Chimia cuantică

Chimia cuantică este ramura chimiei teoretice care interpretează o serie de fenomene folosind mecanica cuantică .

Se află la granița dintre chimie și fizică și contribuții importante au venit de la oamenii de știință din ambele domenii. Una dintre aplicații este studiul reactivității atomilor și moleculelor pe baza comportamentului electronilor .

Structură electronică

Același subiect în detaliu: Chimia Computațională .

În principiu, primul pas în rezolvarea unei probleme de chimie cuantică este rezolvarea ecuației Schrödinger (sau a ecuației Dirac ; a se vedea chimia cuantică relativistă ), utilizând hamiltonianul cu electron molecular. Acest lucru duce la determinarea structurii electronice a moleculei.

Model de val

Baza chimiei cuantice este modelul de unde al atomului, reprezentat ca un nucleu mic pozitiv dens, înconjurat de electroni. Cu toate acestea, spre deosebire de vechiul model Bohr al atomului, modelul undei descrie electronii ca un „nor de electroni” care se mișcă pe orbitalele moleculare , iar poziția lor este reprezentată de distribuția amplitudinii probabilității mai degrabă decât de razele discrete. Forma detaliată a distribuției este calculată prin ecuația Schrödinger împreună cu Hamiltonianul reprezentând energia stărilor electronice. Puterea acestui model constă în puterea sa predictivă. În special, prezice grupurile de elemente chimic similare din tabelul periodic.

Legătura de valență

Același subiect în detaliu: legătura Valence .

Deși bazele matematice ale chimiei cuantice au fost puse de Schrödinger în 1926 , se crede în general că primul calcul real al chimiei cuantice a fost cel al fizicienilor germani Walter Heitler și Fritz London pe molecula de hidrogen (H ₂ ) în 1927 . Metoda Heitler și Londra a fost extinsă de chimiștii americani John C. Slater și Linus Pauling pentru a deveni metoda legăturii de valență ( Valence-Bond , VB, sau metoda Heitler -London-Slater-Pauling , HLSP). În această metodă, se acordă o atenție deosebită interacțiunilor dintre perechile de atomi și aceasta este strâns legată de diagramele clasice ale legăturilor dintre atomi.

Orbital molecular

Același subiect în detaliu: Orbital molecular .

O abordare alternativă a fost dezvoltată în 1929 de Friedrich Hund și Robert S. Mulliken , în care electronii sunt descriși prin funcții matematice delocalizate pe întreaga moleculă. Abordarea Hund-Mulliken sau metoda orbitală moleculară , MO, este mai puțin intuitivă pentru chimiști, dar s-a dovedit mai capabilă să prezică proprietăți spectroscopice decât metoda VB. Această abordare este baza conceptuală a metodei Hartree-Fock și a altor metode mai precise, după Hartree-Fock.

Teoria funcțională a densității

Același subiect în detaliu: teoria funcțională a densității .

Modelul Thomas-Fermi a fost dezvoltat independent de Thomas și Fermi în 1927 . Aceasta a fost prima încercare de a descrie sistemele multielectronice pe baza densității electronilor, mai degrabă decât a funcției undelor , deși modelul Thomas-Fermi nu a avut prea mult succes în tratarea moleculelor. Totuși, metoda a dat baza a ceea ce se numește astăzi teoria funcționalității densității sau DFT (Density Functional Theory). Deși această metodă este mai puțin dezvoltată decât metodele post-Hartree-Fock, capacitatea sa de a trata molecule poliatomice mai mari și chiar macromolecule a făcut-o cea mai larg utilizată metodă în chimia de calcul până în prezent.

Chimie dinamică

Un pas suplimentar este rezolvarea ecuației Schrödinger cu Hamiltonianul molecular total pentru a studia mișcarea moleculelor:

rezoluția directă a ecuației Schrödinger se numește dinamică chimică cuantică ;
în aproximare semiclasică, se numește dinamică moleculară semiclassică ;
în cadrul mecanicii clasice , se numește dinamică moleculară (MD).

Sunt posibile și abordări statistice.

Chimie adiabatică dinamică

Același subiect în detaliu: aproximarea Born-Oppenheimer .

Dinamica adiabatică constă în a considera că interacțiunile interatomice pot fi reprezentate de un singur potențial scalar numit suprafața energiei potențiale . Aceasta este aproximarea Born-Oppenheimer , introdusă de Born și Oppenheimer în 1927 . Primele aplicații de pionierat ale acestei metode au fost făcute de Rice și Ramsperger în 1927 și Kassel în 1928 (teoria RRK). Teoria RRK a fost generalizată în teoria RRKM în 1952 de către Marcus care a luat în considerare teoria tranziției de stat dezvoltată de Eyring în 1935 . Aceste metode permit calcularea estimărilor simple ale ratelor de reacție unimoleculare pornind de la unele caracteristici simple ale suprafeței potențiale.

