Квантна хемија

С Википедије, слободне енциклопедије

Квантна хемија је грана хемије чији је примарни фокус на примени квантне механике у физичким моделима и експериментима хемијских система.[1] Она се састоји од тесне спреге експерименталних и теоретских метода. Експериментална квантна хемија је веома зависна од спектроскопије, путем које се може добити информација о енергији квантизације на молекулским размерама. Методи у честој употреби су инфрацрвена (ИР) спектроскопија и нуклеарно магнетно резонантна (НМР) спектроскопија. Теоретска квантна хемија, која је у знатној мери обухваћена рачунарском хемијом, се бави прорачунавањем предвиђања квантне теорије, као што су дискретне енергије атома и молекула. У случајевима полиатомских система решавају се проблеми мноштава тела. Ти прорачуни се изводе користећи рачунаре, пошто примена аналитичких метода није практична.

Квантна хемија истражује хемијске феномене. У реакцијама, квантна хемија изучава поред основног стања појединачних атома и молекула, побуђена и прелазна стања хемијских реакција. У прорачунима квантно хемијске студије такође користе семиемпиријске и друге методе базиране на кватно механичким принципима, и баве се временски зависним проблемима. Многе квантно хемијске студије полазе од претпоставке да су атомска језгра у мировању (Бор–Опенхајмерова апроксимација). Знатан број прорачуна користи итеративне приступе који обухватају самоконзистентне методе поља. Један од главних циљева квантне хемије је побољшање прецизности резултата на системима малих молекула, као и повећање величине молекула који се могу третирати.

Историја[уреди | уреди извор]

Неки сматрају да рођење квантне хемије представља откриће Шредингерове једначине и њена примена на атом водоника 1926.[2][3] Према другима публикација Волтера Хајтлера (1904–1981) и Фрица Лондона из 1927. године, заправо представља прву прекретницу у историји квантне хемије. То је била прва примена квантне механике на диатомски водонични молекул, и стога на феномен хемијске везе. У наредним годинама је остварен знатан прогрес захваљујући доприносима Едварда Телера, Роберта Маликена, Макса Бора, Роберта Опенхајмера, Лајнуса Полинга, Ериха Хукела, Дагласа Хартрија, Владимира Фока, између осталих. Историја квантне хемије исто тако обухвата откриће катодних зрака Мајкла Фарадеја из 1838. године, Густаф Кирхофово формулисање проблема зрачења црног тела из 1859, сугестију Лудвига Болцмана из 1877. године да енергетска стања физичког система могу да буду дискретна, и квантну хипотезу Макса Планка из 1900. године према којој се енергија емитујућег атомског система може теоретски поделити у више дискретних енергијских елемената ε, таквих да је сваки од тих енергијских елементс пропорционалан са фреквенцијом ν са којом сваки индивидуално емитује енергију. Он је исто тако дефинисао нумеричку вредност која се назива Планкова константа. Затим је 1905. године, да би објаснио фотоелектрични ефекат (1839), и.е., при чему обасјавање појединих материјала доводи до избацивања електрона са њихове површине, Алберт Ајнштајн постулирао, на бази Планкове квантне хипотезе, да се само светло састоји од индивидуалних квантних честица, које су касније назване фотонима (1926). Током наредних година, ова теоретска основа је полако почела да налази примену у хемијским структурама, реактивности и везивању. Вероватно највећи допринос пољу је направио Лајнус Полинг.

Електронска структура[уреди | уреди извор]

Главни чланак: Електронска структура

Први корак у решавању квантно хемијског проблема је обично решавање Шредингерове једначине (или Диракове једначине у релативистичкој квантној хемији) помоћу електронског молекуларног Хамилтонијана. То се зове одређивањем електронске структуре молекула. Може се рећи да електронска структура молекула или кристала подразумева есенцијално његова хемијска својства. Прецизно решење Шредингерове једначине се једино може добити за атом водоника (иако су егзактна решења за енергије везаног стања водоничног молекуларног јона била идентификована у смислу генерализоване Ламбертове W функције). Сви други атомски или молекулски системи обухватају кретање три или више „честица” и стога се њихове Шредингерове једначине не могу егзактно решити, већ се приближна решења морају тражити.

