8

Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

 

 

   

Page 2: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   2    

 Preface    

These  lecture  notes  are  based  on  the  Chem350  class  as  it  was  taught  in  the  winter  of  2012.  The  lecture  notes  follow  the  class  more  or  less  verbatim  and  reflect  what  might  be  written  on  the  black  board,  or  course  notes  taken  by  students  in  the  class.  The  notes  are  concise,  focusing  on  mathematical  formulations  and  pictorial  representations  of  the  material.  The  mathematical  derivations  tend  to  be  complete.  The  textbooks  by  Reid  and  Engel,  and  by  Metiu,  will  be  complementary  as  they  have  more  verbal  explanations  of  the  underlying  ideas.    These  lecture  notes  contain  all  the  material  that  will  be  covered  and  should  be  a  good  source  for  study.  

   

 

Page 3: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   3    

Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics:  Syllabus      Syllabus  Chemistry  350:  Introduction  to  statistical  mechanics  and  chemical  kinetics.    Professor  Marcel  Nooijen              ESC  330B                                                                          e-­‐mail  [email protected],  tel:  37708    Class:  MWF  10.30-­‐11.20,  RCH  110  Tutorial:  M,  11.30-­‐12.20,  RCH  110  Computer  lab  (selected  Mondays),  M  10.30-­‐12.20,  Friesen  lab,  C2-­‐160,  to  be  announced  in  class.    Contents:      In  this  course  will  first  discuss  the  principles  and  applications  of  statistical  mechanics.  Statistical  mechanics  provides  the  link  between  quantum  mechanics  and  thermodynamics,  and  these  three  branches  of  physical  chemistry,  together  with  chemical  kinetics  determine  much  of  the  theoretical  underpinnings  of  chemistry.  In  this  class  we  will  discuss  the  basic  results  derived  from  statistical  mechanics  as  they  are  used  in  many  chemical  applications,  in  particular  gas  phase  chemistry,  computational  chemistry  and  transition  state  theory.  In  the  second  part  of  the  class  we  will  discuss  chemical  kinetics,  which  has  a  strong  connection  to  experiment.  We  will  discuss  how  chemical  kinetics,  i.e.  the  determination  of  the  concentration  profiles  of  various  molecular  species  as  a  function  of  time,  can  be  used  to  determine  reaction  mechanisms.  If  time  permits  we  will  also  consider  transport  phenomena  and  some  aspects  of  nonequilibrium  statistical  mechanics.  Computations  using  computers  will  form  an  integral  part  of  the  class,  and  some  of  the  class  will  take  place  in  a  computer  lab.  I  strongly  advocate  the  use  of  Mathematical  programs  such  as  Matlab  or  Mathematica,  such  that  “real  life”  problems  can  be  treated  in  the  exercises.    Additional  problem  sets  will  also  require  the  use  of  Matlab.  During  the  course  I  will  provide  a  basic  introduction  to  Matlab.      Text  book:    Thermodynamics,  Statistical  Thermodynamics  and  Kinetics,  third  edition,  by  Thomas  Engel  and  Philip  Reid,  chapters  12-­‐19.  ISBN-­‐13:978-­‐0-­‐321-­‐76618-­‐2.  There  is  also  a  student  solutions  manual  under  the  same  name.  ISBN-­‐13:978-­‐0-­‐13-­‐260650-­‐9.  Besides  the  textbook,  lecture  notes  are  posted  on  the  class  web  site.    Grading:    There  will  be  one  midterm  test  (33%)  and  a  comprehensive  final  exam  (33%).  Practicing  P-­‐chem  is  essential  to  master  the  material  and  34%  of  the  grade  is  earned  through  triweekly  problem  sets  (including  computer  problems).  During  all  of  the  tests  you  can  bring  your  own  summary  of  the  material.  It  will  serve  you  well  if  you  make  a  short  summary  of  each  chapter/topic  covered  and  the  most  pertinent  equations,  while  reading  it.  This  summary  can  then  be  used  during  the  exams.  Problem  solving  is  the  most  effective  way  to  learn  P-­‐Chem,  and  working  together  is  a  good  way  to  solve  problems.  I  encourage  you  to  do  so  after  you  have  thought  about  the  question  and  tried  to  work  the  problem.  As  tutors  (and  teachers)  know,  explaining  the  solution  to  someone  else  makes  it  even  clearer.  After  consultation,  though,  please  be  sure  to  write  out  the  entire  solution  on  your  own.    

