Перейти к публикации
Форум химиков на XuMuK.ru
_alex_

Вопросы по теории химии на стыке с квантовой физикой.

Рекомендованные сообщения

Простейшая реакция: H + H = H2

1) Означает ли принцип квантовой неопределенности, что эта реакция при однократном
столкновении двух атомов произойдет лишь с определенной вероятностью и может не произойти?
2) И произойдет ли реакция если у электронов в двух атомах одинаковые спины и у ядер тоже одинаковые спины?
3) И что если электроны в атомах будут находится в возбужденном состоянии например 2s или 2p ?
4) Энергия в результате реакции выделяется только в виде кинетической энергии получившейся молекулы H2 или
или еще виде излучения фотонов? От чего зависит соотношение энергий выделяемых обоими способами?
5) Энергетический выход реакции при однократном столкновении двух атомов величина постоянная или все же
изменяется от каких-либо исходных условий(скорости исходных атомов, состояния их электронов и т.п.) ?
 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Вопросов Вы задали много (но это даже хорошо). Однако, уж не взыщите, сам подход к теме отдаёт некоторой наивностью (что простительно, впрочем   :ay:  ) Последнее замечание — просто некоторая оговорка к тому, что ответить на них однозначно — “да” или “нет” не всегда возможно. Я попытаюсь в меру своих скромных познаний в данной области. Но прежде хотелось бы сделать ещё несколько замечаний терминологического характера.

 

Прежде всего, нужно чётко представлять себе, что подразумевается под терминами «молекула» и «столкновение». В просторечии под первым понимается некая совокупность атомов, находящихся на максимально-близком расстоянии друг от друга и обладаюшщая минимальной колебательной и вращательной энергией, но достаточно высокой энергией связи между этими атомами. На самом-то деле, расстояние большого значения не имеет. Молекулой, в принципе, можно считать любую совокупность атомов, полная энергия ядер которой (кин. + пот.=энергия связи) отрицательна. Энергия же связи как раз во многом зависит от взаимной ориентации и спинов ядер, и электронов. И таких состояний (термов) даже для простейших двухатомных молекул может существовать несколько десятков. За детальной инфоримацией рекомендую полистать книжку «Константы двухатомных молекул» в 2 частях / К.-П. Хьюбер, Г. Герцберг ; пер. с англ. А. Ю. Волкова ; под ред. Н. Н. Соболева. — Москва : Мир, 1984.;  http://vova1001.narod.ru/00002768.htm

Т.е. с понятием «сталкивающиеся атомы» нужно быть достаточно осторожным, поскольку в ряде случаев они даже в процессе своего столкновения могут быть уже компонентами одной молекулы. Критерий, напомню, — полная энергия.

 

Но я так думаю, что под продуктом реакции в Вашем уравнении подразумевается некая пара атомов, находящаяся в минимальном по энергии электронном и не очень высоких колебательном и вращательном состояниях? Тогда ответ на первый вопрос, при условии, что Esum >0, и что рассматривается именно и только пара атомов, сугубо отрицателен. В том смысле, что при таких условиях реакция скорее НЕ произойдёт. Вот только «принцип квантовой неопределенности» здесь почти ни при чём — то же самое будет и при чисто классическом рассмотрении задачи. Для того, чтобы пара атомов сформировала устойчивую молекулу, НЕОБХОДИМО ТРЕТЬЕ ТЕЛО (или их может быть несколько), причём в качестве такового могут выступить и фотон(ы), уносящие избыток энергии (а вот тут уже без принципа неопределённости не обойтись — излучение фотона есть процесс вероятностный).

 

2. С ходу наверняка не скажу. По-моему ни то, ни другое препятствием для образования молекулы не является. Лучше посмотрите термы молекулы H2 в «КДМ» или в ЛЛ т.III. (параграф не помню) — там подробно расписано, какие комбинации спинов являются устойчивыми, а какие распадными.

 

3. = 2.

 

4. & 5. Как я уже сказал, для образования молекулы и удаления из системы лишней энергии необходимо третье тело (атом или молекула). Если его нет, то почти ВСЯ избыточная энергия уйдёт в излучение одного или, что куда более вероятно), нескольких фотонов. По какому конкретно сценарию пойдёт процесс избавления от избыточной энергии, заранее предсказать тяжело, это зависит от очень многих факторов. Но если цепочка известна, то оценить кинетическую энергию остывшей молекулы можно исходя из законов сохранения энергии и импульса.

 

5. Т.о., «энергетический выход реакции» (уточните, что это?) при однократном столкновении двух атомов величина НЕ постоянная, и изменяется от исходных условий (скорости исходных атомов, состояния их электронов и т.п.).

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Я пытаюсь понять ,на примере этой простейшей реакции, какие величины и процессы можно абсолютно точно рассчитать при задании точных начальных условий и на основе фундаментальных констант. А какие носят абсолютно вероятностный характер.

