《原子間作用勢》課件

原子間作用勢探討原子之間作用力的重要性,理解其在化學(xué)反應(yīng)中的關(guān)鍵作用。通過分析不同類型的原子間作用勢,深入了解原子的形成和演化過程。課程目標(biāo)掌握原子間作用勢的基本概念通過本課程,學(xué)生將了解原子間相互作用力的來源,并掌握各種作用勢的特點(diǎn)與應(yīng)用。學(xué)習(xí)原子間作用勢的計(jì)算方法課程將重點(diǎn)介紹二體勢能曲線的求解,以及多體勢能面的計(jì)算技巧。應(yīng)用原子間作用勢分析化學(xué)反應(yīng)學(xué)生將學(xué)會利用原子間作用勢分析化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)和機(jī)理,為科研工作奠定基礎(chǔ)。原子間作用勢概述原子間作用勢是描述原子或分子之間相互作用的勢能函數(shù)。它反映了原子或分子在不同距離下的相互吸引或排斥作用。理解原子間作用勢是研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、材料性質(zhì)等基礎(chǔ)。原子間作用勢可以通過實(shí)驗(yàn)測量或理論計(jì)算獲得。它包括靜電引力、范德華力、化學(xué)鍵等多種成分,隨著距離的變化呈現(xiàn)復(fù)雜的變化規(guī)律。掌握原子間作用勢對于預(yù)測化學(xué)反應(yīng)、設(shè)計(jì)新材料具有重要意義。原子間相互作用力的來源引力與斥力原子之間存在著引力和斥力兩種基本相互作用力。這些力的來源是原子內(nèi)部電荷分布和電子的量子效應(yīng)。電荷分布原子核內(nèi)部的質(zhì)子和外層電子的電荷分布決定了原子之間的引力和斥力。離子鍵和金屬鍵即源于此。量子效應(yīng)電子在原子軌道上的量子化運(yùn)動,以及電子交換等量子效應(yīng),是共價(jià)鍵和氫鍵等化學(xué)鍵的根源。庫侖力電荷相互作用庫侖力是由電子電荷造成的相互作用力，可以是吸引也可以是排斥。能量轉(zhuǎn)換當(dāng)兩個(gè)帶電粒子靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，庫侖力會做功改變兩者的動能和勢能。經(jīng)典電磁理論庫侖力是經(jīng)典電磁理論中的基本概念之一，描述靜電相互作用。范德華力誘導(dǎo)偶極力范德華力是源于分子中電荷分布的不均勻性而產(chǎn)生的一種弱的相互作用力。即使分子本身是中性的,也存在瞬時(shí)偶極矩,引起相鄰分子的誘導(dǎo)產(chǎn)生偶極矩。距離依賴范德華力隨分子距離的增加而快速衰減,僅在分子間距離很小時(shí)才顯著。但對于大分子而言,總和效應(yīng)還是很明顯的。作用廣泛范德華力廣泛存在于各種分子之間,是凝聚態(tài)物質(zhì)中普遍存在的作用力,對許多物理化學(xué)過程都有重要影響?；瘜W(xué)鍵什么是化學(xué)鍵化學(xué)鍵是原子之間形成的一種特殊的化學(xué)結(jié)合。它通過電子的共享或轉(zhuǎn)移,把兩個(gè)或多個(gè)原子連接在一起,形成了相對穩(wěn)定的化合物?；瘜W(xué)鍵的分類根據(jù)鍵合中電子的分布情況,化學(xué)鍵可分為離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵等幾種主要類型。每種鍵都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和性質(zhì)。化學(xué)鍵的分類離子鍵由金屬和非金屬原子之間通過電子轉(zhuǎn)移形成的鍵。具有高度離子性。共價(jià)鍵由兩個(gè)相同或相近電負(fù)性的非金屬原子通過共享電子形成的鍵。具有方向性。金屬鍵由金屬原子間通過自由電子形成的鍵。具有高電導(dǎo)性和可塑性。離子鍵電荷轉(zhuǎn)移離子鍵形成于金屬和非金屬原子之間電子的轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致一個(gè)原子失去電子而帶正電,另一個(gè)原子獲得電子而帶負(fù)電。高電離能和親和力金屬原子具有低電離能而非金屬原子具有高親和力,這促進(jìn)了電子從金屬向非金屬的轉(zhuǎn)移。強(qiáng)靜電吸引力正負(fù)電荷之間的強(qiáng)靜電吸引力使離子鍵具有高穩(wěn)定性和大結(jié)合能,這決定了離子化合物的性質(zhì)。