Таласни модел[уреди | уреди извор]

Основа квантне механике и квантне хемије је таласни модел, у коме је атом мало, густо, позитивно наелектрисано језгро окружено електронима. Таласни модел је изведен из таласне функције, сета могућих једначина изведених из временске еволуције Шредингерове једначине који је примењен на таласасту дистрибуцију вероватноће субатомских честица. За разлику од ранијег Боровог модела атома, међутим, таласни модел описује електроне као „облаке” који се крећу у орбиталама, а њихове позиције су представљене помоћу расподела вероватноће уместо дискретних тачака. Јачина овог модела лежи у његовој предиктивној моћи. Специфично, он предвиђа обрасце хемијски сличних елемената са онима који се налазе у периодном систему. Таласни модел је тако назван јер електрони испољавају својства (као што је интерференција) традиционално асоцирана са таласима. Погледајте таласно-корпускуларну дуалност. У овом моделу, кад се реши Шредингерова једначина за атом водоника, добијају се решења зависна од извесних бројева, који се називају квантним бројевима. Они описују орбиталу, највероватнији простор у којем електрон може да буде. Они су n, главни квантни број, за енергију, l, или секундарни квантни број, који је у корелацији са угаоним моментом, ml за оријентацију, и ms за спин. Овај модел може да објасни нове линије које се појављују у атомској спектроскопији. За мултиелектронске атоме неопходно је да се уведу додатна правила, као што је да електрони попуњавају орбитале на такав начин да се минимизује енергија атома у редоследу растуће енергије, Паулијев принцип искључења, Хундово правило, и Паулијев принцип.

Валентне везе[уреди | уреди извор]

Главни чланак: Теорија валентних веза

Иако је математичку основу квантне хемије поставио Шредингер 1926. године,[4][5][6][7] генерално је прихваћено да је први прави прорачун у квантној хемији био је онај који су извели немачки физичари Волтер Хајтлер и Фриц Лондон на молекулу водоника (H2) 1927. године.[8][9] Метод Хајтлера и Лондона су проширили амерички теоретски физичар Џон Слејтер и амерички теоретски хемичар Лајнус Полинг и формирали метод валенце-везе, или Хајтлер–Лондон–Слејтер–Полинг (ХЛСП) метход. У том методу, пажња је првенствено посвећена парним интеракцијама између атома, те је стога тај метод у доброј корелацији са класичним хемијским приказима веза. Он ставља фокус на то како се атомске орбитале атома комбинују да дају појединачне хемијске везе када се формира молекул, инкорпорирајући два кључна концепта хибридизацију орбитала и резонанцију.

Молекуларна орбитала[уреди | уреди извор]

Главни чланак: Молекуларна орбитална теорија

Један алтернативни приступ су развили Фридрих Хунд и Роберт Маликен 1929. године, у коме су електрони описани математичким функцијама делокализованим преко целокупног молекула. Хунд–Маликенов приступ или метод молекуларних орбитала (МО) је мање интуитиван за хемичаре, али се испоставило да може да предвиди спектроскопска својства боље од ВБ метода. Овај приступ је концептуална база Хартри–Фоковог метода и даљих пост-Хартри–Фокових метода.

Теорија функционалности густине[уреди | уреди извор]

Главни чланак: Теорија функционалности густине

Томас–Фермијев модел су независно развили Томас и Ферми 1927. године. То је био први покушај да се опише систем са мноштвом електрона на бази електронске густине уместо таласних функција, мада он није био веома успешан у третирању целокупних молекула. Метод је пружио основу за оно што је сад познато као теорија функционалности густине (енгл. Density functional theory - DFT). Данашња ДФТ користи Кон–Шамов метход, где су функционалности густине подељене у четири члана; Кон–Шамову кинетичку енергију, спољашњи потенцијал, енергије размене и корелације. Велики део фокуса у ДФТ развоју је на побољшању чланова размене и корелације. Мада је овај метод мање развијен од Хартри-Фоковог метода, његови знатно нижи рачунарски захтеви (типично се не скалира горе од n3 у односу на n базних функција, за чисте функционале) дозвољавају да се примени на веће полиатомске молекуле и чак макромолекуле. Ова приступачност израчунавања и често упоредива прецизност са МП2 и ЦЦСД(Т) (пост-Хартри–Фок методима) је учинила овај приступ једним од најпопуларнијих метода у рачунарској хемији.

