Квантовая химия
Квантовая химия применяет квантовую механику к атомам и молекулам, выводя электронную структуру, связи и спектры из уравнения Шредингера и приближений, необходимых для его решения.
Definition
Квантовая химия — это раздел физической химии, который использует принципы квантовой механики для определения электронной структуры, энергий, связей и свойств атомов и молекул.
Scope
Эта область охватывает квантово-механические основы химии: молекулярное уравнение Шредингера и волновую функцию; борн-оппенгеймеровское разделение электронного и ядерного движения; построение молекулярных орбиталей из атомных орбиталей и результирующую картину химической связи; а также вариационные методы и методы теории возмущений, наряду с подходами Хартри-Фока и функционала плотности, используемые для получения приближенных решений. Экспериментальное исследование этих структур посредством спектроскопии и их реализация с помощью интенсивных вычислений рассматриваются в смежных областях.
Sub-topics
Core questions
- Как уравнение Шредингера описывает электроны и ядра молекулы?
- Почему электронное и ядерное движение можно разделить с помощью приближения Борна-Оппенгеймера?
- Как молекулярные орбитали, построенные из атомных орбиталей, объясняют химическую связь?
- Как вариационные методы и методы теории возмущений дают приближенные энергии и волновые функции?
Key concepts
- Молекулярное уравнение Шредингера и волновая функция
- Приближение Борна-Оппенгеймера
- Молекулярные орбитали и химическая связь
- Вариационный принцип и теория возмущений
- Методы Хартри-Фока и функционала плотности
Key theories
- Теория молекулярных орбиталей
- Электроны в молекулах занимают орбитали, делокализованные по всей молекуле, построенные как линейные комбинации атомных орбиталей; связывающие и антисвязывающие комбинации и их заполнение объясняют порядок связи, магнетизм и реакционную способность.
- Метод самосогласованного поля Хартри-Фока
- Каждый электрон рассматривается как движущийся в усредненном поле других электронов, что дает набор связанных одноэлектронных уравнений, решаемых итеративно до самосогласования; он служит отправной точкой, на основе которой строятся более точные коррелированные методы.
Clinical relevance
Квантовая химия обеспечивает основу электронной структуры для предсказания молекулярных геометрий, энергетики реакций, спектров и реакционной способности, что лежит в основе компьютерного поиска лекарств, разработки материалов, катализа и интерпретации спектроскопических измерений.
History
Квантовая химия зародилась в 1927 году с рассмотрения молекулы водорода по Гайтлеру-Лондону; теория валентных связей была разработана Полингом, а теория молекулярных орбиталей — Хундом и Малликеном, а метод Хартри-Фока и позднее теория функционала плотности превратили эту область в предсказательную, вычислительную дисциплину.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- В чем разница между теорией валентных связей и теорией молекулярных орбиталей?
- Теория валентных связей строит связи из локализованных электронных пар, разделенных между конкретными атомами, в то время как теория молекулярных орбиталей распределяет электроны по орбиталям, охватывающим всю молекулу; обе являются приближениями к одной и той же квантовой реальности, и каждая более удобна для разных задач.
- Почему уравнение Шредингера не может быть решено точно для большинства молекул?
- Помимо простейших одноэлектронных систем, взаимное отталкивание между электронами неразрывно связывает их движения, поэтому точные решения невозможны, и химики полагаются на систематические приближения, такие как Хартри-Фок, теория возмущений и методы функционала плотности.