О квантовой механике и химии

Квантовая химия – это направление науки, граничащее с квантовой механикой. Предметом науки являются молекулы, их строение, свойства и взаимодействие, а также кинетика и химические процессы на основе изучения электронов. Для наглядного моделирования электронно-ядерного строения используются специально написанные  компьютерные программы, составленные на основе математических методов. Этот раздел науки называется вычислительной химией. Она позволяет рассчитать свойства молекул, амплитуду вероятности нахождения электронов в атомах, спрогнозировать молекулярное поведение.

  Атомная система состоит из большого числа электронов, которые непрерывно взаимодействуют друг с другом. С помощью уравнения Шрёдингера можно аналитически вычислить точные значения только для несложных одноатомных молекул. В результате решения этого уравнения находят волновую функцию. Она характеризует химическое положение системы в зависимости от энергии, получаемой при указанном количестве электронов, ядер и степени их взаимодействия.



  Наибольший интерес у химиков вызывают сложные системы, но возможности вычислительной химии сильно ограничены современным уровнем развития вычислительной техники. Поэтому вводится система разных способов упрощения. Для большинства задач используют приближение Борна — Оппенгеймера. Волновые функции, объясняющие положение электронов и ядер, рассматриваются отдельно. Тяжёлые ядра менее подвижны относительно электронов, и для упрощения электронного процесса принимаются как стабильные в пространстве. Электронное движение тоже может быть рассмотрено приближенно. Внутри молекулы отрицательные электроны отталкиваются друг от друга, и их движение называют коррелированным. Электроны берутся как независимые единицы, но вводится взаимодействие с полем. Его величина является усреднённым значением положений всех остальных частиц. Теперь решение сводится к нахождению одноэлектронной волновой функции. Хотя приближение независимых частиц считается значительным упрощением, но в большинстве задач оно дает возможность найти волновую функцию и спрогнозировать химическое молекулярное поведение.

 Для проведения эксперимента или моделирования химической реакции используют упрощённые подходы — полуэмпирические методы. Тогда все промежуточные величины считаются параметрами, определяемыми из самого эксперимента.

  Для каждого класса соединений целесообразней изучать отдельный, наиболее подходящий метод. Например, в химических реакциях метаболизма, как и в ряде других химических процессов, участвуют  функциональные фрагменты, представленные множеством атомов и окружённые не меньшим количеством молекул. Анализ таких систем стал толчком в развитии полуклассических моделей. В них атомы расцениваются как неделимые частицы, следовательно, их взаимодействие опишется упрощённым математическим соотношением. Для изучения нестабильных процессов, характеризующихся образованием и разрушением химических связей, объединяют несколько подходов. Квантовым методом исследуют часть изменяющейся химической системы, а классическим — её взаимодействие со средой.

  Такие методы необходимы, потому что квантовая химия может дать точные значения только в очень ограниченном классе задач, а с развитием науки растут запросы на вычисление волновых функций сложных соединений.



  Результаты экспериментов, даже приближенные к истинным, помогли учёным описать многие химические процессы. Полученная информация широко применяется в медицине, фармацевтике, фотонике, в развитии других научных дисциплин. Появлением молекулярных компьютерных и технологий новых материалов(нанотехнологий) мы обязаны именно квантовой химии.

Himikus.ru – помощь в решении контрольных по химии. 

---

Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

---