เคมีควอนตัม
เคมีควอนตัมประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมกับอะตอมและโมเลกุล โดยอนุพันธ์โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ พันธะ และสเปกตรัมจากสมการชโรดิงเงอร์และการประมาณค่าที่จำเป็นในการแก้สมการนั้น
Definition
เคมีควอนตัมเป็นสาขาหนึ่งของเคมีฟิสิกส์ที่ใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อกำหนดโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ พลังงาน พันธะ และคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุล
Scope
สาขานี้ครอบคลุมพื้นฐานทางกลศาสตร์ควอนตัมของเคมี: สมการชโรดิงเงอร์ของโมเลกุลและฟังก์ชันคลื่น; การแยกการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสแบบบอร์น-โอเพนไฮเมอร์; การสร้างออร์บิทัลโมเลกุลจากออร์บิทัลอะตอมและภาพรวมของพันธะเคมีที่ได้; และวิธีการแปรผันและวิธีการรบกวน ควบคู่ไปกับวิธีการฮาร์ทรี-ฟอกและทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นที่ใช้ในการหาคำตอบโดยประมาณ การตรวจสอบโครงสร้างเหล่านี้ด้วยการทดลองผ่านสเปกโทรสโกปีและการนำไปใช้ในการคำนวณอย่างเข้มข้นจะได้รับการพิจารณาในสาขาที่เกี่ยวข้อง
Sub-topics
Core questions
- สมการชโรดิงเงอร์อธิบายอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของโมเลกุลได้อย่างไร?
- เหตุใดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสจึงสามารถแยกออกจากกันได้ด้วยการประมาณค่าแบบบอร์น-โอเพนไฮเมอร์?
- ออร์บิทัลโมเลกุลที่สร้างจากออร์บิทัลอะตอมอธิบายพันธะเคมีได้อย่างไร?
- วิธีการแปรผันและวิธีการรบกวนให้พลังงานและฟังก์ชันคลื่นโดยประมาณได้อย่างไร?
Key concepts
- สมการชโรดิงเงอร์ของโมเลกุลและฟังก์ชันคลื่น
- การประมาณค่าแบบบอร์น-โอเพนไฮเมอร์
- ออร์บิทัลโมเลกุลและพันธะเคมี
- หลักการแปรผันและทฤษฎีการรบกวน
- วิธีการฮาร์ทรี-ฟอกและทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น
Key theories
- ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล
- อิเล็กตรอนในโมเลกุลจะครอบครองออร์บิทัลที่กระจายตัวทั่วทั้งโมเลกุล ซึ่งสร้างขึ้นจากการรวมกันเชิงเส้นของออร์บิทัลอะตอม; การรวมกันแบบสร้างพันธะและต้านพันธะและการครอบครองของพวกมันอธิบายอันดับพันธะ สภาพแม่เหล็ก และปฏิกิริยา
- วิธีการสนามสอดคล้องกันเองแบบฮาร์ทรี-ฟอก
- อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะถูกพิจารณาว่าเคลื่อนที่ในสนามเฉลี่ยของอิเล็กตรอนตัวอื่น ๆ ทำให้ได้ชุดสมการหนึ่งอิเล็กตรอนที่เชื่อมโยงกันซึ่งแก้ซ้ำ ๆ จนกว่าจะสอดคล้องกันเอง; วิธีการนี้เป็นจุดอ้างอิงที่ใช้สร้างวิธีการที่แม่นยำกว่าซึ่งเกี่ยวข้องกับการสัมพันธ์กัน
Clinical relevance
เคมีควอนตัมเป็นพื้นฐานโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการทำนายรูปทรงโมเลกุล พลังงานปฏิกิริยา สเปกตรัม และปฏิกิริยา ซึ่งเป็นรากฐานของการค้นพบยาด้วยคอมพิวเตอร์ การออกแบบวัสดุ ตัวเร่งปฏิกิริยา และการตีความการวัดสเปกโทรสโกปี
History
เคมีควอนตัมเริ่มต้นในปี ค.ศ. 1927 ด้วยการบำบัดโมเลกุลไฮโดรเจนแบบไฮท์เลอร์-ลอนดอน; ทฤษฎีพันธะวาเลนซ์ได้รับการพัฒนาโดยพอลลิง และทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลโดยฮุนด์และมัลลิเคน และวิธีการฮาร์ทรี-ฟอกและทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นในภายหลังได้เปลี่ยนสาขานี้ให้กลายเป็นสาขาวิชาที่สามารถทำนายและคำนวณได้
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- ความแตกต่างระหว่างทฤษฎีพันธะวาเลนซ์และทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลคืออะไร?
- ทฤษฎีพันธะวาเลนซ์สร้างพันธะจากคู่อิเล็กตรอนที่อยู่เฉพาะที่ซึ่งใช้ร่วมกันระหว่างอะตอมที่เฉพาะเจาะจง ในขณะที่ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลกระจายอิเล็กตรอนไปทั่วออร์บิทัลที่ครอบคลุมทั้งโมเลกุล; ทั้งสองเป็นวิธีการประมาณค่าของความเป็นจริงควอนตัมเดียวกัน และแต่ละวิธีก็สะดวกกว่าสำหรับปัญหาที่แตกต่างกัน
- เหตุใดสมการชโรดิงเงอร์จึงไม่สามารถแก้ได้อย่างแม่นยำสำหรับโมเลกุลส่วนใหญ่?
- นอกเหนือจากระบบอิเล็กตรอนเดี่ยวที่ง่ายที่สุด การผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนจะเชื่อมโยงการเคลื่อนที่ของพวกมันเข้าด้วยกันอย่างแยกไม่ออก ดังนั้นการแก้ปัญหาที่แม่นยำจึงเป็นไปไม่ได้ และนักเคมีจึงอาศัยการประมาณค่าที่เป็นระบบ เช่น ฮาร์ทรี-ฟอก ทฤษฎีการรบกวน และวิธีการฟังก์ชันความหนาแน่น