共價(jià)鍵電子共享共價(jià)鍵通過兩個(gè)原子之間的電子共享達(dá)成穩(wěn)定的鍵合。原子軌道融合共價(jià)鍵是通過重疊的原子軌道形成的,滿足價(jià)電子對數(shù)量的限制。分子穩(wěn)定性共價(jià)鍵使分子內(nèi)部形成牢固的化學(xué)鍵,增強(qiáng)分子的整體穩(wěn)定性。金屬鍵金屬原子間的鍵合金屬原子由于能夠自由移動的價(jià)電子,形成金屬鍵,連接在一起構(gòu)成金屬晶體。金屬鍵是無定形且柔軟的,賦予金屬良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。金屬的電子結(jié)構(gòu)金屬原子有大量自由移動的價(jià)電子,這些電子可以在整個(gè)金屬晶體內(nèi)自由移動,形成"電子氣"。這種電子的高度離域化是金屬導(dǎo)電性的基礎(chǔ)。金屬的特性良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性軟硬性較高,易加工高熔點(diǎn)和沸點(diǎn)反應(yīng)活性通常較低氫鍵定義氫鍵是一種弱的化學(xué)鍵,它發(fā)生在氫原子與強(qiáng)電負(fù)性元素(如氧、氮或氟)之間。這種鍵通常比共價(jià)鍵弱,但在許多重要的生物分子(如蛋白質(zhì)和核酸)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。性質(zhì)氫鍵具有方向性,長度通常為0.16-0.20納米。它們可以形成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)分子間的相互作用力。氫鍵在水和生物大分子的穩(wěn)定性中起重要作用。二體勢能曲線二體勢能曲線描述了兩個(gè)原子之間的相互作用勢能隨原子間距的變化情況。這張曲線可以揭示出原子間作用力的性質(zhì)和大小,為理解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)提供了重要依據(jù)。曲線上顯示的勢能最小值對應(yīng)于分子穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的平衡距離,通過分析曲線形狀還可以了解分子鍵性質(zhì),如鍵能、鍵長等。二體勢能曲線的特點(diǎn)1能量極小點(diǎn)二體勢能曲線在原子間距離處有一能量極小點(diǎn),此點(diǎn)對應(yīng)著原子間的平衡位置。2斥力和引力當(dāng)原子距離較遠(yuǎn)時(shí),曲線表現(xiàn)為引力,當(dāng)距離較近時(shí),則表現(xiàn)為斥力。3勢阱深度勢阱深度反映了原子間結(jié)合的強(qiáng)度,不同鍵類型的勢阱深度不同。4曲線形狀二體勢能曲線的形狀決定了原子間相互作用的性質(zhì),如離子鍵、共價(jià)鍵等。莫爾斯勢表達(dá)原子間相互作用的經(jīng)驗(yàn)性勢能函數(shù)莫爾斯勢是用來描述兩個(gè)原子之間相互作用勢能的經(jīng)驗(yàn)性函數(shù)模型。它可以準(zhǔn)確地捕捉到原子之間的引力和斥力效應(yīng)。具有三個(gè)重要參數(shù)包括平衡間距r0、勢阱深度D和剛度常數(shù)k。這三個(gè)參數(shù)決定了勢能曲線的形狀和特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于分子模擬莫爾斯勢廣泛應(yīng)用于分子動力學(xué)模擬和量子化學(xué)計(jì)算中,用于描述化學(xué)鍵的形成和斷裂過程。列文索-瓊斯勢原子作用力模型列文索-瓊斯勢是一種描述兩個(gè)原子或分子之間相互作用的經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)。成鍵和排斥該勢能函數(shù)包括成鍵引力和排斥力兩部分,有助于理解化學(xué)鍵的形成和斷裂。勢能曲線列文索-瓊斯勢能曲線可以描述原子/分子間的相互作用能隨距離的變化。反應(yīng)動力學(xué)動態(tài)過程反應(yīng)動力學(xué)研究反應(yīng)過程中物質(zhì)的動態(tài)變化,包括反應(yīng)速率、中間體的形成與分解等。機(jī)理分析通過分析反應(yīng)的每個(gè)步驟,可以洞察分子層面的反應(yīng)機(jī)理,為優(yōu)化反應(yīng)條件提供依據(jù)。