stringtranslate.com

Поверхность потенциальной энергии

ППЭ для молекулы воды: показывает минимум энергии, соответствующий оптимизированной молекулярной структуре для воды – длина связи ОН 0,0958  нм и угол связи HOH 104,5°
Упрощенный энергетический ландшафт мировой социально-экономической системы и динамика социальных переломов на разных уровнях детализации, подчеркивающий факторы, влияющие на переходы

Поверхность потенциальной энергии ( ППЭ ) или энергетический ландшафт описывает энергию системы , особенно набора атомов, с точки зрения определенных параметров , обычно положений атомов. Поверхность может определять энергию как функцию одной или нескольких координат; если есть только одна координата, поверхность называется кривой потенциальной энергии или энергетическим профилем . Примером является потенциал Морзе/дальнобойности .

Полезно использовать аналогию с ландшафтом: для системы с двумя степенями свободы (например, двумя длинами связей) значение энергии (аналогия: высота земли) является функцией двух длин связей (аналогия: координаты положения на земле). [1]

Концепция PES находит применение в таких областях, как физика , химия и биохимия , особенно в теоретических подотраслях этих предметов. Она может использоваться для теоретического исследования свойств структур, состоящих из атомов, например, для нахождения минимальной энергетической формы молекулы или вычисления скоростей химической реакции . Она может использоваться для описания всех возможных конформаций молекулярной сущности или пространственных положений взаимодействующих молекул в системе, или параметров и соответствующих им уровней энергии, обычно свободной энергии Гиббса . Геометрически энергетический ландшафт представляет собой график энергетической функции в конфигурационном пространстве системы. Этот термин также используется в более общем смысле в геометрических перспективах математической оптимизации , когда областью определения функции потерь является пространство параметров некоторой системы.

Математическое определение и вычисление

Геометрия набора атомов может быть описана вектором r , элементы которого представляют положения атомов. Вектор r может быть набором декартовых координат атомов или также может быть набором межатомных расстояний и углов.

При заданном r энергия как функция положений, E ( r ) , является значением E ( r ) для всех интересующих r . Используя аналогию с ландшафтом из введения, E дает высоту на «энергетическом ландшафте», так что возникает концепция поверхности потенциальной энергии .

Для изучения химической реакции с использованием ППЭ как функции атомных позиций необходимо рассчитать энергию для каждого интересующего атомного расположения. Методы расчета энергии конкретного атомного расположения атомов хорошо описаны в статье по вычислительной химии , и здесь акцент будет сделан на поиске приближений E ( r ) для получения мелкозернистой информации об энергии и положении.

Для очень простых химических систем или когда делаются упрощающие приближения относительно межатомных взаимодействий, иногда можно использовать аналитически выведенное выражение для энергии как функции атомных положений. Примером является потенциал Лондона - Эйринга - Полани - Сато [2] [3] [4] для системы H + H 2 как функция трех расстояний HH.

Для более сложных систем расчет энергии конкретного расположения атомов часто оказывается слишком затратным в вычислительном отношении для крупномасштабных представлений поверхности, чтобы быть осуществимым. Для таких систем возможным подходом является расчет только сокращенного набора точек на ППЭ, а затем использование вычислительно более дешевого метода интерполяции, например, интерполяции Шепарда , для заполнения пробелов. [5]

Приложение

ППЭ — это концептуальный инструмент для помощи в анализе молекулярной геометрии и динамики химических реакций . После того, как необходимые точки оценены на ППЭ, точки можно классифицировать в соответствии с первой и второй производными энергии по положению, которые соответственно являются градиентом и кривизной . Стационарные точки (или точки с нулевым градиентом) имеют физическое значение: минимумы энергии соответствуют физически стабильным химическим видам, а седловые точки соответствуют переходным состояниям , точке с самой высокой энергией на координате реакции (которая является путем с самой низкой энергией, соединяющим химический реагент с химическим продуктом).

Термин полезен при изучении сворачивания белка ; в то время как теоретически белок может существовать в почти бесконечном числе конформаций вдоль своего энергетического ландшафта, в реальности белки сворачиваются (или «расслабляются») во вторичные и третичные структуры , которые обладают минимально возможной свободной энергией . Ключевой концепцией подхода энергетического ландшафта к сворачиванию белка является гипотеза воронкообразной структуры .

