O potencial interatômico é um modelo de energia potencial usado para descrever a interação entre o carbono e por extensão entre as moléculas . Ele fornece acesso a uma série de quantidades óticas, termodinâmicas, mecânicas e de transporte de materiais.
Os átomos em temperatura ambiente podem se combinar espontaneamente para formar moléculas estáveis. Isso implica uma força atrativa em longa distância e repulsiva em curta distância e, portanto, zero no valor de equilíbrio do link.
Essa força de ligação é conservadora e, portanto, podemos associar a ela uma energia potencial , que costumamos chamar de "potencial" por abuso de linguagem, ligada à força por . A energia de um sistema diminui quando ele fica mais estável. Por convenção, a energia é igual a zero quando os átomos estão muito distantes (“no infinito”).
O potencial é frequentemente expresso em forma reduzida pela constante de Boltzmann e é então expresso em Kelvin.
Deve-se notar que as forças entre dois átomos podem ser tanto repulsivas quanto atrativas, dependendo do estado quântico do sistema formado pelo casal.
O potencial é constituído pela superposição de duas partes, uma repelente dominante a curta distância, a outra possivelmente atrativa. A origem dessas forças é a seguinte:
É possível calcular este tipo de potencial ab initio, mas aqueles usados são geralmente aproximações mais ou menos grosseiras da realidade com base em considerações físicas, mas usando parâmetros de ajuste para melhor representar uma determinada propriedade: equação de estado , viscosidade , etc. Assim, encontram-se leis com um parâmetro como o potencial de esfera dura , com dois parâmetros como o potencial de Lennard-Jones ou o potencial de Sutherland , com três parâmetros como o potencial de Buckingham modificado ou o potencial de Morse .
No meio do caminho entre o cálculo exato e o modelo simples encontramos potenciais como o de Rydberg, Klein e Rees para moléculas diatômicas, baseados no registro de um cálculo do tipo quantificação semiclássica em um espectro óptico medido. O resultado pode ser pesquisado na forma puramente numérica ou por um conjunto limitado de termos analíticos. O potencial Morse é um caso especial desse desenvolvimento.
A estabilidade está ligada à profundidade do poço de potencial que deve ser superado para separar os átomos. Gases nobres formam moléculas, mas a fraqueza da ligação induzida ( para o hélio ) significa que tais moléculas não resistem a uma colisão, portanto, uma vida útil muito curta, exceto em baixas temperaturas.
O fato de os parâmetros dos potenciais virem da experiência significa que esse tipo de abordagem pode ser usado para moléculas: o potencial pode então ser interpretado como uma certa média estatística dos potenciais para todas as configurações possíveis.
O acima exposto naturalmente tem limites. Para moléculas longas, foram desenvolvidos potenciais mais complexos levando em consideração a orientação relativa das moléculas, muito simples como o potencial Taro Kihara baseado na interação de elipsóides elásticos infinitamente duros ou do potencial J. Corner onde cada molécula é definida por dois pontos.
Ambas as moléculas podem ser polares . Há então uma interação devido às forças de Keesom (interação dipolo / dipolo), uma interação dipolo / dipolo induzido ( forças de Debye ) e uma interação dipolo / dipolo induzida ( forças de London ). O todo é conhecido como o potencial de van der Waals que leva a termos em . Termos de ordem superior são geralmente negligenciados.
Os átomos de um sistema molecular de N-corpos não podem ser considerados pontuais: o potencial do sistema não é a soma dos potenciais de cada um dos pares de átomos, exceto no caso do potencial de Coulomb. Podemos escrever como uma série:
onde representa o conjunto de ângulos dando as direções dos átomos em relação uns aos outros. É compreensível que tal abordagem rapidamente se torne inextricável quando . Esse tipo de abordagem é usada em dinâmica molecular ou em cristalografia onde as simetrias permitem uma abordagem desse tipo. Esse é o caso do potencial de Stillinger-Weber .
Uma forma de contornar o problema é definir um potencial efetivo que represente o potencial entre dois átomos levando em consideração o ambiente dos outros átomos. Existem, portanto, vários potenciais para o mesmo link. Esse tipo de abordagem é usado em físico-química .
O conhecimento do potencial permite voltar a muitas propriedades espectroscópicas, termodinâmicas ou de transporte, pelo menos nos casos mais simples.
Em geral, a ligação entre potencial e propriedades funciona em ambas as direções, o potencial sendo frequentemente calculado para calibrar um potencial, as outras propriedades sendo deduzidas dele.