els complexes activats tenen una vida mitjana de 10-13 s i per tant no es poden

detectar.

Page 17: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

17

o L’estat del sistema químic associat al màxim de la barrera de potencial que separa

reactius de productes s’anomena estat de transició.

o A partir de la gràfica es pot veure que l’Energia d’activació és l’energia mínima que

han de tenir els reactius per poder formar els productes.

o A partir de la distribució estadística de les velocitats moleculars de Maxwell-

Boltzman es pot demostrar que la concentració del complex activat, cca, està

relacionada amb la concentració dels reactius i la Temperatura:

[ ]∏=

−=

m

ii

RTE

ca Reca

1

(50)

o El factor exponencial determina quina proporció de reactius tenen suficient energia

per arribar a l’estat de transició.

o Arrhenius va establir que la velocitat d’una reacció elemental és directament

proporcional a la concentració de complexa activat:

[ ] [ ]∏∏==

−===

m

ii

m

ii

RTE

ca RkRAeAcra

11

(51)

o El factor pre-exponencial de la constant de velocitat ens indica quina fracció de les

col·lisions que aporten suficient energia cinètica formaran reactius, ja que un cop

assolit el complexa activat no totes les col·lisions passen a productes si no que

algunes reculen cap a reactius.

Per la reacció:

OH· + CH2BrCl → (52)

s’han determinat experimentalment els valors següents per la constant de velocitat:

T (K) [k] (cm3 molecula-1 s-1) 298 1.11 × 10-13

313 1.34 × 10-13 330 1.58 × 10-13

Determineu el valor de la constant pre-exponencial i de l’energia d’activació.

Solució: A = 3.78 × 10-12 i Ea = 8900 J/mol.

Page 18: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

18

1.4 Determinació de l’equació de velocitat

Per trobar l’equació de velocitat s’ha de determinar la k de velocitat a T constant i

l’ordre parcial de la reacció respecte a cada espècie, i a partir d’aquí l’ordre total de la

reacció.

Com s’ha explicat anteriorment això es pot fer determinant quina de les equacions de

velocitat possibles s’ajusta a una recta.

1.4.1 Mètode de l’aïllament

La velocitat de reacció pot dependre de la concentració de molts reactius. Això

complica molt la determinació de l’ordre de velocitat ja que hi ha moltes combinacions

possibles a explorar.

o Per exemple, per a una reacció aA + bB +cC → pP pot ser de primer ordre respecte

als reactius A, B, i C, o be de primer ordre respecte a A i B però de segon respecte a

C, ...

Per evitar aquest problema s’utilitza el mètode de l’aïllament que consisteix en posar

tots els reactius menys un en gran excés, de manera que la seva concentració es pugui

considerar constant durant tota la reacció.

[ ] [ ] [ ] [ ] 111

21

1

1

'1 ααα RkRRkdtRd

a

m

ii

i =

=

− ∏=

(53)

o La concentració dels reactius Ri per i més gran que 2 ha d’estar en fort excés respecte

al reactiu R1.

Integrant l’equació anterior s’obté l’ordre parcial respecte a cada reactiu de la mateixa

manera que si la reacció només depengués d’aquest reactiu.

1.4.2 Mètode diferencial

Una alternativa a treballar amb les equacions integrades de velocitat consisteix en

treballar amb les equacions diferencial de velocitat.

Page 19: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

19

En aquest segon cas el que s’ha de fer es estudiar com varia la velocitat de reacció per

unitat de volum amb la concentració dels reactius, o només d’un reactiu si s’aplica el

mètode de l’aïllament.

Com que en la majoria dels casos aquesta dependència no és lineal el que es fa es

treballar amb el logaritme neperià de la velocitat de reacció de manera que l’ordre

parcial de velocitat respecte al reactiu R1 vindria donada per la pendent de la recta:

[ ] [ ]111 ln'lnln' 1 RkrRkr αα +=⇒= (54)

Experimentalment sovint és molt més fàcil determinar la velocitat inicial que la

velocitat a qualsevol temps, pel que el mètode diferencial s’aplica determinant només

la velocitat i concentracions inicials.

Aquest mètode es coneix com el mètode de les velocitats inicials.

[ ]0110 ln'lnln Rkr α+= (55)

1.4.3 Mètode del temps de vida mitjana

Combinant l’Eq. (46) per del temps de vida mitjana amb el mètode de l’aïllament i

aplicant logaritmes neperians obtenim:

[ ] ( ) ( ) [ ]01

211

0

1

21 ln)1(

'112lnln

'112 A

kt

kAt a

aa

a

a

a

−−−

−=⇒−

−=−

ααα

α

α

α

(56)

Per tant representant el logaritme neperià de

21t respecte al logaritme neperià de la

concentració inicial del reactiu que estudiem obtindrem una recta de pendent )1( −− aα ,

determinant l’ordre parcial de reacció respecte a cada reactiu.

1.4.4 Classificació dels mètodes experimentals

Per determinar experimentalment les equacions de velocitat s’ha de mesurar la

concentració d’un reactiu o producte en funció del temps.

L’espècie que es segueix durant la reacció s’anomena espècie de control.

Page 20: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

20

El seguiment de l’espècie de control es pot fer tant utilitzant mètode físics com

mètodes químics.

Els mètodes químics consisteixen a extreure mostres del sistema a intervals de temps

fixats, aturar la reacció en la mostra i analitzar-la per determinar la quantitat de reactiu

que ha desaparegut o de producte que s’ha format.

o La reacció habitualment s’atura baixant ràpida i dràsticament la T de la mostra,

diluint la mostra, o addicionant espècies que es combinin molt ràpidament amb algun

o tots els reactius.

o L’anàlisi química que es porti a terme depèn de les particularitats de cada mostra i

pot basar tant una reacció àcid-base, redox, precipitació o qualsevol altre tipus de

reacció química.

o La principal font d’error del mètodes químics és l’aturada de la reacció, ja que la

reacció mai s’atura instantàniament ni completament.

Els mètodes físics mesuren una propietat física directament proporcional a la

concentració dels reactius o productes en funció del temps.

o Les principals avantatges dels mètodes físics és que no són destructius (no cal

prendre mostres), i no cal aturar la reacció.

o En funció dels reactius es poden utilitzar diferents propietats com per exemple la

conductivitat elèctrica, l’activitat òptica, intensitat d’absorció espectroscòpica.

1.5 Reaccions complexes

A la natura la majoria de reaccions són complexes (reaccions amb més d’una etapa).

Les reaccions complexes més simples són les reaccions reversibles, les reaccions

consecutives i les reaccions paral·leles.

La majoria de reaccions complexes tenen etapes de diferents tipus.

o Per exemple, veurem reaccions que tenen una etapa reversible i un altre consecutiva.

Page 21: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

21

Un cop es cop es coneix el mecanisme d’una reacció (la sèrie d’etapes elementals que

generen la reacció total) sempre es pot plantejar les equacions diferencials de velocitat

corresponents a cada etapa.

Tot i això en molts casos trobar l’equació de velocitat de la reacció total és molt

complexa i no es pot resoldre fàcilment analíticament, i per tant sovint cal recórrer a

aproximacions o a mètodes numèrics.

Actualment els ordinadors ens permeten resoldre molt ràpidament sistemes

d’equacions diferencials molt complexes.

o Programes de matemàtiques simbòliques com el Maple ens permeten solucionar

analíticament sistemes d’equacions diferencials de velocitat.

o Programes com el Kintecus permeten resoldre numèricament o estocàsticament els

sistemes d’equacions diferencials de velocitat. Aquests tipus de programes són

especialment útils quan el sistema de equacions diferencial no te solució analítica

coneguda.

1.5.1 Reaccions reversibles

Una reacció complexa és reversible quan els productes reaccionen per donar lloc als

reactius simultàniament a la reacció dels reactius per donar productes.

o Un exemple reacció reversible és:

BAk

k

←→

' (57)

o Aquesta reacció te dues etapes elementals amb les corresponents equacions

diferencial de velocitat:

[ ]AkrBA k =⇒→ (58)

[ ]BkrAB k ''' =⇒→ (59)

Page 22: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

22

o L’equació diferencial total de la reacció ve donada per:

[ ] [ ] [ ]BkAkdtAd '+−= (60)

o La primera etapa disminueix la concentració de A (signe negatiu) però la segona

etapa augmenta la concentració de A.

o L’equació que dona el balanç de matèria de la reacció és sempre molt útil per reduir

el nombre de variables de l’equació diferencial de velocitat.

[ ] [ ] [ ] [ ]BABA +=+ 00 (61)

o Utilitzant l’equació del balanç de matèria es pot escriure l’expressió de l’equació

diferencial en funció de només dos variables:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]( ) ( )[ ] [ ] [ ]( ) [ ] aAbBAkAkkABAkAkdtAd

+−=+++−=−++−= 0000 ''' (62)

on [ ] [ ]( )00' BAka += i ( )'kkb += .

o Reordenant i integrant obtenim:

[ ][ ][ ]

[ ]td

AbaAd tA

A ∫∫ =− 00

(63)

[ ][ ] tAbaAba

b=

−−

−0

ln1 (64)

[ ][ ]

bteAbaAba −=

−−

0 (65)

[ ] [ ] btbt eAeba

baA −− +−= 0 (66)

[ ] [ ] [ ]( ) ( )( )( ) [ ] ( )tkk

tkk

eAkk

eBAkA '0

'00

'1' +−

+−

++

−+= (67)

Page 23: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

23

Una reacció reversible arriba a l’equilibri quan es compleixen les següent igualtats:

'rr = (68)

[ ] [ ]eqeq BkAk '= (69)

[ ][ ] K

kk

AB

eq

eq ==' (70)

on K és la constant d’equilibri termodinàmica.

L’equació anterior relaciona la termodinàmica química amb la cinètica química,

constatant així la coherència d’ambdues branques de la ciència.

La síntesi d’amoníac a partir de nitrogen i hidrogen molecular és un exemple de

reacció reversible.

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) (71)

o Canviant la pressió i la temperatura es desplaça l’equilibri cap a reactius o cap a

productes.

o Des del punt de vista de la cinètica química el canvi de la constant d’equilibri ve

provocat pel canvi de les constant de velocitat provocat per les variacions de pressió

o temperatura.

o Cap o on desplaça la reacció un augment de pressió?

1.5.2 Reaccions paral·leles

Les reaccions paral·leles o competitives són aquelles reaccions on els mateixos reactius

reaccionen de dues o més maners diferents per donar diferents productes.

o Un exemple de reacció paral·lela ve donat per:

[ ]AkrBA k11

1 =⇒→ (72)

[ ]AkrCA k22

2 =⇒→ (73)

Page 24: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

24

o L’equació diferencial de velocitat de la reacció global ve donada per:

[ ] [ ] [ ] ( )[ ]AkkAkAkdtAd

2121 +−=−−= (74)

o Reordenant i integrant obtenim l’equació integrada de velocitat:

[ ][ ] ( )tkkAA

210

ln +−=

(75)

[ ] [ ] ( )tkkeAA 210

+−= (76)

o Utilitzant l’equació anterior poden escriure les equacions diferencials de velocitat de

formació dels productes com:

[ ] [ ] [ ] ( )tkkeAkAkdtBd

21011

+−== (77)

[ ] [ ] [ ] ( )tkkeAkAkdtCd

21022

+−== (78)

Reordenant i integrant, assumint que les concentracions inicials de B i C són iguals a

zero, obtenim:

[ ] [ ] ( ) [ ] ( )( ) [ ] ( )( )tkktkkt

tkk ekk

Akeekk

AkdteAkB 212121 121

010

21

01

001

+−+−+− −+

=−+

−== ∫ (79)

[ ] [ ] ( )( )tkkekk

AkC 21121

02 +−−+

= (80)

També s’anomenen reaccions paral·leles les reaccions on diferents reactius reaccionen

per donar els mateixos productes.

o Un exemple d’aquest tipus de reaccions paral·leles és:

[ ]AkrBA k11

1 =⇒→ (81)

[ ]CkrBC k22

2 =⇒→ (82)

Page 25: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

25

Exemple de reaccions paral·leles:

NO2(g) + NO3(g) → N2O5(g) (83)

NO2(g) + NO3(g) → NO2(g) + O2(g) + NO (84)

1.5.3 Reaccions consecutives

Les reaccions consecutives són aquelles en les quals els productes d’una etapa són els

reactius de l’etapa següent.

Per exemple el mecanisme d’una reacció amb dues etapes consecutives ve donat per:

CBA kk →→ 21 (85)

o Les equacions diferencials de velocitat de la reacció global respecte al reactiu,

intermedi i producte de la reacció són:

[ ] [ ]AkdtAd

1−= (86)

[ ] [ ] [ ]BkAkdtBd

21 −= (87)

[ ] [ ]BkdtCd

2= (88)

o La solució de l’anterior sistema equacions diferencials (assumint que les

concentracions inicials de B i C són zero) ve donat per:

[ ] [ ] tkeAA 10

−= (89)

[ ] [ ] ( )tktk eekk

AkB 21

12

01 −− −−

= (90)

[ ] [ ]

+−

−= −− tktk ekk

kekk

kAC 21

12

1

12

20 1 (91)

Page 26: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

26

És defineix com a període d’inducció el temps que tarda la reacció en arribar al punt

on la concentració de B és màxima. Aquest punt com a extrem compleix:

[ ] 0=dtBd (92)

o Per exemple el temps d’inducció per la reacció donada en l’equació (85) és:

[ ] [ ] ( ) ( )

( )12

1

2

1

21221

12

01

ln

00 121221

kkkk

t

ekkekekekek

kkAk

dtBd

ind

tkktktktktk indindindindind

=⇒

=⇒=⇒=+−−

⇒= −−−−−

(93)

Exemple de reacció consecutiva:

PbPoBi 20682

21084

21083

21 →→ kk (94)

Page 27: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

27

1.5.4 Aproximació de l’estat estacionari

Quan més complexa és el mecanisme d’una reacció més alta és la complexitat

matemàtica necessària per resoldre analíticament el sistema d’equacions diferencial.

Una possibilitat per resoldre analíticament el sistema d’equacions diferencials de

velocitat d’una reacció molt complexa és aplicar aproximacions.

L’aproximació de l’estat estacionari considera que la variació de la concentració de

l’intermedi de reacció és negligible i constant durant pràcticament tota la reacció.

o Per exemple en la figura anterior, en el segon cas es pot aplicar l’aproximació de

l’estat estacionari mentre que en el primer cas no es pot aplicar aquesta aproximació.

o En el cas de la reacció amb el mecanisme donat en l’equació (85) només es pot

aplicar l’aproximació de l’estat estacionari quan k2 és molt més gran que k1.

Matemàticament l’aproximació de l’estat estacionari implica imposar que durant tota la

reacció es compleix que la concentració de B no varia.

[ ] 0=dtBd (95)

Per exemple el mecanisme d’una reacció amb dues etapes consecutives ve donat per:

CBA kk →→ 21 (96)

o Aplicant l’aproximació de l’estat estacionari obtenim les equacions integrades de

velocitat següents:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]A

kkBBkAk

dtBd

2

121 00 =⇒=−⇒= (97)

[ ] [ ] [ ] [ ] tkeAAAkdtAd

101

−=⇒−= (98)

[ ] [ ] [ ] tkeAkkA

kkB 1

02

1

2

1 −== (99)

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( )tktk eACeAkBkdtCd

11 10012−− −=⇒== (100)

Page 28: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

28

1.5.5 Aproximació de l’etapa limitant

La aproximació de l’etapa limitant suposa que una etapa de la reacció és molt més

lenta que les altres i per tant determina la velocitat de reacció.

Per exemple el mecanisme d’una reacció amb dues etapes consecutives ve donat per:

CBA kk →→ 21 (101)

o En el cas que l’etapa més lenta sigui la primera, aplicant l’aproximació de l’etapa

limitant obtenim les equacions integrades de velocitat següents:

[ ] [ ] [ ] [ ] tkeAAAkdtAd

101

−=⇒−= (102)

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( )tktk eACeAkAkdtCd

11 10011−− −=⇒== (103)

o Per aquest cas la aproximació de l’etapa limitant assumeix que la concentració de [B]

és sempre negligible.

o Per aquest cas particular els resultats obtinguts utilitzant l’aproximació de l’estat

estacionari i la aproximació de l’etapa limitant són iguals.

o En el cas que l’etapa més lenta sigui la segona, la aproximació de l’etapa limitant

assumeix A es transforma instantàniament en B, de manera que [A] és fa zero en el

mateix moment que comença la reacció.

o En aquest segon cas aplicant l’aproximació de l’etapa limitant obtenim les equacions

integrades de velocitat següents:

[ ] [ ] [ ] [ ] tkeABBkdtBd

202

−=⇒−= (104)

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( )tktk eACeAkBkdtCd

22 10022−− −=⇒== (105)

Page 29: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

29

1.5.6 Reaccions en cadena

Les reaccions en cadena són reaccions en les quals els intermedis generen més

intermedis permetent que la reacció es repeteixi una vegada i un altre.

Els intermedis, també anomenats propagadors de cadena, normalment són radicals.

A la natura hi ha moltes reaccions que tenen mecanisme de reaccions en cadena tant en

fase gas com en fase líquida.

Un exemple de reaccions en cadena són les reaccions de polimerització.

Un altre exemple de reacció en cadena és la piròlisi (descomposició en absència d’aire)

de l’acetaldehid.

o L’equació estequiomètrica i l’equació diferencial de velocitat experimental d’aquesta

reacció venen donades per:

CH3CHO(g) → CH4(g) + CO(g), [ ]23

3CHOCHkr = (106)

o L’ordre total de velocitat no enter és una evidència que aquesta reacció es complexa,

es a dir que te més d’una etapa.

o El mecanisme d’aquesta reacció ve donat per:

CH3CHO → 1k ·CH3 + ·CHO, [ ]CHOCH311 kr = (107)

CH3CHO + ·CH3 → 2k CH4 + CH3CO·, [ ][ ]3322 ·CHCHOCHkr = (108)

CH3CO· → 3k ·CH3 + CO, [ ]CO·CH333 kr = (109)

·CH3 + ·CH3 → 4k C2H6, [ ]2344 ·CHkr = (110)

o La primera etapa, donada en l’equació (107), és una etapa d’iniciació. En aquesta

etapa es generen els propagadors.

o La segona i tercera etapa, donades per les equacions (108) i (109), són les

anomenades etapes de propagació. Quan s’ha generat una quantitat inicial de

propagadors, les etapes de propagació són suficients per generar nous propagadors.

Page 30: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

30

o Per tant, quan s’ha iniciat la reacció aquesta continua encara que s’aturi l’etapa

d’iniciació. És a dir que aquesta etapa deixa de ser necessària.

o La quarta etapa, donada per l’equació (110), s’anomena etapa de terminació. En

aquesta etapa els propagadors es combinen entre ells disminuint la seva concentració,

i de retruc disminuint la velocitat de les etapes de propagació.

o Si l’etapa de terminació és més alta que les etapes de propagació, la reacció es pot

aturar sempre i quan l’etapa de iniciació també s’aturi.

o Exercici: Utilitzant l’aproximació de l’estat estacionari demostra que l’equació

diferencial de velocitat de la piròlisi de l’acetaldehid ve donada per:

[ ] [ ] [ ]23

323

3

21

4

12

4 CHOCHCHOCH2d

CHd kkkk

tr =

== (111)

1.5.7 Explosions

Una explosió és una reacció molt ràpida en la qual la velocitat de reacció no deixa

d’augmentar a mesura que avança el temps de reacció.

Les reaccions explosives es poden classificar en dos tipus: les reaccions explosives

tèrmiques i les reaccions en cadena ramificada explosives.

En les reaccions explosives tèrmiques la velocitat de reacció augmenta degut a

l’augment de temperatura que te lloc duran la reacció.

o En les reaccions explosives tèrmiques la calor produïda per les etapes exotèrmiques

provoquen un augment de la temperatura del medi de reacció.

o L’augment de la temperatura provoca un augment de les constants de velocitat.

o L’augment de les constant de velocitat provoca un augment de la velocitat de reacció.

o L’augment de la velocitat de reacció implica un augment de la producció de calor que

provoca un augment de la temperatura.

o Per tant en una reacció explosiva tèrmica a mesura que passà el temps la temperatura

i la velocitat de reacció són cada cop més ràpides.

Page 31: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

31

En les reaccions en cadena ramificada explosives les etapes de propagació generen un

augment exponencial de la concentració d’intermedis que provoquen l’augment

continuo de la velocitat de reacció.

La combustió de l’hidrogen és un exemple dels dos tipus de reacció.

2H2(g) + O2(g)→ 2H2O(g) (112)

o El mecanisme d’aquesta reacció és un mecanisme molt complicat que te 16 etapes i

8 intermedis de reacció diferents.

o Una versió simplificada d’aquest mecanisme ve donat per:

H2 → 1k ·H + ·H, inir (113)

O2 + ·H → 2k ·OH + ·O·, [ ][ ]·HO222 kr = (114)

·O· + H2 → 3k ·OH + ·H, [ ][ ]233 H·O·kr = (115)

· OH + H2 → 4k H2O + ·H, [ ][ ]244 H·OHkr = (116)

·H → 5k ½H2, [ ]·H55 kr = (117)

Page 32: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

32

o L’equació (113) és una etapa d’iniciació, normalment produïda per una espurna

elèctrica.

o Les equacions (114) i (115) són etapes de bifurcació. Les etapes de bifurcació són

etapes de propagació en les que es generen més propagadors dels que es

consumeixen.

o L’equació (116) és una etapa de propagació.

o L’equació (117) és una etapa de terminació.

o Aquesta reacció és o no és explosiva depenent de la P i T del sistema.

o A 800 K i P baixes aquesta reacció no és explosiva perquè l’etapa de terminació és

més ràpida que les etapes de propagació i bifurcació.

o Quan s’augmenta la pressió fins el primer límit d’explosió les constants de velocitat

canvien i ara les etapes de propagació i bifurcació són més ràpides que l’etapa de

terminació. En aquest cas tenim una reacció en cadena ramificada explosiva.

o Quan la pressió supera el segon límit d’explosió la situació s’inverteix i la reacció

deixa de ser explosiva.

o Quan la pressió assoleix el tercer límit d’explosió la reacció passa a ser una reacció

explosiva tèrmica.

1.5.8 Polimerització

Les reaccions de polimerització són aquelles en les quals els monòmers o reactius

reaccionen per formar dímers, que també poden actuar com a reactius i combinar-se

amb els monòmers o altres oligòmers per formar molècules més grans.

En les reaccions de polimerització la massa de les molècules o oligòmers augmenta a

mesura que transcorre el temps de la reacció i per tant la seva concentració disminueix

amb el temps.

Les reaccions de polimerització es poden classificar de diverses maneres, com per

exemple segons el tipus d’enllaç que afavoreix la polimerització, o be segons el

mecanisme de la reacció.

Page 33: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

33

Dos casos particulars de mecanisme de reaccions de polimerització són la

polimerització per passos i la polimerització en cadena.

1.5.8.1 Polimerització per passos

En les reaccions de polimerització per passos els monòmers tenen com a mínim dos

grups funcionals.

Els grups funcionals de diferents molècules reaccionen entre si formant molècules de

massa més gran però que també tenen els dos grups funcionals, de manera que poden

tornar a reaccionar entre elles formant molècules de massa superior.

Un exemple de polimerització per passos és la formació del poliester a patir de

hidroxiàcids.

HO-M-COOH + HO-M-COOH → HO-[M-COO-M-COO]-H + H2O (118)

HO-[M-COO]n-H + HO-[M-COO]m-H → HO-[M-COO]n+m-H + H2O (119)

El mecanisme d’aquesta reacció es pot expressar de manera esquemàtica com:

An + Am → An+m (120)

Per trobar l’equació de velocitat per aquesta reacció s’ha de etiquetar els oligòmers de

la mateixa manera (A) independentment de la seva massa, ja que tots els oligòmers

tenen dos grups funcionals i per tant poden reaccionar de la mateixa manera.

A + A → A (121)

[ ] [ ] [ ] [ ]222 AAA2d

d kkktA

=+−= (122)

[ ] [ ] [ ] [ ][ ]0

0

0 111

AktAAkt

AA +=⇒+= (123)

Es defineix com a grau de polimerització al valor mitjà del numero de monòmers que

formen els oligòmers.

Page 34: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

34

o El valor del grau de polimerització augmenta linealment amb el temps.

[ ][ ] [ ]0

0 1 AktAAn +== (124)

1.5.8.2 Polimerització en cadena

La polimerització en cadena te lloc per l’addició consecutiva de monòmers a un

oligòmer activat que va creixent en massa i que actua com a propagador.

Al contrari que en la polimerització per passos, en la polimerització en cadena no tots

els oligòmers actuen com a propagadors sinó només els que estan activats.

L’activació de l’oligòmer pot ser fotoquímica o tèrmica. Però la via més corrent

consisteix en utilitzar com a iniciador una molècula inestable que es descompon

generant radicals o ions que reaccionen amb els oligòmers i els activen.

Un exemple de polimerització en cadena és la polimerització de l’etè.

H-[CH2- CH2]n- CH2- CH2· + CH2= CH2 → H-[CH2- CH2]n+1- CH2- CH2· (125)

L’equació diferencial de velocitat experimental de les polimeritzacions en cadena ve

donada per l’equació següent:

[ ] [ ]MI 21

kr = (126)

Page 35: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

35

on [I] és la concentració del iniciadors i [M] és la concentració dels oligòmers.

El mecanisme de les reaccions de polimerització en cadena te les etapes següents:

I → R· + R·, [ ]Iikr = (127)

R· + M → M· + R, reacció molt ràpida (128)

Mn· + M → Mn+1·, [ ][ ]MM·pkr = (129)

Mn· + Mm· → Mn+m, [ ]2M·1t

kr = (130)

Mn· + Mm· → Mn + Mm, [ ]2M·2t

kr = (131)

o Les etapes primera i segona (Eq. (127)) són les etapes d’iniciació. La primera etapa

genera els radicals R· a partir de l’iniciador I, mentre que la segona etapa genera els

oligòmers activats M· a partir dels radicals.

o La segona etapa és l’etapa de propagació en la qual a partir d’un oligòmer activat que

conté n monòmers es forma un nou oligòmer activat que conte n+1 monòmers.

o Les dues últimes etapes són de terminació. L’etapa donada per l’equació (130)

s’anomena terminació per combinació i l’etapa donada per l’equació (131)

s’anomena terminació per dismutació.

Exercici: Dedueix l’equació experimental de velocitat de la polimerització per passos

utilitzant l’aproximació de l’etapa limitant i l’aproximació de l’estat estacionari.

o Solució: En les etapes d’iniciació s’aplica l’aproximació de l’etapa limitant i per tant

la formació de oligòmers activat ve donat per:

[ ]I2·]M[ik

dtd

= (132)

o La destrucció de oligòmers activats ve donada per les etapes de terminació:

[ ] [ ] [ ]222 M·2M·2M·2·]M[21 ttt kkk

dtd

−=−−= (133)

Page 36: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

36

o Aplicant l’aproximació de l’estat estacionari a M· obtenim:

[ ] [ ] 0M·2I2·]M[ 2 =−= ti kkdt

d (134)

[ ] [ ] [ ] [ ]212

1

2 IM·IM·

=⇒=

t

i

t

i

kk

kk

(135)

o La velocitat de propagació la podem escriure com:

[ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ]MIMIMM··]M[21

exp212

1

1n kkkkk

dtd

t

ipp =

==+ (136)

o Els ordres parcials de reacció de l’equació diferencial de velocitat anterior reprodueix

els ordres parcials de reacció de l’equació diferencial de velocitat experimental.

El grau de polimerització de la polimerització en cadena va donat per la reacció entre

la velocitat de propagació i la velocitat de terminació.

terminació

propagació

rr

n = (137)

o Aplicant l’aproximació de l’estat estacionari la velocitat de terminació ve donada per:

[ ] [ ] [ ]I2I2M·2 2terminació i

t

itt kkkkkr === (138)

o Per tant el grau de polimerització ve donat per:

[ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]MIMI12I2

MI21

212

1212

1

terminació

propagació −− =

=

== kkk

kk

kkk

rr

nti

p

i

t

ip

(139)

o Es a dir que per aconseguir cadenes llargues el que interessa és treballar en [I], ki i kt

petites i [M] i kp grans.

Page 37: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

37

1.5.9 Catàlisi

Un catalitzador és una substància que accelera la velocitat d’una reacció però que es

recupera completament al final de la reacció.

o Tot i que el catalitzador intervé en la reacció no s’explicita en l’equació

estequiomètrica de la reacció global ja que no es consumeix durant la reacció.

El catalitzador canvia el mecanisme de la reacció de manera que l’Ea de l’etapa més

lenta del mecanisme amb catalitzador és molt més petita que l’Ea de l’etapa més lenta

del mecanisme sense catalitzador.

o Per exemple hi ha catalitzadors biològics de la reacció de descomposició de l’aigua

oxigenada que augmenten la velocitat de reacció 1015 vegades, és a dir amb

catalitzador la reacció es mil bilions de vegades més ràpida que sense catalitzador.

Els catalitzadors biològics, els quals solen ser molt eficients, s’anomenen enzims.

