Transition State Theory

Derivation of Vibrational Partition Function qv

� To show

����������������������������������������������������������������� ��������������������������������������� (Derive)�(A12)

����� Again we solve the wave equation for two molecules undergoing oscillation about an equilibrium position x = 0. The potential energy is shown below as a function of the displacement from the equilibrium position x = 0 (A5p402)

��������������������������������������������������������������

����� The uncertainty principle says that we cannot know exactly where the particle is located. Therefore zero frequency of vibration in the ground state, i.e. u = 0 is not an option (A5p402 and pA22). When vo is the frequency of vibration, the ground state energy is

��������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������� (V1)

����� Harmonic oscillator (A5p402)

����� Spring Force �potential energy from equilibrium position x = 0

�������������������������������������������������������������������

����� the solution is of the form for t=0 then x=0

�����������������������������������������������������������������

����� where

����������������������������������������������������������������������

����������������������������������������

����� The potential energy is

��������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������� (V2)

����� We now want to show

���������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������� (V3)

����� We now solve the wave equation:

������������������������������������������������������ ���������������������������������������������� (V4)

����� to find the allowable energies, .

����� Let , , where , , and

����� With these changes of variables Eqn. (A15) becomes

������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������� (V5)

����� The solutions to this equation (A5 pA22, i.e., Appendix 8)will go to infinity unless

����������������������������������������������������������������������  = 2+1

����������������������������������������������������������������  = 0, 1, 2, 3 . . .

���������������������������������������� ����������� [c = speed of light]

�����������������������������������

����������������������������������������������������������������� = wave length

���������������������������������������������������� ��������������������������������������������� (V6)

����� Measuring energy relative to the zero point vibration frequency, i.e.,  = 0

����������������������������������������������������������

����� Substituting for �in the partition function summation

�����������������������������������������������������



This is the result we have been looking for!

����������  ������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������� (V7)

����� For , we can make the approximation

���������������������������������������������������������������� �������������������������������������������������������� (V8)

����� For m multiple frequencies of vibration

������������������������������������������������������������

����� Order of Magnitude and Representative Values

����� For H2O� we have three vibrational frequencies with corresponding wave numbers, .

������������������������������������������������

������������������������������������������������

����� and

������������������������������������������������

���������������������������������������������������

 

Return to Transition State Theory