動力學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型描述反應(yīng)動力學(xué),可預(yù)測反應(yīng)的進(jìn)程和結(jié)果,指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。應(yīng)用價(jià)值反應(yīng)動力學(xué)研究對合成化學(xué)、催化工藝、材料制備等領(lǐng)域都有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。勢能面勢能面是描述多體系統(tǒng)中各原子或分子間相互作用的三維圖像。它展現(xiàn)了系統(tǒng)總勢能隨各粒子坐標(biāo)的變化情況,能夠幫助我們更好地理解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程。勢能面給出了反應(yīng)路徑、反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的相對穩(wěn)定性、以及過渡態(tài)的位置等重要信息。分析勢能面可以揭示反應(yīng)的機(jī)理,為設(shè)計(jì)和優(yōu)化新的化學(xué)過程提供理論基礎(chǔ)。勢能面的應(yīng)用過渡態(tài)的可視化勢能面可以幫助我們可視化化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài),預(yù)測化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程并設(shè)計(jì)更有效的反應(yīng)條件。分子動力學(xué)模擬勢能面可以用于分子動力學(xué)模擬,準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜體系中分子的運(yùn)動軌跡和相互作用。材料性能預(yù)測通過構(gòu)建材料的勢能面,可以預(yù)測和優(yōu)化其機(jī)械、熱力學(xué)和電子等性能,為材料設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。勢能表面勢能表面是一種可視化原子或分子體系的勢能的方法。它描繪了體系中每個(gè)原子坐標(biāo)對應(yīng)的勢能值,形成一個(gè)多維的勢能曲面。這個(gè)勢能曲面可以清楚地顯示出體系中原子or分子之間的相互作用,以及化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生過程。勢能表面的應(yīng)用廣泛,包括反應(yīng)動力學(xué)、吸附機(jī)理、分子構(gòu)型優(yōu)化等。它為研究復(fù)雜的化學(xué)物理過程提供了重要的理論基礎(chǔ)。勢能表面的求解1建立模型根據(jù)物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立分子體系的勢能函數(shù)模型。2數(shù)值計(jì)算采用量子化學(xué)方法對勢能函數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和求解。3可視化呈現(xiàn)將計(jì)算得到的勢能面以圖形或動畫的形式呈現(xiàn)。勢能表面的求解涉及三個(gè)關(guān)鍵步驟。首先需要根據(jù)物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立分子體系的勢能函數(shù)模型。然后采用量子化學(xué)計(jì)算方法對這一勢能函數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解。最后將計(jì)算結(jié)果以圖形或動畫的形式直觀呈現(xiàn)出來。這一過程需要結(jié)合理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來不斷完善和優(yōu)化。多體勢能面1復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)多體勢能面描述了復(fù)雜系統(tǒng)中各粒子之間的相互作用,是研究反應(yīng)動力學(xué)的重要工具。2維度高且復(fù)雜多體系統(tǒng)的勢能面維度高且非常復(fù)雜,需要先進(jìn)的計(jì)算方法和建模技術(shù)進(jìn)行求解。