В катализе при разработке новых катализаторов или усовершенствовании существующих энергетические ландшафты рассматриваются с целью избежания промежуточных продуктов с низкой или высокой энергией, которые могут остановить реакцию или потребовать чрезмерного количества энергии для получения конечных продуктов. [6]

В моделях остекления локальные минимумы энергетического ландшафта соответствуют метастабильным низкотемпературным состояниям термодинамической системы . [7] [8]

В машинном обучении искусственные нейронные сети могут быть проанализированы с использованием аналогичных подходов. [9] Например, нейронная сеть может быть в состоянии идеально соответствовать обучающему набору , соответствующему глобальному минимуму нулевых потерь, но переобучаться модели («изучая шум» или «запоминая обучающий набор»). Понимание того, когда это происходит, можно изучить с помощью геометрии соответствующего энергетического ландшафта. [10]

Привлекательные и отталкивающие поверхности

Потенциальные энергетические поверхности для химических реакций можно классифицировать как притягивающие или отталкивающие, сравнивая удлинения длин связей в активированном комплексе относительно удлинений длин связей в реагентах и ​​продуктах. [11] [12] Для реакции типа A + B—C → A—B + C удлинение длины связи для вновь образованной связи A—B определяется как R* AB = R AB − R 0 AB , где R AB — длина связи A—B в переходном состоянии и R 0 AB в молекуле продукта. Аналогично для связи, которая разрывается в реакции, R* BC = R BC − R 0 BC , где R 0 BC относится к молекуле реагента. [13]

Для экзотермических реакций ППЭ классифицируется как привлекательная (или рано нисходящая ), если R* AB > R* BC , так что переходное состояние достигается, когда реагенты приближаются друг к другу. После переходного состояния длина связи A—B продолжает уменьшаться, так что большая часть высвобождаемой энергии реакции преобразуется в колебательную энергию связи A—B. [13] [14] Примером является реакция гарпуна K + Br 2 → K—Br + Br, в которой начальное дальнодействующее притяжение реагентов приводит к активированному комплексу, напоминающему K + •••Br •••Br. [13] Колебательно-возбужденные популяции молекул продуктов можно обнаружить с помощью инфракрасной хемилюминесценции . [15] [16]

Напротив, ППЭ для реакции H + Cl 2 → HCl + Cl является отталкивающей (или поздненисходящей ), поскольку R* HCl < R* ClCl , а переходное состояние достигается, когда продукты разделяются. [13] [14] Для этой реакции, в которой атом A (здесь H) легче, чем B и C, энергия реакции выделяется в основном в виде поступательной кинетической энергии продуктов. [13] Для такой реакции, как F + H 2 → HF + H, в которой атом A тяжелее, чем B и C, происходит смешанное выделение энергии, как колебательное, так и поступательное, даже несмотря на то, что ППЭ является отталкивающей. [13]

Для эндотермических реакций тип поверхности определяет тип энергии, наиболее эффективный для осуществления реакции. Трансляционная энергия реагентов наиболее эффективна для инициирования реакций с притягивающей поверхностью, в то время как колебательное возбуждение (до более высокого колебательного квантового числа v) более эффективно для реакций с отталкивающей поверхностью. [13] В качестве примера последнего случая, реакция F + HCl(v=1) → Cl + HF примерно в пять раз быстрее, чем F + HCl(v=0) → Cl + HF для той же полной энергии HCl. [17]

История

Концепция поверхности потенциальной энергии для химических реакций была впервые предложена французским физиком Рене Марселином в 1913 году. [18] Первый полуэмпирический расчет поверхности потенциальной энергии был предложен для реакции H + H 2 Генри Эйрингом и Майклом Полани в 1931 году. Эйринг использовал поверхности потенциальной энергии для расчета констант скорости реакции в теории переходного состояния в 1935 году.

Н + Н2двумерный ПЭС

Поверхности потенциальной энергии обычно изображаются в виде трехмерных графиков, но их также можно представить в виде двумерных графиков, на которых развитие реакции отображается с помощью изоэнергетических линий. Коллинеарная система H + H 2 представляет собой простую реакцию, которая позволяет построить двумерную ППЭ простым и понятным способом. В этой реакции атом водорода (H) реагирует с молекулой дигидрогена (H 2 ), образуя новую связь с одним атомом молекулы, что, в свою очередь, разрывает связь исходной молекулы. Это обозначается как H a + H b –H c → H a –H b + H c . Прогресс реакции от реагентов (H + H₂) до продуктов (HHH), а также энергия видов, которые принимают участие в реакции, хорошо определены на соответствующей поверхности потенциальной энергии. Профили энергии описывают потенциальную энергию как функцию геометрических переменных (ППЭ в любом измерении не зависят от времени и температуры).