Хемијска динамика[уреди | уреди извор]

Даљи корак се може састојати у решавању Шредингерове једначине са укупним молекуларним Хамилтонијаном да би се студирало кретање молекула. Директно решавање Шредингерове једначине се назива квантно молекуларна динамика унутар полукласичне апроксимације полукласичне молекуларне динамике, а у оквиру класичне механике молекуларна динамика (MD). Статистички приступи, користећи на пример Монте Карло методе, су исто тако могући.

Адијабатска хемијска динамика[уреди | уреди извор]

Главни чланак: Адијабатски формализам или Бор–Опенхајмерова апроксимација

У адијабатској динамици, интератомске интеракције се представљају са појединачним скаларним потенцијалима званим површине потенцијалне енергије. То је Бор-Опенхајмерова апроксимација коју су увели Бор и Опенхајмер 1927. године. Пионирске примене овог приступа у хемији су урадили Рајс и Рамспергер 1927. и Касел 1928. године, а генерализацију у РРКМ теорију је 1952. године спровео Рудолф Маркус полазећи од Ејрингове теорије прелазног стања из 1935. године. Ови методи омогућавају једноставне процене унимолекуларних реакционих брзина полазећи од неколико карактеристика површине потенцијала.

Неадијабатска хемијска динамика[уреди | уреди извор]

Главни чланак: Вибрационо спрезање

Неадијабатска динамика се састоји од изучавања интеракција између неколико спрегнутих површина потенцијалне енергије (које кореспондирају различитим електронским квантним стањима молекула). Чланови спрезања се називају вибронским спрегама. Пионирске радове у овом пољу су објавили Штикелберг, Ландау, и Зенер током 1930-их, и њихов допринос се назива Ландау–Зенеровом транзицијом. Њихова формула омогућава да транзиције вероватноће између две криве дијабатских потенцијала у суседству избегаваних прелаза буду израчунате. Спински забрањене реакције су један тип неадијабатских реакција где се јавља бар једно наелектрисање у спин стању при напредовању од реактанта до продукта.

Види још[уреди | уреди извор]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Аткинс, П.W.; Фриедман, Р. (2005). Молецулар Qуантум Мецханицс (4тх изд.). Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-927498-7. 
  2. ^ Сцхрöдингер, Ерwин (1982). Цоллецтед Паперс он Wаве Мецханицс: Тхирд Едитион. Америцан Матхематицал Соц. стр. 1. ИСБН 978-0-8218-3524-1. 
  3. ^ Сцхрöдингер, Е. (1926). „Qуантисиерунг алс Еигенwертпроблем; вон Ерwин Сцхрöдингер”. Аннален дер Пхyсик. 384 (4): 361—377. Бибцоде:1926АнП...384..361С. дои:10.1002/андп.19263840404. 
  4. ^ Ерwин Сцхрöдингер (Фром тхе Герман) Qуантизатион ас ан Еигенвалуе Проблем (Фирст Цоммуницатион), Аннален дер Пхyсик 79 (4) 361–376, 1926. [Енглисх транслатион ин Гунтер Лудwиг Wаве Мецханицс 94–105. . Pergamon Press. 1968. ISBN 978-0-08-203204-5. ]
  5. ^ Ерwин Сцхрöдингер (Фром тхе Герман) Qуантизатион ас ан Еигенвалуе Проблем (Сецонд Цоммуницатион), Аннален дер Пхyсик 79 (6) 489–527, 1926. [Енглисх транслатион ин Гунтер Лудwиг Wаве Мецханицс 106–126. . Pergamon Press. 1968. ISBN 978-0-08-203204-5. ]
  6. ^ Ерwин Сцхрöдингер (Фром тхе Герман) Qуантизатион ас ан Еигенвалуе Проблем (Тхирд Цоммуницатион), Аннален дер Пхyсик 80 (13) 437–490, 1926.
  7. ^ Ерwин Сцхрöдингер (Фром тхе Герман) Qуантизатион ас ан Еигенвалуе Проблем (Фоуртх Цоммуницатион), Аннален дер Пхyсик 81 (18) 109–139, 1926. [Енглисх транслатион ин Гунтер Лудwиг Wаве Мецханицс 151–167. . Pergamon Press. 1968. ISBN 978-0-08-203204-5. ]
  8. ^ Хеитлер, Wалтер; Лондон, Фритз (1927). „Wецхселwиркунг неутралер Атоме унд хомöополаре Биндунг нацх дер Qуантенмецханик”. Зеитсцхрифт фüр Пхyсик. 44: 455—472. Бибцоде:1927ЗПхy...44..455Х. дои:10.1007/бф01397394. 
  9. ^ Ерwин Сцхрöдингер (Фром тхе Герман) Он тхе Релатионсхип оф тхе Хеисенберг-Борн-Јордан Qуантум Мецханицс то Мине, Аннален дер Пхyсик 79 (8) 734–756, 1926. [Енглисх транслатион ин Гунтер Лудwиг Wаве Мецханицс 127–150. . Pergamon Press. 1968. ISBN 978-0-08-203204-5. ]

