量子化学

量子化学は、量子力学を原子や分子に応用し、シュレーディンガー方程式とそれを解くために必要な近似から、電子構造、結合、スペクトルを導き出します。

Definition

量子化学は、量子力学の原理を用いて原子や分子の電子構造、エネルギー、結合、特性を決定する物理化学の一分野です。

Scope

この分野は、化学の量子力学的基礎を扱います。すなわち、分子シュレーディンガー方程式と波動関数、電子と原子核の運動のボルン-オッペンハイマー分離、原子軌道からの分子軌道の構築とそれによって得られる化学結合の描像、そして近似解を得るために用いられる変分法と摂動法、ハートリー-フォック法、密度汎関数法です。分光法によるこれらの構造の実験的探査や、計算を多用する実装については、隣接分野で扱われます。

Sub-topics

• Born-Oppenheimer Approximation
• Molecular Orbital Theory
• Schrodinger Equation for Molecules
• Variational and Perturbation Methods

Core questions

• シュレーディンガー方程式は分子の電子と原子核をどのように記述しますか？
• ボルン-オッペンハイマー近似によって電子と原子核の運動を分離できるのはなぜですか？
• 原子軌道から構築された分子軌道はどのように化学結合を説明しますか？
• 変分法と摂動法はどのように近似的なエネルギーと波動関数を与えますか？

Key concepts

• 分子シュレーディンガー方程式と波動関数
• ボルン-オッペンハイマー近似
• 分子軌道と化学結合
• 変分原理と摂動論
• ハートリー-フォック法と密度汎関数法

Key theories

分子軌道法

分子中の電子は、原子軌道の線形結合として構築され、分子全体に非局在化した軌道を占めます。結合性および反結合性の組み合わせとその占有は、結合次数、磁性、反応性を説明します。

ハートリー-フォック自己無撞着場法

各電子は他の電子の平均場中で運動していると見なされ、自己無撞着に反復的に解かれる一連の連立一電子方程式が得られます。これは、より正確な相関法を構築するための参照点となります。

Clinical relevance

量子化学は、分子の幾何学的構造、反応エネルギー、スペクトル、反応性を予測するための電子構造の基礎を提供し、計算による創薬、材料設計、触媒作用、分光学的測定の解釈を支えています。

History

量子化学は1927年に水素分子のハイトラー-ロンドンによる処理から始まりました。ポールリングによって原子価結合法が、フントとマリケンによって分子軌道法が開発され、ハートリー-フォック法、そして後に密度汎関数理論が登場し、この分野は予測的な計算科学へと発展しました。

Key figures

• Erwin Schrodinger
• Linus Pauling
• Robert S. Mulliken

Seminal works

• mcquarrie1997
• levinequantum2014
• szabo1996

Frequently asked questions

原子価結合法と分子軌道法の違いは何ですか？

原子価結合法は特定の原子間で共有される局在化した電子対から結合を構築するのに対し、分子軌道法は分子全体を包含する軌道に電子を広げます。どちらも同じ量子現実に対する近似であり、それぞれ異なる問題に対してより便利です。

ほとんどの分子に対してシュレーディンガー方程式を厳密に解くことができないのはなぜですか？

最も単純な一電子系を超えると、電子間の相互反発がそれらの運動を不可分に結合させるため、厳密解は不可能です。そのため、化学者はハートリー-フォック法、摂動論、密度汎関数法などの系統的な近似に頼っています。