Els catalitzadors els podem classificar en catalitzadors homogenis i catalitzadors

heterogenis.

o En les catàlisis homogènies el catalitzador està dispers uniformement en la mateixa

fase que els reactius i els productes.

o Al contrari, en les catàlisis heterogènies el catalitzador està en una fase diferent que

els reactius i productes. Habitualment el catalitzador està en fase solida i els reactius i

productes estan en fase líquida o gasosa.

o Un exemple de catàlisi homogènia és la descomposició de l’aigua oxigenada

catalitzada per un enzim.

o Un exemple de catàlisi heterogènia és la formació d’aigua a partir d’hidrogen i

oxigen catalitzada per una superfície metàl·lica de platí.

1.5.10 Mecanisme general d’una catàlisi

Per estudiar el mecanisme d’una catàlisis utilitzarem l’exemple de la descomposició de

l’aigua oxigenada catalitzada per bromhídric o qualsevol bromur en medi àcid.

o L’equació estequiomètrica de la reacció global es pot escriure com:

2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g) (140)

Page 38: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

38

o I la velocitat de la reacció total ve donada per:

[ ][ ][ ]-22 BrHOH += kr (141)

o La velocitat de la reacció depèn de la concentració de espècies químiques que no

intervenen en l’equació estequiomètrica de la reacció global.

o Tot i això, el +H i el -Br si que intervenen en el mecanisme de la reacció actuant

com a catalitzador i per tant augmentant la velocitat de la reacció global.

o El mecanisme d’aquesta reacció te les següents etapes:

+→←

++ 2322 OHHOH 1

1-

k

k,

[ ][ ][ ]+

+

=HOH

OH22

23K (142)

OH HOBrBrOH 2232 +→+ −+ k , [ ][ ]-

232 BrOH += kr (143)

−+ +++→+ BrHOOHOHHOBr 22223k , ràpidamolt =r (144)

o La primera s’aplica l’anomenada aproximació de l’etapa en equilibri. Aquesta

aproximació assumeix que els reactius i productes d’aquesta etapa compleixen en tot

moment la relació donada per la constant d’equilibri. Es a dir, que tant la reacció

directa com la inversa són molt ràpides, i desplacen quasi instantàniament l’equilibri.

Exercici: Trobeu l’equació diferencial de velocitat de la reacció de descomposició de

l’aigua oxigenada en presencia de HBr.

o Solució: Si Apliquem l’aproximació de l’etapa limitant la velocitat de la reacció ve

determinada per l’etapa més lenta, i per tant ve donada per:

[ ][ ]-232 BrOH += kr (145)

o Suposant que la concentració de [ ]+

23OH ve determinada instantàniament per

l’equilibri de la primera etapa obtenim ( [ ] [ ][ ]++ = HOHOH 2223 K ) :

[ ][ ] [ ][ ][ ] [ ][ ][ ]-22exp

-22

-232 BrHOHBrHOHBrOH +++ === kkKkr (146)

Page 39: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

39

2 Reacciones complexes II

2.1 Solucions analítiques exactes de reaccions complexes.......................................................... 41 2.1.1 Mètode de les transformades de Laplace ........................................................................ 41 2.1.2 Mètode dels determinants o mètode matricial ................................................................ 47

2.2 Mètodes numèrics .................................................................................................................. 51 2.2.1 Mètodes d’un pas ............................................................................................................ 52 2.2.2 Mètode de predictor-corrector ........................................................................................ 61

2.3 Mètodes estocàstics................................................................................................................ 64 2.3.1 Desenvolupament analític del mètode estocàstic............................................................ 65 2.3.2 Simulació numèrica estocàstica de reaccions químiques................................................ 71

2.4 Resolució del mecanisme d’una reacció a partir de les mesures experimentals i càlculs teòrics ................................................................................................................................................ 77

Page 40: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

40

Sinopsi En aquest capítol introduirem els fonaments del mètodes matemàtics adients per

resoldre les equacions diferencials de velocitat de reaccions complexes. Aquest mètodes

es poden dividir en tres grups: i) els mètodes analítics; ii) els mètodes numèrics; iii) i els

mètodes estocàstics. Es comença amb el mètodes analítiques explicant les bases del

mètode de les transformades de Laplace i el mètode dels determinants. El primer

mètode es fonamenta en transformar les equacions diferencials en equacions

algebraiques per facilitar la seva resolució. En canvi el segon mètode utilitza l’àlgebra

matricial per trobar la solució del sistema d’equacions diferencial. A continuació

s’estudien els mètodes numèrics, els quals són especialment útils en els casos en que el

sistema d’equacions diferencial de velocitat no te solució analítica exacte. Primer es

donen les bases dels mètodes numèrics anomenats mètodes d’un pas. Aquests mètodes

són els mètodes numèrics més senzills i només utilitzen la informació d’un pas per

predir el pas següent. Contràriament, els mètodes predictor-corrector, els quals

s’estudien a continuació, utilitzen la informació de diversos passos per predir el pas

següent. Seguidament es donaran els fonaments del mètodes estocàstics, els quals

utilitzen l’estadística per calcular la velocitat de reacció de manera similar a com

aquesta s’utilitza en la termodinàmica estadística. Aquest mètodes, al igual que els

mètodes deterministes, es poden desenvolupar analíticament o numèricament. Per

acabar s’explicarà com es pot trobar el mecanisme d’una reacció química combinant

sinèrgicament les dades experimentals amb les eines teòriques de la cinètica química.

Page 41: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

41

Els mecanismes de reacció complexes donen lloc a equacions diferencials que no es

poden resoldre de manera senzilla.

Els mètodes matemàtics que s’utilitzen per resoldre les equacions diferencials de

velocitat de reaccions complexes es poden dividir en tres grups:

1 Els mètodes analítics.

2 Els mètodes numèrics.

3 Els mètodes estocàstics.

Actualment la manera més pràctica de resoldre les equacions diferencials de reaccions

complexes és utilitzar programes d’ordinador com per exemple el Maple o el Kintecus.

2.1 Solucions analítiques exactes de reaccions complexes

Dos dels mètodes analítics que existeixen per solucionar les equacions diferencials de

reaccions complexes són el mètode de les transformades de Laplace i el mètode dels

determinants.

2.1.1 Mètode de les transformades de Laplace

Les transformades de Laplace són una poderosa eina formulada per solucionar una

amplia varietat d’equacions.

L’estratègia del mètode de les transformades de Laplace consisteix en transformar

sistemes d’equacions diferencials molt difícil de resoldre en senzilles equacions

algebraiques fàcil de resoldre. Després s’aplica la transformació de Laplace inversa per

recuperar les solucions del problema d’equacions diferencials original.

Sistema d’equacions diferencial

Sistema d’equacions algebraiques

Molt difícil

Molt fàcil

Solució del sistema d’equacions diferencial

Solucions del sistema

d’equacions algebraiques

(147)

Page 42: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

42

Definició de Transformada de Laplace: Per una funció f(t) definida en l’interval 0 ≤ t

< ∞, s’anomena transformada de Laplace, F(p), a l’integral següent:

{ } ∫∞

−=≡0

)()()( dttfetfLpF pt (148)

on pte− s’anomena el nucli de la transformació, p es un numero real, i L és l’operador

de la transformada de Laplace.

Tot i que tant el nucli com la funció depenen de la variable t, la transformada de

Laplace només depèn de la variable p.

Exemple: transformada de Laplace de la funció ate−

{ } [ ] [ ]apap

eap

dtedteeeLpF taptapatptat

+=−

+−

=+

−===≡

∞+−∞

+−∞

−−− ∫∫11011)( 0

)(

0

)(

0 (149)

La transformada de Laplace només existeix si la funció f(t) compleix les dues

condicions següents:

1 f(t) ha de ser continua en l’interval 0 ≤ t < ∞.

2 f(t) ha de ser d’ordre exponencial quan t→∞. Es a dir, han d’existir constants reals K,

a i T tal que:

TtKetf at >∀≤)( (150)

Definició de la inversa de la transformada de Laplace: Si la transformada de

Laplace de f(t) és F(p), llavors es diu que la inversa de la transformada de Laplace de

F(p) és f(t), o be:

{ } )()(1 tfpFL =− (151)

{ } ∫∞+

∞−

− =i

i

pt dpepFi

pFL0

0

1 )(21)(π (152)

on 1−L s’anomena operador de la inversa de la transformada de Laplace.

Page 43: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

43

Taula de transformades de Laplace

F(p) f(t)

p1 1

21p

t

,...3,2,1,1=n

pn ( )!1

1

nt n

ap +1 ate−

( ),...3,2,1,1

=+

nap n

( )!1

1

−−

net atn

22 apa+

( )atsin

22 app+

( )atcos

( )app +1 ( )ate

a−−11

( ) babpp

ap≠

++ , bte

bba

ba −−

( )( ) babpap

≠++

,1 ( )btat eeab

−− −−1

( )( ) babpap

p≠

++, ( )btat beae

ba−− −

−1

( ) 22

1bap ++

( )bteb

at sin1 −

( ) 22 bapap++

+ ( )bte at cos−

(153)

Page 44: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

44

Una funció ha de complir dues condicions següents perquè existeixi la seva inversa de

la transformada de Laplace.

0)(lim =∞→

pFp

(154)

∞<∞→

)(lim ppFp

(155)

o Per exemple per la transformada de Laplace de la funció ate− es compleix:

011lim)(lim =∞

=

+

=∞→∞→ ap

pFpp

(156)

∞<=

∞+

=

+=

+

=∞→∞→∞→

11

1

1

1limlim)(lim apaap

pppFppp (157)

Les transformades de Laplace són molt útils per resoldre les equacions diferencials

degut a que compleixen les propietats següents:

1 La transformada de Laplace d’una suma de funcions és igual a la suma de

transformades de Laplace de cada una de les funcions.

∑∑ =

ii

ii pLtfL )()( (158)

o Per exemple:

{ } { } { } 21111pp

tLLtL +=+=+ (159)

2 La transformada de Laplace és lineal.

{ } { })()( tfaLtafL = (160)

Page 45: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

45

o Per exemple:

{ } { } 2pataLatL == (161)

3 Transformada de Laplace d’una derivada d’ordre n.

{ } { } )0()()( )1()1()( −− −= nnn ftfpLtfL (162)

o Exemples:

{ } { } )0()()(' ftfpLtfL −= (163)

{ } { } )0(')(')('' ftfpLtfL −= (164)

o Demostració:

{ } [ ]

{ } { } )0()()()0()(

)()()()('

)(')('

0

0

00

0

ftfpLtfpLfefe

dttfeptfedtpeduue

tfvdvdttfdttfetfL ptpt

ptptpt

−=+−∞=

+=

−=→=

=→==

∞−

∞−∞−

−−

∞− ∫∫

43421

(165)

4 La Transformada de Laplace te l’anomenada propietat de la translació

{ } { } )()()()( apFtfeLpFtfL at −=⇒= (166)

5 Transformada de Laplace d’una integral

{ }

ptfLdttfL

t )()(0

=

∫ (167)

Exemple de l’aplicació de les transformades de Laplace a la resolució d’equacions

diferencials de velocitat d’una reacció complexa reversible.

212

1

AAk

k

←→

(168)

Page 46: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

46

o El primer pas consisteix en escriure les equacions diferencial de velocitat per totes les

espècies químiques que participen en la reacció.

[ ] [ ] [ ]2211

1 AkAkdtAd

+−= (169)

[ ] [ ] [ ]2211

2 AkAkdtAd

−= (170)

o Seguidament utilitzant la taula donada anteriorment es determinen les transformades

de Laplace de les equacions diferencials de velocitat. En aquest exemple, si per t=0

[ ] [ ]011 AA = i [ ] 02 =A , les transformades de les dues equacions diferencials anteriors

venen donades per:

[ ] [ ] [ ]{ } [ ]{ } [ ] [ ]{ } [ ]{ }22110112211

1 ALkALkAApLAkAkLdtAdL +−=−⇒+−=

(171)

[ ] [ ] [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }221122211

2 0 ALkALkApLAkAkLdtAdL −=−⇒−=

(172)

o A continuació es resolt el sistema d’equacions algebraiques on les variables a

determinar són [ ]{ }1AL i [ ]{ }2AL .

( ) [ ]{ } [ ]{ } [ ]

[ ]{ } ( ) [ ]{ }

=++−

=−+

02211

012211

ALkpALkAALkALkp

(173)

[ ]{ } ( )[ ]( )( )21

0121 kkpp

AkpAL

+++

= (174)

[ ]{ } [ ]( )( )21

0112 kkpp

AkAL

++= (175)

Page 47: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

47

o Finalment es busca les Inverses de les transformades de Laplace de les solucions del

sistema d’equacions algebraiques utilitzant la taula donada anteriorment:

[ ] ( )[ ]( )( ) [ ] ( )

( )( ) [ ] ( )( )

[ ] [ ] ( )

[ ] ( )[ ]tkk

tkkbt

bkkak

ekkkk

A

ekk

kkkkk

kAeb

babaA

bppapLA

kkppkpLA

kkppAkpLA

21

21

212

1221

01

21

212

21

20101

;

101

21

2101

21

01211

+−

+−−

=+=

−−−

++

=

+

−−−

+=

−=

++

=

+++

=

+++

=444 3444 21

(176)

[ ] [ ]( )( ) [ ] ( )( )

[ ] ( )( )

+=

++=

++=

+−

=+

−−

tkk

akk

ekk

Ak

kkppLAk

kkppAkLA

21

21

11

1

21011

21

1011

21

01112

444 3444 21 (177)

Exercici: Determina les equacions integrades de velocitat una reacció complexa amb

dues etapes consecutives utilitzant el mètode de les transformades de Laplace. Suposa

que per t=0 [ ] [ ]011 AA = , [ ] 02 =A i [ ] 03 =A

32121 AAA kk →→ (178)

2.1.2 Mètode dels determinants o mètode matricial

Una segona alternativa per solucionar les equacions diferencials de velocitat és utilitzar

l’àlgebra matricial.

Exemple de l’aplicació l’àlgebra matricial a la resolució d’equacions diferencials de

velocitat d’una reacció complexa reversible.

212

1

AAk

k

←→

(179)

Page 48: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

48

o Primer s’ha d’escriure l’expressió matricial del sistema d’equacions diferencial de

velocitat de totes les espècies químiques que participen en la reacció.

[ ] [ ] [ ]22111 AkAk

dtAd

+−= (180)

[ ] [ ] [ ]2211

2 AkAkdtAd

−= (181)

[ ]

[ ][ ][ ] KAA

=→

−=

dtd

AA

kkkk

dtAd

dtAd

2

1

21

21

2

1

(182)

o Per aquest tipus de problema la matriu K és diagonalitzable. Es a dir, existeix un

conjunt de vectors Pi que compleixen:

KPPΛ 1−= (183)

on Λ és una matriu diagonal.

o Tenint en compte la igualtat anterior el sistema equacions diferencials de velocitat

acoblades es pot transformar en un sistema d’equacions no acoblades.

( ) ΛBBAPKPPAPKAPAPKAA

B

1

Λ

11

11 =⇒=⇒=⇒= −−−

−−

dtd

dtd

dtd

dtd

321321 (184)

o La solució del sistema d’equacions diferencials de primer ordre no acoblades ve

donat per:

0BB Λte= (185)

00 APB 1−= (186)

o L’equació anterior és l’equivalent matricial de la solució d’una equació diferencial de

velocitat de primer ordre ( [ ] [ ]0AeA tka−= ).

Page 49: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

49

o Per trobar la solució del sistema d’equacions diferencial en funció d’A s’ha de desfer

el canvi de variables.

{ 001

00 APPAAPPAPPAPAPBB 1Λ1Λ11Λ1Λ −−−−− =⇒=⇒=⇒= tttt eeee (187)

o La resolució pràctica d’un sistema d’equacions diferencials de velocitat de primer

ordre només requereix el càlcul de l’equació anterior. Però per aplicar aquesta

equació s’ha de determinar prèviament els vectors i valors propis de K.

o Els valor propis es poden trobar solucionant la l’equació següent:

( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )

+−==

⇒=++⇒=+−++⇒

=+−−−−⇒=−−

−−⇒=Λ−

212

121212121

2

212121

21

000

000det

kkkkkkkkkk

kkkkkkkk

λλ

λλλλ

λλλ

λ1K

(188)

o I els corresponent vectors propis es poden determinar a partir de la següent igualtat:

( ) 002

1

21

21 =

−−

−−→=Λ−

pp

kkkk

λλ

P1K (189)

43421444 3444 21

solucionsposiblesinfinites

lesdeUna

12

211

2

12

solucions possibles infiniteshan Hi .dependents linealmentsón Eq. dues Les

2211

2211

2

1

21

211 0

000

==

⇒=⇒

=−=+−

⇒=

−⇒=

kpkp

pkkp

pkpkpkpk

pp

kkkk

λ(190)

( )

−==

⇒−=⇒=+⇒=

⇒+−=

11

002

1122212

2

1

11

22212 p

ppppkpk

pp

kkkk

kkλ (191)

( )

==1

1

1

221 k

kPPP (192)

Page 50: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

50

o La inversa de la matriu P és la transposada de l’adjunta de P dividida pel valor del

determinant de P, on l’adjunta de P es defineix com la matriu formada pels adjunts

dels elements de P.

( )211

2

11

)det( kkkk

+−=−

=P (193)

( ) ( ) ( )

( ) ( )

−−=

−−−−−

=

= ++

++

2

1

22212

12111

2221

1211

11

111111

)()()()(

)(adjkk

kk

padjpadjpadjpadj

P (194)

( )

−−=

21

T 11)(adj

kkP (195)

( ) ( ) ( )

( ) ( )

+−

+

++==−

21

2

21

1

2121T

1

11

)(det)(adj

kkk

kkk

kkkkP

PP (196)

o Per tant, finalment les solucions del sistema d’equacions diferencials de velocitat, es

a dir les equacions integrades de velocitat, venen donades per:

[ ][ ] ( )

( ) ( )

( ) ( )

[ ]

[ ] ( )

( )

[ ] [ ] ( )( )

[ ] [ ] ( )( )

−+

=

++

=→

−+

+=

+−

+

++

=

→=

+−

+−

+−

+−

=→

+−−

tkk

tkk

tkk

tkk

tkkt

ekk

AkA

ekkkk

AA

ekkekk

kkA

A

kkk

kkk

kkkkek

kAA

e

21

21

21

21

ii

21

1

0

11

001

11

21

0112

1221

011

11

12

21

01

01

21

2

21

1

2121

)f(a)f( diagonal esmatriu unaQuan

1

2

2

10

4434421

A

1Λ APPA

(197)

Exercici: Determina les equacions integrades de velocitat una reacció complexa amb

dues etapes consecutives utilitzant l’àlgebra matricial. Suposa que per t=0 [ ] [ ]011 AA = ,

[ ] 02 =A i [ ] 03 =A

32121 AAA kk →→ (198)

Page 51: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

51

2.2 Mètodes numèrics

Sempre que sigui possible és millor solucionar les equacions diferencials de velocitat

de manera analítica, ja es disposa de les expressions exactes de les funcions que donen

la concentració dels reactius, intermedis i productes en funció del temps.

En alguns casos els mecanismes són tant complexes que la solució analítica no es pot

trobar, o bé és molt complexa.

o Exemple: el mecanisme següent te una solució molt complexa donada per les

funcions de Henkel i Bessel.

CBA k +→ 1 (199)

DCB k→+ 2 (200)

AD k→ 3 (201)

Una alternativa als mètodes analítics exactes és utilitzar mètodes aproximats com per

exemple el mètode de l’estat estacionari. Però la validesa d’aquest tipus d’aproximació

depèn de cada cas, i per tant no sempre són una bona alternativa (veure exercici 28).

Una segona alternativa als mètodes analítics exactes consisteix en utilitzar mètodes

numèrics. Aquest mètodes no ens donen les expressions analítiques exactes de les

concentracions dels reactius i productes en funció del temps, però la seva solució pot

ser tant acurada com nosaltres desitgem.

Els mètodes numèrics aplicables a les equacions diferencials de velocitat es poden

classificar en dues categories:

1 Els mètodes d’un pas.

2 Els mètodes predictor-corrector.

El mètodes d’un pas només utilitzen la informació d’un punt (o pas) per predir el valor

del punt (o pas) següent.

Page 52: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

52

Els mètodes predictor-corrector, al contrari, utilitzen la informació de diversos punts (o

passos) per predir el valor del punt (o pas) següent.

2.2.1 Mètodes d’un pas

Considerem una equació diferencial del tipus:

),()( tyfdt

tdy= (202)

on

0)0( yy = (203)

L’objectiu del mètode d’un pas és calcular de manera aproximada un conjunt de punts

( )[ ])(, iii tyt a partir del punt inicial ( )0,0 y que coneixem prèviament de manera exacte.

Per aconseguir aquest propòsit utilitzant només la informació d’un punt hi ha diferents

algoritmes. Els més comuns són el mètode d’Euler i el mètode de Runge-Kutta.

Moltes d’equacions diferencials de velocitat són del tipus de l’Eq. (202). Exemple:

[ ] [ ]111 Ak

dtAd

−= (204)

2.2.1.1 Mètode d’Euler

El primer pas del mètode d’Euler consisteix en dividir l’interval de temps en el que

volem conèixer la cinètica d’una reacció, [ ]Ntt ,0 . en N intervals iguals.

Ntth N 0−

= (205)

o Cada increment del temps ve donat per:

Nnnhttn ,...2,1,0,0 =+= (206)

Page 53: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

53

En el cas de les equacions diferencials de velocitat y(t) és sempre continuo i te una

única solució. Per tant es pot expandir a en una sèrie de Taylor al voltant del punt 0t .

...)(21)()()( 2

20

20

00 +++=+ hdt

tydhdt

tdytyhty (207)

Combinant l’equació anterior amb l’Eq. (202) obtenim:

...),(21),()()( 200

0000 +++=+ hdt

tydfhtyftyhty (208)

Si h es prou petit, és una bona aproximació truncar la sèrie de Taylor anterior negligint

els termes quadràtic i d’ordre superior.

htyfyty ),()( 0001 += (209)

El mètode d’Euler utilitza l’equació anterior per calcular els N punts del interval

[ ]Ntt ,0 .

htyfyyhttyftyty nnnnnnnn ),()),(()()( 11 +=⇒+= ++ (210)

Page 54: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

54

Els errors d’aquest mètode són directament proporcionals a 2h . Es a dir que tal com es

pot veure a la gràfica quan més petit sigui h més petits seran els errors.

Per altre banda, quan més punts calculem més cost computacional tindrà el càlcul.

Exemple d’aplicació del mètode d’Euler: Cinètica de la descomposició del radical

CF3O· a 1000K partint d’una concentració inicial de 0.1M.

Pk→ 1O·CF3 (211)

Page 55: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

55

o L’equació diferencial de velocitat del reactiu ve donada per:

[ ] [ ] 1-83

3 s1066.2,O·CFO·CF×=−= kk

dtd

(212)

o La solució analítica de l’equació integrada de velocitat be donada per:

[ ] [ ] ktt e−= 033 O·CFO·CF (213)

o La solució aproximada donada pel mètode d’Euler per cada punt és:

[ ] [ ] [ ] hk nnn O·CFO·CFO·CF 3313 −=+ (214)

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.0E+00 3.0E-09 6.0E-09 9.0E-09 1.2E-08 1.5E-08 1.8E-08 2.1E-08 2.4E-08 2.7E-08 3.0E-08

temps

conc

entr

ació

10 punts 20 punts 40 punts 80 punts exacte

o Si l’interval de 5×10-8 segons només es divideix en 10 punts el resultat és molt

dolent, oscil·lant molt i fins i tot donant concentracions negatives.

o Si es en canvi el mateix interval es divideix en 20 punts el problema de les

oscil·lacions i les concentracions negatives desapareix, però les desviacions respecte

al resultat exacte encara són molt grans. Per exemple l’error relatiu pel punt 7 és ja

del 95%.

Page 56: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

56

La única manera de disminuir l’error relatiu utilitzant el mètode d’Euler és

incrementant el numero de punts.

Si el sistema d’equacions diferencials de velocitat que volem resoldre te més d’una

variable s’ha d’aplicar el mètode d’Euler a cada equació.

o Per exemple pel sistema d’equacions diferencial de velocitat següent depèn de dues

variables, y i z.

),,()( tzyfdt

tdy= (215)

),,()( tzygdt

tdz= (216)

o Per tant la solució aproximada aplicant el mètode d’Euler implica determinar els

valors per cada pas per cada una de les dues variables:

htzyfyy nnnnn ),,(1 +=+ (217)

htzygzz nnnnn ),,(1 +=+ (218)

Exemple de l’aplicació del mètode d’Euler a la resolució d’equacions diferencials de

velocitat d’una reacció complexa reversible.

212

1

AAk

k

←→

(219)

o Com sempre primer s’ha d’escriure les equacions diferencials de velocitat de totes les

espècies químiques que participen en la reacció.

[ ] [ ] [ ]22111 AkAk

dtAd

+−= (220)

[ ] [ ] [ ]2211

2 AkAkdtAd

−= (221)

Page 57: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

57

o La solució aproximada donada pel mètode d’Euler per cada punt és:

[ ] [ ] [ ] [ ] hAkhAkAA nnnn 2211111 +−=+ (222)

[ ] [ ] [ ] [ ] hAkhAkAA nnnn 2211212 −+=+ (223)

o Es a dir que per calcular [ ] 11 +nA es necessita calcular prèviament [ ]nA1 i [ ]nA2

2.2.1.2 Mètode de Runge-Kutta

El mètode de Runge-Kutta (RK) dona resultats més fiables i acurats que el mètode

d’Euler.

En el mètode RK quan s’expressa la solució de les equacions diferencials com una

sèrie de Taylor al voltant del punt 0t , la sèrie es trunca en el terme quadràtic.

2000

22

02

000 )(''

21)(')()(

21)()()( htyhtytyh

dttydh

dttdytyhty ++=++=+ (224)

o La segona derivada és calcula per diferenciés finites (numèricament) a partir de la

primera derivada.

htyhty

ttyty )(')(')(')('' 00

0−+

=∆

∆= (225)

o Combinant les dues expressions anteriors obtenim:

( )htyhtyty

hh

tyhtyhtytyhty

)(')('21)(

)(')('21)(')()(

000

200000

+++=

−+

++=+

(226)

A partir l’expansió de Taylor truncada a segon ordre s’obté el mètode de Runge-Kutta

de segon ordre, RK2. El RK2 també s’anomena d’Euler modificat.

A partir de la sèrie de Taylor truncada a ordre n s’obté el mètode de Runge-Kutta

d’ordre n.

Page 58: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

58

Per un sistema on l’equació diferencial de velocitat depèn d’una sola variable les

equacions necessàries per aplicar el mètode RK2 són:

( )211 21 YYyy nn ∆+∆+=+ (227)

htyfY nn ),(1 =∆ (228)

hhtYyfY nn ),( 12 +∆+=∆ (229)

o Les equacions necessàries per aplicar el mètode RK4 són:

( )43211 61 YYYYyy nn ∆+∆+∆+∆+=+ (230)

htyfY nn ),(1 =∆ (231)

hhtYyfY nn

+

∆+=∆

2,

21

2 (232)

hhtYyfY nn

+

∆+=∆

2,

22

3 (233)

hhtYyfY nn ),( 34 +∆+=∆ (234)

Per un sistema on l’equació diferencial de velocitat depèn de dues variables les

equacions necessàries per aplicar el mètode RK2 són:

( )211 21 YYyy nn ∆+∆+=+ (235)

( )211 21 ZZzz nn ∆+∆+=+ (236)

htzyfY nnn ),,(1 =∆ (237)

htzygZ nnn ),,(1 =∆ (238)

hhtZzYyfY nnn ),,( 112 +∆+∆+=∆ (239)

Page 59: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

59

hhtZzYyfZ nnn ),,( 112 +∆+∆+=∆ (240)

Exemple de l’aplicació dels mètodes RK2 i RK4 a la resolució d’equacions

diferencials de velocitat d’una reacció complexa reversible.

212

1

AAk

k

←→

(241)

Page 60: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

60

Page 61: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

61

o Per el mètode RK2 les equacions que s’han d’utilitzar són:

[ ] [ ] ( )21111 21 YYAA nn ∆+∆+=+ (242)

[ ] [ ] ( )21212 21 ZZAA nn ∆+∆+=+ (243)

[ ] [ ] [ ] [ ] hAkhAkhtAAfY nnnnn 2211211 ),,( +−==∆ (244)

[ ] [ ] [ ] [ ] hAkhAkhtAAgZ nnnnn 2211211 ),,( −==∆ (245)

[ ] [ ] [ ]( ) [ ]( )hZAkhYAkhhtZAYAfY nnnnn 12211112112 ),,( ∆++∆+−=+∆+∆+=∆ (246)

[ ] [ ] [ ]( ) [ ]( )hZAkhYAkhhtZAYAgY nnnnn 12211112112 ),,( ∆+−∆+=+∆+∆+=∆ (247)

o Els resultats mostrats en la taula de la pàgina anterior estan calculats per [ ] 100001 =A ,

[ ] 002 =A , 10001 =k i 12 =k .

o Tant els resultats numèrics com les gràfics mostren clarament dos fets.

1 RK2 és millor que Euler, i RK4 és millor que RK2.

2 Els errors absoluts tendeixen a zero quan t augmenta.

o La raó de 2 és que per t molt grans la importància de les derivades d’alt ordre

negligides en la sèrie de Taylor truncada tendeix a zero.

o Per exemple en el cas particular que hem estudiat en aquest apartat l’expressió

analítica d’aquestes derivades d’alt ordre venen donades per:

[ ] ( ) [ ]

( )( )tkk

nn

n

n

ekk

Akdt

Ad21

21

011 +−

+−= (248)

2.2.2 Mètode de predictor-corrector

Els mètodes d’un pas utilitzen formules aproximades per resoldre les equacions

diferencials de primer ordre.

