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内禀反应坐标

时间:2023-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:内禀反应坐标代表了一条从过渡态出发走向反应物和产物临界点的最陡下降曲线,且该曲线处处与等势能线正交。我们无需有完整的整个势能面的信息,只需知道反应体系沿着IRC的状态就可获得反应过程机理和动力学性质,因此内禀反应坐标成为现代化学反应量子理论研究的一种重要工具。

2.7 内禀反应坐标

内禀反应坐标(IRC)代表了一条从过渡态出发走向反应物和产物临界点的最陡下降曲线,且该曲线处处与等势能线正交。对于特定反应体系的势能面来说,实际反应轨线不一定按照内禀反应路径进行,但是IRC是很多低能级轨线的可能路径。我们无需有完整的整个势能面的信息,只需知道反应体系沿着IRC的状态就可获得反应过程机理和动力学性质,因此内禀反应坐标成为现代化学反应量子理论研究的一种重要工具。各原子在化学反应途径上的运动可近似视作质点的运动,遵循拉格朗日方程:

img52

对于非线形分子N-原子体系来说,n=3N-6,ξi是广义坐标,而ξi是广义速度。

Fukui假设核以无限小的速率运动于势能面上,在此假定基础上可以得到方程(2.40)的一组唯一解。这组解就是通常所称的内禀反应坐标(Intrinsic Reaction Coordinate,IRC),由此可得

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将其代入(2.40),则

img54

因为假定原子是以无限缓慢的速度运动,故初速度在任何时刻t均可视作零,故可得

img55=κΔξj (j=1,2,…,n)

其中κ为常数,所以,

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那么,

img57

内禀反应坐标即为上式所确定的运动轨迹。在直角坐标系中,有

img58

在质权坐标系中,ξiimg59,则有

img60

公式(2.41)、(2.42)和(2.43)即为不同坐标系中的IRC方程或Fukui方程。

在分子轨道从头算的水平上求解IRC方程,可以得出绝热势能曲面上某化学反应体系从反应物经过过渡态到达产物的反应途径上逐点的关于体系的能量、几何构型、电子态以及振动态等改变状况的全部信息,进而获得具体化学反应过程的机理和动力学性质。

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