Perfil energético (química)
Para una reacción o proceso químico, un perfil de energía (o diagrama de coordenadas de reacción ) es una representación teórica de una sola ruta energética, a lo largo de la coordenada de reacción, a medida que los reactivos se transforman en productos. Los diagramas de coordenadas de reacción se derivan de la superficie de energía potencial (PES) correspondiente, que se utilizan en química computacional para modelar reacciones químicas al relacionar la energía de una molécula con su estructura (dentro de la aproximación de Born-Oppenheimer ). La coordenada de reacción es una curva paramétrica que sigue el camino de una reacción e indica el progreso de una reacción.
Cualitativamente, los diagramas de coordenadas de reacción (superficies de energía unidimensionales) tienen numerosas aplicaciones. Los químicos usan diagramas de coordenadas de reacción como ayuda tanto analítica como pedagógica para racionalizar e ilustrar eventos cinéticos y termodinámicos . El propósito de los perfiles y superficies de energía es proporcionar una representación cualitativa de cómo varía la energía potencial con el movimiento molecular para una reacción o proceso dado. [1]
En términos más simples, una superficie de energía potencial o PES es una representación matemática o gráfica de la relación entre la energía de una molécula y su geometría. Los métodos para describir la energía potencial se dividen en una interpretación mecánica clásica ( mecánica molecular ) y una interpretación mecánica cuántica . En la interpretación de la mecánica cuántica, se puede obtener una expresión exacta de energía para cualquier molécula derivada de principios cuánticos (aunque se puede requerir un conjunto de bases infinitas), pero los cálculos/métodos ab initio a menudo usarán aproximaciones para reducir el costo computacional. [2] [3]La mecánica molecular tiene una base empírica y la energía potencial se describe como una función de términos componentes que corresponden a funciones potenciales individuales como torsión , estiramientos, curvas, energías de Van der Waals , electrostática y términos cruzados. [3] [4] [5] Cada componente de función potencial se ajusta a datos experimentales o propiedades predichas por cálculos ab initio. [4] La mecánica molecular es útil para predecir geometrías de equilibrio y estados de transición, así como estabilidad conformacional relativa. A medida que ocurre una reacción, los átomos de las moléculas involucradas generalmente sufrirán algún cambio en la orientación espacial a través del movimiento interno, así como su entorno electrónico. [1] Las distorsiones en los parámetros geométricos dan como resultado una desviación de la geometría de equilibrio (mínimos de energía local). Estos cambios en la geometría de una molécula o interacciones entre moléculas son procesos dinámicos que exigen la comprensión de todas las fuerzas que operan dentro del sistema. Dado que estas fuerzas pueden derivarse matemáticamente como la primera derivada de la energía potencial con respecto a un desplazamiento, tiene sentido mapear la energía potencial E del sistema en función de los parámetros geométricos q 1 , q 2 , q 3 y así sucesivamente. [1] La energía potencial a valores dados de los parámetros geométricos (q 1 , q 2 ,..., q n) se representa como una hipersuperficie (cuando n >2 o una superficie cuando n ≤ 2). Matemáticamente, se puede escribir como-
Para la interpretación de la mecánica cuántica, un PES se define típicamente dentro de la aproximación de Born-Oppenheimer (para distinguir entre movimiento y energía nuclear y electrónica) que establece que los núcleos son estacionarios en relación con los electrones. En otras palabras, la aproximación permite despreciar la energía cinética de los núcleos (o movimiento de los núcleos) y por lo tanto la repulsión de los núcleos es un valor constante (como cargas puntuales estáticas) y solo se considera al calcular la energía total del sistema. . Luego se considera que la energía electrónica depende paramétricamente de las coordenadas nucleares, lo que significa que es necesario calcular una nueva energía electrónica (E e ) para cada configuración atómica correspondiente. [2] [3]PES es un concepto importante en la química computacional y ayuda en gran medida en la optimización de la geometría y el estado de transición.
