Квантовая химия | это... Что такое Квантовая химия? (original) (raw)

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.

Содержание

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+…+cnψn, 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

Взаимодействие отдельных молекул, энергетические барьеры на пути трансформаций молекул

См. также

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

Ссылки