 

Поэтому четко зададим начальные условия:

 

-Вакуум

-Невесомость

-Пространство изолировано от посторонних фотонов, полей.

-На встречу друг другу медленно летят одинокие атомы H со скоростью 0,000000001 м/с.

-Спины электронов и ядер заранее известны и такие, что комбинации являются устойчивыми. Пускай электроны будут в невозбужденном состоянии: 1s1.

-Таким образом происходит реакция, которую можно записать в “электронном” виде: 1s1+1s1=1s2   , а избыточная энергия выделяется.

 

 

И вот вопросы при вышезаданных условиях :

 

6) Величина энергии, которая выделится после реакции, строго определенная или все же может немного изменятся от каких-либо еще параметров? Каких?

 

Под «Величина энергии» я имею ввиду: изменение полной механической энергии системы из двух атомов плюс энергию излученных фотонов.

 

7) Величина энергии для данной реакции при вышесказанных условиях поддается точному вычислению на основе каких-либо уравнений?

 

8) Соотношение энергий, выделяемых в виде фотонов и в виде увеличения полной механической энергии, величина случайная или ее можно точно рассчитать?

 

9) Количество , энергия, направление излученных фотонов величина случайная т.е. не поддается точному вычислению на основе исходных данных в принципе?

 

10) Направление движения образовавшейся молекулы H2 так же величина случайная?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

В вопросе 9) я имею ввиду вот что.

Предположим реакация двух атомов происходит в кубической коробке.
Мы можем расчитать траекторию фотона, на основе вышеперечисленных данных, относительно коробки? Т.е. в каком направлении
относительно коробки он полетит?
Или вот здесь и сказывается принцип неопределенности?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

6. В верности закона сохранения энергии особых оснований сомневаться, вроде как, не имеется, поэтому, если Вы знаете покомпонентно исходное и конечное значение энергии некой системы, то убыль/прибыль одной её части, можете смело приписывать другой с обратным знаком. Баланс энергии — это святое!  :)

Однако не всё так радужно: некоторые процессы устаканивания (в частности, обусловленные спин-спиновым взаимодействием) столь маловероятны, что их осуществления можно порой дожидаться миллионы лет! Согласны ждать?  ;)

Это почти шутка, разумеется. Но к реальности имеет прямое отношение. Даже если, например, пара атомов по всем параметрам, кроме величины Esum, находится на устойчивом терме (потенциальная яма в принципе существует), то успеет ли за время их сближения избыток энергии излучиться в виде фотон(а/ов) — на данный вопрос однозначного ответа нет. Можно лишь оценить вероятность подобного исхода, но для этого нужно знать зависимость потенциальной энергии как функцию расстояния между ядрами: Epot = E®.

Если же Esum < 0, а Вам в итоге хочется получить совсем внутренне-остывшую молекулу (т.е. с минимально возможными значениями колебательных и вращательных квантовых чисел — они не всегда могут быть равными нулю!), то ...

 

7. ... ответ на данный вопрос однозначен: поддаётся.

 

8. & 9. Если для удаления избыточной энергии из системы достаточно одного фотона, то проблем нет — вопрос решается на основе обычных уравнений классической механики исходя из законов сохранения энергии и импульса. Если же для перехода в нижайшее энергетическое состояние требуется излучение нескольких фотонов, то однозначность опять исчезает, поскольку в какой последовательности будут излучаться эти фотоны и в какую сторону относительно направления уже движущейся после первых отстрелянных фотонов молекулы, будут выпущены последующие — предсказать невозможно. Поэтому нельзя точно предсказать и пропорции в распределении энергии между фотонной и механической компонентами (в принципе, может сложиться даже так, что новорожденная молекула останется (почти) на месте). Можно лишь посчитать предельно-возможные значения этих компонент.

 

10. По большому счёту — «да». Хотя при всех заранее определённых исходных данных можно попытаться расчитать диаграмму направленности, она не будет равномерно размазана по всем направлениям, но всё же достаточно широкой.

 

 

Напоследок: сильно боюсь ошибиться, а лезть в учебники лень, но, кажется, два атома водорода в спиновом состоянии 1s устойчивой комбинации не образуют.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Присоединяйтесь к обсуждению

Вы можете опубликовать сообщение сейчас, а зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, войдите в него для написания от своего имени.
Примечание: вашему сообщению потребуется утверждение модератора, прежде чем оно станет доступным.

Гость
Ответить в тему...

×   Вставлено в виде отформатированного текста.   Вставить в виде обычного текста

  Разрешено не более 75 эмодзи.

×   Ваша ссылка была автоматически встроена.   Отобразить как ссылку

×   Ваш предыдущий контент был восстановлен.   Очистить редактор

×   Вы не можете вставить изображения напрямую. Загрузите или вставьте изображения по ссылке.

Загрузка...

  • Сейчас на странице   0 пользователей

    Нет пользователей, просматривающих эту страницу.

×
×
  • Создать...