Chimie quantique

Chimie quantique est une branche de chimie th??orique, qui se applique la m??canique quantique et la th??orie quantique des champs pour aborder les questions et les probl??mes de la chimie . La description de l' ??lectronique comportement des atomes et des mol??cules comme se rapportant ?? leur r??activit?? est l'une des applications de la chimie quantique. Chimie quantique se trouve sur la fronti??re entre la chimie et la physique , et d'importantes contributions ont ??t?? faites par des scientifiques de deux champs. Il a un chevauchement forte et active avec le domaine de la physique atomique et physique mol??culaire , ainsi que chimie physique.

Chimie quantique d??crit math??matiquement le comportement fondamental de la mati??re ?? l' mol??culaire ??chelle. Il est, en principe, possible de d??crire tous les syst??mes chimiques ?? l'aide de cette th??orie. Dans la pratique, seuls les syst??mes chimiques simples peuvent ??tre ??tudi??s dans r??aliste purement m??canique quantique termes et approximations doivent ??tre faites ?? des fins plus pratiques (par exemple, Hartree-Fock, apr??s Hartree-Fock ou Densit?? de th??orie de la fonctionnelle, voir la chimie computationnelle pour plus de d??tails). Ainsi une compr??hension d??taill??e de la m??canique quantique ne est pas n??cessaire pour la plupart la chimie, que les implications importantes de la th??orie (principalement le rapprochement orbitale) peut ??tre comprise et appliqu??e en termes plus simples.

En m??canique quantique (plusieurs applications en chimie computationnelle et de la chimie quantique), le Hamiltonien, ou l'??tat physique, d'une particule peut ??tre exprim??e comme la somme de deux op??rateurs, l'un correspondant ?? l'??nergie cin??tique et l'autre ?? ??nergie potentielle. Le Hamiltonien dans l' ??quation d'onde de Schr??dinger utilis?? en chimie quantique ne contient pas de termes pour le spin de l'??lectron.

Les solutions de l'??quation de Schr??dinger pour l'atome d'hydrog??ne donne la forme de la fonction d'onde pour orbitales atomiques, et l'??nergie relative des diff??rentes orbitales. L'approximation orbital peut ??tre utilis?? pour comprendre les autres atomes, par exemple de l'h??lium , de lithium et de carbone .

Histoire

L'histoire de la chimie quantique essentiellement a commenc?? avec la d??couverte de 1838 des rayons cathodiques par Michael Faraday , la d??claration de la 1859 probl??me de rayonnement du corps noir par Gustav Kirchhoff, la suggestion de 1877 Ludwig Boltzmann ce que les ??tats d'??nergie d'un syst??me physique pourrait ??tre discret, et le 1900 hypoth??se quantique par Max Planck que toute l'??nergie rayonnante syst??me atomique peut th??oriquement ??tre divis??e en un certain nombre d'??l??ments discrets d'??nergie ε de telle sorte que chacun de ces ??l??ments d'??nergie est proportionnelle ?? la ν fr??quence avec laquelle ils ??mettent chacun individuellement l'??nergie , telle que d??finie par la formule suivante:

o?? h est une valeur num??rique appel??e La constante de Planck. Puis, en 1905, pour expliquer la effet photo??lectrique (1839), ce est ?? dire, que la lumi??re sur certains mat??riaux brille peut fonctionner pour ??jecter les ??lectrons de la mati??re, Albert Einstein a postul??, sur la base de l'hypoth??se quantique de Planck, que la lumi??re se compose de particules quantiques individuelles, qui sont venus plus tard appel?? photons ( 1926). Dans les ann??es suivantes, cette base th??orique a lentement commenc?? ?? ??tre appliqu?? ?? la structure chimique, la r??activit??, et le collage.

Structure ??lectronique

La premi??re ??tape dans la r??solution d'un probl??me chimique quantique est habituellement de r??soudre le ??quation de Schr??dinger (ou ??quation de Dirac dans relativiste chimie quantique) avec le hamiltonien ??lectronique mol??culaire. Ceci est appel?? la d??termination de la structure ??lectronique de la mol??cule. On peut dire que la structure ??lectronique d'une mol??cule de cristal ou implique essentiellement ses propri??t??s chimiques.

Vague mod??le

Le fondement de la m??canique quantique et la chimie quantique est le mod??le d'onde, dans lequel l'atome est un petit, dense, charg?? positivement noyau entour?? d'??lectrons. Contrairement ?? la pr??c??dente Mod??le de Bohr de l'atome, cependant, le mod??le d'onde des ??lectrons d??crit comme " nuages "se d??pla??ant dans orbitales et leurs positions sont repr??sent??es par distributions de probabilit??s plut??t que des points discrets. La force de ce mod??le r??side dans sa pouvoir pr??dictif. Plus pr??cis??ment, on pr??voit que le motif d'??l??ments chimiquement similaires trouv??s dans la table p??riodique . Le mod??le d'onde est ainsi nomm?? parce que les propri??t??s des ??lectrons d'exposition (tels que les interf??rences) traditionnellement associ??s avec des vagues. Voir la dualit?? onde-particule .

