Квантовая химия

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Квантовая химия — это направление химии, рассматривающее строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе квантовой механики. Разделами квантовой химии являются: квантовая теория строения молекул, квантовая теория химических связей и межмолекулярных взаимодействий, квантовая теория химических реакций и реакционной способности и др.^[1]. Квантовая химия находится на стыке химии и квантовой физики (квантовой механики). Она занимается рассмотрением химических и физических свойств веществ на атомарном уровне (моделях электронно-ядерного строения и взаимодействий, представленных с точки зрения квантовой механики). Вследствие того, что сложность изучаемых объектов во многих случаях не позволяет находить явные решения уравнений, описывающих процессы в химических системах, применяют приближенные методы расчета. С квантовой химией неразрывно связана вычислительная химия — дисциплина использующая математические методы квантовой химии, адаптированные для составления специальных компьютерных программ, используемых для расчета молекулярных свойств, амплитуды вероятности нахождения электронов в атомах, симуляции молекулярного поведения.

Общие сведения

Основной задачей квантовой химии является решение уравнения Шредингера и его релятивистского варианта (уравнение Дирака) для атомов и молекул. Уравнение Шредингера решается аналитически, учитывая следующие ограничения: жёсткий ротатор, гармонический осциллятор, одноэлектронная система. Но реальные многоатомные системы содержат большое количество взаимодействующих электронов, а для таких систем не существует аналитического решения этих уравнений, и, по всей видимости, оно не будет найдено и в дальнейшем. По этой причине в квантовой химии приходится строить различные приближённые, обычно численные или получисленные решения. Из-за быстрого роста сложности поиска решений с ростом сложности системы и требований к точности расчёта, возможности квантовохимических расчётов сильно ограничиваются текущим развитием вычислительной техники, хотя, наблюдаемые в последние два десятилетия революционные сдвиги в развитии компьютерной техники, приведшие к её заметному удешевлению, заметно стимулируют развитие прикладной квантовой химии. Решение уравнения Шредингера строится на уравнении Хартри-Фока-Рутана итерационным методом (SCF-self consistent field — самосогласованное поле) и состоит в нахождении вида волновой функции. Приближения, используемые в квантовой химии:

1. Приближение Борна — Оппенгеймера (адиабатическое): движение электронов и движение ядер разделено (ядра движутся настолько медленно, что при расчёте движения электронов ядра можно принять за неподвижные объекты). В связи с этим приближением существует так называемый эффект Яна-Теллера. Данное приближение позволяет представить волновую функцию системы как произведение волновой функции ядер и волновой функции электронов.
2. Одноэлектронное приближение (или приближение Хартри): считается, что движение электрона не зависит от движения других электронов системы. В связи с этим в уравнения, используемые в квантовой химии вносятся поправки на взаимное отталкивание электронов. Это позволяет волновую функцию электронов представить в виде суммы волновых функций отдельных электронов.
3. Приближение МО ЛКАО (Молекулярная Орбиталь как Линейная Комбинация Атомных Орбиталей): в данном подходе волновая функция молекулы представляется как сумма атомных орбиталей с коэффициентами: Ψ(r)=c₁ψ₁+ c₂ψ₂+…+c_nψ_n, где
Ψ(r) — волновая функция (а точнее — её электронная часть),
c₁ — коэффициент при атомной орбитали,
ψ₁ — волновая функция атомной орбитали (получается при решении уравнения Шредингера для атома водорода — известно в точном виде). Решение задачи состоит в нахождении коэффициентов С. При учёте всех интегралов — так называемый метод Ab initio — количество вычислений растёт пропорционально количеству электронов в 6-8 степени, при полуэмпирических методах — в 4-5 степени.

Получаемая при решении уравнения волновая функция является математической абстракцией. Имеет определённый физический смысл лишь квадрат её значения, который по мнению Э.Шрёдингера, характеризует вероятность распределения (плотность) отрицательно заряженного электронного облака.

Однако большинство физиков не разделяло убеждений Э.Шрёдингера, так как доказательств существования электрона как отрицательно заряженного облака не существовало на тот момент. Общепринятой точка зрения стала лишь благодаря работам Макса Борна, который обосновал вероятностную трактовку квадрата волновой функции. За фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую (вероятностную) интерпретацию волновой функции, М.Борну была присуждена в 1954 году Нобелевская премия по физике.