Page 62: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

62

L’expressió exacta per calcular el valor de la funció en un punt a partir del punt

anterior ve donada per:

∫+

+=+

1

),(1

n

n

t

tnnnn dttydyy (249)

El valor de la funció ),( nn tyd es pot calcular aproximadament utilitzant un polinomi

que interpola el seu valor en els m punts 121 ,...,, +−−− mnnnn tttt .

Les fórmules que no fan servir el punt 1+nt s’anomenen explicites mentre que les

formules que també fan servir aquest punt s’anomenen implícites.

Els mètodes predictor-corrector fan servir una fórmula explícita per predir el resultat i

posteriorment fan servir una formula implícita per millorar el resultat utilitzant un

mètode iteratiu.

El diagrama de flux de la pàgina següent mostra l’algoritme que segueix un mètode

predictor-corrector (n en el diagrama és igual a n+1 en les equacions)

L’equació correctora es fa servir tantes vegades com sigui necessària per aconseguir la

convergència desitjada en y'n+1.

Els diferents mètodes predictor-corrector es diferencien en les formules aproximades

per calcular la integral de l’equació (249).

Per exemple el mètode predictor-corrector d’Adams-Bashforth utilitza la formula

d’interpolació cap enrere de Newton de grau k-1, on k és el numero de punts que fa

servir en la interpolació.

o L’equació predictora del mètode Adams-Bashforth de quart ordre ve donada per:

( )3211 '9'37'59'5524 −−−+ −+−+= nnnnnn yyyyhyy (250)

o I l’equació correctora del mètode Adams-Bashforth de quart ordre és:

( )2111 ''5'19'924 −−++ +−++= nnnnnn yyyyhyy (251)

Page 63: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

63

Page 64: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

64

o Per el cas particular de la reacció de primer ordre següent:

Pk→ 1O·CF3 (252)

[ ] [ ]O·CFO·CF3

3 kdt

d−= (253)

o L’equació predictora del mètode Adams-Bashforth de quart ordre ve donada per:

[ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ]( )3323133

313

O·CF9O·CF37O·CF59O·CF5524

O·CFO·CF

−−−

+

−−+−+

=

nnnn

nn

kkkkh (254)

o I l’equació correctora del mètode Adams-Bashforth de quart ordre és:

[ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ]( )2313313

313

O·CFO·CF5O·CF19O·CF924

O·CFO·CF

−−+

+

−+−−+

=

nnnn

nn

kkkkh (255)

Els mètodes predictor-corrector són més eficients que els d’un pas per solucionar

equacions diferencials de velocitat de segon i tercer ordre.

Un dels casos on els mètodes numèrics tenen més dificultats és quan hi ha dos

constants de velocitat que difereixen en diversos ordres de magnituds. En aquests casos

s’ha d’utilitzar algoritmes especialment dissenyats per tractar aquest tipus específic

d’equacions diferencials.

2.3 Mètodes estocàstics

Tant els mètodes numèrics com els mètodes analítics són mètodes deterministes. Es a

dir, que un cop coneixem les concentracions inicials, les concentracions de totes les

espècies a qualsevol temps esta determinada pel mecanisme de la reacció.

Els mètodes deterministes impliquen assumir que l’evolució de les concentracions amb

el temps és un procés continuo completament governat per un sistema d’equacions

Page 65: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

65

diferencials. Aquesta assumpció no es pot demostrar teòricament i només es basa en

l’observació empírica.

Només si coneguéssim la posició i la velocitats de totes les molècules del sistema, i

assumint que tots els processos estan governats per la dinàmica clàssica, el sistema

estaria completament determinat.

Habitualment només coneixem dades macroscòpiques dels sistema com la

concentració les diferents espècies o la temperatura.

Els mètodes estocàstics es basen en la probabilitat de què una reacció tingui lloc en un

conjunt de molècules.

La filosofia general d’aquests mètodes és similar a la termodinàmica estadística.

Els mètodes estocàstics descriuen el sistema donant les concentracions mitjanes de

cada espècie així com les seves fluctuacions.

Quan el numero de molècules de reactius és molt gran les fluctuacions són negligibles

respecte als valors mitjans i per tant el resultat dels mètodes deterministes i estocàstics

coincideix.

Al contrari quan el numero de molècules és molt petit, com per exemple en el cas de

certes reaccions bioquímiques que tenen lloc en l’interior de les cèl·lules, els processos

són essencialment aleatoris i s’han d’estudiar amb mètodes estocàstics.

Els mètodes estocàstics també són especialment útils per estudiar casos que no es

poden resoldre fàcilment ni analíticament ni numèricament, com per exemple quan hi

ha constants de velocitat d’ordre de magnitud molt diferent.

2.3.1 Desenvolupament analític del mètode estocàstic

La finalitat dels mètodes estocàstics és trobar la probabilitat que existeixin n molècules

de reactiu o producte en un temps tt ∆+ , )( ttPn ∆+ , a partir de les probabilitats que

existeixin j molècules d’aquest reactiu o producte en el temps t, )(tPj .

La relació entre )( ttPn ∆+ i )(tPj ve donada per:

∑ ∆=∆+j

njjn tWtPttP )()()( , (256)

Page 66: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

66

)(, tW nj ∆ és la probabilitat condicional que en el temps tt ∆+ existeixen n molècules si

en el temps t existeixen j molècules.

2.3.1.1 Exemple de l’obtenció de les equacions del mètode estocàstic per una

reacció irreversible

Com exemple de l’obtenció de les equacions del mètode estocàstic deduirem les

expressions necessàries per la reacció irreversible següent:

BA k→ (257)

o La probabilitat condicional que en el temps tt ∆+ existeixen n–1 molècules d’A si en

el temps t existeixen n molècules A ve donada per:

tkntW nn ∆=∆− )(1, (258)

o Si t∆ és un interval de temps prou petit tkn∆ és la probabilitat que qualsevol de les n

molècules reaccioni per donar B duran l’interval de temps t∆ .

o Si t∆ és un interval de temps prou petit la probabilitat condicional de que reaccioni

més d’una molècula d’A és negligible.

o En conseqüència la probabilitat condicional que durant l’interval de temps t∆ cap de

les n molècules d’A reaccioni ve donada per:

tkntWtW nnnn ∆−=∆−=∆ − 1)(1)( 1,, (259)

o La probabilitat que en el temps tt ∆+ existeixin n molècules d’A és:

{ }

( ) { }mnn

mnnnnnn

jnjjn

tOtnktPtkntP

tOtWtPtWtPtWtPttP

)()1()(1)(

)()()()()()()()(

1

,11,,

∆+∆++∆−=

∆+∆+∆=∆=∆+

+

++∑ (260)

o El primer terme és la probabilitat de que cap de les n molècules reaccioni.

o El segon terme és la probabilitat de que reaccioni 1 molècula i per tant passem de

n+1 molècules a n.

Page 67: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

67

o I per últim el tercer terme, { }mtO )(∆ , és l’error que cometem al negligir la possibilitat

de que reaccionin més d’una molècula.

o La probabilitat condicional que reaccionin dues molècules en un interval de temps

t∆ és proporcional a ( )2t∆ ; la probabilitat condicional que reaccionin tres molècules

és proporcional a ( )3t∆ , i la probabilitat condicional que reaccionin m molècules és

proporcional a ( )mt∆ .

o Per tant el terme { }mtO )(∆ conté diferents funcions proporcionals a ( )mt∆ , on m és un

numero natural igual o més gran que 2.

o Reordenant l’equació anterior obtenim:

{ }11 )()1()()()()( −

+ ∆+++−=∆

−∆+ mnn

nn tOnktPkntPt

tPttP (261)

o Les funcions que conté el terme { }mtO )(∆ de l’equació anterior són proporcionals a

( ) 1−∆ mt ja que hem dividit tots els termes de la dreta de l’igualtat per t∆ .

o L’equació diferencial anomenada l’equació mestre de la reacció s’obté considerant el

límit 0→∆t .

1...,,2,0)1()()()(01 −=++−= + nnnktPkntP

dttdP

nnn (262)

o Quan fem el limit 0→∆t el terme { }mtO )(∆ és igual a zero ja que les funcions que

conté són proporcionals a ( ) 1−∆ mt .

o Per t=0, 0nn = , 1)0(0

=nP i ttPn ∀=+ 0)(10.

o L’equació diferencial i la seva solució per 0nn = ve donada per:

0)()(

0

0 kntPdt

tdPn

n −= (263)

tkntknnn eePtP 00

00)0()( −− == (264)

Page 68: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

68

o A partir d’aquest resultat podem utilitzar l’Eq. (262) per trobar )(10tPn − :

( ) ( ) 0010011 0

000

0 1)()(1)()(

knenktPkntPnktPdt

tdP tknnnn

n +−=+−−= −−−

(265)

( ) ( ) ( )

( ) ( )kttnkkttnkn ee

nnee

nn

tP −−−−−−− −

−=−

= 1!1!1

!11

)( 1

0

01

0

01

00

0 (266)

o Repetint aquest procés de manera iterativa es pot determinar )(tPn per

0...,,1, 00 −= nnn :

( ) ( ) ( ) nnktkntnnktkntn ee

nnnnee

nn

tP −−−−−− −−

=−

= 00 1

!!!1)(

0

00 (267)

o Finalment el numero mitjà de molècules d’A a un temps t ve donat per:

( ) ( ) [ ] [ ] ktt

ktn

n

nnktkntn

nnt

eAAeneennn

nntnPn −−

=

−−−

=

=⇒=

−== ∑∑ 00

0 0

0

0

00

0

1!!

!)( (268)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0E+00 2.0E-09 4.0E-09 6.0E-09 8.0E-09 1.0E-08 1.2E-08 1.4E-08 1.6E-08

temps

n

[A] mitjana [A]+desviació típica [A]-desviació típica

Page 69: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

69

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0.0E+00 2.0E-09 4.0E-09 6.0E-09 8.0E-09 1.0E-08 1.2E-08 1.4E-08 1.6E-08

temps

n

[A] mitjana [A]+desviació típica [A]-desviació típica

o L’expressió de concentració mitjana obtinguda amb el mètode estocàstic és idèntica a

la formula per la concentració obtinguda amb el mètode determinista.

o Per tant en aquest cas el mètode estocàstic dona una base teòrica per justificar

l’origen de l’equació diferencial de velocitat utilitzada pels mètodes deterministes.

o La desviació típica del numero de molècules mitjà ve donat per:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) [ ] ( )ktktt

ktkt

n

n

nnktkntktn

nntt

eeAeen

eennn

nenntPnn

−−−−

=

−−−−

=

−=⇒−=

−−=−= ∑∑

11

1!!

!)(

00

0 0

020

0

2 00

0

σ

σ

(269)

o La desviació típica mesura la importància de les fluctuacions del nombre de

molècules.

o La relació entre la desviació típica i el valor mitjà de molècules ve donada per:

( ) ( )[ ]

( )[ ] kt

kt

t

tkt

kt

kt

ktkt

t

t

eAe

Aene

eneen

n −

−− −=⇒

−=

−=

000

0 111 σσ (270)

9999

Page 70: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

70

o Tal com es veu en l’equació anterior la importància relativa de la desviació típica (o

fluctuacions) respecte al valor mitjà de molècules augmenta quan el numero de

molècules reactiu inicial disminueix (veure figures pàgina anterior).

El mètode estocàstic te les avantatges següents sobre el mètode determinista.

1 El mètode estocàstic permet estudiar la importància de les fluctuacions a partir de

tσ . Quan el numero de molècules és petit les fluctuacions poden tenir molta

importància.

2 La implementació numèrica del mètode estocàstic per mecanismes molt complexes

és més senzilla que la implementació numèrica del mètode determinista.

3 Quan la solucions del mètode estocàstic i el mètode determinista no coincideixen, la

solució correcta és la mètode estocàstic, ja que al contrari del mètode determinista el

mètode estocàstic no assumeix res.

2.3.1.2 Exemple de l’obtenció de les equacions del mètode estocàstic per una

reacció reversible

Com segon exemple de l’obtenció de les equacions del mètode estocàstic deduirem les

expressions necessàries per la reacció reversible següent:

BAk

k

←→

2

1

(271)

o Si en un temps t hi ha n molècules d’A i ( )nn −0 molècules de B la probabilitat

condicional que en l’interval de temps t∆ una de les n molècules d’A reaccionin per

donar una molècula de B és:

tnktW nn ∆=∆− 11, )( (272)

o La probabilitat condicional que en l’interval de temps t∆ una de les ( )( )10 −− nn

molècules de B reaccioni per donar una molècula d’A ve donada per:

( )( ) tnnktW nn ∆−−=∆− 1)( 02,1 (273)

Page 71: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

71

o La Probabilitat condicional que en l’interval de temps t∆ el numero de molècules

d’A no varií és:

( ) tnnktnktWtWtW nnnnnn ∆−−∆−=∆−∆−=∆ +− 0211,1,, 1)()(1)( (274)

o La Probabilitat que en el temps tt ∆+ existeixin n molècules d’A és:

{ }

( )( )( ) { }m

n

nn

mnnnnnnnnn

jnjjn

tOtnnktP

tnktPtnnktnktPtOtWtPtWtPtWtP

tWtPttP

)()1()(

)1()(1)()()()()()()()(

)()()(

021

11021

,11,11,

,

∆+∆−−+

∆++∆−−∆−=

∆+∆+∆+∆=

∆=∆+

+

−−++

(275)

o A partir de l’equació anterior s’obté l’equació mestre de la reacció:

( )( ) ( ))1()()1()()()(02111021 −−+++−+−= −+ nnktPnktPnnknktP

dttdP

nnnn (276)

o El numero mitjà de molècules d’A:

( )( ){ } [ ] [ ]

( )( ){ }tkk

t

n

n

tkknt

ekkkk

AAekkkk

ntnPn 210

2112

21

0

012

21

0)( +−

=

+− ++

=⇒++

== ∑ (277)

2.3.2 Simulació numèrica estocàstica de reaccions químiques

Sovint l’obtenció de l’equació mestre es molt complexa o fins i tot impossible. En

aquests casos la solució és utilitzar el mètode numèric desenvolupat per Gillespi.

Com exemple per il·lustrar aquest mètode utilitzarem la reacció següent:

BAk

k

←→

2

1

(278)

El primer pas del mètode de Gillespi consisteix en definir el conjunt de reaccions que

poden tenir lloc, el conjunt de les constants de velocitat i el conjunt del numero de

molècules dels reactius, productes i intermedis.

Per l’exemple de la reacció d’una etapa reversible aquests conjunt de dades són:

Page 72: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

72

1 El conjunt de reaccions que poden tenir lloc:

{ }21, RRRi = (279)

2 El conjunt de constants de velocitat:

{ }21,kkki = (280)

3 El conjunt de numero de molècules del sistema:

{ }21,CCCi = (281)

o 1R és la reacció que te lloc quan una molècula d’A es transforma en una B, i 2R és la

reacció en sentit oposat.

o 1C és el numero de molècules d’A i 2C és el numero de molècules de B.

o Si N és el numero de molècules total es compleix:

21 CCN += (282)

o Per tant aquest sistema es de fet un problema d’una única variable independent

perquè 12 CNC −= .

Les constants de velocitat es poden determinar teòricament a partir del mecanisme de

reacció i tenen en compte la naturalesa aleatòria de les col·lisions que generen les

reaccions.

Les constants de velocitat es defineixen de tal manera que tk ∆1 dona la probabilitat de

que una molècula qualsevol d’A reaccioni per donar B en un interval infinitesimal de

temps t∆ .

El segon pas del mètode de Gillespi es basa en la definició de la funció densitat de

probabilitat de la reacció, ( )iP ,τ , que dona la probabilitat que en el temps t la pròxima

reacció sigui iR i tingui lloc en l’interval de temps entre τ+t i ττ dt ++ .

Page 73: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

73

o Fórmula per calcular ( )iP ,τ ve donada per:

( )∑

= =

−m

iiiCk

ii eCkiP 1,τ

τ (283)

o m és el numero de reaccions que poden tenir lloc

o Per l’exemple de la reacció d’una etapa reversible m és igual a 2.

o Si es defineix:

iii Cka = (284)

∑==

m

iit aa

1 (285)

o l’Equació (283) es pot escriure com:

( ) ( ) ( )iPPeaeCkiP t

m

iii

ai

Ck

ii ττ ττ

==∑

= −−

=1, (286)

( ) ττ tateaP −= (287)

( )t

i

aaiP = (288)

o ( )τP ens dona la probabilitat que la pròxima reacció tingui lloc en l’interval de

temps entre τ+t i ττ dt ++ independentment del tipus de reacció que sigui.

o ( )iP ens dona la probabilitat de que la pròxima reacció sigui iR independentment de

quan tingui lloc.

o Com a bones funcions probabilitat ( )τP i ( )iP estan normalitzades:

( ) [ ] 1000

=−==∞−

∞−

∫∫ ττ τττ tt a

t

tat e

aadeadP (289)

( ) 11

1==

∑= =

=∑

t

t

t

m

iim

i aa

a

aiP (290)

Page 74: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

74

o ( )τP te un valor màxim a ( )0P que va disminuint fins tendir asimptoticament a zero.

El tercer pas del mètode de Gillespi, un cop definides les funcions probabilitat,

consisteix en fer una simulació estocàstica de la reacció generant nombres aleatoris τ i

i utilitzant les probabilitats ( )τP i ( )iP .

o Es pot demostrar que una manera de generar τ a partir de ( )τP és:

=

1

1ln1rat

τ (291)

o 1r és un numero aleatori generat per exemple pel mètode de Monte Carlo.

o El numero aleatori i a partir de ( )iP es genera amb la funció:

{ }mja

ar

a

aji

t

j

ii

t

j

ii

,...2,1 si 02

1

0 ∈∀∑

≤<∑

= =

= (292)

o En l’equació anterior a0=0.

o 2r és un numero aleatori generat per exemple pel mètode de Monte Carlo

o Per exemple pel cas d’una reacció reversible el numero aleatori i es genera amb la

següent funció:

≤<

≤≤=

1 si2

0 si1

21

12

raa

aar

i

t

t (293)

o Per un exemple on hi hagués 3 reaccions possibles el numero aleatori i seria:

≤<+

+≤<

≤≤

=

1 si2

si2

0 si1

221

212

1

12

ra

aaa

aaraa

aar

i

t

tt

t

(294)

Page 75: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

75

Page 76: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

76

o Per l’exemple de la reacció reversible la simulació el primer punt està situat a un

temps τ del punt zero, i el numero de molècules canvia de la manera següent:

1,12si1,11si

2211

2211

−→+→⇒=+→−→⇒=

CCCCiCCCCi

(295)

Resumint, els 5 passos principals de l’algoritme de Gillespi són:

1 Especificar els valors de 1C i 2C per t=0, així com els valors de 1k i 2k i el valor del

temps on la simulació s’ha d’aturar, fit .

2 Calcular els valors de ia i a partir d’aquí els valors de ( )τP i ( )iP .

3 Utilitzant el mètode de Monte Carlo i ( )τP i ( )iP generar un parell de valors

aleatoris per τ i i.

4 Incrementar la variable t un valor τ , i variar els valors 1C i 2C en funció del valor

d’i.

5 Si el valor de t és més gran que fit aturar el càlcul, en cas contrari anar de nou al pas

2.

En la figura de la pagina anterior es mostren dues simulacions obtingudes amb el

mètode de Gillespi, una per 100 molècules i l’altre per 10.000 molècules.

o Les fluctuacions respecte al número mitjà de molècules són molt importants en el cas

de 100 molècules però són negligibles en el cas de 10.000 molècules.

Un dels casos on el mètode estocàstic és essencial per obtenir el resultat correcte és en

les reaccions on participen molècules d’enzims, el nombre de les quals es sovint molt

petit.

Page 77: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

77

2.4 Resolució del mecanisme d’una reacció a partir de les

mesures experimentals i càlculs teòrics

En el laboratori es poden fer dos tipus d’experiments essencials per obtenir informació

per la resolució del mecanisme d’una reacció.

o Detectar el major nombre possibles dels intermedis que es generen en la reacció.

o Determinar la variació de la concentració amb el temps dels reactius, productes, i

quan sigui possible dels intermedis.

El algoritme per resoldre un mecanisme es el següent:

1 La informació experimental s’utilitza per proposar un mecanisme que sigui coherent

amb totes les dades obtingudes.

2 A partir d’aquest mecanisme i amb les tècniques matemàtiques que hem estudiat

s’obté l’equació integrada de velocitat.

3 Posteriorment es fan diversos experiments i càlculs variant les condicions de partida

de la reacció, es a dir les concentracions dels reactius o la temperatura.

4 Si el resultat dels càlculs coincideix amb el resultat dels experiments es considera

que el mecanisme es un candidat vàlid. Si no és així es proposa un nou mecanisme

que s’ajusti a les dades experimentals.

5 Aquest procés es repeteix iterativament fins que es troba un mecanisme pel que les

simulacions teòriques coincideixen amb els resultats experimentals.

Page 78: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

78

3 Teoria de les col·lisions clàssica

3.1 Nombre de col·lisions per unitat de temps............................................................................. 80 3.2 Requeriment d’una energia mínima....................................................................................... 86

3.2.1 Comparació amb l’expressió d’Arrhenius ...................................................................... 90 3.3 Factors estèrics....................................................................................................................... 91

Sinopsi

En aquest capítol desenvoluparem la teoria de les col·lisions clàssica. Aquesta

teoria resolt els greus problemes que te la teoria d’Ahrrenius per descriure les reaccions

ràpides, i es pot considerar com una versió preliminar de la dinàmica molecular. La

teoria de les col·lisions assumeix que les molècules per reaccionar han de xocar, però

que només els xocs que tinguin una energia mínima i compleixin certs requeriments

estèrics donaran lloc a una reacció. Primer desenvoluparem les equacions per

determinar el nombre de col·lisions per unitat de temps que es produeixen entre les

molècules d’un gas. Seguidament veurem com influeix el requeriment d’una energia

mínima en el numero de xocs que esdevenen eficaços, es a dir que generen una reacció.

Per acabar analitzarem la importància dels factors estèrics, i com aquests es poden tenir

en compte en la teoria de col·lisions clàssica.

Page 79: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

79

En els dos temes anteriors s’ha estudiat la cinètica de les reaccions químics des d’un

punt de vista macroscòpic. Tots els conceptes necessaris per deduir les equacions

integrades de velocitat, com ara les constant de velocitat, l’ordre de reacció, el

mecanisme o l’energia d’activació es poden interpretar sense conèixer l’estructura

microscòpica de les molècules que intervenen en la reacció.

Una teoria molt senzilla per determinar les equacions integrades de velocitat a partir de

les característiques microscòpiques del sistema és la teoria del complex activat (o

Teoria d’Arrhenius o teoria de les velocitats absolutes). Aquesta teoria dona bons

resultats per reaccions lentes, però falla per reaccions ràpides.

Una alternativa a la teoria del complex activat que dona millors resultats que la teoria

del complex activat tant per reaccions ràpides com lentes és la teoria de les col·lisions

clàssica.

La teoria de les col·lisions clàssica és de fet una versió preliminar de la Dinàmica

Molecular.

La teoria de les col·lisions clàssica prediu la cinètica d’una reacció a partir de l’estudi

de les col·lisions entre les molècules del sistema químic.

La teoria de les col·lisions clàssica s’aplica per estudiar les reaccions en fase gas.

Com exemple per il·lustrar l’obtenció de les constants de velocitat amb la teoria de les

col·lisions clàssica utilitzarem la reacció elemental següent:

CBA k→+ (296)

La formula de la constant de velocitat ha de tenir en compte tres factors que

determinen si una col·lisió entre una molècula d’A i B genera una molècula de C

1 El nombre de col·lisions entre reactius per unitat de temps.

2 Els factors estèrics.

3 El requeriment d’una energia mínima.

Page 80: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

80

3.1 Nombre de col·lisions per unitat de temps

Les molècules d’un sistema en fase gas tenen un moviment aleatori incessant.

Per calcular el nombre de col·lisions per unitat de temps entre les molècules d’un gas

és imprescindible conèixer la seva velocitat.

f(v) és l’anomenada funció distribució de velocitat i ens dona la densitat de probabilitat

de que una molècula tingui una velocitat v.

La fracció de molècules que tenen una velocitat entre 1v i 1v ve donat la integral

següent:

∫2

1

)(v

v

dvvf (297)

L’expressió de f(v) es pot derivar a partir de la distribució de Boltzmann. Segons la

distribució de Boltzmann la fracció de molècules amb una velocitat ( )zyx vvv ,, és

proporcional a una funció exponencial de la seva energia cinètica.

)()()(2222

222222

zyxkT

mvkT

mvkT

mvkT

mvmvmvkTE

vfvfvfeeKeKeKezyxzyx

===−−−

++−−

(298)

kTmv

zkT

mv

ykT

mv

x

zyx

eKvfeKvfeKvf 231

231

231 222

)(,)(,)(−−−

=== (299)

La constant K es troba a partir de la integral de normalització de la funció )( xvf , es a

dir del fet que la fracció de molècules que tenen una component de velocitat xv entre

∞± és 1.

23

23

21

31

231

2212)(

2

=

=⇒=

== ∫∫

∞−

−∞

∞− RTM

kTmK

mkTKdveKdvvf kT

mv

xx

x

πππ

(300)

21

2

=∫

∞−

adxe ax π

(301)

on M és la massa molar, amNM = , i R és la constant dels gasos ideals, akNR = .

Page 81: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

81

L’expressió )( xvf ve donada per:

RTMv

x

x

eRT

Mvf 221 2

2)(

=

π (302)

L’equació que relaciona )(vf amb )()()( zyx vfvfvf es troba a partir de les integrals

de normalització de la funcions )(vf i )()()( zyx vfvfvf .

o La fracció de molècules que tenen una component de velocitat xv , yv i zv entre ∞±

és 1, i òbviament la fracció de molècules que tenen un mòdul de la velocitat entre 0 i

∞ és també 1.

1)()()( =∫ ∫ ∫∞

∞−

∞−

∞−zyxzyx dvdvdvvfvfvf (303)

1)(0

=∫∞

dvvf (304)

o Per trobar la l’equació que relaciona )(vf amb )( xvf , )( yvf i )( zvf a partir de les

dues integrals anteriors es necessari conèixer l’equació que relaciona v amb xv , yv i

zv i l’equació que relaciona dv amb zyx dvdvdv .

o La relació entre v i xv , yv i zv ve donada per les coordenades esfèriques polars:

[ ) [ )∞∈++=⇒∞∈++= ,0,,0, 222222 vvvvvrzyxr zyx (305)

[ )πφφ 2,0,arctan ∈=xy

(306)

[ ]πθθ ,0,arctan22

∈+

=z

yx (307)

Page 82: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

82

o La relació entre zyx dvdvdv i dv ve donat pel determinant de Jacobí:

( )( )φθθ

φθθφθφφθθθ

φθφθφθθ

φθφθθ

φθ

θθ

φθφθφθ

φθφθφθ

φθ

φθ

φθ

φθ

φθφθ

ddvdvdvdvdvddrdr=ddrd++r=

ddrdrr

rr0=

ddrd

0rsin-

rsinrcos

rsin-rcos

ddrd

zzrz

yyry

xxrx

ddrdr

zyxdxdydzdV

zyx

222222

232222

232222

sinsinsincoscossinsin

cossin0sinsincossinsincossincos

cos

cossinsinsin

sincoscossin

),,(),,(

2=⇒

+++

++

=

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=∂∂

==

(308)

Page 83: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

83

o Finalment la relació entre )(vf i )()()( zyx vfvfvf ve donada per:

∫∫

∫ ∫ ∫∫ ∫ ∫∞∞

∞∞

∞−

∞−

∞−

==

=

00

2

0

2

0 0

2

)(4)()()(

sin)()()()()()(

dvvfdvvvfvfvf

ddvdvvfvfvfdvdvdvvfvfvf

zyx

zyxzyxzyx

π

φθθπ π

(309)

( )RT

MvRT

vvvM

zyx evRT

MveRT

Mvvfvfvfvfzyx

2223

2223

22222

244

24)()()()(

−++

=

==

πππ

ππ (310)

L’expressió anterior de f(v) s’anomena funció de distribució de velocitat de Maxwell,

ja que va ser derivada per J. C. Maxwell.

Experimentalment s’ha demostrat que les molècules en fase gas segueixen la

distribució de velocitat de Maxwell.

A la figura següent es pot veure que la dispersió de velocitats es fa més ample quan la

Temperatura augmenta o be quan disminueix la massa de les molècules dels reactius.

Page 84: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

84

La velocitat mitjana de les molècules d’un gas o el valor esperat de la velocitat de les

molècules d’un gas es calcula a partir de funció de distribució de velocitat resolent la

integral següent:

212

23

0

2323

0

0 8221

24

24

)(

)( 2

=

=

== ∫

∫ ∞−

MRT

MRT

RTMdvev

RTM

dvvf

dvvvfc RT

Mv

πππ

ππ (311)

20

3

212

adxex ax =∫

∞−

(312)

La velocitat mitjana en que un molècula A s’acosta a un altre B, anomenada velocitat

mitjana relativa, ve donada per:

21

21

21

21

8888

=

+=

+

=+=

πµπππkT

mmmmkT

mkT

mkTccc

BA

BA

BABArel (313)

o Pel cas particular que A i B són iguals tenim:

cmkT

mkTkTc

AArel 282288 2

1

212

121

=

=

=

=

πππµ (314)

Page 85: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

85

Es considera que dues molècules xoquen quan el centre de les dues molècules

s’acosten a una distància d, on d s’anomena diàmetre de col·lisió.