Obligataire Valence

Bien que la base math??matique de la chimie quantique avait ??t?? pos??e par Schr??dinger en 1926 , il est g??n??ralement admis que le premier v??ritable calcul en chimie quantique, ce est que des physiciens allemands Walter et Heitler Fritz Londres le hydrog??ne (H ₂₎ mol??cule dans 1927 . La m??thode de Heitler et Londres a ??t?? prolong??e par le physicien th??oricien am??ricain John C. Slater et le chimiste th??oricien am??ricain Linus Pauling de devenir le Valence-Bond (VB) [ou Heitler-Londres-Slater-Pauling (HLSP)] m??thode. Dans cette m??thode, l'attention est principalement consacr?? aux interactions par paire entre atomes, et cette m??thode corr??le donc ??troitement avec les dessins de chimistes classiques de liaisons .

Orbitale mol??culaire

Une autre approche a ??t?? d??velopp??e en 1929 par Friedrich Hund et Robert Mulliken, dans lequel les ??lectrons sont d??crits par des fonctions math??matiques d??localis??e sur toute une mol??cule . L'approche Hund-Mulliken ou la m??thode des orbitales mol??culaires (MO) est moins intuitif pour les chimistes, mais se est av??r?? capable de pr??dire les propri??t??s spectroscopiques mieux que la m??thode de VB. Cette approche est la base conceptuelle de la M??thode Hartree-Fock et plus m??thodes de post Hartree-Fock.

th??orie de la fonctionnelle de la densit??

Le Mod??le de Thomas-Fermi a ??t?? d??velopp?? ind??pendamment par Thomas et Fermi dans 1927 . Ce ??tait la premi??re tentative de d??crire les syst??mes ?? plusieurs ??lectrons sur la base de densit?? ??lectronique au lieu de fonctions d'onde, m??me si elle ne ??tait pas tr??s efficaces dans le traitement de mol??cules enti??res. La m??thode a fourni la base de ce qui est maintenant connu comme th??orie de la fonctionnelle de la densit??. Bien que cette m??thode est moins d??velopp?? que soumettre m??thodes Hartree-Fock, ses exigences de calcul inf??rieurs permettent de se attaquer ?? de plus grandes mol??cules polyatomiques et m??me macromol??cules, qui en a fait la m??thode la plus utilis??e dans la chimie computationnelle ?? l'heure actuelle.

la dynamique chimiques

Une ??tape suppl??mentaire peut consister en r??solvant le ??quation de Schr??dinger avec le total hamiltonien mol??culaire pour ??tudier le mouvement des mol??cules. Solution directe de l'??quation de Schr??dinger est appel?? dynamique mol??culaire quantique, dans le approximation semi-classique dynamique mol??culaire semi-classiques, et dans la m??canique classique cadre dynamique mol??culaire (MD). Approches statistiques, en utilisant par exemple des m??thodes de Monte Carlo , sont ??galement possibles.

Dynamique chimique adiabatique

En dynamique adiabatique, interactions entre atomes sont repr??sent??s par simple scalaire potentiels appel??s surfaces d'??nergie potentielle. Ceci est le Born-Oppenheimer rapprochement pr??sent?? par N?? et Oppenheimer en 1927 . Applications pionni??res de cette chimie ont ??t?? effectu??es par Rice et Ramsperger en 1927 et Kassel en 1928 et g??n??ralis?? dans le th??orie RRKM en 1952 par Marcus qui a pris la th??orie de l'??tat de transition ??labor?? par Eyring en 1935 en compte. Ces m??thodes permettent des estimations simples de unimol??culaires taux de r??action de quelques caract??ristiques de la surface de potentiel.

Dynamique chimique non adiabatique

Dynamique non adiabatique consiste ?? prendre l'interaction entre plusieurs surface d'??nergie potentielle associ??e (correspondant ?? diff??rent ??lectronique ??tats quantiques de la mol??cule). Les termes de couplage sont appel??s couplages vibroniques. Le travail de pionnier dans ce domaine a ??t?? r??alis??e par Stueckelberg, Landau, et Zener dans les ann??es 1930 , dans leur travail sur ce qui est maintenant connu sous le nom Landau-Zener transition. Leur formule permet la probabilit?? de transition entre deux diabatiques courbes de potentiel ?? proximit?? d'une croisement ??vit?? ?? calculer.

Chimie quantique et la th??orie quantique des champs

L'application de la th??orie quantique des champs (QFT) aux syst??mes et th??ories chimiques est devenue de plus en plus courante dans les sciences physiques modernes. L'un des premiers et des plus fondamentalement explicites apparences de ce est vu dans la th??orie de la photomagneton. Dans ce syst??me, les plasmas , qui sont omnipr??sents dans la physique et la chimie, sont ??tudi??s afin de d??terminer la base quantification du sous-jacent champ de bosons. Cependant, la th??orie quantique des champs est d'int??r??t dans de nombreux domaines de la chimie, y compris: chimie nucl??aire, astrochimie, sonochimie, et hydrodynamique quantique. Terrain m??thodes th??oriques ont ??galement ??t?? critique dans le d??veloppement de la th??orie des m??thodes pi-??lectroniques semi-empiriques ab initio efficace hamiltonien.