3反應(yīng)路徑優(yōu)化勢能面可用于確定分子間反應(yīng)的最優(yōu)路徑,幫助預(yù)測反應(yīng)的速率和選擇性。4化學(xué)反應(yīng)可視化多體勢能面的可視化有助于直觀地理解復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。多體勢能面的應(yīng)用分子動力學(xué)模擬利用多體勢能面能夠精確模擬分子間的相互作用,從而預(yù)測各種分子過程和反應(yīng)動力學(xué)。這對藥物設(shè)計(jì)、材料開發(fā)等領(lǐng)域具有重要價(jià)值?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理分析多體勢能面有助于深入理解化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理,為反應(yīng)過渡態(tài)的確定和反應(yīng)路徑的探索提供重要依據(jù)。表面化學(xué)過程研究多體勢能面可精確描述吸附、解吸、表面反應(yīng)等復(fù)雜的表面化學(xué)過程,為催化劑開發(fā)和材料表面性能改善提供重要參考。電荷密度與鍵的性質(zhì)電荷密度可視化電荷密度的分布反映了原子間鍵的性質(zhì),可以通過各種圖像化技術(shù)如等值面圖、密度云圖等呈現(xiàn)。鍵的離域性電荷密度高度離域的鍵,如金屬鍵,電子云覆蓋廣泛,這種廣域分布使鍵具有高導(dǎo)電性。鍵的極性極性鍵由于電荷密度分布偏離中心,形成部分正負(fù)電荷,有利于形成氫鍵等次級相互作用。電荷密度的可視化電荷密度的可視化是化學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。通過先進(jìn)的圖形化技術(shù)，我們可以直觀地觀察和分析原子及分子中電子分布的狀態(tài)。這有助于深入理解化學(xué)鍵的性質(zhì)以及分子間相互作用的機(jī)制。電荷密度的可視化不僅可以應(yīng)用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，還能動態(tài)地描述電荷在反應(yīng)過程中的變化。這為我們洞察化學(xué)反應(yīng)的細(xì)節(jié)提供了強(qiáng)大的工具。電荷密度與反應(yīng)性電荷密度可視化利用電子云密度圖可以直觀地展示分子內(nèi)部的電子分布情況。反應(yīng)性預(yù)測電荷密度分布能夠反映分子的反應(yīng)性位點(diǎn),為化學(xué)反應(yīng)的研究提供重要依據(jù)。催化機(jī)理解析分析反應(yīng)過程中的電荷密度變化有助于理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和催化機(jī)理。小結(jié)原子間作用勢的理解我們學(xué)習(xí)了不同類型的原子間相互作用力,如庫侖力、范德華力等,并了解了它們在形成化學(xué)鍵中的作用。二體勢能曲線的分析通過分析二體勢能曲線,我們能夠更深入地認(rèn)識原子間作用勢的特點(diǎn),并應(yīng)用于反應(yīng)動力學(xué)的研究。多體勢能面的應(yīng)用多體勢能面對于研究復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性非常重要,為我們提供了更全面的認(rèn)知。電荷密度與鍵性質(zhì)電荷密度的研究有助于我們理解化學(xué)鍵的形成機(jī)理和性質(zhì),進(jìn)而預(yù)測化學(xué)反應(yīng)的方向和活性。拓展閱讀參考文獻(xiàn)以下是一些關(guān)于原子間作用勢的重要參考文獻(xiàn):Lennard-Jones,J.E.(1924).Onthedeterminationofmolecularfields.ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon.SeriesA,106(738),463-477.Slater,J.C.,&Kirkwood,J.G.(1931).ThevanderWaalsforcesingases.PhysicalReview,37(6),682.Coulson,C.A.(1952).Valence.OxfordUniversityPress.延伸探索感興趣的讀者可以進(jìn)一步探索以下內(nèi)容:量子化學(xué)中的相互作用勢建模原子力顯微鏡中的