Química Cuántica
La química cuántica aplica la mecánica cuántica a átomos y moléculas, derivando la estructura electrónica, el enlace y los espectros a partir de la ecuación de Schrödinger y las aproximaciones necesarias para resolverla.
Definition
La química cuántica es la rama de la química física que utiliza los principios de la mecánica cuántica para determinar la estructura electrónica, las energías, el enlace y las propiedades de átomos y moléculas.
Scope
Esta área cubre los fundamentos cuántico-mecánicos de la química: la ecuación molecular de Schrödinger y la función de onda; la separación de Born-Oppenheimer del movimiento electrónico y nuclear; la construcción de orbitales moleculares a partir de orbitales atómicos y la imagen resultante del enlace químico; y los métodos variacionales y de perturbación, junto con los enfoques de Hartree-Fock y de la función de densidad, utilizados para obtener soluciones aproximadas. La investigación experimental de estas estructuras a través de la espectroscopia y las implementaciones altamente computacionales se tratan en áreas vecinas.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo describe la ecuación de Schrödinger los electrones y núcleos de una molécula?
- ¿Por qué se puede separar el movimiento electrónico y nuclear mediante la aproximación de Born-Oppenheimer?
- ¿Cómo explican los orbitales moleculares construidos a partir de orbitales atómicos el enlace químico?
- ¿Cómo producen los métodos variacionales y de perturbación energías y funciones de onda aproximadas?
Key concepts
- Ecuación molecular de Schrödinger y función de onda
- Aproximación de Born-Oppenheimer
- Orbitales moleculares y enlace químico
- Principio variacional y teoría de perturbaciones
- Métodos de Hartree-Fock y de la función de densidad
Key theories
- Teoría del orbital molecular
- Los electrones en las moléculas ocupan orbitales deslocalizados sobre toda la molécula, construidos como combinaciones lineales de orbitales atómicos; las combinaciones enlazantes y antienlazantes y su ocupación explican el orden de enlace, el magnetismo y la reactividad.
- Método de campo autoconsistente de Hartree-Fock
- Cada electrón se trata como si se moviera en el campo promedio de los demás, dando un conjunto de ecuaciones de un electrón acopladas que se resuelven iterativamente hasta la autoconsistencia; proporciona la referencia a partir de la cual se construyen métodos correlacionados más precisos.
Clinical relevance
La química cuántica proporciona la base de la estructura electrónica para predecir geometrías moleculares, energéticas de reacción, espectros y reactividad, sustentando el descubrimiento computacional de fármacos, el diseño de materiales, la catálisis y la interpretación de mediciones espectroscópicas.
History
La química cuántica comenzó en 1927 con el tratamiento de Heitler-London de la molécula de hidrógeno; la teoría del enlace de valencia fue desarrollada por Pauling y la teoría del orbital molecular por Hund y Mulliken, y el método de Hartree-Fock y, posteriormente, la teoría del funcional de la densidad, convirtieron el campo en una disciplina predictiva y computacional.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- ¿Cuál es la diferencia entre la teoría del enlace de valencia y la teoría del orbital molecular?
- La teoría del enlace de valencia construye enlaces a partir de pares de electrones localizados compartidos entre átomos específicos, mientras que la teoría del orbital molecular distribuye los electrones en orbitales que abarcan toda la molécula; ambas son aproximaciones a la misma realidad cuántica y cada una es más conveniente para diferentes problemas.
- ¿Por qué la ecuación de Schrödinger no se puede resolver exactamente para la mayoría de las moléculas?
- Más allá de los sistemas más simples de un electrón, la repulsión mutua entre los electrones acopla sus movimientos de forma inseparable, por lo que las soluciones exactas son imposibles y los químicos se basan en aproximaciones sistemáticas como Hartree-Fock, la teoría de perturbaciones y los métodos de la función de densidad.