H+H2 Поверхность потенциальной энергии

В 2-D PES имеются различные соответствующие элементы:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Потенциально-энергетическая (реакционная) поверхность в Compendium of Chemical Terminology, 2-е изд. («Золотая книга»). Составители AD McNaught и A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997)
  2. ^ Сато, С. (1955). «Новый метод построения поверхности потенциальной энергии». Бюллетень химического общества Японии . 28 (7): 450–453. doi :10.1246/bcsj.28.450.Сато, Шин (1955). «О новом методе построения поверхности потенциальной энергии». Журнал химической физики . 23 (3): 592–593. Bibcode : 1955JChPh..23..592S. doi : 10.1063/1.1742043.
  3. ^ Кейт Дж. Лейдлер , Химическая кинетика (3-е изд., Harper & Row 1987) стр. 68-70 ISBN 0-06-043862-2 
  4. ^ Steinfeld JI, Francisco JS и Hase WL Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998) стр.201-2 ISBN 0-13-737123-3 
  5. ^ Улучшенная интерполяция Шепарда с использованием метода наименьших квадратов для быстрого маршевого и струнного методов, Burger SK1, Liu Y, Sarkar U, Ayers PW, J Chem Phys. 2009 130(2) 024103. doi: 10.1063/1.2996579.
  6. ^ Чен, Шентан; Хо, Мин-Хсун; Буллок, Р. Моррис; Дюбуа, Дэниел Л.; Дюпюи, Мишель; Руссо, Роджер; Раугеи, Симона (2014). «Вычисление ландшафтов свободной энергии: применение к электрокатализаторам на основе никеля с подвесными аминами для производства и окисления H2». ACS Catalysis . 4 (1): 229–242. doi :10.1021/cs401104w. ISSN  2155-5435.
  7. ^ Уэйлс, Дэвид Дж. (2004). Энергетические ландшафты: приложения к кластерам, биомолекулам и стеклам. Кембридж: Cambridge University Press . doi : 10.1017/CBO9780511721724. ISBN 978-0-511-72172-4.
  8. ^ Хойер, Андреас (2005). «Энергетические ландшафты. Приложения к кластерам, биомолекулам и стеклам. Дэвид Дж. Уэйлс». Angewandte Chemie International Edition . 44 (12): 1756–1757. doi :10.1002/anie.200485197.
  9. ^ Баллард, Эндрю Дж.; Дас, Ританкар ; Мартиниани, Стефано; Мехта, Дхагаш; Сагун, Левент; Стивенсон, Джейкоб Д.; Уэйлс, Дэвид Дж. (2017). «Перспектива: энергетические ландшафты для машинного обучения». Phys. Chem. Chem. Phys . 19 (20): 12585–12603. arXiv : 1703.07915 . Bibcode :2017PCCP...1912585B. doi :10.1039/C7CP01108C. PMID  28367548. S2CID  15326566.
  10. ^ Энтони Коллинз Гамст; Уокер, Олден (2017). «Энергетический ландшафт простой нейронной сети». arXiv : 1706.07101 [stat.ML].
  11. ^ Притягивающая поверхность потенциальной энергии в Compendium of Chemical Terminology, 2-е изд. («Золотая книга»). Составители AD McNaught и A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997)
  12. ^ Отталкивающая поверхность потенциальной энергии в Compendium of Chemical Terminology, 2-е изд. («Золотая книга»). Составители AD McNaught и A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997)
  13. ^ abcdefg Кейт Дж. Лейдлер , Химическая кинетика (3-е изд., Harper & Row 1987), стр. 461-8 ISBN 0-06-043862-2 
  14. ^ ab Steinfeld JI, Francisco JS и Hase WL Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998) стр.272-4 ISBN 0-13-737123-3 
  15. ^ Steinfeld JI, Francisco JS и Hase WL Химическая кинетика и динамика (2-е изд., Prentice-Hall 1998) стр.263 ISBN 0-13-737123-3 
  16. ^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006) стр.886 ISBN 0-7167-8759-8 
  17. ^ Аткинс П. и де Паула Дж. Физическая химия (8-е изд., WHFreeman 2006) стр.889-890 ISBN 0-7167-8759-8 
  18. ^ Вычислительная химия: Введение в теорию и приложения молекулярной и квантовой механики Эррол Г. Льюарс, 2-е изд. (Springer 2011) стр. 21 ISBN 978-9048138616