L’anomenada secció transversal de col·lisió o secció eficaç de col·lisió és:

2dπσ = (315)

Una manera de trobar la freqüència en que dues molècules xoquen es considerar que

només una molècula es mou i les altres ocupen una posició fixa en l’espai.

o En aquest cas la molècula mòbil es mouria a una velocitat relc , i després d’un temps

t∆ , aquesta molècula avançaria una distància tcrel∆ , i escombraria un volum igual a:

tcV relesc ∆= σ (316)

o I el numero de col·lisions que pateix la molècula mòbil durant un temps t∆ és:

ArelA

relA

esccol tNcVntc

VnVn ∆=∆== σσ (317)

on VnN AA = és el numero de molècules per unitat de Volum.

Page 86: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

86

o Per tant, la freqüència de col·lisions, z, es a dir el numero de col·lisions per unitat de

temps és:

ArelArelcol Nc

Vn

ttc

tnz σσ

=∆

∆=

∆= (318)

o La densitat de col·lisions total és igual a la freqüència de col·lisions multiplicada pel

numero de molècules d’A per unitat de volum, on s’inclou el factor ½ per evitar

contar dues vegades la mateixa col·lisió.

[ ] [ ] [ ]2221

2221

222 4821

21

21

21 AN

mkTANkTANcNczNZ a

aaarelArelAAA

=

====

πσ

πµσσσ (319)

on ][ANVnN aAA ==

o Si el gas conté dos tipus de molècules diferents, A i B, la densitat de col·lisions total

entre les molècules A i B ve donada per:

[ ][ ] ( ) [ ][ ]BANkTrrBANcNNcZ abaarelBArelAB2

21

22 8

+===

πµπσσ (320)

La densitat de col·lisions total augmenta quan disminueix la massa dels reactius i quan

augmenta el radi de les molècules, la temperatura i la concentració dels reactius.

Exercici: En un recipient de 0.02271 m3 conté un mol de molècules de xenó a 273.15

K. Determina la freqüència de col·lisions i la densitat de col·lisions total, i el numero

total de col·lisions total. Dades: El Xe te un diàmetre igual a 4 Å i 2.181×10-25 Kg.

Sol: z = 3.96×109 s-1, ZAA = 5.25×1034 s-1 m-3.

3.2 Requeriment d’una energia mínima

Segons la teoria de col·lisions clàssica una col·lisió només genera una reacció quan les

partícules que xoquen tenen una energia cinètica superior a una energia llindar.

o Els xocs que l’energia suficient per generar una reacció els anomenem xocs eficaços.

Page 87: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

87

La teoria de col·lisions te en compte la relació entre la fracció de xocs eficaços i

l’energia cinètica de les molècules que xoquen expressant la secció transversal de

col·lisions en funció de l’energia que tenen les molècules.

o σ és zero quan l’energia cinètica és inferior a un valor llindar aε . D’aquesta manera

no es tenen en compte els xocs no eficaços.

o Es considerar que només són eficaços els xocs frontals entre A i B.

o Es a dir que només l’energia cinètica deguda a la component de relv paral·lela a l’eix

A-B (veure figura) contribueix a que un xoc sigui eficaç .

o Una via per relacionar l’energia cinètica de les molècules invertida en el xoc amb el

diàmetre de les molècules ve donada per l’equació següent:

{

−=⇒

−== −

−=

− 2

2221

2

22

sin1cos,

2

cosd

bdd

bdvvv BArelrelBArel εεθθϑ

(321)

2

21

relvµε = (322)

Page 88: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

88

o La relació entre el valor màxim de b, maxb , per sobre del qual no tenen lloc les

reaccions i l’energia cinètica mínima necessària perquè la reacció tingui lloc, 0ε ve

donada per:

202max2

2max

2

0 1 dbd

bd

−=⇒

−=

εεεε (323)

o Per tant la definició de ( )εσ a partir d’Equació (323) és:

( ) σεε

εεππεσ

−=

−== 0202

max 11 db (324)

o ( )εσ incorpora dins la definició de la secció eficaç l’efecte de l’energia cinètica en la

determinació de la densitat de xocs eficaços.

o La secció eficaç no pot ser negativa, per tant quan ε sigui més petit que 0ε , la secció

eficaç és igual a zero.

( )( )

( )

−=

−=⇒<

=⇒≥=

σεε

εεπεσ

εε

εσεε

εσ0200

0

111

01

d (325)

Quan més gran sigui ε , més gran serà ( )εσ , i per tant més gran serà la densitat de

col·lisions que evolucionaran cap a productes (veure gràfica de la pàgina anterior).

La velocitat en que reaccionen les molècules d’A considerant que totes les molècules es

mouen a una velocitat igual a relv ve donada per:

( ) ( ) [ ][ ] [ ] ( ) [ ][ ]BANvdtAdBANvZ

dtdN

arelarelABA εσεσε −=⇒−=−= 2

(326)

Les molècules no es mouen a una velocitat igual a relv sinó que es poden moure a

qualsevol velocitat entre 0 i ∞ , amb una densitat de probabilitat de velocitat donada

per la funció distribució de velocitat de Maxwell.

Page 89: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

89

( )εσ depèn de l’energia cinètica de cada molècula, ε .

L’energia cinètica està relacionada amb relv .

21

2 221

=⇒=

µεµε relrel vv (327)

Utilitzant l’expressió anterior podem escriure la funció distribució de velocitat, )(vf ,

en funció de l’energia cinètica, )(εf .

La funció )(εf la podríem anomenar funció distribució d’energia cinètica.

El valor esperat o valor mitjà del producte ( )vεσ ve donada per l’integral següent:

( ) ( ) ( ) kTrelrelrelrel ecdvfdvvvfv

0

00

)()(ε

σεεεσεσεσ−

∞∞

=== ∫∫ (328)

o Es a dir que l’expressió ( ) relvεσ depèn linealment de la velocitat relativa mitjana,

relc , exponencialment de la velocitat cinètica mínima necessària perquès es

produeixi la reacció i la temperatura, kTe0ε

−.

Finalment, la velocitat en que reaccionen les molècules d’A tenint en compte que les

molècules es poden tenir diferent velocitat i ( )εσ ve donada per l’expressió següent:

[ ] ( ) [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ]BAekTNBAecNBAvNdtAd RT

E

akT

relarela

00 21

8 −−

−=

−=−=πµ

σσεσε

(329)

o Es a dir que l’expressió de constant de velocitat deduïda a partir de la teoria de les

col·lisions clàssica és:

RTE

rela ecNk0−

= σ (330)

Page 90: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

90

3.2.1 Comparació amb l’expressió d’Arrhenius

Equació d’Arrhenius de la constant de velocitat ve donada per:

RTEa

Aek−

= (331)

Les semblances entre la fórmula d’Arrhenius i l’equació donada per la teoria de les

col·lisions clàssica ens mostra quin és l’origen físic del factor preexponencial A i del

factor exponencial aE .

o El factor preexponencial A està relacionat amb el nombre de col·lisions que tenen lloc

en el gas.

o L’energia d’activació, aE , està relacionada amb l’energia cinètica mínima que han de

tenir les molècules perquè la reacció sigui possible.

Tot i això, hi ha una important diferència entre la formula d’Arrhenius i l’Eq. (330)

deduïda per la teoria de les col·lisions clàssica.

o En l’equació d’Arrhenius el factor preexponencial no depèn de la Temperatura.

o En la teoria de col·lisions clàssica el factor preexponencial depèn de relc , la qual

depèn de la T.

Aquesta diferència entre els dos factors preexeponencials implica que l’energia mínima

perquè una col·lisió sigui reactiva, 0E no és igual a l’energia d’activació, aE .

o L’expressió general de l’energia d’activació ve donada per:

∂∂

=tkRTEa

ln2 (332)

o La derivada de la k respecte a la temperatura obtinguda a partir de l’expressió de la k

de la teoria de les col·lisions clàssica ve donada per:

2002

121

21lnln

21lnln8 0

RTE

TTk

RTETBkeTkNk RT

E

B

a +=∂

∂⇒−+=⇒

=

43421πµ

σ (333)

Page 91: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

91

o Per tant la relació entre aE i 0E ve donada per:

02022

221ln ERT

RTE

TRT

tkRTEa +=

+=

∂∂

≡ (334)

o Es a dir que l’expressió d’Ea obtinguda amb la teoria de col·lisions clàssica depèn de

la temperatura.

o Al contrari de 0E és un paràmetre que no depèn de la Temperatura.

o Tot i això, sovint 0E és molt més gran que el primer terme de l’equació (334) i per

tant es fa l’aproximació de suposar que aE = 0E .

o En l’expressió d’Ahrrenius de la constant de velocitat es fa servir l’aproximació

anterior, es a dir se suposa que l’energia d’activació no depèn de la temperatura.

L’expressió de k obtinguda amb la teoria de les col·lisions clàssica en funció de aE ve

donada per:

RTE

aRTE

a

a

eeTkNeTkNk−−

=

= 2

1212

1

212

1

88 0

πµσ

πµσ (335)

Exercici: Suposem que els àtoms de Xe de l’apartat anterior poden reaccionar per

donar molècules de Xe2. Quina seria la seva velocitat de reacció si l’E0 d’aquesta

reacció és igual a 80 J/mol?

Sol: r = 5.07×1034 molecules s-1 m-3 = 8.42×1010 mol s-1 m-3.

3.3 Factors estèrics

Si fem servir l’equació obtinguda en l’apartat anterior per calcular la constant de

velocitat s’obtenen discrepàncies molt gran amb les dades experimentals (veure la taula

de la pàgina següent).

Page 92: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

92

El valor experimental del factor preexponencial és en la gran majoria dels casos molt

més petit que el valor teòric. Això implica que hi ha un altre criteri, a part del criteri

energètic, que determina que moltes de les col·lisions no evolucionin a productes.

Per reproduir els resultats experimentals a partir de les expressions teòriques hem de

tenir en compte l’anomenat factor estèric, P.

El factor estèric és necessari perquè no tots els xocs amb una energia cinètica

suficientment alta evolucionen cap a productes, si no que només ho fan els que tenen

una orientació relativa correcte de les molècules (veure figura).

+ → No reacciona

(336)

Page 93: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

93

+ →

(337)

Tot i que molt menys nombrosos, també hi ha casos on el valor teòric és mes petit que

l’experimental. Aquests resultat en principi ens portaria a la conclusió a priori absurda

que hi han més parells de molècules que reaccionen que no pas que xoquen.

La anomenada secció eficaç reactiva, *σ , es defineix com:

σσ P=* (338)

Page 94: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

94

o La secció eficaç reactiva a més d’incloure l’efecte de l’energia dins la definició de la

secció eficaç inclou l’efecte dels factors estèrics.

L’expressió de la constant de velocitat segons la teoria de col·lisions clàssica tenint en

tenint en compte els factors estèrics és:

RTE

relaRTE

rela

aa

ecPNecNk−−

== σσ * (339)

En els casos estranys on el factor preexponencial experimental és més gran que el

teòric el numero de reaccions és més gran que el numero de xocs que tindria lloc en

una mescla no reactiva. Això implica que *σ és mes gran que σ .

Un dels casos on *σ és mes gran que σ es dona quan una reacció utilitza l’anomenat

mecanisme de l’arpó.

o Per explicar el mecanisme de l’arpó utilitzarem com a exemple el cas de la reacció

següent:

K + Br2 → KBr + Br (340)

o El mecanismes de l’arpó te els tres passos següents:

1 Quan un àtom de K està prou proper a una molècula de Br2, encara que no xoquin un

electró del K salta cap el Br2 degut a la forta diferència entre l’electronegativitat de

les dues espècies.

2 A continuació el catió K+ se sent atret electrostàticament per la l’anió -2Br , i

s’acosten fins a xocar.

3 Finalment el xoc indueix la reacció.

o Degut al mecanisme de l’arpó, la secció eficaç reactiva d’aquesta reacció és molt més

gran que la secció eficaç.

Exemple de càlcul el valor de P.

o El pas 2 del mecanisme de l’arpó en l’exemple anterior només te lloc, es a dir la

reacció següent només es produeix quan l’energia associada a la reacció és negativa.

K + Br2 → K+ + -2Br (341)

Page 95: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

95

o L’energia associada al pas 2 ve donada per:

ReAIE

0

2

4πε−−=∆ (342)

o En l’equació anterior I és el potencial d’ionització del K, A és l’afinitat electrònica de

Br2, i el tercer terme és l’atracció electrostàtica entre els dos ions.

o La distància màxima on el pas 2 pot tenir lloc ve donada pel cas particular on E∆ és

igual a zero.

( )AIeR

ReAI

−=⇒=−−

0

2*

*0

2

40

4 πεπε (343)

o Totes les molècules de K i Br2 que estiguin a una distància més petita que R*

reaccionaran.

o Per tant l’expressió de *σ per aquesta reacció és:

2** Rπσ = (344)

o I el valor del factor estèric per aquesta reacció ve donat per:

( )

2

0

2

2

2**

4

===AId

edRP

πεσσ

(345)

o El valor teòric de P és igual a 4.2, molt proper al valor experimental de 4.8 (veure

taula).

Tot i que en l’exemple anterior P s’ha pogut calcular de manera molt fàcil, no és així

per les reaccions més complexes. En aquests casos s’ha d’utilitzar una teoria més

completa que la teoria de les col·lisions clàssica.

Page 96: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

96

4 Superfícies d’energia potencial (PES)

4.1 Aproximació de Born-Oppenheimer...................................................................................... 99 4.1.1 Equació de Schrödinger electrònica................................................................................ 99 4.1.2 Equació de Schrödinger nuclear ................................................................................... 101

4.2 Superfícies adiabàtiques i diabàtiques ................................................................................. 101 4.3 Determinació de la PES ....................................................................................................... 104

4.3.1 Forces intermoleculars i intramoleculars ...................................................................... 104 4.3.2 Potencial Empíric.......................................................................................................... 106

4.4 Perfil de la reacció, punts estacionaris de la PES, i camí de reacció intrínsec .................... 110 4.5 Localització dels punts estacionaris en la PEHS ................................................................. 114

4.5.1 Localització de mínims ................................................................................................. 115 4.5.2 Localització d’estats de transició .................................................................................. 121

Page 97: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

97

Sinopsi En aquest capítol estudiarem com extreure la informació que conté la funció

superfície d’energia potencial per utilitzar-la en la determinació de la velocitat i

mecanisme de les reaccions químiques. La superfícies d’energia potencial tenen una

importància clau en la determinació de la cinètica i mecanismes de les reaccions

químiques. De fet en els mètodes més sofisticats de dinàmica molecular s’estudia com

es mouen els sistemes químics per la superfícies d’energia potencial (PES). Però la

informació que ens dona la PES també es pot utilitzar per determinar els paràmetres que

necessitem per aplicar el mètode de les col·lisions clàssica i la teoria de l’estat de

transició. Començarem el tema definint matemàticament la funció superfície d’energia

potencial i explicant el seu origen físic basat en l’aproximació de Born-Oppenheimer. A

continuació definirem i explicarem les avantatges i limitacions de les superfícies

adiabàtiques i les superfícies diabàtiques. Les primeres estan basades en l’aproximació

de Born-Oppenheimer mentre que les segones tenen en compte l’acoblament entre els

electrons i els nuclis. Seguidament comentarem els dos mètodes més utilitzats per

determinar la PES, els mètodes purament teòrics anomenats mètodes ab initio, i els

potencials empírics que utilitzen paràmetres obtinguts a partir de dades experimentals.

Després definirem que és un perfil de reacció, un punt estacionari de la PES, i un camí

de reacció intrínsec. Tots tres conceptes s’utilitzen rutinàriament quan s’estudia la

cinètica i mecanisme d’una reacció. Per acabar, veurem com es poden localitzar a la

PES els seus punts estacionaris. La localització dels punts estacionaris és essencial per

conèixer l’energia i geometria dels reactius, productes, intermedis i estats de transició.

Page 98: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

98

La superfície d’energia potencial (PES) és una funció que dona l’energia potencial

d’un sistema químic com a funció de la posició relativa dels seus àtoms.

La PES és una eina essencial per estudiar la cinètica d’una reacció, ja que ens permet

conèixer el camí que segueixen els reactius per arribar a productes, així com la barrera

d’energia potencial que separa els reactius dels productes.

La PES també dona informació sobre l’estructura molecular dels reactius i productes,

així com els seus espectres de microones, IR, UV, raigs X, ...

Des del punt de vista de la mecànica quàntica l’origen de la PES està en l’aproximació

de Born-Oppenheimer.

Page 99: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

99

4.1 Aproximació de Born-Oppenheimer

Els nuclis són com a mínim 1386 vegades més pesats que els electrons.

L’aproximació de Born-Oppenheimer (BO), partint del fet que els electrons es mouen

molt més ràpid que els nuclis, considera que es pot descriure correctament el moviment

dels electrons sense tenir en compte el moviment dels nuclis.

La aproximació de Born-Oppenheimer permet separar l’Eq. de Schrödinger molecular

en l’Eq. de Schrödinger electrònica i l’Eq. de Schrödinger nuclear.

4.1.1 Equació de Schrödinger electrònica

Aplicant l’aproximació de BO la funció d’ona molecular, ( )Rr,Ψ , es pot expressar

com a producte de la funció d’ona electrònica, ( )Rr;ψ , i la funció d’ona nuclear,

( )Rϕ :

( ) ( ) ( )RRrRr ϕψ ;=Ψ , (346)

Les úniques variables de la funció d’ona electrònica ( )Rr;ψ són les coordenades dels

electrons, r. Les coordenades dels nuclis , R, intervenen com a paràmetres.

El Hamiltonià electrònic ve donat per:

eeNeee VVTH ˆˆˆˆ ++= (347)

I l’equació de Schrödinger electrònica és:

( ) ( ) ( )RrRRr ;;ˆ ψψ ee EH = (348)

La funció superfície d’energia potencial, ( )ReE ¸ es defineix com la suma de l’energia

electrònica mes la energia de repulsió nucli-nucli, NNV .

( ) ( ) NNe VEU += RR (349)

Page 100: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

100

U(R) conté tota l’energia del sistema químic excepte l’energia cinètica degut al

moviment del nuclis.

La superfície d’energia potencial es calcula seguint el procediment següent:

o Primer es tria una posició dels nuclis determinada i es soluciona l’Equació de

Schrödinger electrònica per aquesta posició dels nuclis.

o Després es repeteix el pas anterior per a una posició dels nuclis diferent fins a tenir

suficients punts per conèixer la forma d’U(R).

Pel cas particular d’una molècula diatòmica es poden definir els conceptes següents:

o La distància d’enllaç d’equilibri és la distància internuclear on U(R) és mínima.

o L’energia de dissociació d’enllaç espectroscòpica és la diferència d’energia entre el

mínim d’U(R) i l’energia potencial per R igual a infinit.

La geometria d’equilibri d’una molècula poliatòmica, donada per les distàncies i angles

d’enllaç, es determina trobant el mínim de la superfície d’energia potencial (PES) de la

molècula. fad

La PES d’una molècula poliatòmica depèn de 3N-6 coordenades internes nuclears per

molècules no lineals, on N és el numero d’àtoms de la molècula, i de 3N-5 per

molècules lineals.

o Per exemple la PES de la molècula d’aigua depèn de 3×3−6=3 coordenades internes

nuclears: i) La distància entre l’O i un H, ii) La distància entre l’O i l’altre H, iii) i

l’angle que formen els tres àtoms.

Page 101: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

101

Els ordinadors actuals permeten la resolució de l’Eq. de Schrödinger electrònica per

qualsevol molècula amb menys de 500 àtoms.

Matemàticament l’aproximació de Born-Oppenheimer implica suposar que la primera

derivada de la funció d’ona electrònica respecte a la posició dels nuclis és zero.

4.1.2 Equació de Schrödinger nuclear

L’equació de Schrödinger nuclear determina el moviment dels nuclis i l’energia total

de la molècula, E.

( )( ) ( ) ( )RRR ϕϕ EUTN =+ (350)

4.2 Superfícies adiabàtiques i diabàtiques

Les superfícies adiabàtiques són les PES, i la seva validesa és gairebé general.

No es pot representar gràficament una PES amb més de dos variables.

Però els càlculs teòrics no tenen la limitació de les representacions gràfiques i

permeten treballar sense cap problema amb PES amb més de dos variables.

Per il·lustra les principals característiques de les PES utilitzarem la reacció següent:

HA + HBHC → HAHB + HC (351)

o Tant dades teòriques com experimentals indiquen que l’orientació que requereix

menys energia perquè les molècules reaccionin és quan els tres àtoms estan a la

mateixa recta.

o Degut a que no podem representar gràficament una PES amb més de dos variables

ens centrarem en aquest cas (veure figura).

o Quan els tres àtoms formen una línia recta només necessitem dos variables

geomètriques per representar la PES, la distància entre els àtoms A i B, RAB, i la

distància entre els àtoms B i C, RBC.

Page 102: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

102

o A l’inici de la reacció RAB és infinit i RBC és la distància d’equilibri de H2. Aquest

punt sobre la gràfica estaria a l’inici de les línies A, B i C (infinitament desplaçat a

la dreta). Aquesta zona de la PES s’anomena canal de reactius.

o Quan RAB és molt gran, la PES només depèn de RBC, però quan A està a prop de

BC l’acostament entre l’àtom i la molècula implica un augment de l’energia

potencial.

o La coordenada de reacció (C a la figura) és el camí que requereix menys energia

potencial per passar de reactius a productes.

o El punt de més alta energia potencial de la coordenada de reacció és un punt de

cella, es a dir un mínim en totes les direccions menys en una que és un màxim.

Aquest punt està marcat a la figura com C‡.

o Quan el sistema segueix la coordenada de reacció la distància entre A i B va

disminuint, es a dir l’enllaç entre A i B es va formant, i la distància entre B i C va

augmentant, es a dir que l’enllaç entre B i C es va trencant.

o En el punt C‡ l’enllaç AB esta a mig formar, i el BC a mig trencar.

o Després del punt C‡ la molècula evoluciona fins formar i trencar totalment els

enllaços AB i BC, respectivament. Aquesta zona és el canal de productes.

o Quan el sistema està en el punt C‡ forma el que s’anomena estat de transició. La

zona al voltant del punt C‡ és el complex activat.

Page 103: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

103

o La reacció només serà possible quan la suma de l’energia cinètica i potencial dels

reactius sigui superior a l’energia potencial associada al punt C‡.

o Hi ha altres infinits camins possibles per passar de reactius a productes, com per

exemple B, però tots ells requereixen més energia que la coordenada de reacció.

El camí que segueixi la reacció depèn de l’energia total del sistema químic.

0.0E+00

2.0E-02

4.0E-02

6.0E-02

8.0E-02

1.0E-01

1.2E-01

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5

R (a.u.)

E (a

.u.)

L’únic problema de les superfícies adiabàtiques es que quan variem la geometria es

poden produir encreuaments entre diferents PES de manera que la PES que per una

geometria és un estat excitat, per un altre passa a ser l’estat fonamental.

o Al voltant d’aquest encreuaments és on l’aproximació de BO dona pitjors resultats.

Per solucionar aquest problema s’ha afegir al Hamiltonià nuclear acoblaments

vibronics, es a dir termes que acoblen el moviment dels nuclis i dels electrons.

o La manera més senzilla per calcular els acoblaments vibronics consisteix en treballar

amb les anomenades superfícies de potencial diabàtiques en comptes de les

superfícies de potencial adiabàtiques.

Page 104: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

104

o Les superfícies de potencial diabàtiques provenen de les funcions d’ona diabàtiques,

les quals s’obtenen diagonalitzant el Hamiltonià nuclear amb termes vibrònics.

o La diagonalització del Hamiltonià vibrònic implica una transformació unitària de la

funcions d’ona electròniques que provoca que les funcions d’ona diabàtiques

electròniques no siguin funcions pròpies del Hamiltonià electrònic.

o Però per altra banda les superfícies diabàtiques són les més adients per estudiar el

moviment del nuclis al a la zona dels creuament de les superfícies adiabàtiques ja que

només presenten termes vibrònics en la diagonal del Hamiltonià nuclear.

4.3 Determinació de la PES

Hi ha dues maneres de calcular la PES.

o La primera consisteix en calcular-la amb un mètode purament teòric. Això implica

solucionar l’Equació de Schrödinger electrònica per moltes geometries diferents i és

computacionalment molt car per molècules de més de 4 àtoms (es a dir implica gastar

moltes hores de CPU).

o La segona opció consisteix en utilitzar un potencial analític empíric. Els potencials

empírics tenen paràmetres que cal determinar experimentalment a partir d’estudis

fenomenològics on es manifesten les forces intermoleculars.

Les expressions analítiques dels potencials empírics tenen com a objectiu reproduir les

interaccions generades per les forces intermolecular i les forces intramoleculars.

4.3.1 Forces intermoleculars i intramoleculars

Les forces intramoleculars i intermoleculars a les que estan sotmeses els àtoms d’una

molècula es poden determinar a partir del gradient de la PES.

o L’expressió de la força interatòmica per una molècula diatòmica ve donada per:

( ) ( )dr

rdUrF −= (352)

Page 105: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

105

o En el cas de les molècules poliatòmiques no hi ha una única força si no que hi ha un

vector de forces amb tants components com coordenades nuclears tingui el sistema

químic:

( ) ( )i

i dxdUF xx

rr −= (353)

o Les coordenades nuclears xr es poden expressar tant en coordenades internes

(distancies internuclears i angles entre àtoms) com en coordenades cartesianes.

Les forces inter- i intramoleculars es poden dividir entre les forces de repulsió i les

forces d’atracció.

Una primera evidència de l’existència de les forces de repulsió i atracció és el fet que

densitat de la matèria està limitada, es a dir que no és ni infinita ni zero.

o Les forces repulsives són les dominants quan les distàncies entre els àtoms són molt

curtes.

o Per altra banda quan les distàncies entre els àtoms són intermèdies o llargues

dominen les forces atractives.

Una de possibles classificacions de les forces intra- i intermoleculars és la següent:

1 Forces a curta distància ( < 1Å): Són les forces de repulsió de Pauli originades per

la repulsió entre núvols electrònics quan es recobreixen. Es manifesten en tots els

sistemes químics.

2 Forces a distàncies intermèdies ( ≈ 3 Å): Són forces d’atracció específiques i per

tant només es donen en algunes molècules. Formen part d’aquest grup de forces els

ponts d’hidrogen, els complexes de transferència de càrrega i les interaccions

iòniques.

3 Forces a llarga distància ( 3-5 Å): Són forces atractives no específiques, es a dir

que es donen en qualsevol sistema químic. Formen part d’aquest tipus de forces les

forces de Van der Waals, es a dir forces moment dipolar – moment dipolar, moment

dipolar – moment dipolar induït, moment dipolar temporal – moment dipolar induït.

Page 106: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

106

4.3.2 Potencial Empíric

Per descriure correctament les interaccions generades per les forces intramoleculars i

intermoleculars un potencial empíric ha de complir les cinc propietats següents:

( ) ∞=→ RUR 0lim (354)

( ) 0=

∂∂

= eRRRRU

(355)

( )e

RR

kR

RU

e

=

=2

2

(356)

( )RUR ∞→∃lim (357)

( ) ee DRUU =−∞ )( (358)

Un exemple de potencial és el potencial model del oscil·lador harmònic:

( ) ( )2

21

ee RRkRU −= (359)

o El potencial harmònic compleix només tres de les cinc condicions que ha de complir

un potencial per ser un bon potencial empíric.

( ) ( ) ∞≠=−=→22

0 210

21lim eeeeR RkRkRU (360)

( ) ( ) ( )[ ] 0221

21 2

=−=

∂−∂

=

∂∂

=

==e

ee

RRee

RR

ee

RR

RRkRRRk

RRU

(361)

( ) ( )ee

RR

ee

RR

kkR

RRkR

RU

ee

==

−∂=

==

221

21

2

22

2

2

(362)

( ) ( ) ∞=−=∃ →∞→∞2

21limlim eeRR RRkRU (363)

( ) ee DRUU ≠−∞=−∞ 0)( (364)

Page 107: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

107

4.3.2.1 Potencial d’esferes rígides

El potencial d’esferes rígides és el potencial model més senzill i es basa en considerar

que les molècules interaccionen com a esferes rígides impenetrables.

( )

>=≤≤∞=

e

e

RRRURRRU

,0)(0,

(365)

El potencial d’esferes rígides només te en compte l’efecte de les forces de repulsió a

curta distància.

L’efecte de les forces d’atracció es poden introduir de manera indirecta imposant la

condició que la densitat del material sigui constant.

El potencial d’esferes rígides es pot fer servir per estudiar el comportament de les

partícules no reaccionants d’un gas, però és un mal model per estudiar les interaccions

moleculars ja que només compleix 2 de les 5 condicions que hauria de complir.