Строение атома

Основная статья: Атом

А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств^[2]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. При этом порядковый номер элемента (Z) соответствует числу протонов (Z) в атомном ядре, определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра, несущего почти всю массу атома (более чем 99,9 %), а также число электронов (Z) в нейтральном атоме, определяющих его размер.^[3]. Электроны образуют электронную оболочку атома. Заполнение электронных оболочек подчиняется принципу Паули — в атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырёх квантовых чисел. Ёмкость уровней электронных оболочек по мере удаления от ядра увеличивается и составляет 2(n=1), 8(n=2), 18(n=3), 32(n=4) и т. д. электронов. Слои электронных оболочек с главным квантовым числом n=1,2,3,4… обозначаются соответственно прописными буквами K, L, M, N… Порядок заполнения подслоя электронных оболочек подчиняется правилу Хунда - суммарное спиновое число электронов данного подслоя должно быть максимальным. Распределение электронов в атомах называют электронной конфигурацией. Электронная конфигурация обозначается при помощи показателей степени, которые указывают число электронов на электронной оболочке 1s, 2s, 2p и т.д. Буквы s,p,d,f символизируют последовательные значения орбитального квантового числа l (l соответственно равно 0, 1, 2, 3).^[4] Лучшим описанием эффективных размеров изолированного атома является теоретически рассчитанное положение его наружных электронов. Это так называемый орбитальный радиус атома. В зависимости от порядкового номера элемента (Z) проявляется чёткая периодичность в изменении значений орбитальных атомных радиусов. Размер электронной оболочки атома более чем в 10 тысяч раз превышает размер его атомного ядра. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Образование химической связи и строение молекул и твёрдых тел

Физические, в том числе спектральные свойства атомов, молекул и твёрдых тел

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Взаимодействие отдельных молекул, энергетические барьеры на пути трансформаций молекул

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

См. также

• Метод самосогласованного поля
• Метод Хартри-Фока
• Теория функционала плотности
• Методы Ab initio
• Вычислительная химия
• Волновая функция
• Электронное облако
• Одноэлектронная химическая связь
• Молекулярный ион водорода
• Электронная плотность
• Квантовая биохимия
• Атомная орбиталь
• Теория молекулярных орбиталей
• Электронная поляризуемость
• QMC@Home
• Статистическая интерпретация волновой функции
• Компьютерная химия

Примечания

1. ↑ Давтян О. К. Квантовая химия. — М.: Высшая школа, 1962. — 784 с. — стр. 5
2. ↑ Большая советская энциклопедия
3. ↑ [1], Atom//IUPAC Gold Book.
4. ↑ Справочник химика / Т.1. — Л.-М.: Госхимиздат, 1962. — С. 321-324. — 1072 с.

Литература

• Абаренков И. В., Братцев В. Ф., Тулуб А. В. Начала квантовой химии. — М.: Высшая школа, 1989. — С. 303. — ISBN 5-06-000492-9
• Степанов Н. Ф. Квантовая механика и квантовая химия. — М.: Мир, 2001. — С. 519. — ISBN 5-03-003414-5
• Заградник Р., Полак Р. Основы квантовой химии. — М.: Мир, 1979. — 504 с.
• Грибов Л. А., Муштакова С. П. Квантовая химия. — М.: Гардарика, 1999. — 390 с.
• Жидомиров Г. М., Багатурьянц А. А., Абронин И. А. Прикладная квантовая химия. — М.: Химия, 1979. — 296 с.
• Татевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. — М.: Изд-во МГУ, 1965. — 162 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. — М.: Мир, 2001. — 532 c. — ISBN 5-03-003363-7
• Цирельсон В. Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела. Учебное пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. — 495 с.
• Майер И. Избранные главы квантовой химии: доказательства теорем и вывод формул. — БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 384 с. — ISBN 5-94774-499-6

• Дмитриев И. С., Семенов С. Г. Квантовая химия — ее прошлое и настоящее. Развитие электронных представлений о природе химической связи. — М.: Атомиздат, 1980. — 160 с.

• Эйринг Г. Уолтер Дж., Кимбалл Дж. Квантовая химия. Пер с англ. — ГИИЛ, 1948. — 528 с.

• Козман У. Введение в квантовую химию. — М.: ИИЛ, 1960. — 558 с.

• Давтян О. К. Квантовая химия. — М.: Высшая школа, 1962. — 784 с.

• Введение в квантовую химию. Пер с япон. Под ред. С. Нагакуры, Т. Накадзимы. — М.: Мир, 1982. — 264 с.

• Современная квантовая химия. В двух томах. Пер с англ. Под ред. О. Синаноглу. — М.: Мир, 1968.

• Локализация и делокализация в квантовой химии. Пер с англ. Под редакцией О. Шальве, Р. Додель, С. Дине, Ж.-П. Мальрье. — М.: Мир, 1978. — 412 с.

• Кругляк Ю. А., Квакуш В. С., Дядюша Г. Г., Хильченко В. И. Методы вычислений в квантовой химии. Расчет пи-электронной структуры молекул простыми методами молекулярных орбиталей. — Киев: Наукова думка, 1967. — 161 с.

