شیمی کوانتومی
شیمی کوانتومی مکانیک کوانتومی را در مورد اتمها و مولکولها به کار میبرد و ساختار الکترونی، پیوند و طیفها را از معادله شرودینگر و تقریبهای لازم برای حل آن استخراج میکند.
Definition
شیمی کوانتومی شاخهای از شیمی فیزیک است که از اصول مکانیک کوانتومی برای تعیین ساختار الکترونی، انرژیها، پیوند و خواص اتمها و مولکولها استفاده میکند.
Scope
این حوزه مبانی مکانیک کوانتومی شیمی را پوشش میدهد: معادله شرودینگر مولکولی و تابع موج؛ جداسازی بورن-اوپنهایمر حرکت الکترونی و هستهای؛ ساخت اوربیتالهای مولکولی از اوربیتالهای اتمی و تصویر حاصل از پیوند شیمیایی؛ و روشهای تغییراتی و اختلالی، همراه با رویکردهای هارتری-فوک و نظریه تابعی چگالی، که برای به دست آوردن راهحلهای تقریبی استفاده میشوند. بررسی تجربی این ساختارها از طریق طیفسنجی و پیادهسازیهای محاسباتی سنگین در حوزههای همسایه مورد بررسی قرار میگیرند.
Sub-topics
Core questions
- معادله شرودینگر چگونه الکترونها و هستههای یک مولکول را توصیف میکند؟
- چرا حرکت الکترونی و هستهای را میتوان با تقریب بورن-اوپنهایمر از هم جدا کرد؟
- اوربیتالهای مولکولی که از اوربیتالهای اتمی ساخته شدهاند، چگونه پیوند شیمیایی را توضیح میدهند؟
- روشهای تغییراتی و اختلالی چگونه انرژیها و توابع موج تقریبی را به دست میدهند؟
Key concepts
- معادله شرودینگر مولکولی و تابع موج
- تقریب بورن-اوپنهایمر
- اوربیتالهای مولکولی و پیوند شیمیایی
- اصل تغییراتی و نظریه اختلال
- روشهای هارتری-فوک و تابعی چگالی
Key theories
- نظریه اوربیتال مولکولی
- الکترونها در مولکولها اوربیتالهایی را اشغال میکنند که در سراسر مولکول غیرمتمرکز هستند و به عنوان ترکیبهای خطی اوربیتالهای اتمی ساخته میشوند؛ ترکیبهای پیوندی و ضدپیوندی و اشغال آنها، مرتبه پیوند، مغناطیس و واکنشپذیری را توضیح میدهند.
- روش میدان خودسازگار هارتری-فوک
- هر الکترون به گونهای در نظر گرفته میشود که در میدان متوسط سایر الکترونها حرکت میکند و مجموعهای از معادلات تکالکترونی کوپل شده را ارائه میدهد که به صورت تکراری تا خودسازگاری حل میشوند؛ این روش مرجعی را فراهم میکند که روشهای همبسته دقیقتر بر اساس آن ساخته میشوند.
Clinical relevance
شیمی کوانتومی مبنای ساختار الکترونی را برای پیشبینی هندسههای مولکولی، انرژیهای واکنش، طیفها و واکنشپذیری فراهم میکند و زیربنای کشف محاسباتی دارو، طراحی مواد، کاتالیز و تفسیر اندازهگیریهای طیفسنجی است.
History
شیمی کوانتومی در سال ۱۹۲۷ با بررسی هیتلر-لاندن مولکول هیدروژن آغاز شد؛ نظریه پیوند ظرفیت توسط پاولینگ و نظریه اوربیتال مولکولی توسط هوند و مولیکن توسعه یافت، و روش هارتری-فوک و بعدها نظریه تابعی چگالی این رشته را به یک رشته پیشبینیکننده و محاسباتی تبدیل کرد.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- تفاوت بین نظریه پیوند ظرفیت و نظریه اوربیتال مولکولی چیست؟
- نظریه پیوند ظرفیت پیوندها را از جفت الکترونهای موضعی مشترک بین اتمهای خاص میسازد، در حالی که نظریه اوربیتال مولکولی الکترونها را در اوربیتالهایی که کل مولکول را در بر میگیرند، پخش میکند؛ هر دو تقریبهایی برای یک واقعیت کوانتومی هستند و هر کدام برای مسائل مختلف راحتترند.
- چرا معادله شرودینگر را نمیتوان برای اکثر مولکولها دقیقاً حل کرد؟
- فراتر از سادهترین سیستمهای تکالکترونی، دافعه متقابل بین الکترونها حرکت آنها را به طور جداییناپذیری کوپل میکند، بنابراین راهحلهای دقیق غیرممکن هستند و شیمیدانان به تقریبهای سیستماتیک مانند هارتری-فوک، نظریه اختلال و روشهای تابعی چگالی تکیه میکنند.