Page 4: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   4    

 Further  reading:    

-­‐     Horia  Metiu,  Physical  Chemistry,  Statistical  Mechanics.  This  book  puts  a  strong  emphasis  on  the  main  threads  of  the  topic  and  conveys  the  applications  of  statistical  mechanics.  It  does  not  cover  the  foundations  of  the  theory  in  great  depth,  but  it  is  very  good  in  explaining  the  underlying  principles.  

-­‐   H.  Callen:  Thermodynamics  and  Introduction  to  Thermostatistics.  This  is  a  beautiful  text  on  the  foundations  of  thermodynamics,  starting  from  entropy  as  the  fundamental  function.    

- Myron  Tribus:  Thermostatics  and  Thermodynamics:  Has  a  very  complete  discussion  on  the  use  of  different  variables  and  statistical  foundations.  

- David  Chandler:  Introduction  to  Modern  Statistical  Mechanics  (Paperback)    - Terryl  L.  Hill:  An  Introduction  to  Statistical  Thermodynamics  (a  classic  Dover.  More  advanced  

theory)  - Michel  Le  Bellac,  Fabrice  Mortessagne,  and  G.  George  Batrouni:  Equilibrium  and  non-­‐

equilibrium  statistical  Thermodynamics  (a  fairly  advanced  recent  physics  text).  - Donald  A.  McQuarrie:  Statistical  Mechanics  (a  standard  text,  hard  cover.  Graduate  level)  - Chris  Cramer:  Essentials  of  Computational  Chemistry  (theories  and  models.  A  good  

introductory  text).    Topics  to  be  covered.    

I. General  principles  of  statistical  mechanics  a. Statistical  mechanics  in  a  nutshell  b. Discussion  on  statistics  c. Boltzman    distribution  d. Interpretation  Statistical  mechanics  e. Advanced  topics  (briefly)  

i. Various  types  of  ensembles  ii. Connection  to  Thermodynamics  

II. Statistical  mechanics  of  molecules  in  the  gas  phase.  a. Partition  function  for  independent  particles  b. Translational,  vibrational,  rotational,  electronic,  nuclear  partition  functions  c. Poly-­‐atomics  and  calculations  using  Gaussian  (Lab).  d. Chemical  equilibrium  e. Advanced  topic:  Quantum  statistical  mechanics  for  ortho  and  para  Hydrogen    

III. Transition  state  theory:  rates  of  elementary  reactions  a. Statistical  mechanics  treatment  of  transition  states  and  reaction  rates  b. Tunneling,  and  kinetic  isotope  effect  c. Calculations  of  reaction  rates  using  Gaussian  (Lab)  and  Matlab.  

IV. Chemical  kinetics  a. Rate  laws  and  reaction  mechanisms  b. Temperature  dependence  c. Complex  reaction  mechanisms  and  catalysis  d. Radical-­‐chain  reactions  and  polymerization  e. Using  Matlab  software  to  simulate  reaction  profiles  (Lab).  

V. Miscellaneous  topics  (if  time  permits,  which  is  not  so  likely).  

Page 5: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   5    

a. Kinetic  theory  of  gases  b. Transport  phenomena  c. Nonequilibrium  statistical  mechanics  

     

Page 6: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   6    

Introduction    Physical  chemistry  is  divided  into:  

Microscopic  laws  of  physics    

-­‐ Electromagnetism  -­‐ Quantum  Mechanics  -­‐ (quantum  field  theory)  

For  Quantum  Mechanics:  Schrodinger’s  equation      :   HΨ = Eψ                     i! ∂∂tψ = Hψ    

The  wave  function  of  every  particle,  where   ( )231 2 3 10, , ....x x x xψ    and     H  is  the  Hamiltionian  

operator  2

ˆ2 4

i ji

i i ij o

q qPHm r πε

= +∑ ∑  

     QM  is  our  most  detailed  description  of  the  world  (for  a  chemist).  Everything  else  would/should  follow  First  Principle  theory.  Inputs  :       e ,   Zα1

,   1m ,   2m ,   h    Imagine  “Ultimate  Google”  from  QM.   worldψ  describes  everything  that  can  (physically)  exist.  Use  a  Google  search  machine  to  zoom  in  on  the  events  that  interest  you.  This  is  fantasy,  but  it  also  captures  out  scientific  view  of  the  world.      

