Kemikere giver teoretisk fortolkning for at forstå kemiske reaktioner

På mange måder, Det kan være udmattende at forstå kvantemekaniske ligninger i et forsøg på at forudsige, hvad der vil ske mellem reaktanter såsom atomer og molekyler, hvilket resulterer i komplekse fænomener i kemi, og overvældende for mange. Endnu, uden den teoretiske indsigt, eksperimentelle kemikere ville stort set ikke være i stand til at forstå, hvad de observerer.

Forskere ved University of New Mexico, ledet af den fremtrædende professor i kemi Hua Guo, har arbejdet med eksperimentalister for at hjælpe dem med at få en forståelse ved at give teoretiske fortolkninger af eksperimentelle observationer.

"Når forskere undersøger molekyler, ser de spektrale træk, men det er meget svært at fortolke disse træk, fordi de kun er linjer i spektret, " sagde Guo. "Det er her, vi kommer ind og giver en teoretisk fortolkning af deres eksperimentelle observationer."

En sådan fælles undersøgelse af Guos team er offentliggjort for nylig med en gruppe forskere ved Cal-Berkeley i det prestigefyldte tidsskrift Naturkemi med titlen "Feshbach-resonanser i udgangskanalen for F + CH ₃ OH→HF + CH ₃ O reaktion observeret ved hjælp af overgangstilstandsspektroskopi." Karakterisering af en reaktions overgangstilstand har længe været et mål for både eksperimentelle og teoretiske fysiske kemikere siden 1930'erne. Dette skyldes, at overgangstilstanden styrer, hvordan kemiske bindinger dannes og brydes under en kemisk reaktion Overgangstilstanden er et meget kortvarigt kompleks, kun et par femtosekunder, milliarder af milliardtedele af sekunder.

"For at kontrollere en kemisk reaktion, du er nødt til at forstå, hvordan det forløber gennem overgangstilstanden, " sagde Guo. "Du er nødt til at designe smarte måder at gøre det på."

Guos samarbejdspartnere i Berkeley laver først en stabil anion. Det sker, at disse negative ioner typisk har en geometri, der er meget tæt på overgangstilstanden for de tilsvarende neutrale reaktioner, som vist på figuren, videnskabsmænd kan starte med denne anion og fjerne elektronen fra disse molekyler ved hjælp af et laserlys.

"Du bruger en laser til at skyde molekylet, og det får elektronen sparket ud, sagde Guo. dette molekyle er placeret i overgangstilstanden, og du ser det falde fra hinanden. Det er sådan, de opdager overgangstilstanden. De ser spektrale træk, men det er svært at tolke dem. Det er her, vi kommer ind og giver en teoretisk fortolkning af deres eksperimentelle observation."

Kemi er styret af kvantemekanik, så videnskabsmænd løser den kvantemekaniske ligning kaldet Schrodinger-ligningen, som svarer til Newtons ligning i den lille verden – langt nede under – elektroner, atomer, molekyler – de følger faktisk ikke Newtons lov, de følger Schrodingers lov, så teorien er det, vi kalder kvantemekanik. Den kvantemekaniske fortolkning fortæller videnskabsmænd en masse indsigt.

"Vi kan faktisk forudsige, hvordan disse kvantetilstande ser ud, og det er, hvad de ser i eksperimentet, " sagde Guo. "Som det viser sig, vores teori kan faktisk pege på, hvad de spektrale toppe kommer fra. I dette tilfælde, disse toppe svarer til de såkaldte Feshbach-resonanser."

I det andet papir med titlen, "Kodning af vinylidenisomerisering i dets anionspektrum, " udgivet i et andet toptidsskrift Videnskab , værket var designet til at forstå den kvantemekaniske natur af en bestemt type reaktion kaldet isomerisering, hvor man går fra en form af et molekyle til en anden. Den tilgang, som forsøgslederen tog, er den samme som den anden artikel.

Dette er en unimolekylær reaktion, der involverer et enkelt molekyle, vinyliden. Det gode ved denne reaktion er, at du kan se de to hydrogenatomer forbundet med et kulstof i en isomer. Med den anden isomer, en brint er forbundet med hver af de to carbonatomer, så det er reaktionen. I organisk kemi, det kaldes et 1:2 brintskift.

"Når molekylet isomeriserer, på en eller anden måde skal disse to hydrogener bevæge sig rundt i kulstoframmen og lave en vibrationsbevægelse. Det er derfor vigtigt at finde ud af, hvilken vibrationstilstand der hjælper denne reaktion med at finde sted. Det er det centrale. Måske mere interessant, isomeriseringen går ikke over barrieren, det går faktisk under barrieren. Det er det, der kaldes tunneling, som om der er en tunnel for brintatomerne at gå igennem.

"Tunneldrift er, hvad forskerne kalder en kvantemekanisk egenskab, fordi brint er meget let, det er kvantemekanisk, og det kan nogle gange tunnelere. Det har vi beviser på."

Dette isomeriseringsproblem har eksisteret i lang tid, Guo forklarede. Men grundlæggende blev det først forstået for ganske nylig, da dette papir blev offentliggjort.

"Det er betydningen, hvor vi byggede bro over kløften og fortalte folk "her er præcis, hvad der sker - det involverer tunneling, og det involverer en vippende tilstand af vibrationen, " sagde Guo. "Jeg vil gerne se det, som når du står på ski. Man går op til en pukkel og så går man hele vejen ned ad bakke. Energimæssigt er det, hvad der sker. Det vanskelige med molekyler er, at det ikke går over pukkelen, det går nedenunder og tunneler igennem. Fordi disse ting er kvantemekaniske, det er en overraskende effekt."