( ) ∞=→ RUR 0lim (366)

( )RUR ∞→∃lim (367)

4.3.2.2 El potencial de Morse

L’expressió del potencial de Morse ve donada per:

( ) ( )( )21 eRR

e eDRU −−−= α (368)

El potencial de Morse és un model raonable per estudiar les interaccions moleculars ja

que només incompleix 1 de les 5 condicions que hauria de complir.

( ) ( )( ) ∞≠−= −−→

200 1lim eR

eR eDRU α (369)

( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( )[ ]( ) ( )( )[ ] ( )[ ] 022

121

002

2

=−=−=

−−−=

∂−∂

=

∂∂

=−−−−

=−−−−

=

−−

=

eeDeeD

eeDR

eDRRU

eRRRRRR

e

RRRRRR

e

RR

RR

eRR

e

ee

e

ee

e

e

e

αα

α

αα

ααα

(370)

Page 108: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

108

( ) ( )( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( )[ ] ( )[ ]

e

eee

eRRRRRR

e

RR

RRRR

e

RR

RR

eRR

DkkD

eeDeeD

ReeD

ReD

RRU

e

ee

e

ee

e

e

e

22

2222

21

2

0022

2

2

22

2

2

=⇒==

+−=+−=

=

∂−∂

=

∂−∂

=

=−−−−

=

−−−−

=

−−

=

αα

αααα

α

αα

ααα

(371)

( ) ( )( ) ( ) eeRR

eRR DeDeDRU e =−=−=∃ ∞−−−∞→∞→

2211limlim α (372)

( ) eee DDRUU =−=−∞ 0)( (373)

4.3.2.3 El potencial de Lennard-Jones

L’expressió del potencial de Lennard-Jones ve donada per:

( )

=

612

4RR

DRU eσσ

(374)

El primer terme del potencial de Lennard-Jones és repulsiu i domina per R petits.

Al contrari, com indica el signe negatiu, el segon terme és atractiu i és el terme

dominant quan R és gran.

El segon terme del potencial de Lennard-Jones està dissenyat per incloure l’efecte de

les forces de van der Waals.

El potencial de Lennard-Jones és un bon model per estudiar les interaccions moleculars

ja compleix les 5 condicions que ha de complir.

( ) ∞=

= →→

612

00 lim4limRR

DRU ReRσσ

(375)

( ) 04limlim612

=

=∃ →∞→∞ RR

DRU eRRσσ

(376)

Page 109: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

109

( )

=⇒=⇒

=

+

=

⇒=

+

=

+

−⇒

=

+

−=

+

−=

=

∂∂

=

=

=

ee

eee

ee

eee

RR

e

RR

eRR

RR

RRR

RR

RRD

RRD

RRR

DRRU

e

e

e

61

66

66

66

76

76

1312

76

1312

76

1312

612

22

0112

físicsentit teno ,0

01121

0112

011224

1611244

σσ

σ

σ

σσ

σσ

σσ

σσ

σσ

(377)

( )

eee

e

RR

e

RR

e

RR

eRR

kRR

D

RRD

RRR

D

RRR

DR

RU

e

e

e

e

=

=

=

+

−∂

=

=

=

=

=

=

76

1412

86

1412

76

1312

2

6122

2

2

1712624

1712624

11224

4

σσ

σσ

σσ

σσ

(378)

Page 110: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

110

( )

[ ] eee

e

e

e

ee

eeee

DDD

RR

RRD

RRDRUU

=

−=−−=

−=

−=−∞

−−

−−

4214224

22440)(

12

6

6112

61

612σσ

(379)

4.4 Perfil de la reacció, punts estacionaris de la PES, i camí de

reacció intrínsec

Anomenem perfil de reacció a la gràfica de l’energia potencial a llarg de la

coordenada de reacció.

El conjunt de coordenades internes que ens donen les posicions relatives dels àtoms

d’un sistema químic s’anomena configuració nuclear o geometria nuclear.

La hipersuperfície d’energia potencial, PEHS és exactament el mateix que la PES, però

remarca en la seva definició el fet que la PES depèn de més de 2 coordenades.

Un intermedi de reacció és un producte d’una etapa del mecanisme de la reacció que

simultàniament és el reactiu d’un etapa posterior del mecanisme.

Page 111: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

111

o Al contrari que l’estat de transició, els intermedis si són una molècula, i per tant

depenent de la seva vida mitja es poden detectar experimentalment.

o Els intermedis, com els reactius o productes, són mínims de la PES (veure primera

figura d’aquest tema).

Per caracteritzar els punts de la PES necessitem el valor de la funció de l’energia

potencial, així com les seves primera i segona derivades respecte a les coordenades

nuclears.

La funció energia potencial es pot expressar en funció de les 3N-6 coordenades

internes, qr o be en funció de les 3N coordenades cartesianes, xr .

( ) ( ) ( ) ( )NN xxxUUqqqUU 3216321 ,...,,,,...,, == − xq rr (380)

Les primeres derivades de ( )qrU formen una funció vector anomenada gradient.

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )i

iN qUgggg∂

∂== −

qqqqqqgr

rrrrrr ,,...,, 6321 (381)

o El gradient te 3N-6 components si utilitzem coordenades internes, i 3N components

si utilitzem coordenades cartesianes.

o El gradient canviat de signe és igual a la força que pateixen els àtoms per a una

determinada configuració nuclear.

( ) ( )qgqF rrrr −= (382)

Les segones derivades de ( )qrU formen una funció matriu anomenada hessiana.

( )

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )ji

ij

nnnn

n

n

qqUH

HHH

HHHHHH

∂∂∂

=

=

−−−−

qq

qqq

qqqqqq

qHr

r

rrrMOMM

rrr

rrr

r2

63,632,631,63

63,22,21,2

63,12,11,1

,

...

...

...

(383)

o La hessiana és una matriu real i simètrica i per tant es pot diagonalitzar.

o Els valors propis de la hessiana ens donen informació sobre l’entorn d’un punt de la

PES.

Page 112: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

112

Els punts estacionaris de la PES són els punts amb un gradient igual a zero.

o En els punts estacionaris les forces que actuen sobre els àtoms són nul·les.

Hi ha diferents tipus de punts estacionaris en funció del seu valor de la hessiana.

o Els punts estacionaris de la PES que ens interessen són els mínims i els estats de

transició o punt de sella d’ordre 1.

Els mínims són els punts estacionaris que tenen tots els valors propis de la Hessiana

positius.

o Qualsevol desplaçament al voltant d’un mínim implica sempre un augment de

l’energia potencial.

o Els mínims representen l’estructura d’una molècula o conjunt de molècules que

formen els reactius, productes o intermedis.

Els estats de transició o punts de cella d’ordre u tenen tots els valors propis de la

hessiana positius menys un que és negatiu.

o Es a dir els estats de transició són un mínim en totes les direccions menys en una (el

coordenada de reacció) que és un màxim.

o El vector propi associat al valor propi negatiu s’anomena vector propi de transició, i

ens indica com es desplaça el sistema quan va de reactius a productes seguint la

coordenada de reacció.

Page 113: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

113

Altres punts estacionaris de la PES que no tenen interès en el camp de la cinètica

química són els màxims (amb tots els valors propis de la hessiana negatius) i els punts

de cella d’ordre n (amb n valors propis de la hessiana negatius on n és més gran que 1 i

el resta de valors propis positius).

La localització i el tipus dels punts estacionaris és invariant respecte a un canvi de

coordenades.

o Per exemple el canvi de coordenades internes a coordenades cartesianes de la PES no

altera ni el nombre ni la posició dels punts estacionaris.

Però el valor del gradient i de la Hessiana si depèn del sistema de coordenades que

utilitzem.

o La relació entre els sistemes de coordenades qr i xr ve donada per:

xLq rr = (384)

o L és l’anomenada matriu de transformació i ve donada per:

j

iij x

qL∂∂

= (385)

o La relació entre els gradients de la PES expressada en els dos sistema de coordenades

és:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )xgLxgLqgqqq rrrrrrrr

r T13

1==⇒

∂∂

∂∂

=∂

∂= −

=∑

N

j ji

j

ii x

Uqx

qUg (386)

Page 114: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

114

o La relació entre les hessianes de la PES expressada en els dos sistema de coordenades

ve donada per:

( ) ( )LxHLqH T rr = (387)

La coordenada de reacció també depèn de les coordenades en que està expressada la

PES, ja que la seva definició depèn del gradient.

El camí de reacció intrínsec, IRC, és defineix baixant del TS cap a reactius i productes

seguint la direcció del gradient utilitzant la PES definida en les coordenades cartesianes

ponderades per la massa.

o Les coordenades cartesianes ponderades per la massa és defineixen com:

iii xmy = (388)

on im és la massa de l’àtom associat a la coordenada ix .

4.5 Localització dels punts estacionaris en la PEHS

Els punts de la PES imprescindibles per estudiar una reacció química són els mínims

corresponents als reactius, productes i intermedis; i els punts de cella d’ordre u

corresponents als estats de transició.

Una manera trivial però computacionalment molt costosa de localitzar aquests estats

estacionaris en la PES és calcular tota la PES.

S’han dissenyat molts algoritmes diferents que permeten localitzar els punts

estacionaris sense calcular tota la PES.

Un bon algorisme per localitzar els punts estacionaris d’una funció ha de tenir aquestes

tres característiques:

1 Alta velocitat de convergència: L’algorisme ha de conduir al punt estacionari amb

molt pocs passos, i quan estem a prop del mínim cada pas ha d’implicar una

disminució ràpida del gradient.

Page 115: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

115

2 Alta estabilitat: L’algorisme ha de portar al mateix punt estacionari encara que

partim de diferents punts de la PES, sempre i quan tots els punt de partida estiguin

propers al punt estacionari que es vol localitzar.

3 Baix cost computacional: Un algoritme amb una alta convergència pot tenir un cost

computacional molt alt si cada pas implica per exemple el càlcul de derivades de

molt alt ordre.

4.5.1 Localització de mínims

La majoria dels algorismes per trobar els punts estacionaris es basen en una expansió

quadràtica de l’energia potencial.

( ) ( ) ( )[ ] [ ] ( )[ ]000000 qqqHqqqqqgqq T rrrrrrrrrrr −−+−+= UU (389)

o L’equació anterior dona l’energia potencial per qualsevol geometria nuclear qr a

partir de l’energia potencial de la geometria nuclear de partida 0qr .

o A partir de l’equació quadràtica de ( )qrU s’obté una expressió on el gradient es pot

expressar com una funció lineal respecte la hessiana.

( ) ( ) ( )[ ]000 qqqHqgqg rrrrrrr −+= (390)

o La geometria de l’estat estacionari correspon a la qr amb un gradient igual a zero.

o Per tant a partir de l’expressió anterior del gradient es pot determinar la geometria de

l’estat estacionari a partir de la geometria de partida 0qr .

( ) ( )[ ] ( ) ( )001

0000 qgqHqqqqqHqg0 rrrrrrrrrr −−=⇒−+= (391)

o L’equació anterior, a més del gradient i la hessiana, requereix una geometria de

partida per trobar el punt estacionari.

La Eq. (391) només és exacta per una funció quadràtica.

o Exemple:

( ) 222,,)( zyxzyxUU ++==xr (392)

Page 116: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

116

( )

=

∂∂

∂∂

=

=

=

=

0

0

0

0

222

)(

)(

)(

zyx

zU

yU

xU

0

0

0

xx

xx

xx

x

x

x

xg

rr

rr

rr

r

r

r

rr (393)

( )

( )

=⇒

=

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=

===

===

===

2100

0210

0021

200020002

)()()(

)()()(

)()()(

01

2

222

2

2

22

22

2

2

0

xH

xxx

xxx

xxx

xH

000

000

000

xxxxxx

xxxxxx

xxxxxx

r

rrr

rrr

rrr

r

rrrrrr

rrrrrr

rrrrrr

zU

zyU

zxU

zyU

yU

yxU

zxU

yxU

xU

(394)

o Si per exemple suposem que el punt de partida és ( )1,1,10 =Txr , llavors el pas per trobar

la geometria del punt estacionari ve donat per :

( ) ( )

=

=

=−= −

000

111

111

222

2100

0210

0021

111

001

0 xgxHxx rrrrr (395)

o Es a dir que el punt estacionari es troba en la configuració nuclear donada per

( )0,0,0=Txr .

Page 117: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

117

Figura: Mètode de Newton

o Fàcilment es pot comprovar que l’energia del punt estacionari és més baixa que

l’energia de la geometria de partida.

( ) 31,1,1 =U (396)

( ) 00,0,0 =U (397)

o També es pot comprovar que el gradient del punt estacionari és igual a zero.

( ) ( )

( )

( )

( )

=

∂∂

∂∂

=

=

=

=

= 000

)(

)(

)(

0,0,0

0,0,0

0,0,0

0,0,0

T

T

T

T

zU

yU

xU

x

x

x

x

x

x

xgx

r

r

r

r

r

r

rr

r

(398)

Page 118: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

118

Figura: Mètode Broyden-Fletxer-Goldfrab-Shano

o Finalment, el valor de la hessiana en el punt estacionari és diagonal i tots els valors

són positius.

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

=

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=

==

=

=

=

===

==

200020002

)()()(

)()()(

)()()(

0,0,02

2

0,0,0

22

2

2

22

22

0,0,02

2

0,0,0

0,0,0

0,0,00,0,00,0,0

0,0,00,0,0

TTT

TTT

TTT

T

zU

zyU

zxU

zyU

yU

yxU

zxU

yxU

xU

xx

x

x

xxx

xxx

xxx

xH

x

xxx

xx

rr

r

r

rrr

rrr

rrr

r

r

rrr

rr

(399)

Page 119: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

119

o Es a dir, que el punt estacionari que hem trobat és sens dubte un mínim.

En general, quan la funció no és quadràtica, com és el cas de les PES, per trobar el punt

estacionari s’ha d’aplicar l’Eq. (391) de manera iterativa.

( ) ( )kkkk qgqHqq rrrrr 11

−+ −= (400)

o Cada pas ens situa més a prop del punt estacionari. Aquest mètode s’anomena

mètode de Newton (Veure Figura).

Figura: Mètode del pendent màxim

El càlcul de la Hessiana és computacionalment molt costos (i.e. requereix molt de

temps de CPU).

Els mètodes de quasi-Newton utilitzen l’Eq. (391) però enlloc de calcular

analíticament la hessiana el que fan es generar una hessiana aproximada a partir dels

gradients dels passos anteriors.

Page 120: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

120

o Dos exemples d’algoritmes de quasi-Newton són els algorismes de Davidon-

Fletcher-Powell i el de Broyden-Fletxer- Goldfrab-Shano (Veure Figura).

Una alternativa més senzilla però molt menys eficient que els mètodes de quasi-

Newton per la gran majoria dels casos és utilitzar només el gradient i no la hessiana.

o El mètode del pendent màxim (steepest decent) és el més senzill dels mètodes que

només utilitzen el gradient (veure figura).

o Aquest mètode fa una recerca lineal (1D) del mínim en la direcció del màxim

pendent.

Figura: Mètode del gradient conjugat

o L’equació iterativa del mètode del pendent màxim ve donada per:

( )kkkk qgqq rrrr α−=+1 (401)

o El valor de kα ve determinat pel valor del mínim en la direcció del gradient.

Page 121: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

121

o Un dels problemes més greus del mètode del màxim pendent es que no va directe cap

el mínim sinó que avança fent un moviment zig-zag que alenteix molt la recerca del

mínim.

o El mètode del gradient conjugat soluciona el problema del zig-zag fent la cerca del

mínim en una direcció obtinguda fent la combinació lineal del pendent en l’últim

punt i el pendent en el penúltim punt.

Els mètodes que no utilitzen la Hessiana són menys eficients que el que l’utilitzen de

manera aproximada (DFP o BFGS), però són més segurs ja que sempre el punt k+1

està més a prop del mínim que el punt k.

El mètode del gradient conjugat s’utilitza quan la forma de la funció és molt diferent de

la forma quadràtica i els mètodes DFP o BFGS fallen.

4.5.2 Localització d’estats de transició

Per localitzar els estats de transició es fa servir també el mètode de Newton o els

mètodes de quasi-Newton.

o Però en aquest cas és maximitza la PES en la direcció donada pel vector de transició i

es minimitza la PES per totes les altres coordenades.

( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] ( )

( ) ( ) ( ) ( )kT

iki

n

iikkkk

kkkkkkkkkk

xglqlxxgLqLHx

xgqLHLxxgLqLHqxgxHxx

rrrrrrrrrr

rrrrrrrrrrrrr

−=−=

−=−=−=

−−

=

−−

−−−−+

∑ 163

1

11

11111

λ (402)

o Si 0>iλ l’algoritme avança en la direcció de ( )kxg rr− , i per tant l’energia

disminueix.

o Al contrari, si 0<iλ l’algoritme avança en la direcció de ( )kxg rr , i per tant l’energia

augmenta.

El algorisme de Newton només localitzarà els estats de transició quan el punt de

partida sigui prou pròxim i ja presenti un valor propi de la hessiana negatiu.

En general l’algorisme de Newton localitza el punt estacionari més proper, tot i que es

pot modificar perquè sempre avanci cap el mínim més proper canviant de signe els

valors propis negatius de la hessiana.

Page 122: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

122

5 Teoria de l’estat de transició

5.1 Postulats de la TET .............................................................................................................. 124 5.2 Desenvolupament de la teoria de l’estat de transició........................................................... 126 5.3 Correccions quàntiques: efecte túnel ................................................................................... 133 5.4 Formulació termodinàmica de la TET ................................................................................. 140 5.5 Relació entre la TET i la teoria de col·lisions clàssica ........................................................ 144 5.6 Efectes isotòpics................................................................................................................... 145

5.6.1 Efecte isotòpic primari.................................................................................................. 146 5.6.2 Efecte isotòpic secundari .............................................................................................. 148

5.7 Teoria Variacional de l’estat de transició ............................................................................ 149 5.8 Aplicació de la TET............................................................................................................. 153

5.8.1 Dependència de la TET amb la temperatura................................................................. 155 5.9 La TET per reaccions en dissolució..................................................................................... 158

5.9.1 Efecte cinètic salí .......................................................................................................... 161 5.9.2 Formulació termodinàmica de la TET per reaccions en dissolució.............................. 164

Page 123: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

123

Sinopsi En aquest capítol estudiarem el mètode anomenat teoria de l’estat de transició

(TET) o teoria de l’estat activat. La TET es basa en conceptes de la termodinàmica

estadística i te com a objectiu la determinació teòrica de la constant de velocitat.

Començarem enunciant els cinc postulats en els quals es basa la teoria de l’estat de

transició. Els dos primers es fonamenten en dos aproximacions utilitzades molt sovint

en la química quàntica, l’aproximació de Born-Oppenheimer i la distribució de

Maxwell-Boltzman dels estats de les molècules. Al contrari, els altres tres postulats són

propis només de la TET. A continuació, deduirem pas a pas les expressions

matemàtiques requerides per aplicar la teoria de l’estat activat utilitzant expressions

proporcionades per la termodinàmica estadística. Dos dels postulats propis de la TET es

basen en la dinàmica clàssica, fet que provoca que la TET no incorpori l’efecte d’alguns

fenòmens quàntics. Després de deduir les expressió matemàtica de la TET explicarem

com es pot incorporar a la fórmula una correcció deguda a l’efecte túnel. Seguidament

reformularem la expressió de la TET per relacionar-la amb funcions d’estat

habitualment utilitzades per la termodinàmica com l’entalpia o l’entropia. A

continuació comparem l’expressió obtinguda amb la TET amb la fórmula donada per la

teoria de col·lisions clàssica, destacant les avantatges de la primera sobre la segona.

Després analitzarem com canvia la constat de velocitat donada per la TET quan es

realitza una substitució isotòpica en els reactiu. En el penúltim apartat d’aquest capítol

deduirem l’expressió de la constant de velocitat basada en el mètode anomenat teoria

variacional de l’estat de transició, que com el seu nom indica utilitza la teoria

variacional per millorar la fórmula de la TET. Finalment aplicarem la expressió de la

TET al càlcul de la constant de velocitat d’una reacció química.

Page 124: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

124

El mètode més acurat per determinar les constants de velocitat consisteix en estudiar el

moviment dels nuclis per la PES durant les reacció químiques.

o Per conèixer com es mouen els nuclis per la PES s’ha de resoldre l’equació de

Schrödinger nuclear.

o La resolució exacta de l’equació de Schrödinger nuclear només és possible per

sistemes molt petits pels quals el nombre d’estats nuclears accessibles és molt petit.

La constant de velocitat d’una reacció també es pot obtenir suposant que el sistema

químic es mourà per la PES seguint les lleis de la física clàssica.

o Aquests càlculs són complexes i computacionalment cars, tot i que són

computacionalment més barats que resoldre l’equació de Schrödinger nuclear.

o Òbviament no tenen en compte els efectes quàntics ja que estan basats en la dinàmica

clàssica.

Una tercera alternativa per calcular les constants de velocitat és el teoria de l’estat de

transició (TET) o també anomenada teoria del complex activat.

o La TET utilitza els conceptes de la termodinàmica estadística per determinar les

constants de velocitat.

o La teoria de complex activat incorpora els efectes dels factors estèrics, i no cal afegir

a les formules el factor P com en la teoria de les col·lisions clàssica.

o La teoria de l’estat de transició o del complex activat va ser desenvolupada

simultàniament per Eyring i per Evans i Polanyi en l’any 1935.

5.1 Postulats de la TET

Dos dels postulats bàsics de la teoria de TET utilitzats molt sovint en la química teòrica

son:

1 El moviment dels nuclis es pot separar del moviment dels electrons, es a dir es

compleix l’aproximació de Born-Oppenheimer.

2 La distribució de les molècules en els seus estats segueix la distribució de Maxwell-

Boltzmann.

Page 125: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

125

La TET també es basa en tres postulats propis només d’aquesta teoria:

1 Els sistemes moleculars que travessen l’estat de transició en direcció a productes no

poden tornar enrere per formar un altre cop els reactius.

2 En l’estat de transició, el moviment dels nuclis al llarg de la coordenada de reacció es

pot separar dels altres moviments dels nuclis i tractar-se clàssicament com una

translació.

3 Fins i tot en absència d’equilibri entre els reactius i els productes, es considera que

els reactius i l’estat de transició estan en equilibri tèrmic. Per tant les molècules de

reactiu i les molècules d’estat de transició tenen un població coherent amb la

distribució de Maxwell-Boltzmann corresponent a la Temperatura del sistema.

Aquest postulat s’anomena la hipòtesi del quasi-equilibri.

En una formulació rigorosa de la TET, la hipòtesi del quasi-equilibri no és necessària

ja que es pot deduir a partir del primer postulat.

Page 126: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

126

Pregunta: Els postulats en els que es fonamenta la química quàntica es consideren

correctes, i es consideraran correctes fins que un experiment demostri el contrari.

Aquesta afirmació és també valida pels postulats en els que es fonamenta la TET?

5.2 Desenvolupament de la teoria de l’estat de transició

Com exemple senzill per desenvolupar les fórmules de la teoria de l’estat de transició

utilitzarem la reacció elemental següent:

CXBA ‡d →→+ (403)

o A i B són els reactius, ‡

dX són molècules en l’estat de transició que evolucionen cap

a productes (reacció directe), i C són els productes.

Page 127: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

127

La teoria de l’estat de transició defineix la superfície de divisió com la superfície

ortogonal al camí de reacció que passa per pel punt de cella d’ordre ú.

Segons el primer postulat, tots els sistemes que travessen la superfície de divisió

provenint de reactius evolucionen cap a productes, i tots els que la travessen provenint

de productes evolucionen cap a reactius. Es a dir un cop es travessa aquesta superfície

no es pot tornar enrere.

Per conveniència es defineix dues superfícies paral·leles a la superfície de divisió

situades a una distància molt petita 2δ per davant i per darrera de la superfície de

divisió.

o El valor de δ no és important ja que pot ser tant petit com vulguem i no apareix en

les fórmules finals deduïdes per la TET.

o La TET defineix com a estats de transició (o complex activat) totes les

configuracions nuclears dels sistemes químics que estiguin entre aquestes dues

superfícies.

o La TET defineix com estructura de transició al sistema químic donat pel punt de cella

d’ordre ú.

El tercer postulat de la TET afirma que els reactius i ‡dX estan en equilibri tèrmic.

o Per tant a partir de la termodinàmica estadística s’obté la expressió següent per

determinar la relació entre el numero de molècules de complex activat i el numero de

reactius.

kT

zzz

NN

N ‡0‡

d eBA

BA

Xε∆

−= (404)

o ‡

dXN , AN i BN són el numero de molècules de ‡dX , A i B, respectivament.

o ‡z , Az i Bz són les funcions de partició moleculars de ‡dX , A i B, respectivament.

o L’expressió de ‡0ε∆ ve donada per:

( ) ( ) ( )[ ]BAX 00‡d0

‡0 εεεε +−=∆ (405)

Page 128: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

128

o ( )‡d0 Xε , ( )A0ε i ( )B0ε són la suma de l’energia potencial i l’energia vibracional

quan el sistema ocupa l’estat vibracional fonamental de ‡dX , A i B, respectivament.

o ( )‡d0 Xε , ( )A0ε i ( )B0ε s’anomenen energia de punt zero de ‡

dX , A i B.

o Dividint tots els elements de l’esquerra de la igualtat de l’Eq. (404) per NaV els

numero de molècules es transformen en concentracions:

[ ][ ][ ]

kTaf VN

zzz

K‡0

eBA

XBA

‡‡d

ε∆−

=≡ (406)

o fK és semblant a una constant d’equilibri, malgrat que ‡

dX no estan amb un

equilibri químic amb A i B ja que ‡dX no pot recular per formar reactius.

o Tot i això segons el tercer postulat ‡dX està amb un equilibri tèrmic amb A i B.

Dels 3N-6 graus de llibertat vibracional de ‡dX , segons el segon postulat el grau de

llibertat corresponent a la coordenada de reacció o vector propi de transició es pot

tractar com un grau de llibertat translacional.

o Aquest fet no és estrany si tenim en compte que dins del interval δ el gradient de la

PES és zero, i per tant les forces a les quals està sotmès el sistema és zero.

o El moviment dels nuclis de ‡dX al llarg de la coordenada de reacció és equivalent al

moviment translacional d’una partícula lliure en una caixa unidimensional de

longitud δ .

La funció de partició molecular de ‡dX es pot expressar com:

'‡‡ zzz cr= (407)

o '‡z és la funció de partició molecular corresponent a tots els graus de llibertat menys

el grau de llibertat associat a la coordenada de reacció.

‡‡‡‡‡ '' elvibrottr zzzzz = (408)

Page 129: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

129

o '‡vibz és la funció de partició molecular vibracional corresponent a tots els graus de

llibertat vibracionals menys el grau de llibertat associat a la coordenada de reacció, es

a dir a 3N-7 graus de llibertat vibracional.

o crz és la funció de partició molecular del moviment de translació al llarg de la

coordenada de reacció.

( )hkTmz cr

crδπ 2

12

21

= (409)

o El factor de ½ s’ha afegit a la formula perquè només considerem els estats de

transició que es mouen cap a productes, i per tant hem d’excloure la meitat dels estats

translacionals en que l’estat de transició es mou cap a reactius.

o crm és la massa efectiva associada al moviment al llarg de la coordenada de reacció.

o crm és pot calcular però no és important calcular-la ja que no apareix a la fórmula

final de la constant de velocitat donada per la TET.

o Per tant la funció de partició molecular de ‡dX ve donada per:

( ) '221

‡21

‡ zhkTmz cr δπ

= (410)

La TET suposa que totes les molècules que creuen la superfície divisòria es

transformen en productes.

o Es a dir que la velocitat de reacció (r) també es pot determinar mesurant quantes

molècules per unitat de volum creuen la superfície divisòria per unitat de temps.

[ ]τ

‡dX

=r (411)

o τ és el temps que tarden les molècules en recórrer δ , i per tant es pot determinar a

partir de la velocitat mitjana en la què ‡dX travessa la superfície de divisió.

Page 130: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

130

crvδτ = (412)

Combinant les equacions anteriors la fórmula de la velocitat de reacció es pot escriure

com:

[ ] [ ] [ ][ ]

( ) [ ][ ]

( ) [ ][ ]BAe'2

21

BAe'2

21

BAeXX

‡0

‡0

‡0

BA

‡21

BA

‡21

BA

‡‡d

‡d

kTa

crcr

kTa

crcr

kTa

crcr

VNzz

zh

kTmv

VNzz

zhkTmv

VNzz

zvvr

ε

ε

ε

π

δπδ

δδτ

∆−

∆−

∆−

=

=

===

(413)

La funció distribució de velocitat per una partícula que es mou en una sola dimensió i

només en el sentit positiu (veure apartat 3.1) ve donada per:

kTvm

cr

crcr

Kevf 2

2

)(−

= (414)

o La constant K es troba a partir de la integral de normalització de la funció )( crvf , es

a dir del fet que la fracció de molècules que tenen una component de velocitat crv

entre 0 i ∞ és 1.

21

21

0

2

0

21221)(

2

=⇒=

== ∫∫

∞−

kTmK

mkTKdveKdvvf cr

cr

kTmv

crcr

cr

ππ

(415)

21

0 212

=∫

∞−

adxe ax π

(416)

o Per tant la funció distribució de velocitat al llarg de la coordenada de reacció és:

kTvm

crcr

crcr

ekTmvf 2

21 2

2)(−

=

π (417)

Page 131: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

131

A partir de l’equació anterior es pot trobar l’expressió de la velocitat mitjana al llarga

de la coordenada de reacció.