Chimie diabetică dinamică

Dinamica diabetică constă în luarea în considerare a interacțiunii dintre diferite suprafețe de energie potențială cuplată, corespunzătoare diferitelor stări electronice cuantice ale moleculei. Termenii cuplați se numesc cuplaje vibronice . Primele lucrări de pionierat în acest domeniu se datorează lui Stueckelberg ( 1932 ), Landau (1932) și Zener ( 1933 ) care au culminat cu ceea ce se numește acum tranziția Landau-Zener . Formula elaborată de acestea permite calcularea probabilității de tranziție de la două curbe de potențial diabetic în vecinătatea în care eșuează aproximarea Born-Oppenheimer.

Chimia cuantică și teoria câmpului cuantic

Aplicarea teoriei cuantice a câmpului în chimie a devenit din ce în ce mai frecventă în fizica modernă. Una dintre primele apariții explicite a fost văzută în teoria fotomagnetonei . În acest sistem, plasmele , bine cunoscute atât în fizică, cât și în chimie, sunt studiate pentru a determina cuantificarea de bază a câmpului bosonic subiacent. În general, teoria câmpului cuantic este de interes în multe domenii ale chimiei, inclusiv: astrochimie , chimie nucleară , hidrodinamică cuantică și sonochimie .

Bibliografie

PWAtkins și R. Friedman, Molecular Quantum Mechanics , 4th, Oxford University Press, 2005, ISBN 978-0-19-927498-7 .
PW Atkins,Chimie fizică , Oxford University Press, 2005, ISBN 0-19-879285-9 .
PW Atkins și R. Friedman, Quanta, Matter and Change: A Molecular Approach to Physical Change , 2008, ISBN 978-0-7167-6117-4 .
Bernard Pullman și Alberte Pullman, Quantum Biochimie , New York și Londra, Academic Press, 1963, ISBN 90-277-1830-X .
Eric R. Scerri, Tabelul periodic: povestea și semnificația sa , Oxford University Press, 2006, ISBN 0-19-530573-6 .
Kostas Gavroglu, Ana Simões: NICI FIZICĂ ȘI NICI CHIMIE. A History of Quantum Chemistry , MIT Press, 2011, ISBN 0-262-01618-4
R. McWeeny, Coulson's Valence , Oxford Science Publications, ISBN 0-19-855144-4 .
Karplus M. și Porter RN, Atoms and Molecules. O introducere pentru studenții la chimie fizică , Benjamin - Cummings Publishing Company, 1971, ISBN 978-0-8053-5218-4 .
Attila Szabo și Neil S. Ostlund, Chimie cuantică modernă: Introducere în teoria avansată a structurilor electronice , Dover, 1996, ISBN 0-486-69186-1 .
LD Landau și EM Lifshitz , Mecanica cuantică: teorie non-relativistă , Curs de fizică teoretică, vol. 3, Pergamon Press, ISBN 0-08-019012-X .
I. Levine, Physical Chemistry , 6th, McGraw - Hill Science, 2008, ISBN 978-0-07-253862-5 .
L. Pauling , Chimie generală , Publicații Dover, 1954, ISBN 0-486-65622-5 .
L. Pauling și EB Wilson, Introducere în mecanica cuantică cu aplicații la chimie , publicații Dover, 1963 [1935] , ISBN 0-486-64871-0 .
Z. Simon, Biochimie cuantică și interacțiuni specifice , Taylor & Francis, 1976, ISBN 978-0-85626-087-2 .

Elemente conexe

linkuri externe

( RO ) Grupul Sherrill - Note , pe vergil.chemistry.gatech.edu .
(EN) Resurse de asistență pentru curriculum ChemViz pe shodor.org.
( EN ) Idei timpurii din istoria chimiei cuantice , pe quantum-chimistry-history.com .

Prelegeri ale laureaților Nobel în chimie cuantică

( RO ) Conferința Nobel a lui Walter Kohn , pe nobelprize.org .
( RO ) Conferința Nobel a lui Rudolph Marcus , pe nobelprize.org .
( EN ) Conferința Nobel a lui Robert Mulliken , pe nobelprize.org .
( EN ) Conferința Nobel a lui Linus Pauling , pe nobelprize.org .
( EN ) Conferința Nobel a lui John Pople , pe nobelprize.org .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 799 · LCCN (EN) sh85109456 · GND (DE) 4047979-1 · NDL (EN, JA) 00.569.867

Portalul chimiei

Portal cuantic