La química cuántica

La química cuántica es una rama de la química teórica, que se aplica la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos para abordar cuestiones y problemas en la química . La descripción de la electrónica comportamiento de átomos y moléculas como perteneciente a su reactividad es una de las aplicaciones de la química cuántica. La química cuántica encuentra en la frontera entre la química y la física , y las contribuciones significativas se han realizado por científicos de ambos campos. Tiene una superposición fuerte y activo con el campo de la física atómica y la física molecular , así como fisica quimica.

La química cuántica describe matemáticamente el comportamiento fundamental de la materia en el molecular escala. Es, en principio, posible describir todos los sistemas químicos utilizando esta teoría. En la práctica, sólo los sistemas químicos más simples pueden ser investigadas de manera realista puramente mecánica cuántica términos y aproximaciones deben hacerse a efectos prácticos (por ejemplo, Hartree-Fock, puesto de Hartree-Fock o Densidad teoría funcional, ver la química computacional para más detalles). Por lo tanto una comprensión detallada de la mecánica cuántica no es necesario para la mayoría de la química, como las implicaciones importantes de la teoría (principalmente la aproximación orbital) puede ser entendido y aplicado en términos más simples.

En la mecánica cuántica (varias aplicaciones en química computacional y la química cuántica), la Hamiltoniano, o el estado físico, de una partícula se pueden expresar como la suma de dos operadores, uno correspondiente a la energía cinética y el otro a energía potencial. La Hamiltoniano en la ecuación de onda de Schrödinger usado en química cuántica no contiene términos para la espín del electrón.

Las soluciones de la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrógeno da la forma de la función de onda para orbitales atómicos, y la energía relativa de los diversos orbitales. La aproximación orbital se puede utilizar para comprender los otros átomos, por ejemplo, helio , litio y de carbono .

Historia

La historia de la química cuántica esencialmente comenzó con el descubrimiento de 1838 los rayos catódicos por Michael Faraday , la declaración 1859 de la problema de la radiación del cuerpo negro por Gustav Kirchhoff, la sugerencia de 1877 Ludwig Boltzmann que los estados de energía de un sistema físico podría ser discreto, y la hipótesis cuántica 1900 por Max Planck que cualquier energía que irradia sistema atómico teóricamente se puede dividir en un número de elementos discretos de energía ε tal que cada uno de estos elementos de energía es proporcional a la frecuencia ν con la que cada uno de ellos individualmente irradian energía , tal como se define por la siguiente fórmula:

donde h es un valor numérico llamado Constante de Planck. Luego, en 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico (1839), es decir, que la luz de ciertos materiales que brilla puede funcionar para expulsar los electrones de la materia, Albert Einstein postuló, en base a la hipótesis cuántica de Planck, que la luz en sí consta de partículas cuánticas individuales, que más tarde fueron llamados fotones ( 1926). En los años siguientes, esta base teórica lentamente comenzó a ser aplicado a la estructura química, reactividad, y la unión.

Estructura electrónica

El primer paso para resolver un problema de química cuántica generalmente se resuelve el Ecuación de Schrödinger (o Ecuación de Dirac en química cuántica relativista) con el Hamiltoniano molecular electrónico. Esto se llama la determinación de la estructura electrónica de la molécula. Se puede decir que la estructura electrónica de una molécula o cristal implica esencialmente sus propiedades químicas.

Modelo Wave

La base de la mecánica cuántica y la química cuántica es el modelo de onda, en el que el átomo es un pequeño denso, cargado positivamente núcleo rodeado por electrones. A diferencia de la anterior Modelo atómico de Bohr, sin embargo, el modelo de onda describe electrones como " nubes "se mueven en orbitales, y sus posiciones están representadas por distribuciones de probabilidad en lugar de puntos discretos. La fuerza de este modelo reside en su poder predictivo. En concreto, se predice el patrón de elementos químicamente similares que se encuentran en la tabla periódica . El modelo de onda se llama así porque los electrones exhiben propiedades (como la interferencia) tradicionalmente asociados con las ondas. Ver la dualidad onda-partícula .