21

21

0

221

0

0 222122

)(

)( 2

=

=

== ∫

∫ ∞−

crcr

crkTvm

crcr

crcr

crcrcr

cr mkT

mkT

kTmdvev

kTm

dvvf

dvvfvv

crcr

πππ (418)

10

12

2!2

+

∞−+ =∫ n

axn

andxex (419)

Substituint l’equació anterior en l’expressió de la velocitat de reacció donada per l’Eq.

(414) obtenim:

( ) [ ][ ]

( ) [ ][ ] [ ][ ]BAe'

BAe'2

212

BAe'2

21

‡0

‡0

‡0

BA

BA

‡21

21

BA

‡21

kTa

kTa

cr

cr

kTa

crcr

VNzz

zh

kTVNzz

zh

kTmmkT

VNzz

zh

kTmvr

εε

ε

ππ

π

∆−

∆−

∆−

=

=

=

(420)

o Es a dir que l’expressió de la constant de velocitat donada per la TET és:

kTar VN

zzz

hkTk

‡0

e'

BA

‡ε∆

−= (421)

La funció de partició molecular te la definició següent:

∑−

≡s

kTs

ezε

(422)

o Les aproximacions més utilitzades per calcular les funcions de partició són:

elvibrottr zzzzz = (423)

VhmkTz

23

2tr2

=

π (424)

Page 132: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

132

IkTz

2,

2

rotrot

roth

== θσθ lineal, ( )2

123

2

21

rot2

cba IIIkTz

=hσ

π no lineal, (425)

khv

ez

T

=−

=−

vibvib ,1

1vib

θθ (426)

el,0el gz = (427)

o σ és el numero de simetria, I és el moment d’inèrcia, v és la freqüència vibracional, i

el,0g és la degeneració del nivell fonamental electrònic.

Per calcular les funcions de partició, z, necessitem:

1 La massa del sistema químic per calcular trz .

2 La geometria del sistema químic per calcular els moment d’inèrcia per obtenir rotz .

3 Les freqüències vibracional per calcular vibz .

4 I la degeneració del nivell electrònic fonamental per calcular elz .

Les dades anteriors es poden obtenir experimentalment fàcilment pels reactius,

productes i intermedis de reacció, però no pels estats de transició.

o Per obtenir la geometria, freqüències vibracionals, i degeneració del nivell electrònic

fonamental per l’estat de transició s’ha de fer càlculs teòrics.

o La determinació de la geometria de l’estructura de l’estat de transició implica

localitzar el punt de cella d’ordre u en la PES.

o I el càlcul de les freqüències vibracionals de l’estructura de l’estat de transició

implica el càlcul de la Hessiana del punt de cella d’ordre ú.

‡0ε∆ també s’ha de determinar teòricament ja que ( )‡

d0 Xε no es pot obtenir

experimentalment.

o Una petita variació del valor de ‡0ε∆ te un gran efecte en el valor de la constant de

velocitat.

o Per exemple un augment de només 2 Kcal/mol implica una constant de velocitat 30

vegades més petita.

Page 133: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

133

El factor h

kT s’anomena factor de freqüència i es pot relacionar amb la freqüència de

les col·lisions de les partícules de reactius.

La TET dona millors resultats per reaccions lentes que per reaccions ràpides.

o Això es degut el primer postulat de la TET es compleix millor quan ‡0ε∆ és molt gran

i les molècules arriben a la zona del punt de cella d’ordre u amb molt poc excés

d’energia cinètica.

o Quan les molècules de TS tenen molt d’excés d’energia cinètica és possible que els

moviments vibracionals en els 3N-7 graus de llibertat vibracionals diferents de la

coordenada de reacció provoqui que el sistema químic reboti contra la PES i torni cap

a reactius.

o Per reaccions molt ràpides s’ha d’afegir a l’Eq. (421) un factor corrector anomenat

coeficient de transmissió, κ.

o κ és sempre més petit que 1 i reflexa el fet que no totes les molècules de TS

evolucionen cap a productes.

Quan els àtoms que intervenen en la reacció són molt lleugers el segon postulat de la

TET no es compleix.

o El incompliment del segon postulat es degut a que el moviment al llarg de la

coordenada de reacció en l’estat de transició no es tractar clàssicament com una

translació, ja que s’ha de tenir en compte l’efecte túnel mecano-quàntic.

5.3 Correccions quàntiques: efecte túnel

La TET no te en compte els efectes purament quàntics degut a la formulació basada en

la dinàmica clàssica del primer i segon postulats.

o El segon postulat tracta el moviment dels nuclis al llarg de la coordenada de reacció

com un moviment clàssic.

Page 134: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

134

o Degut al principi d’incertesa de Heisenberg tampoc és possible formular dins l’àmbit

de la química quàntica el primer postulat.

2h

≥∆∆ xp (428)

o El primer postulat afirma que les molècules que travessen la superfície de divisió no

poden tornar enrere.

o Però des del punt de vista de la mecànica quàntica no existeix el concepte de

trajectòria perfectament localitzada sobre la PES dels reactius cap al TS, ja que no li

podem assignar a un conjunt d’àtoms una posició i una velocitat concretes i

perfectament definides com permet fer la dinàmica clàssica.

o També degut al principi d’incertesa de Heisenberg no es pot donar amb precisió

infinita la coordenada de reacció, i per tant no es pot separar el moviment dels nuclis

en la coordenada de reacció dels moviments en les altres 3N-7 coordenades

vibracionals.

o La separació de les 3N-7 graus de llibertat de la coordenada de reacció és essencial

per derivació que s’ha fet en aquest capítol de la TET, per tant aquesta derivació de la

TET no pot tenir una derivació equivalent basada en la mecànica quàntica.

Per poder treballar amb les expressions de la TET però tenint en compte els efectes

quàntics s’assumeix que la separació de la coordenada de reacció és possible, i se

incorporen a la formula de la TET correccions degut als efectes quàntics.

o Els efectes quàntics sobre els moviments translacionals són sempre negligibles.

o El mateix és veritat gairebé sempre pels moviments rotacionals de les molècules.

o De fet fes expressions de les Eq. (424) i (425) per funcions de partició translacional i

rotacional que habitualment utilitzem s’han deduït tenint en compte que els efectes

quàntics són negligible.

o Els efectes quàntics si que són importants en els moviments vibracionals i en la

funció d’ona electrònica.

o Aquest fet s’ha tingut en compte en la derivació de les funcions de partició

vibracional i electrònica (Eq. (426) i (427)).

Page 135: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

135

o Els efectes quàntics també s’han de tenir en compte en el càlcul de ‡0ε∆ .

Entre els efecte quàntics no inclosos en la formula de la TET l’efecte túnel és el que

més modifica el valor de la constant de velocitat.

Page 136: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

136

o El efecte túnel és especialment important quan entre els àtoms que es mouen al llarg

de la coordenada de reacció en el TS hi ha àtoms lleugers (e.g. àtoms de hidrogen).

o L’efecte túnel es pot incorporà fàcilment a l’expressió de la constant de velocitat de

la TET mitjançant un factor corrector.

L’efecte túnel en la cinètica de les reaccions químiques es posa de manifest

experimentalment quan es representa el valor experimental de ln k respecte a 1/T

(veure figura).

o Quan hi ha efecte túnel, s’obté una corba còncava que assigna valor a k més grans

dels que li correspondrien si la funció ln(k) fos una recta.

o Es a dir que l’efecte túnel augmenta els valors de la constant de velocitat.

o A T altes l’energia mitjana dels reactius és molt alta. Per tant l’efecte túnel és menys

apreciable perquè un gran percentatge de la població de reactius te l’energia suficient

per travessar la barrera de potencial sense recórrer a l’efecte túnel.

o L’efecte túnel és fa mes evident quan el valor de T és petit, i per tant l’energia

mitjana del sistema és petita i el percentatge de reactius que passen a la conca dels

productes gràcies a l’efecte túnel és major.

Page 137: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

137

El paper de l’efecte túnel en el càlcul de la k és similar al paper de l’efecte túnel en

l’oscil·lador harmònic quàntic.

o En la física clàssica, la distorsió màxima que pot patir el sistema està totalment

determinada per la seva energia total

kEAkAE t

t2

21 2 =⇒= (429)

o Com es veu en la figura les funcions distribució de probabilitat de les funcions d’ona

del oscil·lador harmònic quàntic mostren que la probabilitat de trobar la partícula més

enllà d’A no és nul·la.

o Degut a l’efecte túnel el sistema assoleix regions de l’espai amb una energia

potencial més gran que la seva energia total, cosa que implica que el sistema te

energia cinètica negativa.

o La importància de l’efecte túnel creix quan disminueix la massa de la partícula que el

pateix.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

y=sech^2(pi*x/1.8)

Page 138: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

138

Segons la física clàssica l’única manera de passar de la conca dels reactius a la dels

productes és que l’energia del sistema sigui superior a l’energia de l’estructura de

l’estat de transició.

Però la física quàntica prediu que hi ha una probabilitat no nul·la que els reactius

travessin la barrera de potencial fins i tot quan l’energia del sistema és inferior a

l’energia de l’estat de transició.

o Aquesta probabilitat depèn de la massa dels nuclis que es mouen al llarg de la

coordenada de reacció i de la forma i alçada de la barrera de potencial.

o En general per una forma qualsevol de la barrera d’energia potencial la integral que

s’ha de resoldre per determinar la proporció de molècules que travessen la barrera de

potencial per efecte túnel és molt complexa.

o Però pel cas particular on la barrera de potencial te la forma donada pel potencial

simètric d’Eckart l’integral per determinar la proporció de molècules que travessen la

barrera de potencial es pot solucionar fàcilment.

o El potencial d’Eckart ve donat per (veure figura):

∆=

LxxV πε 2‡

0sech)( (430)

o L és l’amplada de la barrera de potencial.

o L’expressió per la correcció de la constant de velocitat associada a l’efecte túnel quan

la barrera potencial és el potencial d’Eckart ve donada per:

2‡

2411

−=

kThvQtunel (431)

o ‡v és la freqüència imaginaria associada a la coordenada de reacció.

o La freqüència imaginària ‡v és la freqüència en que vibraria el sistema en el grau de

llibertat associat a la coordenada de reacció si la corba de potencial associada a la fos

còncava enlloc de convexa (i.e. fos un pou de potencial enlloc d’una barrera).

Page 139: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

139

o L’expressió de la freqüència imaginària ‡v ve donada per:

cr

cr

cr

mq

qU

v

=2

2

)(

21π

(432)

o A partir de les expressions anteriors es pot veure que l’efecte túnel augmenta quan:

1 La temperatura disminueix.

2 La crm disminueix.

3 O be quan el valor de

∂2

2 )(

cr

cr

qqU disminueix (es a dir augmenta l’amplada de la

barrera).

o El valor de tunelQ és sempre més gran de 1, ja que el quadrat d’un numero imaginari

és un numero negatiu (i.e. i2 = -1), i per tant el segon terme de L’Eq. (431) és positiu.

Físicament és coherent que 1>tunelQ ja que l’efecte túnel sempre incrementa el valor

de la constant de velocitat.

Page 140: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

140

L’expressió de la constant de velocitat de la TET corregida per tenir en compte l’efecte

túnel ve donada per:

kTatunelr VN

zzz

hkTQk

‡0

e'

BA

‡ε∆

−= (433)

Tot i que la seva formulació es basa en la dinàmica clàssica la TET reprodueix

correctament la dependència amb la temperatura i l’ordre de magnitud de les constants

de velocitat.

5.4 Formulació termodinàmica de la TET

L’expressió de la constant de velocitat de la TET es pot tornar a formular en funció de

les funcions d’estat termodinàmiques en lloc de les funcions de partició.

Tots els termes que segueixen a kT/h en la fórmula de la constant de velocitat són de

fet l’expressió de la constant d’equilibri donada per la termoestadística, amb l’única

diferencia que '‡z no és la funció de partició de ‡dX ja que no te inclòs CRz .

o Aquests termes es defineixen com una constant d’equilibri anomenada ‡cK :

BA

‡‡0

e'

ckT

ar Kh

kTVNzz

zh

kTk ==∆

−ε

(434)

kTac VN

zzz

K‡0

e'

BA

‡‡ε∆

−= (435)

L’expressió de la constant de velocitat es pot escriure en funció de la variació de

energia lliure de Gibbs entre l’estructura de l’estat de transició i els reactius.

o La constant d’equilibri d’una reacció es pot relacionar amb l’energia lliure de Gibbs

estàndard utilitzant l’equació de van’t Hoff.

( )

−=−=∆ ∆n

ccc

cKRTKRTG0

00 lnln (436)

Page 141: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

141

o El superíndex 0 i el subíndex c indiquen que treballem amb condicions estàndard en

l’escala de les concentracions (i.e. c0 = 1 mol/l).

o 0cG∆ dona els canvi de G quan a la temperatura T es forma un 1 mol de reactius en el

seu estat estàndard a concentració de 1 mol/l, a partir dels reactius purs aïllats, en els

seus estats estàndard a concentració de 1 mol/l.

o Per analogia es pot definir l’energia lliure de Gibbs estàndard d’activació en l’escala

de concentracions.

( ) ( ) RTG

ncn

cc

c

ecKcKRTG

‡0

0‡

0

‡‡0 ln

∆−∆

∆ =⇒

−≡∆ (437)

o ‡0

cG∆ ens dona el canvi de G quan a la temperatura T es forma un 1 mol de ‡dX en el

seu estat estàndard a concentració de 1 mol/l, a partir dels reactius purs aïllats, en els

seus estats estàndard a concentració de 1 mol/l.

o S’ha de tenir en compte, però, que en el càlcul de ‡0

cG s’ha negligit la contribució del

moviment al llarg de la coordenada de reacció.

o Per tant, l’expressió de la constant de velocitat en funció de ‡0

cG∆ ve donada per:

( ) RTG

ncr

c

ech

kTKh

kTk‡0

0‡∆

−∆== (438)

L’expressió de la constant de velocitat es pot també escriure en funció de la variació de

d’entalpia i entropia entre l’estructura de l’estat de transició i els reactius.

o ‡0

cG∆ es pot expressar en funció de la variació d’entalpia i l’entropia.

‡0‡0‡0

ccc STHG ∆−∆=∆ (439)

o ‡0

cH∆ i ‡0

cS∆ són els canvis de H i S quan a la temperatura T es forma un 1 mol de ‡dX en el seu estat estàndard a concentració de 1 mol/l, a partir dels reactius purs

aïllats, en els seus estats estàndard a concentració de 1 mol/l.

Page 142: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

142

o S’ha de tenir en compte, però, que en el càlcul de ‡0

cH i ‡0

cS s’ha negligit la

contribució del moviment al llarg de la coordenada de reacció.

o Per tant, l’expressió rk en funció de ‡0

cH∆ i ‡0

cS∆ ve donada per:

( ) ( ) RS

RTH

nRTG

nr

ccc

eech

kTech

kTk‡0‡0‡0

00∆∆

−∆∆

−∆== (440)

La formulació termodinàmica de la constant de velocitat segons la TET permet trobar

expressions pels dos paràmetres de l’equació d’Arrhenius (i.e A i aE ) a partir de les

funcions d’estat termodinàmiques.

RTE

r

a

Aek−

= (441)

o Per definició la relació de l’energia d’activació amb ‡

cK ve donada per:

( ) ( )

( )

+=

++

=

=≡

dTKd

TRT

dTKd

dTTd

dThkd

RTdT

Kh

kTdRT

dTkdRTE

c

cc

ra

‡2

‡2

22

ln1

lnlnlnln

ln

(442)

o A partir de l’Eq. (438) es pot trobar l’expressió de en funció ( ) dTKd c‡ln de

‡0cH∆ .

( )

( ) ( )

( )

( )

∆−

∆=⇒

∆−

∆+

∆+

∆−=⇒

∆+

∆+

∆−=∆+

∆−=⇒

−≡∆ ∆

Tn

RTH

dTKd

TnRPn

RS

RTHK

RTPn

RS

RTHcn

RTGK

cKRTG

cc

ccc

cccc

nc

c

1ln

lnlnln

lnlnln

ln

2

‡0‡

0‡0‡0‡

0‡0‡00

‡0‡

0

‡‡0

(443)

Page 143: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

143

o Per tant, la relació entre l’energia d’activació i ‡0

cH∆ ve donada per:

( )

( )nRTH

nRTHRTTn

RTH

TRT

dTKd

TRTE

c

ccc

a

∆−+∆=

∆−∆+=

∆−

∆+=

+=

1

1ln1

‡0

‡02

‡02

‡2

(444)

A partir de l’equació anterior l’energia d’activació també es pot relacionar amb la

variació d’energia interna entre l’estructura de l’estat de transició i els reactious.

o ‡0

cH∆ es pot expressar en funció de l’energia interna i la temperatura.

nRTUH cc ∆+∆=∆‡0‡0 (445)

o ‡0

cU∆ dona el canvi de U quan a la temperatura T es forma un 1 mol de ‡dX en el seu

estat estàndard a concentració de 1 mol/l, a partir dels reactius purs aïllats, en els seus

estats estàndard a concentració de 1 mol/l.

o S’ha de tenir en compte, però, que en el càlcul de ‡0

cU s’ha negligit la contribució del

moviment al llarg de la coordenada de reacció.

o Combinant les dues equacions anteriors obtenim la relació entre l’energia d’activació

i ‡0

cU∆ .

( ) ( ) RTUnRTnRTUnRTHE ccca +∆=∆−+∆+∆=∆−+∆=‡0‡0‡0 11 (446)

o La relació anterior permet donar un sentit físic senzill a l’energia d’activació.

Finalment la relació del factor preexponencial A amb ‡0

cS∆ ve donada per:

( ) ( ) ( )

( ) ( )nRS

n

nRTH

RS

RTH

nRTE

RS

RTH

nRTE

r

eech

kT

eeeech

kTeeech

kTekA

c

cccacca

∆−∆

∆−∆∆∆

−∆∆∆

−∆

=

===

10

100

‡0

‡0‡0‡0‡0‡0

(447)

Page 144: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

144

o El estat de transició te més graus de llibertat vibracionals que els reactius, i per tant

menys graus de llibertat translacionals i rotacionals.

o La diferència d’energia entre els estats vibracionals és més gran que entre els estats

rotacionals i translacionals.

o Per tant hi ha més estats excitats rotacionals i translacionals ocupats que estats

excitats vibracionals ocupats.

o L’entropia de un sistema és proporcional a la dispersió energètica dels estats ocupats.

o Com a conseqüència dels fets anteriors la ‡0

cS∆ és quasi sempre negativa.

5.5 Relació entre la TET i la teoria de col·lisions clàssica

Com a exemple senzill per estudiar la relació entre la TET i la teoria de col·lisions

clàssica utilitzarem la reacció elemental següent:

CXBA ‡d →→+ (448)

Si es considera les molècules que xoquen com a esferes rígides:

o Les funcions de partició dels reactius es redueixen a les funcions de partició

translacionals.

o L’estructura de l’estat de transició és la de les dues esferes en contacte.

o La funció de partició de l’estat de transició ve donada pel producte de les funcions de

partició translacional i rotacional.

o L’estat de transició no te cap grau de llibertat vibracional ja que a única coordenada

vibracional del sistema format per dues esferes coincideix amb la coordenada de

reacció.

Page 145: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

145

la rk segons la TET per la reacció generada a partir de la col·lisió de dues esferes

rígides ve donada per:

( )

( ) ( ) kTa

kTaBA

BA

BA

kTa

BA

BA

kTarotB

trAtr

tr

kTar

kTNNkTrrmmmm

Nh

IkT

hkTm

hkTm

hkTmm

hkT

Nz

Vz

Vz

Vz

hkTVN

zzz

hkTk

‡0

‡0

‡0

‡0

‡0

e8e8

e8

22

2

ee'

21

21

2‡

23

2

2

23

2

23

2

23

2

BA

εε

ε

εε

πµσ

ππµ

π

ππ

π

∆−

∆−

∆−

∆−

∆−

=

+

+=

+

=

==

(449)

Si es considera que la barrera de punt zero ‡

0ε∆ és igual a l’energia llindar 0ε la

fórmula anterior és idèntica a l’equació obtinguda utilitzant la teoria de col·lisions

clàssica (Eq. (335)).

Si no es te en compte l’estructura de les molècules la TET i la teoria de col·lisions

clàssica donen el mateix resultat.

Però si no es considera que les molècules com a esferes rígides la TET si te en compte

l’estructura de les molècules, i per tant no cal afegir cap factor estèric.

5.6 Efectes isotòpics

Els canvis en la constant de velocitat degut a la substitució isotòpica s’anomenen

efectes cinètics d’isòtop (KIE).

o S’anomena efecte cinètic d’isòtop primari als KIE en els que l’àtom substituït per un

isòtop forma un dels enllaços que es trenca en l’estat de transició.

Page 146: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

146

o S’anomena efecte cinètic d’isòtop secundari als KIE en els que l’àtom substituït per

un isòtop no forma un dels enllaços que es trenca en l’estat de transició però esta prou

pròxim per influir significativament en la freqüència vibracional associada a l’enllaç.

5.6.1 Efecte isotòpic primari

La causa principal de l’efecte cinètic d’isòtop primari és el canvi en l’energia de punt

zero dels reactius.

Com a exemple senzill per estudiar el KIE primari estudiarem la cinètica de la ruptura

d’un enllaç C-H, on se substitueix el H per un D.

o La freqüència vibracional associada a la coordenada de reacció (distància C-H) és:

H-C

2H-C

H-C2

H-C

)(

21

µπ

=q

qU

v (450)

HH

H

HH-C m

mmm

mmmm

mol

mol

mol

mol =≈+

=µ (451)

o HC-µ és la massa reduïda associada a la coordenada de reacció

o Hm i molm són les masses del hidrogen i del resta de la molècula.

o Ni la PES ni les seves derivades depenen de la massa dels àtoms de la molècula, per

tant el canvi entre HC-v i HC-v només depèn del canvi entre HC-µ i DC-µ

( HDDC- 2mm =≈µ ).

22

)(

21

)(

21 HC-

HC-

2HC-

HC-2

DC-

2HC-

HC-2

DC-vq

qUq

qU

v ≈

=

=µπµπ

(452)

Page 147: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

147

o El canvi isotòpic d’un H per un D disminueix l’energia de punt zero dels reactius en

H-C1464.0 hv .

H-C

H-CH-C7-3NH-C7-3NDH

1464.0

12

121

21

221

hv

vhhvEvhEE zpzpzp

−≅

−=

+∆−

+∆=∆ →

(453)

o La vibració C-H no contribueix a l’energia de punt zero de l’estat de transició ja que

aquesta vibració coincideix amb la coordenada de reacció.

o El canvi isotòpic d’un H per un D implica un augment de ‡0ε∆ en H-C1464.0 hv i per

tant una disminució de la constant de velocitat.

o La variació de la constant de velocitat degut als efectes de la substitució isotòpica en

les funcions de partició és molt més petita que el canvi exponencial que implica el

canvi en ‡0ε∆ .

o Per tant els efectes de la substitució isotòpica en les funcions de partició, tot i que es

pot calcular fàcilment, sovint es negligeixen.

o La relació entre la constant de velocitat de la ruptura d’un enllaç C-H i d’un enllaç

C-D sense tenir en compte el canvi en les funcions de partició ve donat per:

kThv

kT

vh

kT

kTa

kTa

r

r

VNzz

zh

kT

VNzz

zh

kT

kk H-C

H-CD-C,‡0

H-C,‡0

H-C,‡0

D-C,‡0

1464.0211

21

BA

BA

H-C

D-C

eee

e'

e'

≅===

∆−∆

∆−

∆−

εε

ε

ε

(454)

o Per exemple a temperatura ambient el canvi isotòpic del H per D implica una

constant de velocitat 8 vegades més petita.

o L’efecte túnel és més gran en el cas del trencament de l’enllaç C-H que en el cas del

trencament de l’enllaç C-D, per tant si es te en compte el factor corrector de l’efecte

túnel la disminució de DC-rk respecte a HC-

rk és encara més gran.

L’anàlisi anterior s’ha fet suposant que el àtom de H es separa de la molècula i no es

transferit a cap altra espècie química.

Page 148: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

148

o Però la situació més comú és la transferència d’un àtom de hidrogen d’una espècie a

un altra.

MH + N → M···H···N → M + NH (455)

o En aquest cas la substitució del H per un D implica una constant de velocitat

aproximadament 6 vegades més petita.

En la taula següent es donen un llistat de valors típics de KIE primaris:

X Y X

Y

r

r

kk

H D 61

H T 151

12C 13C 0.96

14N 16N 0.96

16O 18O 0.96

(456)

o Com mostren els resultats de la taula anterior el KIE primaris només tenen valors

molt petits quan el canvi isotòpic afecta a un àtom d’hidrogen.

5.6.2 Efecte isotòpic secundari

La causa principal de l’efecte cinètic d’isòtop secundari és el canvi entre l’energia de

punt zero dels reactius i de l’estat de transició.

o Normalment, quan l’àtom que pateix el canvi isotòpic no està implicat en els enllaços

que es trenquen o es formen en el TS, el canvi en l’energia de punt zero del TS

compensa el canvi en l’energia de punt zero dels reactius.

o Per tant en aquests casos ‡0ε∆ es manté quasi constant després del canvi isotòpic.

o Tot i això, si el canvi isotòpic te lloc a una posició propera als enllaços que es formen

o es trenquen ‡0ε∆ pot canviar, però sempre molt menys que les variacions de ‡

0ε∆

degudes a IKE primaris.

Page 149: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

149

Com a exemple senzill per comentar el KIE secundari analitzarem la reacció següent:

H3C-X → H3C···X → H3C+ + X-

sp3 sp3-sp2 sp2 (457)

o El moviment vibracional del “tancament del paraigües” te una freqüència vibracional

més baixa per la hibridació sp2 que per la sp3.

o Per tant la freqüència del “tancament del paraigües” és més gran en els reactius que

en el TS, el qual te una hibridació a mig camí entre sp2 i sp3.

o Si es canvien els H per D la freqüència del “tancament del paraigües” baixa

proporcionalment igual per reactius que pel TS.

o Però la freqüència dels reactius és més gran que la del TS, i per tant la baixada en

valor absolut de la freqüència és més gran pels reactius.

o En aquest cas ‡0ε∆ augmenta degut al canvi isotòpic i per tant la nova constant de

velocitat disminueix.

74.0H

D

≈r

r

kk

(458)

5.7 Teoria Variacional de l’estat de transició

El primer postulat de la TET assumeix que tots els sistemes que travessen la superfície

de divisió provenint de reactius evolucionen cap a productes, i tots els que la travessen

provenint de productes evolucionen cap a reactius.

El primer postulat de la TET és una aproximació.

o Com exemple per il·lustrar aquesta aproximació, en la figura de la pàgina següent es

mostra un cas particular on sis trajectòries creuen la superfície de divisió en direcció

a productes (línia continua).

o Però d’aquestes 6 trajectòries només 2 arriben a productes procedents dels reactius.

o Es a dir que només en dos casos dels 6 el sistema ha reaccionant passant de reactius a

productes.

Page 150: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

150

o Malgrat això, la TET basant-se en el seu primer postulat, considera erròniament que

han reaccionat les 6 molècules que han travessat la superfície de divisió de reactius a

productes.

o Per tant la TET dona una constant de velocitat 3 vegades massa gran.

o Només 3 trajectòries creuen la superfície discontinua.

Page 151: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

151

o Per tant, si en comptes d’utilitzar com a superfície de divisió la línia continua

s’utilitzés la línia discontínua la constant de velocitat de la TET només seria 1.5

vegades massa gran.

El numero de trajectòries que creuen la hipersuperfície de divisió en direcció a

productes sempre és més gran o igual al número de trajectòries que arriben a productes

des de reactius.

Una manera per millorar la TET és canviar la posició de la hipersuperfície de divisió

amb l’objecte de minimitzar el nombre de trajectòries que la creuen.

La teoria variacional de l’estat de transició (TVET) es basa en trobar el punt al llarg de

la coordenada de reacció on hi ha menys trajectòries que creuen la hipersuperfície de

divisió i en conseqüència la constant de velocitat és més petita:

0)(‡ =

dqTdkr (459)

o Treballant amb la formulació termodinàmica de la TET obtenim:

( )( )

( ) { }

{ } 0

01

)(

‡0

‡00

‡0

0

‡0

‡0‡0

=∆

=∆

−=

=

=

∆−∆

∆−

∆−∆

dqGd

dqGd

RTec

hkT

dq

ed

ch

kTdq

ech

kTd

dqTdk

c

cRTG

n

RTG

n

RTG

n

r

c

cc

(460)

o Es a dir que la VTET situa la hipersuperfície de divisió en el punt de cella de la

hipersuperfície d’energia lliure de Gibbs en comptes de en el punt de cella de la PES.

o Per simplificar els càlculs sovint en comptes de buscar el punt de cella de la

hipersuperfície de energia lliure de Gibbs el que es fa és buscar el màxim de G al

llarg de la coordenada de reacció.

El valor de G depèn de la temperatura, per tant el punt de la coordenada de reacció on

el valor de G és màxim també depèn de la T.