• Левин А. А. Введение в квантовую химию твердого тела. — М.: Химия, 1974. — 240 с.

• Дунген Х., Лыгин В. Квантовая химия адсорбции на поверхности твердых тел. Пер. с нем. — М.: Мир, 1980. — 288 с.

• Эварестов Р. А. Квантовохимические методы в теории твердого тела. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. — 279 с.

• Бурштейн К. Я., Шорыгин П. П. Квантовохимические расчеты в органической химии и молекулярной спектроскопии. — М.: Наука, 1989.

• Хигаси К., Баба Х., Рембаум А. Квантовая органическая химия. Пер с англ. — М.: Мир, 1967. — 380 с.

• Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Квантовая химия органических соединений. Механизмы реакций. — М.: Химия, 1986. — 248 с.

• Пюльман Б., Пюльман А. Квантовая биохимия. Перевод с англ. — М.: Мир, 1965. — 654 с.

• Ладик Я. Квантовая биохимия для химиков и биологов. Пер с нем. — М.: Мир, 1975. — 256 с.

• Голованов И. Б., Пискунов А. К., Сергеев Н. М. Элементарное введение в квантовую биохимию. — М.: Наука, 1969. — 236 с.

• Гельман Г. Г. Квантовая химия. — М.: ОНТИ, 1937. — 546 с.

• Гельман Г. Г. Квантовая химия М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. ISBN 978-5-94774-768-3

• Mueller M. R. Fundamentals of Quantum Chemistry. Molecular Spectroscopy and Modern Electronic Structure Computations. — Kluwer, 2001. — pp. 265.
• Strategies and Applications in Quantum Chemistry. From Molecular Astrophysics to Molecular Engineering. Edited by Y. Ellinger, M. Defranceschi. — Kluwer, 2002. — pp. 461.

• Koch W., Holthausen M. C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. 2-ed. — Wiley, 2001. — pp. 293.

Ссылки

• Сайт о квантовой химии (создан при поддержке Уфимского квантовохимического общества)
• УДК 544.18 Квантовая химия
• Квантовая химия в России
• КВАНТОВАЯ ХИМИЯ (химик.ру)
• Область исследования 02.00.17 Математическая и квантовая химия
• Программа кандидатского экзамена по специальности 02.00.17 «Математическая и квантовая химия» с официального сайта Высшая аттестационная комиссия Министерства образования и науки Российской Федерации
• Диссертационные советы по специальности 02.00.17 Математическая и квантовая химия
• Диссертационные работы по специальности Математическая и квантовая химия

Разделы химии

 

Периодическая система химических элементов
Основные разделы	Неорганическая химия   Теоретическая химия  • Координационная химия  • Прикладная неорганическая химия  • Неорганический синтез Органическая химия   Биохимия Нейрохимия  • Функциональная биохимия  • Медицинская биохимия Химия полимеров  • Биоорганическая химия  • Металлоорганическая химия  • Стереохимия  • Химия одноуглеродных молекул Аналитическая химия   Вычислительная химия   Хемоинформатика  • Молекулярное моделирование  • Компьютерная химия  • Математическая химия  • Хемометрика Методы аналитической химии   Качественный анализ  • Количественный анализ Элементный анализ Рентгеноспектральный анализ  • Радиоактивационный анализ  • Масс-спектрометрия Другие методы анализа Титрование  • Объёмный анализ  • Гравиметрия  • Кулонометрия  • Колориметрия  • Фотометрия  • Капельный анализ  • Кристаллография  • Спектрофотометрия Физическая химия   Коллоидная химия  • Кристаллохимия  • Радиохимия  • Термохимия  • Учение о строении атома  • Учение о коррозии металлов  • Учение о растворах  • Химическая кинетика  • Фотохимия  • Химическая термодинамика  • Физико-химический анализ  • Теория реакционной способности химических соединений  • Химия высоких энергий  • Лазерная химия  • Радиационная химия  • Ядерная химия  • Электрохимия  • Звукохимия  • Структурная химия
Другие разделы	Космохимия • Супрамолекулярная химия • Нанохимия • Теоретическая химия • Квантовая химия
Прикладная химия	Химия окружающей среды   Геохимия  • Гидрохимия  • Зелёная химия  • Экологическая химия  • Химия почв  • Атмосферная химия Агрохимия • Косметическая химия • Нефтехимия • Токсикологическая химия
Связанные науки	Химическая метрология • Химическая физика • Биоинформатика • Минералогия • Материаловедение • Фармацевтика
См. также	Общая химия
Портал «Химия»  • Законы и теории химии