Macroscopic  Laws  of  Physics    

i)          Thermodynamics  (Thermostatics,  although  it’s  no  longer  heat  related.)       →  describes  systems  in  equilibrium  or  shifting  from  one  equilibrium  to  another  

o very  few  variables  to  describe  system     ( ), , ,T P V µ  which  are  all  measurable  experimentally  (useful)  

o In  thermodynamics  lots  of  experimental  data  is  used  such  as   298o

f HΔ  

o Something  else,  special  about  thermodynamics,  is  that  it  can  only  calculate  changes  in  thermodynamic  quantities       , ,U S HΔ Δ Δ  etc..  

 ii)    Chemical  Kinetics:  addresses  the  question  of  how  fast  processes  or  chemical  reactions  proceed  

o By  monitoring  concentrations  over  time  (concentration  profiles),  plus  kinetic  models  (theory  +  simulation)  we  can  understand  reaction  mechanisms  

o Catalysis,  enzymatic  catalysis  o Long  time  limit  →  chemical  equilibrium  →  thermodynamics  o Use  experimental  data:  elementary  rates  of  reaction,  functions  of  T  

 Statistical  Mechanics  :  provides  the  bridge  to  connect  the  microscopic  (QM)  world  to  the  macroscopic  description  

 

Page 7: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   7    

It  uses  microscopic  (often  quantum)  input  to  provide  absolute  values  for  thermodynamic  quantities  , , , , , , ,V PS A G C Cµ β κ .    Similar  principles  can  be  used  to  describe  rates  of  elementary  reactions  which  

forms  the  basic  inputs  for  kinetics.    

Underlying  principle:  Use  statistical  averages  that  involve  huge  numbers  ( 2310 ),  of  more  or  less  independent  or  weakly  interacting  entities.  With  such  large  numbers  statistics  becomes  “certainty”  since  the  fluctuations  become  very  small.    -­‐  non  equilibrium  statistical  mechanics:  A  difficult  topic  that  describes  behavior  of  macroscopic  systems  as  they  change  in  time.    

Eg.  Reactions  in  a  flow  reactor,  reactions  where  energy  is  fed  in.  Transport  properties  are  the  simplest  examples.  

   Founding  fathers  of  Stat-­‐Mech:     Maxwell:  kinetic  theory  of  gases     Boltzmann:  microscopic  definition  of  entropy     Gibbs:  ensembles  and  classical  mechanics     Bose,  Einstein,  Fermi,  Dirac:  particle  statistics     Ehrenfest:  concepts  in  stat-­‐mech    Just  some  remarks      

1) Systems  are  almost  never  in  a  state  of  fully  stable  equilibrium.  If  there  were  a  fully  stable  equilibrium,  it  would  be  very  “boring”;  only  low  energy  molecules  would  exist  ( 2 2 3, ,CO H O NH ).  

 Most  of  the  equilibriums  we  talk  about  are  metastable  states  (relatively  stable  but  degrade  after  a  while),  a  local  but  not  global  equilibrium.  The  barriers  (and  kinetic  humps)  are  too  high  to  allow  reaching  of  a  global  equilibrium.  This  is  a  fundamental  feature  of  all  systems.    

 -­‐ In  statistical  mechanics,  we  speak  of  “accessible”  states    

     

Page 8: Ch 0 Introduction - University of Waterlooscienide2.uwaterloo.ca/.../Chem350_statmech/Ch_0_Introduction.pdf- Michel!Le!Bellac,!Fabrice!Mortessagne,!and!G.!George!Batrouni: ... M Quantum!Mechanics!

Winter  2014   Chem  350:  Statistical  Mechanics  and  Chemical  Kinetics    

Introduction   8    

2) Quantum  Mechanics  in  practice  is:    -­‐  good  for  molecules  in  gas  phase  (especially  non-­‐interacting)  -­‐  good  for  solid  state  periodic  crystals    

 -­‐ Quantum  gets  more  complicated  for:  liquids,  large  floppy  molecules  (like  proteins,  

conformations  etc..)  for  these  there  isn’t  quite  a  Quantum  Mechanical  method  yet,  classical  mechanics  still  predominates.  

     

Microscopic  Physics  ←  Chemical  Physics           Quantum  Mechanics         Statistical  Mechanics  bridges  the  two                 Thermodynamics  (equilibrium)  Macroscopic  Physics  ←    Physical  Chemistry       Kinetics  (how  fast?  How  does  it  change?)                 Transport  properties  (diffusion,  heat)