Page 152: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

152

Hi ha reaccions que no presenten un màxim de U en el camí sobre la PES de reactius a

productes, si no que la U disminueix durant tot el camí de reacció.

o Es a dir que la PES d’aquestes reaccions no presenta un punt de cella d’ordre u entre

reactius i el productes.

o Un exemple d’aquests tipus de reaccions ve donat per:

CH3 + H → CH4 (461)

Contràriament, la hipersuperfície de G d’aquestes mateixes reaccions si presenta un

punt de cella d’ordre u entre reactius i productes.

o En aquestes reaccions s’ha de utilitzar necessàriament la TVET en comptes de la

TET.

En la taula següent es compara la relacions kteòrica/kexperimental per les kteòrica de diverses

reaccions obtingudes amb els mètodes TET i TVET.

Reacció T TET TVET

300 1.0 1.0 H + H2

2400 1.5 1.5

300 1.0 1.0 F + H2

2400 2.0 1.8

300 1.1 1.1 Br + H2

2400 4.2 3.9

300 1.7 1.0 I + H2

2400 2.1 1.0

300 1.0 1.0 H + Cl2

2400 1.3 1.3

300 1.1 1.1 Cl + HD

2400 5.0 2.3

(462)

Page 153: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

153

Com es d’esperar d’un mètode variacional, els resultats del mètode TVET són sempre

millors o iguals que els resultats teòrics obtinguts amb el mètode TET.

Els errors degut a les trajectòries que reboten cap a reactius augmenten amb la

Temperatura.

5.8 Aplicació de la TET

Com a exemple d’aplicació de la TET en aquest apartat es calcula la constant de

velocitat de la reacció següent:

H2 + F → HF + H (463)

o La fórmula de la TET per la constat de velocitat d’aquesta reacció ve donada per:

kTa

elel

el

vib

vib

rot

rot

trtr

tr

kTar N

zzz

zz

zz

Vz

Vz

Vz

hkTVN

zzz

hkTk

‡0

2222

‡0

2

ee'

HF

H

H

HF

HF

‡εε ∆

−∆

== (464)

o Les dades necessàries per calcular kr venen donades en la taula següent.

Page 154: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

154

o Com a valor de T en els càlculs de les funcions de partició i el factor de freqüència

s’utilitza 300 Kelvin.

o El factor de freqüència ve donat per:

1121025.6 −×= sh

kT (465)

o La relació entre funcions de partició translacional ve donada per:

( )( ) 331

23

223

HF

HF

23

2H2

3

2F

23

2HF

HF

1016.4222

2

2

2

2

2

2m

kTh

mmmm

hkTm

hkTm

hkTmm

Vz

Vz

Vz

trtr

tr

−×=

+=

+

=

πππ

π

(466)

o I la relació entre funcions de partició rotacional ve donada per:

6.532

2

22

2222

22

2 H

2

H

2

H

H

H

HH

‡‡

H

=

=

=

=

=

II

kI

kIT

T

zz

rot

rot

rot

rot

rot

rot

h

h

σσ

θθ

σσ

θσ

θσ (467)

o I la relació entre funcions de partició vibracional ve donada per:

39.1

1

1

1

1

1

1

3

1

1

1

3

1

H

2H

2H,

‡,

2=

−=

−=

∏∏

=

= −

= −

i

kThv

kThv

i T

i T

vib

vib

i

i

vibi

vibi

e

e

e

ezz

θ

θ

(468)

o I la relació entre funcions de partició electrònica ve donada per:

5.014

22HF

=

×=

elel

el

zzz

(469)

Page 155: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

155

o Per tant la constant de velocitat per aquesta reacció donada per la TET és:

131790

713131.86570

7 e1083.5e1083.5 −−−−−−×=×= smmolsmmolk TT

r (470)

13161019.4)300( −−×= smmolKkr (471)

o A T ambient la constant de velocitat experimental d’aquesta reacció és:

131800

8e102 −−−×= smmolk T

r (472)

13171039.1)300( −−×= smmolKkr (473)

o Es a dir que la TET reprodueix aproximadament l’ordre de magnitud de la constant

de velocitat.

o Quin motiu creus que pot ser la causa que el resultat de la TET sigui massa petit?

5.8.1 Dependència de la TET amb la temperatura

La dependència amb la temperatura de la constant de velocitat predita per la TET ve

donada pel terme exponencial kT‡0ε∆− , el factor de freqüència i per les funcions de

partició.

o La variació de kr amb la temperatura causada pel terme exponencial kT‡0ε∆− és

molt més gran que la variació causada pel factor de freqüència i les funcions de

partició.

Si no és treballa a temperatures molt altes, la dependència de les funcions de partició

translacional, rotacional i electrònica amb la T és pot deduir fàcilment a partir de les

expressions aproximades de les funcions de partició.

o La dependència de la funció de partició translacional amb T ve donada per:

23

tr

23

2tr2 TzV

hmkTz ∝⇒

=

π (474)

Page 156: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

156

o La dependència de la funció de partició rotacional amb T per una molècula lineal ve

donada per:

TzTz ∝⇒= rotrot

rot σθ (475)

o I per una molècula no lineals és:

( ) 23

rot212

3

2

21

rot2 TzIIIkTz cba ∝⇒

=hσ

π (476)

o La funció de partició electrònic no depèn de la temperatura.

0elel,0el Tzgz ∝⇒= (477)

La dependència de la funció de partició vibracional amb la temperatura no és tan

senzilla.

∏=

−=

M

i

kThvi

ez1

vib 1 (478)

o Quan ihvkT << la funció de partició no depèn de T.

0vib Tz ∝ (479)

o Quan ihvkT >> la dependència de vibz amb T ve donada per:

MTz ∝vib (480)

o M és el nombre de modes normals del sistema.

o Quan no ens trobem en cap dels dos casos extrems anteriors la dependència de vibz

amb T ve donada per:

MaTz a ≤≤∝ 0,vib (481)

Page 157: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

157

Per tant, la dependència de la constant de velocitat de la TET amb la temperatura ve

donada per l’expressió següent:

kTbr CTk

‡0

eε∆

−= (482)

o C i b són paràmetres amb diferents valors per diferents reaccions.

Habitualment la dependència de la constant de velocitat amb Tb queda eclipsada per la

dependència exponencial amb kT‡0ε∆− .

o Quan les dades cinètiques experimentals no són molt precises s’ignora la

dependència de kr amb Tb i el treballa amb un valor mitjà del factor preexponencial.

o Però quan les dades experimentals són molt acurades i inclouen un gran rang de

temperatures es detecta la variació amb la T del factor preexponencial i es pot

determinar els valors de C, b i ‡0ε∆ .

Com a exemple de variació de la kr de la TET amb la T estudiarem la constant de

velocitat de la reacció següent:

H2 + F → HF + H (483)

o La dependència de les funcions de partició translacional amb T ve donada per:

( )23

HF

23

2H2

3

2F

23

2HF

HF

2

2

2

2

22

2−

+

=

T

Vz

Vz

Vz

hkTm

hkTm

hkTmm

Vz

Vz

Vz

trtr

tr

trtr

tr

ππ

π

(484)

o La dependència de les funcions de partició rotacional amb T ve donada per:

0H

HH

‡‡

H

2

22

2T

zz

T

T

zz

rot

rot

rot

rot

rot

rot ∝

=

θσ

θσ (485)

Page 158: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

158

o Si en el rang de temperatures on ens movem la a de l’Eq. (482) te un valor aproximat

igual a M/2, la dependència de les funcions de partició vibracional amb T ve donada

per:

1

21

23

H

2T

T

Tzz

vib

vib ∝∝

(486)

o Per tant la dependència de la constant de velocitat per aquesta reacció amb la T és:

kTr

kTa

elel

el

vib

vib

rot

rot

trtr

tr

r TCkNzz

zzz

zz

Vz

Vz

Vz

hkTk

‡0

‡0

2222ee 2

1

HF

H

H

HF

εε ∆−

∆−

∝⇒

= (487)

5.9 La TET per reaccions en dissolució

En estat líquid hi ha complexes interaccions intermoleculars que compliquen molt la

teoria per estudiar les reaccions en dissolució.

o De fet, en general no és possible determinar teòricament la constant de velocitat de

manera acurada per una reacció en dissolució.

Com es va fer en l’apartat 5.2 per les equacions corresponents en fase gas, com

exemple senzill per desenvolupar les fórmules de la TET per reaccions en dissolució

utilitzarem la reacció elemental següent:

CXBA ‡d →→+ (488)

De nou, basant-nos en el primer postulat propi de la TET, la velocitat de reacció (r) es

determina mesurant quantes molècules per unitat de volum creuen la superfície

divisòria per unitat de temps.

[ ]τ

‡dX

=r (489)

Page 159: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

159

crvδτ = (490)

21

2

=

crcr m

kTvπ (491)

o Combinant les quatre equacions anteriors obtenim l’expressió següent per la r:

[ ] [ ] [ ] 21

‡d

‡d

‡d 2XXX

===

cr

cr

mkTv

rπδδτ (492)

També de manera idèntica a la TET per reaccions en fase gas, [ ]‡

dX s’obté a partir del

tercer postulat, el qual afirma que els reactius i ‡dX estan en equilibri tèrmic.

o Però per reaccions en dissolució s’ha de tenir en compte que les condicions són no

ideals, es a dir que hem de treballar amb activitats en lloc de concentracions.

[ ][ ][ ] ( ) nf

caaa

K ∆=≡0

‡d

BA

BA

‡0 1BA

Xγγ

γ (493)

o ‡a , Aa i Ba són les activitats de l’estat de transició i els reactius A i B,

respectivament.

o ‡γ , Aγ i Bγ són els coeficients d’activitat de l’estat de transició i els reactius A i B

respectivament.

o ∆n és la variació del nombre de molècules entre el TS i els reactius, es a dir en el

nostre exemple ∆n = 1–2 = –1.

Substituint l’expressió de [ ]‡dX obtinguda amb l’equació anterior a la expressió de la

velocitat de reacció s’obté:

[ ] ( ) [ ][ ]BA212X 00

BA21

21

‡d

fn

crcr

KcmkT

mkTr ∆

=

=

γγγ

πδπδ (494)

Page 160: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

160

o De manera anàloga a la TET per reaccions en fase gas, definim 0‡cK com:

δπh

kTmKK

crf

21

00‡ 2

≡ (495)

o Per tant la constant de velocitat es pot escriure com:

( ) ( ) 0‡0

BA00

BA21

21 Kch

kTKcmkTk n

fn

crr

∆∆=

=

γγγ

γγγ

πδ (496)

o 0‡K és adimensional al contrari que ‡cK que te unitats de ( ) nc ∆0 .

Degut a les complexes interaccions moleculars existents en dissolució, malauradament

no és possible expressar 0fK ni 0‡K en funció de les funcions de partició de les

molècules de TS i reactius.

o Per tant en dissolució no podem calcular kr en funció de les propietats moleculars

dels reactius i productes.

L’equació anterior de kr també es valida per reaccions en fase gas per gasos no ideals

substituint els coeficients d’activitat per coeficients de fugacitat.

0fK i 0‡K depenen de la temperatura, la pressió i del tipus de disolvent.

Però 0fK i 0‡K no depenen de la concentració dels reactius.

En el límit de la dilució infinita els coeficients d’activitats són iguals a 1.

o Es a dir, que la constant de velocitat a dilució infinita, ∞rk , ve donada per:

( ) 0‡0 Kch

kTk nr

∆∞ = (497)

La constat de velocitat per reaccions en dissolució es pot escriure com:

∞= rr kk‡

BA

γγγ

(498)

Page 161: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

161

o Els coeficients d’activitat depenen de la composició de la dissolució, i per tant

depenen de la concentració dels reactius.

o L’equació anterior mostra que en dissolució la constant de velocitat depèn dels

coeficients d’activitat.

o Per tant la constat de velocitat depèn de la concentració dels reactius.

o Tot i això, per la gran majoria de les reaccions no iòniques la dependència de kr amb

la concentració dels reactius es pot negligir.

o Però les reaccions iòniques la dependència de la constant de velocitat amb la

concentració de reactius és molt important.

o Això es degut a que les dissolucions iòniques estan molt allunyades de la idealitat, i

per tant els coeficient d’activitat variant molt quan varia la concentració.

Aplicant logaritmes a l’equació anterior s’obté:

‡BA logloglogloglog γγγ −++= ∞rr kk (499)

5.9.1 Efecte cinètic salí

Com exemple senzill per desenvolupar les fórmules de la TET per reaccions iòniques

en dissolució, utilitzarem la reacció elemental següent:

( ) ( )BABABA zzzz‡d

zz CXBA ++ →→+ (500)

o A concentracions molt baixes els logaritmes dels coeficients d’activitat es poden

expressar en funció de la força iònica de la dissolució utilitzant la llei límit de Debye-

Hückel.

IBzA2

Alog −=γ (501)

0cII c= (502)

Page 162: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

162

o B és un paràmetre que depèn del dissolvent i la temperatura.

o La força iònica en l’escala de les concentracions, cI , ve donada per:

∑=

≡L

iiic czI

1

2

21

(503)

o El sumatori de l’equació anterior inclou tots els ions presents en la dissolució.

Utilitzant l’equació de la llei límit de Debye-Hückel per calcular el logaritme del

coeficient d’activitat de l’estat de transició i reactius, obtenim l’equació següent pel

logaritme de la constant de velocitat.

( )[ ] ( )IzBzk

IzzBkIzzzzBkk

BAr

BArBABArr

2log

2logloglog 222

+=

−−=+−+−=∞

∞∞

(504)

o Es a dir que rklog depèn linealment de I , amb una pendent igual a BAzBz2 (veure

gràfica).

Page 163: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

163

La dependència de rklog amb I s’anomena efecte cinètic salí.

o L’efecte salí varia molt la constant de velocitat de les reaccions iòniques fins i tot

quan la força iònica és baixa, de manera com es veu a la gràfica la constant de

velocitat pot fins i tot augmentar un ordre de magnitud.

o La càrrega dels ions pot ser diferent pels reactius i per l’estat de transició, de manera

que la força iònica varia durant la reacció, i per tant kr també varia durant la reacció.

o La constant de velocitat també varia si s’afegeix una sal inert que no intervé en la

reacció ja que varia la força iònica de la reacció.

Pel cas particular d’una reacció aquosa a 250 i per forces iòniques inferiors a 0.1 mol/l,

els logaritmes dels coeficients d’activitat es poden calcular de manera més acurada

utilitzant l’equació de Davies en lloc de l’equació de la llei límit de Debye-Hückel.

o L’equació de Davies ve donada per:

+−= I

IIzA 30.0

151.0log 2

Aγ (505)

o Per tant ttilitzant l’equació de Davies obtenim l’equació següent pel logaritme de la

constant de velocitat:

( )[ ]

( )

++=

+−−=

++−+−=

∞∞

II

IzzkII

Izzk

II

Izzzzkk

BArBAr

BABArr

30.01

02.1log30.01

251.0log

30.01

51.0loglog 222

(506)

o Es a dir que rklog depèn linealment de ( )[ ]III 30.01 −+ , amb una pendent igual

a BAzz02.1 (veure gràfica).

o Per aquest cas particular, per zAzB = 2 els valors de ∞rr kk són 1.15, 1.51 i 2.70 per

valors de I iguals a 10-3, 10-2 i 10-1, respectivament; per zAzB = –2 els valors respectius

de ∞rr kk són 0.87, 0.66 i 0.37, respectivament; i per zAzB = 4 els valors de ∞

rr kk és

4.00 per I iguals a 10-1.

Page 164: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

164

5.9.2 Formulació termodinàmica de la TET per reaccions en dissolució

Malgrat que per una reacció en dissolució no es pot expressar la constant de velocitat

en funció de les funcions de partició molecular, la kr per una reacció en dissolució sí es

pot expressar utilitzant la formulació termodinàmica.

o Per analogia a l’equació de van’t Hoff es pot definir l’energia lliure de Gibbs

estàndard d’activació.

RTG

eKKRTG0‡

0‡0‡0‡ ln∆

−=⇒−≡∆ (507)

Combinant l’equació anterior amb la Eq. (497) obtenim una expressió de la kr per

reaccions en dissolució en funció de l’energia lliure de Gibbs estàndard d’activació.

( ) ( ) RTG

nnr ec

hkTKc

hkTk

0‡

0

BA0‡0

BA∆

−∆∆==

γγγ

γγγ

(508)

L’energia de Gibbs estàndard d’activació es pot escriure en funció de l’entalpia i

l’entropia estàndard d’activació.

0‡0‡0‡ STHG ∆−∆=∆ (509)

Finalment, combinant les dues equacions anteriors obtenim:

( ) ( ) RTH

RS

nRTG

nr eec

hkTec

hkTk

0‡0‡0‡

0

BA0

BA∆

−∆

∆∆

−∆==

γγγ

γγγ

(510)

En les reaccions en dissolució iòniques la variació de les càrregues entre els reactius i

l’estat de transició afecta molt a la variació d’entropia.

o Per exemple podem analitzar la reacció següent:

( ) ( ) ( ) -33

-3333 ClCCHCl········CCHCClCH +→→ ++ (511)

o Per una banda en la reacció anterior el trencament de l’enllaç produeix un augment

entropia.

Page 165: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

165

o Per altra, la polarització de l’estat de transició provoca un augment de la solvatació i

en conseqüència un augment de l’ordre de les molècules de dissolvent. Es a dir es

produeix una disminució de l’entropia.

o En aquest cas i en reaccions similars el factor que domina és la disminució de

l’entropia provocada per la solvatació.

Page 166: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

166

6 Dinàmica molecular de les reaccions

químiques

6.1 Càlcul de les trajectòries clàssiques..................................................................................... 169 6.1.1 Elecció del tipus de PES ............................................................................................... 172

6.2 Selecció de les condicions inicials ....................................................................................... 174 6.3 Determinació de la funció opacitat ...................................................................................... 175

6.3.1 Exemples de funció opacitat ......................................................................................... 176 6.4 Secció eficaç de col·lisió i secció reactiva de col·lisió ........................................................ 179 6.5 Determinació de la secció reactiva de col·lisió .................................................................... 181 6.6 Determinació de la constant de velocitat ............................................................................. 182 6.7 Anàlisis de les trajectòries ................................................................................................... 183 6.8 Superfícies atractives i superfícies repulsives...................................................................... 190

6.8.1 Superfícies atractives .................................................................................................... 192 6.8.2 Trajectòries repulsives .................................................................................................. 192

6.9 Efectes quàntics ................................................................................................................... 193

Page 167: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

167

Sinopsi En aquest capítol introduirem el mètode més acurat entre els mètodes

habitualment utilitzats per l’estudi de la velocitat de les reaccions químiques, l’estudi de

la dinàmica molecular de les reaccions químiques. Aquest mètode estudia com es

mouen tots els àtoms dels reactius i productes duran una reacció utilitzant les eines

matemàtiques que ens proporciona la dinàmica. Introduir els efectes quàntics és molt

complexa. Per això en aquest tema estudiarem la dinàmica de les reaccions químiques

en la hipersuperfície de potencial de la mateixa manera que estudiaríem el moviment

d’una esfera sobre una superfície inclinada, es a dir utilitzant mecànica clàssica. Primer

deduirem les equacions de Hamilton i veurem com es pot determinar numèricament la

trajectòria d’un sistema químic en la superfície de potencial. A continuació, recordarem

els diferents tipus de hipersuperfície d’energia potencial que podem fer servir.

Seguidament explicarem com es seleccionen les condicions inicials per calcular les

trajectòries clàssiques. Després veurem com es pot calcular la constant de velocitat

d’una reacció química a partir dels resultats obtinguts calculant les trajectòries

clàssiques. Per aconseguir aquest objectiu utilitzarem conceptes ja utilitzats com la

secció eficaç de col·lisió i la secció reactiva de col·lisió i conceptes nous com la funció

opacitat, la qual ens dona la proporció de trajectòries reactives. A continuació

analitzarem les trajectòries, determinant quan són reactives i quan no ho són. En el

penúltim apartat d’aquest capítol classificarem les superfícies de potencials en

superfícies atractives, es a dir que afavoreixen la reacció, i superfícies repulsives.

Finalment comentarem la importància dels efectes quàntics, els quals òbviament no

estan inclosos en els càlculs de les trajectòries clàssiques.

Page 168: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

168

La dinàmica molecular és el mètode més acurat per calcular les constant de velocitat de

les reaccions químiques.

La dinàmica molecular ens permet conèixer detalls molt concrets de com varia una

reacció molecular en funció de diferents paràmetres.

o Per exemple per la reacció següent la dinàmica molecular ens permet conèixer quina

és la probabilitat de que es produeixi la reacció en funció de l’angle que forma el Cl

amb la molècula de H2.

H HClHCl 2 +→+ (512)

La dinàmica de les reaccions químiques entre dues partícules es pot estudiar

analíticament sempre i quan es conegui l’expressió analítica de la funció que defineix

la superfície d’energia potencial.

Malauradament per predir la velocitat de reacció de la immensa majoria de reaccions

químiques s’ha d’estudiar la dinàmica de tres o més partícules, ja que s’ha de tenir en

compte el moviment de tots els àtoms dels reactius i productes.

o No es coneixen les expressions analítiques per estudiar la dinàmica d’un sistema amb

més de tres cossos.

o Tampoc es coneixen les expressions analítiques exactes de les superfícies d’energia

potencial de les molècules poliatòmiques.

o Per tant, la dinàmica de les reaccions químiques no es pot estudiar analíticament i

s’ha d’estudiar numèricament.

S’utilitzen principalment dos mètodes pels estudi teòrics de dinàmica molecular que

tenen per objecte determinar la constant de velocitat de les reaccions químiques:

o El càlcul de trajectòries clàssiques utilitzant el mètode de Monte Carlo.

o La resolució de l’equació de Schrödinger nuclear depenent del temps.

El càlcul de trajectòries clàssiques s’utilitza molt més que la resolució de l’equació de

Schrödinger nuclear depenent del temps perquè el primer mètode és molt mes barat

computacionalment que el segon.

Page 169: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

169

o De fet actualment la resolució de l’equació de Schrödinger nuclear depenent del

temps només és possible per sistemes amb 4 àtoms com a màxim.

6.1 Càlcul de les trajectòries clàssiques

A partir de l’expressió analítica o numèrica de la superfície de potencial en funció de

les coordenades dels àtoms es possible solucionar les equacions de moviment del

sistema per les trajectòries de col·lisió (o qualsevol altre trajectòria).

La solució de les equacions de moviment dona les coordenades dels diferents àtoms

del sistema en funció del temps.

La resolució de les equacions de moviment requereix habitualment la integració de les

equacions de moviment de Hamilton per cada coordinada Qi i component del moment

lineal Pi.

Les equacions de moviment de Hamilton venen donades per:

i

i

PH

dtdQ

∂∂

=)( PQ,

(513)

ii

i

QV

QH

dtdP

∂∂

−=∂

∂−=

)()( QPQ, (514)

o ),( ii PQH i )( iQV són respectivament les expressions del Hamiltonià i de la

hipersuperfície d’energia potencial del sistema.

Les equacions de moviment de Hamilton és poden obtenir a partir de la definició del

Hamiltonià i la segona llei de Newton.

o La derivació de la primera equació de Hamilton ve donada per:

i

i

i

i

i

N

i i

iii

i

iiiiiii

PH

dtdQ

PP

HVPPQH

Pdt

dQdt

dQvP

∂∂

=

=∂

∂⇒+=

=⇒==

∑−

=

)()()(

2),(

63

1

2

PQ,PQ,Q

µµ

µµµ

(515)

Page 170: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

170

o La derivació de la segona equació de Hamilton ve donada per:

ii

ii

ii

N

i i

iii

ii

iiii

QH

QQV

dtdP

QV

QHVPPQH

QVF

dtdP

dtdvaF

∂∂

−=∂

∂−=

∂∂

=∂

∂⇒+=

∂∂

−=

===

∑−

=

)()(

)()()(2

),(

)(

63

1

2

PQ,

QPQ,Q

Q

µ

µµ

(516)

Les equacions de moviment de Hamilton, basades en la física clàssica, permeten predir

el moviment del sistema en la hipersuperfície de potencial de la mateixa manera que

permeten predir el moviment d’una esfera sobre una superfície inclinada.

Les equacions de moviment de Hamilton es poden resoldre numèricament utilitzant

mètodes equivalents al mètode d’Euler.

o A partir de la primera equació de Hamilton es deriva l’equació que determina la

posició del sistema en un temps t + dt a partir de la posició del sistema en el temps t.

{

dttPtQdttQ

dttPtQdtP

HtQdttQ

dtP

HtQdttQdtP

HdQP

Hdt

dQ

i

iii

i

ii

PP

Htti

ii

tti

iii

ii

i

i

i

i

µ

µµ

)()()(

)()()()()(

)()()()()(

)()()(

)()(

+=+⇒

+=

∂+=+⇒

∂=−+⇒

∂∂

=⇒∂

∂=

=∂

∂==

==

PQ,PPQQ

PPQQ

PQ,

PQ,PQ,PQ,

(517)

o A partir de la segona equació de Hamilton es deriva l’equació que determina la

quantitat de moviment del sistema en un temps t + dt a partir de la quantitat de

moviment del sistema en el temps t.

dtQ

VtPdttP

dtQ

VtPdttPQ

VdtdP

tiii

tiii

i

i

)(

)(

)()()(

)()()()(

QQ

QQ

Q

QQ

=

=

∂−=+⇒

∂−=−+⇒

∂∂

−=

(518)

Page 171: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

171

o L’Eq. (518) requereix el càlcul numèric o analític de la primera derivada de

l’hipersuperfície de potencial respecte a les coordenades normals.

El procediment equivalent al mètode d’Euler es basa en substituir en les Eqs. (517) i

(518) el dt per un interval finit de temps.

o El canvi de dt per un interval finit de temps implica que les igualtats ja no es

compleixen de manera rigorosa.

ttPtQttQi

iii ∆+≅∆+

µ)()()( (519)

tQ

VtPttPti

ii ∆

∂−≅∆+

= )(

)()()(QQ

Q (520)

o Les Eqs. (519) i (520) permeten resoldre numèricament les equacions de moviment

de Hamilton i conèixer la posició i la quantitat de moviment del sistema en el pas

n+1 a partir de la posició del sistema en el pas n.

L’error numèric associat a les equacions (519) i (520) és proporcional al valor de ∆t.

o Disminuir ∆t implica per una banda disminuir l’error numèric però per l’altre també

implica augmentar el cost computacional del mètode.

El càlcul d’una trajectòria implica un nombre molt gran de passos i per tant l’error total

degut a l’error acumulat de cada pas pot ser important.

o Un procediment per comprovar l’exactitud del càlcul numèric de la trajectòria

consisteix en calcular la trajectòria en sentit contrari des de l’estat final a l’estat

inicial.

o Degut a la reversibilitat microscòpica de les reaccions químiques si no hi hagués

error numèric l’estat final del càlcul de la trajectòria en sentit contrari hauria de ser

idèntic a l’estat inicial del càlcul de la primera trajectòria.

La principal avantatge del mètode del càlcul de trajectòries clàssiques és que permet

avaluar la dinàmica de qualsevol reacció química, fins i tot quan tant el seu mecanisme

com l’expressió de la hipersuperfície de potencial són molt complexes.

Page 172: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

172

El principal inconvenient del mètode del càlcul de trajectòries clàssiques és el seu

elevat cost computacional.

o Per exemple per un reacció amb només tres àtoms com F + H2 hi ha 3×3 = 9 graus de

llibertat.

o Eliminant els 3 graus de llibertat corresponents al moviment del centre de masses per

l’espai encara queden 6 graus de llibertat.

o Sis graus de llibertat implica resoldre numèricament 12 equacions acoblades, 6

donades per l’equació (519) i 6 més donades per l’equació (520).

Un altre problema molt important del càlcul de les trajectòries clàssiques és la tria de

les condicions inicials, es a dir la posició i quantitat de moviment dels àtoms dels

reactius en el temps zero.

o En una mostra experimental hi ha una amplia i variada distribució de les possibles

condicions inicials.

o El resultat de cada trajectòria obtinguda depèn de les condicions inicials.

o Per reproduir un resultat experimental s’ha de calcular un gran nombre de trajectòries

amb diferents i variades condicions inicials.

6.1.1 Elecció del tipus de PES

El terme de les equacions (519) i (520) computacionalment més costos d’obtenir és la

derivada de la PES respecte a les 3N-6 coordenades, ( ) )()( tiQV QQQ =∂∂ .

L’opció computacionalment més barata per calcular aquestes derivades consisteix en

descriure la PES utilitzant les expressions analítiques dels potencial empírics (veure

apartat 4.3.2).

o Malauradament, tal com varem veure en el tema 4, els potencials empírics descriuen

de manera molt aproximada les PES, i per tant les trajectòries obtingudes amb

aquests potencials són poc fiables.

Una segona opció més acurada per descriure la PES i calcular les seves derivades

consisteix en utilitzar els anomenats mètodes semiempírics.

Page 173: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

173

o Els mètodes semiempírics es basen en la mecànica quàntica, però apliquen diverses

aproximacions per simplificar i abaratir el càlcul de la PES.

o Les aproximacions utilitzades pels mètodes semiempírics disminueixen la qualitat de

la PES, però tot i això la PES semiempírica és molt més acurada que la PES

obtinguda utilitzant els potencials empírics.

o Per altra banda, la PES semíempirica és molt més costosa computacionalment que la

PES obtinguda amb els potencial empírics.

