Chimie quantique
La chimie quantique applique les principes de la mécanique quantique aux atomes et aux molécules, en dérivant la structure électronique, la liaison chimique et les spectres à partir de l'équation de Schrödinger et des approximations nécessaires pour la résoudre.
Definition
La chimie quantique est la branche de la chimie physique qui utilise les principes de la mécanique quantique pour déterminer la structure électronique, les énergies, la liaison chimique et les propriétés des atomes et des molécules.
Scope
Ce domaine couvre les fondements quantiques de la chimie : l'équation de Schrödinger moléculaire et la fonction d'onde ; la séparation de Born-Oppenheimer du mouvement électronique et nucléaire ; la construction des orbitales moléculaires à partir des orbitales atomiques et l'image de la liaison chimique qui en résulte ; ainsi que les méthodes variationnelles et de perturbation, associées aux approches de Hartree-Fock et de la fonctionnelle de densité, utilisées pour obtenir des solutions approximatives. L'exploration expérimentale de ces structures par spectroscopie et les implémentations fortement computationnelles sont abordées dans des domaines connexes.
Sub-topics
Core questions
- Comment l'équation de Schrödinger décrit-elle les électrons et les noyaux d'une molécule ?
- Pourquoi le mouvement électronique et nucléaire peut-il être séparé par l'approximation de Born-Oppenheimer ?
- Comment les orbitales moléculaires construites à partir d'orbitales atomiques expliquent-elles la liaison chimique ?
- Comment les méthodes variationnelles et de perturbation permettent-elles d'obtenir des énergies et des fonctions d'onde approximatives ?
Key concepts
- Équation de Schrödinger moléculaire et fonction d'onde
- Approximation de Born-Oppenheimer
- Orbitales moléculaires et liaison chimique
- Principe variationnel et théorie des perturbations
- Méthodes de Hartree-Fock et de la fonctionnelle de densité
Key theories
- Théorie des orbitales moléculaires
- Les électrons dans les molécules occupent des orbitales délocalisées sur l'ensemble de la molécule, construites comme des combinaisons linéaires d'orbitales atomiques ; les combinaisons liantes et antiliantes et leur occupation expliquent l'ordre de liaison, le magnétisme et la réactivité.
- Méthode du champ auto-cohérent de Hartree-Fock
- Chaque électron est traité comme se déplaçant dans le champ moyen des autres, ce qui donne un ensemble d'équations à un électron couplées, résolues itérativement jusqu'à auto-cohérence ; elle fournit la référence à partir de laquelle des méthodes corrélées plus précises sont construites.
Clinical relevance
La chimie quantique fournit la base de la structure électronique pour prédire les géométries moléculaires, l'énergétique des réactions, les spectres et la réactivité, ce qui est fondamental pour la découverte de médicaments assistée par ordinateur, la conception de matériaux, la catalyse et l'interprétation des mesures spectroscopiques.
History
La chimie quantique a débuté en 1927 avec le traitement de la molécule d'hydrogène par Heitler-London ; la théorie de la liaison de valence a été développée par Pauling et la théorie des orbitales moléculaires par Hund et Mulliken, et la méthode de Hartree-Fock, puis la théorie de la fonctionnelle de densité, ont transformé le domaine en une discipline prédictive et computationnelle.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- Quelle est la différence entre la théorie de la liaison de valence et la théorie des orbitales moléculaires ?
- La théorie de la liaison de valence construit les liaisons à partir de paires d'électrons localisées partagées entre des atomes spécifiques, tandis que la théorie des orbitales moléculaires répartit les électrons sur des orbitales englobant l'ensemble de la molécule ; les deux sont des approximations de la même réalité quantique et chacune est plus pratique pour différents problèmes.
- Pourquoi l'équation de Schrödinger ne peut-elle pas être résolue exactement pour la plupart des molécules ?
- Au-delà des systèmes à un électron les plus simples, la répulsion mutuelle entre les électrons couple leurs mouvements de manière inséparable, de sorte que des solutions exactes sont impossibles et les chimistes s'appuient sur des approximations systématiques telles que Hartree-Fock, la théorie des perturbations et les méthodes de la fonctionnelle de densité.