Hóa học lượng tử
Hóa học lượng tử áp dụng cơ học lượng tử vào nguyên tử và phân tử, từ đó suy ra cấu trúc điện tử, liên kết và phổ từ phương trình Schrodinger cùng các phép gần đúng cần thiết để giải nó.
Definition
Hóa học lượng tử là một nhánh của hóa lý sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để xác định cấu trúc điện tử, năng lượng, liên kết và tính chất của nguyên tử và phân tử.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các nền tảng cơ học lượng tử của hóa học: phương trình Schrodinger phân tử và hàm sóng; sự tách Born-Oppenheimer của chuyển động điện tử và hạt nhân; sự hình thành các obitan phân tử từ các obitan nguyên tử và mô hình liên kết hóa học thu được; cùng với các phương pháp biến phân và nhiễu loạn, cũng như các phương pháp Hartree-Fock và phiếm hàm mật độ, được sử dụng để thu được các nghiệm gần đúng. Việc thăm dò thực nghiệm các cấu trúc này thông qua quang phổ và các triển khai tính toán chuyên sâu được đề cập trong các lĩnh vực lân cận.
Sub-topics
Core questions
- Phương trình Schrodinger mô tả các electron và hạt nhân của một phân tử như thế nào?
- Tại sao chuyển động điện tử và hạt nhân có thể được tách rời bằng phép gần đúng Born-Oppenheimer?
- Các obitan phân tử được xây dựng từ các obitan nguyên tử giải thích liên kết hóa học như thế nào?
- Các phương pháp biến phân và nhiễu loạn mang lại năng lượng và hàm sóng gần đúng như thế nào?
Key concepts
- Phương trình Schrodinger phân tử và hàm sóng
- Phép gần đúng Born-Oppenheimer
- Các obitan phân tử và liên kết hóa học
- Nguyên lý biến phân và lý thuyết nhiễu loạn
- Các phương pháp Hartree-Fock và phiếm hàm mật độ
Key theories
- Lý thuyết obitan phân tử
- Các electron trong phân tử chiếm các obitan không định xứ trên toàn bộ phân tử, được xây dựng dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử; các tổ hợp liên kết và phản liên kết cùng với sự chiếm giữ của chúng giải thích bậc liên kết, từ tính và khả năng phản ứng.
- Phương pháp trường tự hợp Hartree-Fock
- Mỗi electron được coi là chuyển động trong trường trung bình của các electron khác, tạo ra một tập hợp các phương trình một electron liên kết được giải lặp lại đến khi tự hợp; nó cung cấp tham chiếu để xây dựng các phương pháp tương quan chính xác hơn.
Clinical relevance
Hóa học lượng tử cung cấp cơ sở cấu trúc điện tử để dự đoán hình học phân tử, năng lượng phản ứng, phổ và khả năng phản ứng, làm nền tảng cho việc khám phá thuốc bằng máy tính, thiết kế vật liệu, xúc tác và giải thích các phép đo quang phổ.
History
Hóa học lượng tử bắt đầu vào năm 1927 với phương pháp Heitler-London cho phân tử hydro; lý thuyết liên kết hóa trị được Pauling phát triển và lý thuyết obitan phân tử được Hund và Mulliken phát triển, và phương pháp Hartree-Fock cùng với lý thuyết phiếm hàm mật độ sau này đã biến lĩnh vực này thành một ngành khoa học dự đoán và tính toán.
Key figures
- Erwin Schrodinger
- Linus Pauling
- Robert S. Mulliken
Related topics
Seminal works
- mcquarrie1997
- levinequantum2014
- szabo1996
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa lý thuyết liên kết hóa trị và lý thuyết obitan phân tử là gì?
- Lý thuyết liên kết hóa trị xây dựng các liên kết từ các cặp electron định xứ được chia sẻ giữa các nguyên tử cụ thể, trong khi lý thuyết obitan phân tử trải các electron trên các obitan bao trùm toàn bộ phân tử; cả hai đều là những phép gần đúng cho cùng một thực tế lượng tử và mỗi lý thuyết thuận tiện hơn cho các vấn đề khác nhau.
- Tại sao phương trình Schrodinger không thể giải chính xác cho hầu hết các phân tử?
- Ngoài các hệ một electron đơn giản nhất, lực đẩy lẫn nhau giữa các electron liên kết chuyển động của chúng một cách không thể tách rời, vì vậy các nghiệm chính xác là không thể và các nhà hóa học dựa vào các phép gần đúng có hệ thống như Hartree-Fock, lý thuyết nhiễu loạn và các phương pháp phiếm hàm mật độ.