L’opció més acurada per calcular la PES consisteix en utilitzar els mètodes purament

teòrics basats en la química quàntica. Aquests mètodes s’anomenen ab initio.

o La PES ab initio és molt més acurada que la PES semiempírica.

o Però malauradament de nou més acurat implica computacionalment més car, es a dir

que la PES ab initio és computacionalment molt més cara que la PES semiempírica.

o El alt cost computacional de les PES ab initio impossibilita la utilització d’aquest

tipus de PES pel càlcul pràctic de trajectòries per reactius amb més de 4 àtoms.

Una alternativa a utilitzar les PES ab initio completes consisteix en utilitzar PES ab

initio on només és possible variar una nombre molt reduït de les 3N-6 coordenades

nuclears.

o Aquest tipus de PES s’anomenen PES de representació reduïda.

o Per exemple una bona PES de representació reduïda per estudiar la reacció següent

consisteix en mantenir fixes tots els paràmetres geomètrics del CH3.

( ) ( ) ( ) -33

-3333 ClCCHCl········CCHCClCH +→→ ++ (521)

o La PES completa del sistema químic anterior te 14 × 3 – 6 = 36 graus de llibertat.

o Per calcular els graus de llibertat de la PES de representació reduïda s’ha de contar

els grups d’àtoms amb els paràmetres geomètrics fixes com si fossin un sol àtom.

o La PES de representació reduïda amb els paràmetres dels CH3 fixes te 5 × 3 – 6 = 9

graus de llibertat.

o Les PES de representació reduïda han permès fer cinètiques del plegament de

proteïnes tractant els aminoàcids com grups d’àtoms amb els paràmetres fixes.

Page 174: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

174

o Moltes proteïnes tenen cap a 1200 àtoms, per tant la seva PES completa te al voltant

de 3600 graus de llibertat.

o En canvi si es tracta els aminoàcids com grups d’àtoms amb els paràmetres fixes la

PES de representació reduïda només te al voltant de 175 graus de llibertat.

6.2 Selecció de les condicions inicials

Per obtenir una informació acurada sobre la cinètica de la reacció amb un baix cost

computacional és essencial triar de manera eficient el conjunt de condicions inicials

per les que es realitzarà el càlcul de les trajectòries.

Les condicions inicials es poden dividir en dos conjunts.

o El primer inclou les distàncies d’enllaç i angles que determinen la geometria dels

reactius així com la quantitat de moviment associada a la variació d’aquests

paràmetres.

o El segon grup inclou la posició relativa i la velocitat relativa (o quantitat de

moviment relatiu) que determinen la posició i velocitat d’una molècula respecte a

l’altra.

Els valors més probables de les distàncies d’enllaç i angles dels reactius així com la

seva corresponent quantitat de moviment, venen determinats pel seu estat vibracional i

rotacional, és a dir dels seus nombres quàntics v i J.

o Quan més grans siguin els valors de v i J, més ample serà l’interval de distàncies

d’enllaç accessibles per la molècula i més gran serà la seva quantitat de moviment.

En alguns casos per simplificar els càlculs de trajectòries clàssiques s’assumeix que els

reactius es troben en el seu estat vibracional fonamental i en el seu estat rotacional

fonamental.

Page 175: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

175

Les possibles velocitats relatives inicials d’una molècula respecte a l’altra es poden

variar sistemàticament o escollir aleatòriament seguint una distribució de Boltzmann.

RTMv

evRT

Mvf 2223 2

24)(

=

ππ (522)

S’anomena paràmetre d’impacte, b, al vector corresponent a la distància de separació

mínima que assolirien les dues molècules duran la trajectòria clàssica calculada en

absència de forces d’atracció o repulsió entre les partícules.

o Els valors del paràmetre d’impacte b, així com els angles que determinen l’orientació

d’una molècula respecte a l’altre també es trien aleatòriament.

Les posicions dels àtoms que determinen les condicions inicials s’han de triar de

manera que sempre compleixin que la interacció entre els reactius es pot considerar

negligible.

Aplicant la mateixa condició el càlcul de la trajectòria no es pot donar per acabat fins

que la interacció entre les molècules resultants es pugui considerar negligible.

La tria aleatòria de les condicions inicial és el que connecta el càlcul de les trajectòries

clàssiques al nom de mètode de Monte Carlo.

6.3 Determinació de la funció opacitat

El objectiu del càlcul de les trajectòries clàssiques és la determinació de la funció

opacitat o probabilitat de reacció per unes determinades condicions inicials.

o Habitualment la funció opacitat s’escriu en funció dels nombres quàntics v i J, la

velocitat relativa inicial v0, i el paràmetre d’impacte b.

o La funció opacitat es pot expressar com:

),,,(),,,(),,,( 0

00

bvJvNbvJvNbvJvP R= (523)

Page 176: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

176

o ),,,( 0 bvJvNR és el nombre de trajectòries reactives i ),,,( 0 bvJvN és el nombre de

trajectòries totals.

o Les ),,,( 0 bvJvN trajectòries es calculen per diferents valors dels angles que

determinen l’orientació d’una molècula respecte a l’altre escollits aleatòriament.

En el cas extrem que cap col·lisió generi una reacció ),,,( 0 bvJvP = 0, mentre que

quan totes les col·lisions generen una reacció ),,,( 0 bvJvP = 1.

1),,,(0 0 ≤≤ bvJvP (524)

Una reacció química només pot tenir lloc quan les molècules estan suficientment

properes perquè els enllaços es puguin formar i/o trencar.

o La probabilitat de que les dues molècules de reactiu estiguin properes en algun punt

de la trajectòria classica disminueix quan creix el valor de b.

o Per tant ),,,( 0 bvJvP serà més gran per valors petits de b i tendirà a zero quan b

tendeixi a infinit.

6.3.1 Exemples de funció opacitat

Els resultats obtinguts calculant la funció opacitat per diferents valors de b es poden

ajustar a una funció analítica.

Experimentalment no es pot determinar la forma de la funció opacitat. Per tant es

procura treballar amb expressions analítiques de la funcions opacitat tant senzilles com

sigui possible sempre i quan generin el valor correcte per la constant de velocitat.

La funció opacitat més senzilla possible és la funció de l’esglaó unitari:

>

≤=

),,(,0

),,(,1),,,(

0max

0max0

vJvbb

vJvbbbvJvP (525)

o bmax és el paràmetre d’impacte més gran pel qual la reacció te lloc.

o El problema més greu de la funció esglaó unitari és que no te en compte la

dependència de la funció opacitat amb amb la orientació relativa de les molècules de

reactiu.

Page 177: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

177

En moltes reaccions perquè un trajectòria evolucioni cap a productes el xoc s’ha de

produir en la orientació adient. Es a dir el valor de ),,,( 0 bvJvP depèn fortament de

l’angle de col·lisió.

o Per exemple la reacció H2+H→H+H2 te un requeriment energètic molt més baix si el

xoc es lineal, i per tant el valor de ),,,( 0 bvJvP és molt més gran en aquest cas.

o Un altre exemple és la reacció HI+Cl→I+HCl, la qual te un requeriment energètic

molt més baix si el xoc te lloc pel costat del Cl.

o En aquests dos exemples per un mateix valor de b no totes les orientacions de

col·lisió són favorables, i per tant el valor màxim de ),,,( 0 bvJvP mai arriba a ser 1.

Page 178: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

178

Per tenir en compte la dependència de ),,,( 0 bvJvP amb l’angle de xoc la funció de

l’esglaó unitari es pot modificar introduint el factor estèric, p.

>

≤=

),,(,0

),,(),,,(),,,(

0max

0max

00

vJvbb

vJvbbvJvpbvJvP (526)

o El valor del factor p és sempre més petit que 1.

Page 179: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

179

Una funció opacitat més realista que també te en compte el factor estèric és la següent:

>

=

),,(,0

),,(,),,(

1),,(),,,(

0max

0max02

max

20

0

vJvbb

vJvbbvJvb

bvJvpbvJvP (527)

6.4 Secció eficaç de col·lisió i secció reactiva de col·lisió

El càlcul de la constat de velocitat obtinguda a partir del resultats de les trajectòries

clàssiques es basa en l’expressió de la constant de velocitat deduïda per la teoria de

col·lisions clàssica.

o Per exemple per la reacció elemental CBA k→+ l’expressió de la constant de

velocitat és (veure Eq. (329) de la lliçó 3):

( )

= ∫∞

0

0

000 )( dvvvfvNk Rar σ (528)

o La determinació de la constant de velocitat utilitzant l’equació anterior requereix una

expressió que relacioni σ amb la funció opacitat.

La secció eficaç de col·lisió es defineix com l’àrea efectiva on la col·lisió entre les dues

molècules de reactiu te lloc.

o Es a dir que en absència de forces d’atracció o repulsió entre les molècules de reactiu,

la definició de la secció eficaç de col·lisió ve donada per:

∫= bdbπσ 2 (529)

o La integral inclou el rang de valors de b que implica una col·lisió.

Page 180: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

180

o Per exemple en el model d’esferes rígides la col·lisió només te lloc quan b és més

petit que d. Per tant en aquest cas la secció de col·lisió ve donada per:

2

0

2 dbdbd

ππσ == ∫ (530)

La secció reactiva de col·lisió governa la velocitat de la reacció química i te en compte

que no totes les col·lisions porten a una reacció.

o La secció reactiva de col·lisió te en compte els factors estèrics i els requeriments

energètics necessaris perquè una col·lisió generi una reacció.

o La secció reactiva de col·lisió mesura la mida efectiva de les molècules tenint en

compte la seva tendència a reaccionar.

o La mida efectiva de les molècules és més petita que la mida real, ja que no totes les

col·lisions generen una reacció.

L’expressió de la secció reactiva de col·lisió ve donada per:

∫∞

=0

)(2 dbbbPR πσ (531)

o L’equació anterior permet el càlcul de la secció reactiva de col·lisió a partir de la

funció opacitat. Com mostra l’equació (528) a partir de la secció reactiva de col·lisió

es pot determinar la constant de velocitat.

o La secció reactiva de col·lisió generada per la funció opacitat esglaó unitari ve

donada per:

2max

0

max

2 bbdbb

R ππσ == ∫ (532)

o La funció opacitat esglaó p genera la secció reactiva de col·lisió següent:

2max

0

max

2 pbpbdbb

R ππσ == ∫ (533)

Page 181: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

181

o I la secció reactiva de col·lisió generada a partir funció opacitat més realista, la

donada per l’Eq. (527) és:

2max

02max

2

2112

max

pbbdbbbp

b

R ππσ =

−= ∫ (534)

6.5 Determinació de la secció reactiva de col·lisió

La funció opacitat no només depèn de b sinó que també depèn de ν, J i v0.

o Tenint en compte aquesta dependència la integral de l’equació (531) de fet el que

dona és ),,( 0vJvRσ .

∫=max

0

00 ),,,(2),,(b

R bdbbvJvPvJv πσ (535)

),( 0vvRσ s’obté calculant la mitjana de ),,( 0vJvRσ sobre els estats rotacionals.

( )

( )

( )

( ) ( )∑∑

∑∑∑

∑∑

=

+−

=

+−

=

+−

=

=

+−

+−

=

=

+

=

+

=

+

=

+

+=

=

maxmax

maxmax

max

max

max

02

)1(

0

0

rot

)1(

0

0

)1(

0

0

0

)1(

)1(

0

0

0

00

212),,(12),,(

12),,(12

12),,(

),(

),(),,(),(

J

J

kTJhJB

R

J

J

kTJhJB

R

J

J rot

kTJhJB

R

J

JJ

J

kTJhJB

kTJhJB

R

J

JJ

J

RR

IkTeJvJv

TeJvJv

zeJvJv

eJ

eJvJv

JvN

JvNvJvvv

vv

v

v

v

σ

σθ

σ

σσ

σσ

(536)

Page 182: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

182

I finalment la secció reactiva de col·lisió )( 0vRσ s’obté calculant la mitjana de

),( 0vvRσ sobre els estats vibracionals.

∑∑

∑∑

∑∑

=

+−

=

+−

=

=

+−

+−

=

=

=

=

=

=

max

21

max

21

max

max 21

21

max

max

0

)(

0

0

)(

0

0

0

)(

)(

0

0

0

00

1

1),(),(

),()(

)(),()(

v

v

kThv

kThvv

R

v

v vib

kThvv

R

v

vv

v

kThvv

kThvv

R

v

vv

v

RR

e

ee

e

e

e

evvz

evv

e

evvvN

vNvvv

σσ

σσσ

(537)

6.6 Determinació de la constant de velocitat

L’expressió de la constant de velocitat en funció de )( 0vRσ donada per la teoria de

col·lisions clàssica és de fet el càlcul del valor esperat de ( ) 00 vvσ .

( )

= ∫∞

0

0

000 )()( dvvvfvNTk Rar σ (538)

o v0 és la velocitat relativa d’una molècula de reactiu A respecte a una molècula de

reactiu B.

o f(v0) és la funció de distribució de velocitat de Maxwell.

o La constant de velocitat obtinguda per l’equació anterior depèn de la temperatura ja

que tant )( 0vRσ com f(v0) depenen T.

Per calcular la constant de velocitat d’una reacció utilitzant la dinàmica molecular

s’han de seguir els passos següents:

o Primer s’ha de determinar les condicions inicials de un conjunt suficientment variat

de trajectòries.

Page 183: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

183

o Les condicions inicials es seleccionen de manera aleatòria, però fent servir funcions

distribució de probabilitat per donar més pes als casos més probables a la natura.

o Les condicions inicials de casos on la possibilitat de reacció és nul·la es descarten per

estalviar temps de càlcul.

o Després de seleccionar el conjunt de condicions inicials es calculen totes les

trajectòries clàssiques.

o Amb els resultats obtinguts després de realitzar el càlcul de les trajectòries clàssiques

es determina numèricament la funció opacitat ),,,( 0 bvJvP per cada conjunt de

valors de v, J, v0 i b.

o Per cada conjunt de valors de v, J i v0 s’ajusten els valors numèrics de la funció

opacitat obtinguts per diferents valors de b a la funció analítica donada per l’Eq.

(527).

>

=

),,(,0

),,(,),,(

1),,(),,,(

0max

0max02

max

20

0

vJvbb

vJvbbvJvb

bvJvpbvJvP (539)

o Seguidament, per cada conjunt de valors de v, J i v0, es determina ),,( 0vJvRσ

utilitzant l’Equació (535).

o Després, per cada conjunt de valors de v i v0 es determina ),( 0vvRσ utilitzant l’Eq.

(536).

o A continuació, per cada valor de v0 es determina )( 0vRσ utilitzant l’Eq. (537).

o I finalment, per cada valor de T es determina la constant de velocitat utilitzant l’Eq.

(538).

6.7 Anàlisis de les trajectòries

El resultat d’una trajectòria clàssica es pot representar en funció del temps.

Page 184: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

184

L’anàlisi de les diferents trajectòries ens dona informació sobre les diferents etapes que

te la reacció. Es a dir ens dona informació sobre el mecanisme de la reacció.

L’anàlisi de les trajectòries permet investigar quin és el paper que tenen els diferents

paràmetres v, J, v0 i b així com la orientació relativa de les dues molècules de reactius

en la probabilitat que la col·lisió sigui reactiva.

Per exemple la figura següent mostra el resultat d’una trajectòria concreta per la

reacció A + BC → AB + C.

o El gràfic mostra com al principi de la reacció la distància d’enllaç RBC oscil·la degut

al moviment vibracional de la molècula.

o Però a partir de un determinat temps aquesta distància comença a augmentar

contínuament indicant que l’enllaç B-C es trenca.

o Al contrari, la distància d’enllaç RAB comença la reacció disminuint contínuament

fins assolir la formació de l’enllaç A-B.

o Un cop s’ha format l’enllaç A-B observem la vibració de la molècula.

Page 185: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

185

o La distància d’enllaç RAC assoleix un valor mínim en el moment de la col·lisió, però

mai és prou petit com per formar un enllaç.

o El gràfic anterior ens mostra una trajectòria reactiva, ja que al inici de la simulació

tenim dues molècules A i BC que no interaccionen, i al final tenim dues molècules

diferents AB i C que no interaccionen.

La figura següent mostra un segon exemple d’una trajectòria concreta per la reacció A

+ BC → AB + C.

o En aquest cas el gràfic mostra la distància d’enllaç RBC oscil·la durant tota la reacció,

i en cap moment aquesta augmenta contínuament.

o Per altra banda, les distàncies RAB i RAC disminueixen fins assolir un valor mínim en

el moment de la col·lisió, però mai és prou petit com per formar un enllaç.

o Després del xoc les distàncies RAB i RAC augmenten de manera continua.

o El gràfic anterior ens mostra una trajectòria no reactiva, ja que al inici de la simulació

tenim dues molècules A i BC que no interaccionen, i al final tenim tornem a tenir

dues molècules A i BC que no interaccionen.

Page 186: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

186

o El pendent de RAB i RAC respecte al temps ens dona la velocitat relativa de la

molècula A respecte la molècula BC.

o El pendent de les corbes RAB i RAC quan les molècules s’apropen és molt similar al

pendent de RAB i RAC quan les molècules s’allunyen.

o Es a dir que en el xoc no hi ha hagut transferència d’energia entre les molècules A i

BC.

o Aquest tipus de col·lisió on no hi ha transferència d’energia entre les molècules

s’anomena col·lisió no reactiva elàstica.

La figura següent mostra un tercer exemple d’una trajectòria concreta per la reacció A

+ BC → AB + C.

o El gràfic anterior també mostra una trajectòria no reactiva.

o Però en aquest cas el pendent de les corbes RAB i RAC quan les molècules s’apropen és

clarament inferior al pendent de RAB i RAC quan les molècules s’allunyen.

o Es a dir que el valor absolut de la velocitat relativa entre les molècules A i BC ha

augmentat després del xoc.

Page 187: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

187

o Per altra banda, la vibració de la molècula BC després del xoc te una amplitud i

freqüència molt més petita.

o Es a dir que en la col·lisió part de l’energia vibracional de la molècula BC s’ha

transformat en energia translacional.

o Aquest tipus de col·lisió no reactiva on hi ha transferència d’energia entre les

molècules s’anomena col·lisió no reactiva no elàstica.

En quin dels tres exemples de trajectòria s’observa una rotació de la molècula de

reactiu i/o producte?

o Solució: En la primera ja que s’observa un creuament de les distàncies RAB i RBC

després del xoc.

Per quina raó no s’observen varies rotacions en els tres exemples de trajectòries?

o Solució: Perquè el període d’una rotació és aproximadament de 10 picosegons

(10×10-12 s). Es a dir que el període d’una rotació és molt més gran que el temps

mostrat en els tres gràfics anteriors.

En el primer dels tres exemples anteriors la durada de la col·lisió, es a dir el temps de

vida de l’estat de transició, és molt curt.

o Es considera que el temps de vida de l’estat de transició és curt quan és igual o

inferior al període d’una vibració.

o En els tres exemples anteriors el període de la vibració era aproximadament de 0.8

femptosegons (0.8×10-15 s).

o El temps de vida de l’estat de transició per la trajectòria reactiva és aproximadament

de 0.5 fs.

Quan el temps de vida de l’estat de transició és igual o inferior al del període d’una

vibració es diu que la reacció segueix un procés de mode directe.

Al contrari, quan el temps de vida de l’estat de transició és superior al del període

d’una vibració es diu la reacció segueix un procés de mode complex.

Un exemple de reacció que segueix un procés de mode complex és la recció següent:

KCl + NaBr → KBr + NaCl (540)

Page 188: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

188

o La figura següent mostra un exemple de trajectòria reactiva d’aquesta reacció.

o La trajectòria anterior és un trajectòria reactiva ja que al inici de la recció presenta

NaBr vibrant mentre que després de la reacció s’obté KBr vibrant.

o Les distàncies KCl i NaCl no es representen en la gràfica anterior, i per tant no es pot

observar el trencament del KCl ni la formació del NaCl.

o En la trajectòria reactiva anterior es pot observar que el temps de vida de l’estat de

transició és igual a 15 períodes de la vibració del NaBr o a 12 períodes de la vibració

del KBr.

o En l’esquema anterior també es pot observar la vibració de la distància BrCl. Aquesta

distància només vibra en el TS, ja que no és un enllaç del reactiu ni del producte.

o Per tant la trajectòria d’aquest exemple segueix clarament procés de mode complex.

La TET no descriu correctament la constant de velocitat de les reaccions que segueixen

un procés de mode directe.

o El temps de vida de l’estat de transició de les reaccions de procés de mode directe és

tant curt que l’energia no te temps de redistribuir-se pels diferents graus de llibertat

vibracionals i rotacional.

o Aquest fet provoca que les funcions de partició rotacional i vibracional de l’estat de

transició no descriguin correctament la molècula.

o Per tant en les reaccions de mode directe no es pot fer servir la TET per calcular la

constant de velocitat.

Page 189: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

189

Per altra banda la TET si descriu correctament la constant de velocitat de les reaccions

que segueixen un procés de mode complex.

o El temps de vida de l’estat de transició de les reaccions de procés de mode complex

és suficientment llarg per permetre la redistribució de l’energia pels diferents graus

de llibertat vibracionals i rotacional.

o En aquest cas les funcions de partició rotacional i vibracional de l’estat de transició

descriuen correctament la molècula.

o Per tant en les reaccions de mode complex sí es pot fer servir la TET per calcular kr.

Un altra alternativa per representar les trajectòries clàssiques és dibuixar-les sobre un

mapa d’una representació reduïda de la superfície de potencial.

o A la pàgina següent es mostren 4 trajectòries per la reacció A + BC → AB + C.

o La PES completa d’aquesta reacció depèn de 3 coordenades i per tant no es pot

representar gràficament.

o Els mapes de la PES de les figures anteriors mostren la representació reduïda de la

PES corresponent al xoc lineal.

o En el cas (a) es representa una trajectòria reactiva on tant el reactiu BC com el

producte AB tenen poca energia vibracional.

o En el cas (b) es presenta el una trajectòria reactiva on tant el reactiu BC com el

producte AB tenen molta energia vibracional.

o En el cas (c) es representa una trajectòria no reactiva on el reactiu BC no te suficient

energia translacional per arribar fins el TS.

o La energia vibracional del reactiu BC en el cas (c) és molt petita i per tant tampoc es

pot utilitzar per arribar fins al TS.

o En el cas (d) es presenta el una trajectòria no reactiva on el reactiu BC te molta

energia vibracional.

o La corba de nivell energètic més alta assolida per la trajectòria del cas (d) ens indica

que la suma de l’energia translacional i vibracional d’aquesta molècula era suficient

per assolir l’alçada de l’estat de transició.

Page 190: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

190

o Però al contrari del que passa en el cas (a), en el cas (d) la fase de la vibració no és

l’adient perquè la trajectòria es dirigeixi cap a la zona del TS.

6.8 Superfícies atractives i superfícies repulsives

La velocitat de reacció augmenta quan s’augmenta l’energia total dels reactius ja que

les molècules de reactius disposen de més energia per assolir la zona del TS.

Page 191: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

191

Però per un mateix valor d’energia total en determinades reaccions la velocitat de

reacció és molt diferent depenent de com és reparteix l’energia total en energia

vibracional i energia translacional.

o Per exemple, la reacció F + HCl → Cl + HF és cinc vegades més ràpida quan el HCl

està en el primer estat excitat vibracional que quan, tenint la mateixa energia total,

està en l’estat fonamental vibracional.

o Un altre exemple de reacció que augmenta la seva velocitat quan s’augmenta la

proporció d’energia total que està en forma de energia vibracional és H + Cl2 → HCl

+ Cl.

o Un exemple del cas contrari és la reacció K + Br2 → KBr + Br. Per la mateixa

energia total, aquesta reacció és més ràpida quan el Br2 està en l’estat vibracional

fonamental que quan està en un estat excitat vibracional.

El motiu pel qual quan els reactius estan en un estat excitat vibracional algunes

reaccions són més ràpides i en canvi altres són més lentes és la forma de la PES.

A partir de la posició relativa del TS en la superfície d’energia potencial es poden

definir dos tipus de PES.

o S’anomenen superfícies atractives les PES on el TS es troba més a prop dels reactius

que del productes (veure la figura de l’esquerra).

Page 192: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

192

o S’anomenen superfícies repulsives les PES on el TS es troba més a prop dels

productes que dels reactius (veure la figura de la dreta).

6.8.1 Superfícies atractives

En el TS de les superfícies atractives els enllaços dels reactius encara no s’han trencat i

els enllaços dels productes estan a mig formar.

o Es a dir la geometria del TS s’assembla més als reactius que als productes.

En les superfícies atractives el mínim dels reactius te una energia més gran que la del

mínim dels productes (principi de Hammond).

o Es a dir que l’energia d’activació de la reacció directa és més petita l’energia

d’activació de la reacció inversa.

Les trajectòries que tenen molta energia translacional i poca energia vibracional són les

més adients per assolir la zona del TS en les superfícies atractives (veure la trajectòria

negra en la figura de l’esquerra).

o Al contrari, en les superfícies atractives les trajectòries que tenen poca energia

translacional i molta energia vibracional són les menys adients per assolir la zona del

TS (veure la trajectòria blanca en la figura de l’esquerra).

En aquest punt cal recordar que una trajectòria només serà reactiva quan la seva

energia total sigui més gran que l’energia del TS.

En les trajectòries reactives de les superfícies atractives part de l’energia translacional

dels reactius es transforma en energia vibracional dels productes.

o Es a dir que en les superfícies atractives sovint els productes es troben en un estat

excitat vibracional fins i tot quan els reactius es troben en l’estat fonamental

vibracional.

6.8.2 Trajectòries repulsives

En el TS de les superfícies repulsives els enllaços dels reactius estan mig trencats i els

enllaços dels productes ja s’han format.

o Es a dir la geometria del TS s’assembla més als productes que als reactius.

Page 193: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

193

En les superfícies repulsives el mínim dels reactius te una energia més petita que la del

mínim dels productes (principi de Hammond).

o Es a dir que l’energia d’activació de la reacció directa és més gran l’energia

d’activació de la reacció inversa.

En les superfícies repulsives les trajectòries que tenen poca energia translacional i

molta energia vibracional són les més adients per assolir la zona del TS (veure la

trajectòria negra en la figura).

o Al contrari, en les superfícies repulsives les trajectòries que tenen molta energia

translacional i poca energia vibracional són les menys adients per assolir la zona del

TS (veure la trajectòria blanca en la figura).

En les trajectòries reactives de les superfícies repulsives part de l’energia vibracional

dels reactius es transforma en energia translacional dels productes.

o Es a dir que en les superfícies repulsives sovint els productes es troben en l’estat

fonamental vibracional fins i tot quan els reactius estaven en un estat vibracional

excitat.

6.9 Efectes quàntics

Per una banda, quan la PES es calcula utilitzant els mètodes de la mecànica quàntica

s’introdueix els efectes quàntics en l’energia electrònica.

Per altra banda, el càlcul de les trajectòries clàssiques no introdueix cap efecte quàntic

en el tractament de l’energia translacional, rotacional i vibracional dels nuclis.

Per tant, tenint en compte aquests dos fets el mètode de les trajectòries clàssiques es

pot considerar com un mètode semiclàssic (o semiquàntic).

Un dels fenòmens quàntics més importants que no te en conte el mètode semiclàssic és

l’efecte túnel.

o En aquest punt és important recordar que l’efecte túnel és més important quan en la

reacció tenen un paper important àtoms lleugers com el H.

Page 194: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

194

Per resoldre la dinàmica de manera purament quàntica s’hauria de resoldre l’equació

de Schrödinger nuclear depenent del temps.

o Però aquest càlcul és computacionalment molt costos i actualment no és factible per

estudiar reaccions on participin més de quatre àtoms.

o El concepte de trajectòria no existeix en el mon de la mecànica quàntica i es

substitueix pel concepte de la propagació d’una funció d’ona depenent del temps que

inicialment representa els reactius i finalment els productes.

o Una de les raons per les que l’estudi purament quàntic és tant costos és perquè s’han

de tenir en compte tots els estats electrònics, vibracionals i rotacionals dels reactius i

productes que a una determinada temperatura tenen una població no negligible.

o El conjunt de números quàntics electrònics, vibracionals i rotacionals que representen

una espècie química s’anomena canal.

o A una determinada temperatura hi ha molts canals que representen els reactius i

molts canals que representen els productes.

o La transició d’una canal de reactiu i a un canal de producte j pot estar permesa o be

prohibida.

o Per tant la probabilitat Pi,j(E) de que es produeixi la transició del canal de reactius i al

canal de productes j tindrà un valor entre 0 i 1. Zero quan la transició estigui

prohibida i més gran de zero quan estigui permesa.

El càlcul de la constant de velocitat purament quàntica ve determinada per la

probabilitat de reacció acumulativa.

o Per un valor concret de l’energia l’expressió de la probabilitat de reacció

acumulativa, N(E), ve donada per:

∑=ji

ji EPEN,

, )()( (541)

o El sumatori inclou tots els canals dels reactius i tots els canals dels productes.

Page 195: CINÈTICA QUÍMICA I DINÀMICA MOLECULARiqc.udg.es/~josepm/docencia/cqdm/trans_CQDM.pdf · 2006-12-18 · 6 màxima quantitat de producte que es pot formar), el grau d’avenç es

195

Es pot demostrar que la expressió que relaciona la constant de velocitat amb N(E) ve

donada per:

∫∞ −

=0

)()()(

VTzh

dEeENTkkTE

r (542)

o z(T) és la funció de partició dels reactius a la temperatura T.