Química Quântica
A química quântica aplica a mecânica quântica a átomos e moléculas, derivando a estrutura eletrônica, a ligação e os espectros a partir da equação de Schrodinger e das aproximações necessárias para resolvê-la.
Definition
Química quântica é o ramo da físico-química que utiliza os princípios da mecânica quântica para determinar a estrutura eletrônica, energias, ligações e propriedades de átomos e moléculas.
Scope
Esta área abrange os fundamentos quântico-mecânicos da química: a equação molecular de Schrodinger e a função de onda; a separação de Born-Oppenheimer do movimento eletrônico e nuclear; a construção de orbitais moleculares a partir de orbitais atômicos e a imagem resultante da ligação química; e os métodos variacionais e de perturbação, juntamente com as abordagens de Hartree-Fock e de funcional de densidade, usados para obter soluções aproximadas. A investigação experimental dessas estruturas por meio da espectroscopia e as implementações altamente computacionais são tratadas em áreas vizinhas.
Sub-topics
Core questions
- Como a equação de Schrodinger descreve os elétrons e núcleos de uma molécula?
- Por que o movimento eletrônico e nuclear pode ser separado pela aproximação de Born-Oppenheimer?
- Como os orbitais moleculares construídos a partir de orbitais atômicos explicam a ligação química?
- Como os métodos variacionais e de perturbação produzem energias e funções de onda aproximadas?
Key concepts
- Equação molecular de Schrodinger e função de onda
- Aproximação de Born-Oppenheimer
- Orbitais moleculares e ligação química
- Princípio variacional e teoria da perturbação
- Métodos de Hartree-Fock e funcional de densidade
Key theories
- Teoria do orbital molecular
- Os elétrons em moléculas ocupam orbitais deslocalizados por toda a molécula, construídos como combinações lineares de orbitais atômicos; combinações ligantes e antiligantes e sua ocupação explicam a ordem de ligação, o magnetismo e a reatividade.
- Método de campo autoconsistente de Hartree-Fock
- Cada elétron é tratado como se movendo no campo médio dos outros, resultando em um conjunto de equações de um elétron acopladas resolvidas iterativamente até a autoconsistência; ele fornece a referência a partir da qual métodos correlacionados mais precisos são construídos.
Clinical relevance
A química quântica fornece a base da estrutura eletrônica para prever geometrias moleculares, energias de reação, espectros e reatividade, sustentando a descoberta computacional de medicamentos, o design de materiais, a catálise e a interpretação de medições espectroscópicas.
History
A química quântica começou em 1927 com o tratamento de Heitler-London da molécula de hidrogênio; a teoria da ligação de valência foi desenvolvida por Pauling e a teoria do orbital molecular por Hund e Mulliken, e o método de Hartree-Fock e, posteriormente, a teoria do funcional de densidade transformaram o campo em uma disciplina preditiva e computacional.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- Qual a diferença entre a teoria da ligação de valência e a teoria do orbital molecular?
- A teoria da ligação de valência constrói ligações a partir de pares de elétrons localizados compartilhados entre átomos específicos, enquanto a teoria do orbital molecular distribui os elétrons por orbitais que abrangem toda a molécula; ambas são aproximações da mesma realidade quântica e cada uma é mais conveniente para diferentes problemas.
- Por que a equação de Schrodinger não pode ser resolvida exatamente para a maioria das moléculas?
- Além dos sistemas mais simples de um elétron, a repulsão mútua entre os elétrons acopla seus movimentos de forma inseparável, de modo que soluções exatas são impossíveis e os químicos dependem de aproximações sistemáticas, como Hartree-Fock, teoria da perturbação e métodos de funcional de densidade.