Enlace de valencia

Aunque la base matemática de la química cuántica había sido colocado por Schrödinger en 1926 , en general se acepta que el primer verdadero cálculo en química cuántica era la de los físicos alemanes Walter Heitler y Fritz London en el hidrógeno (H ₂₎ molécula en 1927 . Método Heitler y de Londres se extendió por el físico teórico estadounidense John C. Slater y el químico teórico estadounidense Linus Pauling para convertirse en el Valence-Bond (VB) [o Heitler-Londres-Slater-Pauling (HLSP)] método. En este método, la atención es dedicado principalmente a las interacciones entre pares de átomos, y por lo tanto este método se correlaciona estrechamente con dibujos de químicos clásicos " bonos .

Molecular orbital

Un enfoque alternativo fue desarrollado en 1929 por Friedrich Hund y Robert S. Mulliken, en el que los electrones se describen por funciones matemáticas deslocalizada sobre toda una molécula . El enfoque Hund-Mulliken o método orbital molecular (MO) es menos intuitivo para los químicos, pero ha resultado capaz de predecir propiedades espectroscópicas mejor que el método VB. Este enfoque es la base conceptual de la Método de Hartree-Fock y más métodos de post Hartree-Fock.

Teoría funcional de la densidad

La Modelo de Thomas-Fermi fue desarrollado independientemente por Thomas y Fermi en 1927 . Este fue el primer intento para describir sistemas de muchos de electrones sobre la base de densidad electrónica en lugar de funciones de onda, aunque no fue muy exitoso en el tratamiento de las moléculas enteras. El método proporcionó la base para lo que hoy se conoce como la teoría funcional de la densidad. Aunque este método es menos desarrollada que colocar nuestros métodos Hartree-Fock, sus requerimientos computacionales bajos permiten hacer frente a grandes moléculas poliatómicas e incluso macromoléculas, que se ha convertido en el método más utilizado en la química computacional en la actualidad.

Chemical Dynamics

Un paso adicional puede consistir en resolver el Ecuación de Schrödinger con el total hamiltoniano molecular con el fin de estudiar el movimiento de las moléculas. Solución directa de la ecuación de Schrödinger se llama dinámica molecular cuántica, dentro del aproximación semiclásico dinámica molecular semiclásicos, y dentro de la mecánica clásica marco dinámica molecular (MD). Enfoques estadísticos, utilizando por ejemplo el método de Monte Carlo , también son posibles.

Dinámica química adiabáticos

En la dinámica adiabáticas, interacciones interatómicas están representados por un solo escalar potenciales llamados superficies potenciales de energía. Este es el Born-Oppenheimer aproximación introducida por Nacido y Oppenheimer en 1927 . Aplicaciones pioneras de esta en la química fueron realizadas por Rice y Ramsperger en 1927 y Kassel en 1928 , y generalizada en el Teoría RRKM en 1952 por Marcus quien tomó la la teoría del estado de transición desarrollado por Eyring en 1935 en cuenta. Estos métodos permiten estimaciones simples de unimoleculares velocidades de reacción de unas pocas características de la superficie potencial.

Dinámica química no adiabáticos

Dinámica no adiabático consiste en tomar la interacción entre varios superficie de energía potencial acoplada (correspondientes a diferentes electrónica estados cuánticos de la molécula). Los términos de acoplamiento se llaman acoplamientos vibrónicas. El trabajo pionero en este campo fue realizado por Stueckelberg, Landau, y Zener en los años 1930 , en su trabajo en lo que ahora se conoce como la Transición de Landau-Zener. Su fórmula permite la probabilidad de transición entre dos curvas de potencial diabáticos en el barrio de un cruce evitado a ser calculado.

La química cuántica y la teoría cuántica de campos

La aplicación de la teoría cuántica de campos (QFT) a los sistemas químicos y teorías se ha vuelto cada vez más común en las ciencias físicas modernas. Uno de los primeros y más fundamentalmente explícitas apariciones de esto se ve en la teoría de la photomagneton. En este sistema, los plasmas , que son omnipresentes en la física y la química, son estudiados con el fin de determinar la base cuantificación del subyacente campo bosonic. Sin embargo, la teoría cuántica de campos es de interés en muchos campos de la química, incluyendo: química nuclear, astroquímica, sonoquímica, y hidrodinámica cuántica. Métodos teóricos de campo también han sido fundamentales en el desarrollo de la ab initio eficaz hamiltoniano teoría de los métodos de electrones pi semi-empíricos.