Литература[уреди | уреди извор]

  • Сцхрöдингер, Ерwин (1982). Цоллецтед Паперс он Wаве Мецханицс: Тхирд Едитион. Америцан Матхематицал Соц. ИСБН 978-0-8218-3524-1. 
  • Аткинс, П.W. Пхyсицал Цхемистрy. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-879285-7. 
  • Аткинс, П.W.; Фриедман, Р. (2008). Qуанта, Маттер анд Цханге: А Молецулар Аппроацх то Пхyсицал Цханге. ИСБН 978-0-7167-6117-4. 
  • Пуллман, Бернард; Пуллман, Алберте (1963). Qуантум Биоцхемистрy. Неw Yорк анд Лондон: Ацадемиц Пресс. ИСБН 978-90-277-1830-3. 
  • Сцерри, Ериц Р. (2006). Тхе Периодиц Табле: Итс Сторy анд Итс Сигнифицанце. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-530573-9.  Цонсидерс тхе еxтент то wхицх цхемистрy анд еспециаллy тхе периодиц сyстем хас беен редуцед то qуантум мецханицс.
  • Костас Гавроглу, Ана Симõес (2011). НЕИТХЕР ПХYСИЦС НОР ЦХЕМИСТРY.А Хисторy оф Qуантум Цхемистрy. МИТ Пресс. ИСБН 978-0-262-01618-6. 
  • МцWеенy, Р. Цоулсон'с Валенце. Оxфорд Сциенце Публицатионс. ИСБН 978-0-19-855144-7. 
  • Карплус M., Портер Р.Н. Атомс анд Молецулес. Ан интродуцтион фор студентс оф пхyсицал цхемистрy, Бењамин–Цуммингс Публисхинг Цомпанy. . 1971. ИСБН 978-0-8053-5218-4.  Недостаје или је празан параметар |титле= (помоћ)
  • Сзабо, Аттила; Остлунд, Неил С. (1996). Модерн Qуантум Цхемистрy: Интродуцтион то Адванцед Елецтрониц Струцтуре Тхеорy. Довер. ИСБН 978-0-486-69186-2. 
  • Ландау, L.D.; Лифсхитз, Е.M. Qуантум Мецханицс:Нон-релативистиц Тхеорy. Цоурсе оф Тхеоретицал Пхyсиц. 3. Пергамон Пресс. ИСБН 978-0-08-019012-9. 
  • Левине, I. (2008). Пхyсицал Цхемистрy (6тх изд.). МцГраw–Хилл Сциенце. ИСБН 978-0-07-253862-5. 
  • Паулинг, L. (1954). Генерал Цхемистрy. Довер Публицатионс. ИСБН 978-0-486-65622-9. 
  • Паулинг, L.; Wилсон, Е. Б. (1963). Интродуцтион то Qуантум Мецханицс wитх Апплицатионс то Цхемистрy. Довер Публицатионс. ИСБН 978-0-486-64871-2. 
  • Симон, З. (1976). Qуантум Биоцхемистрy анд Специфиц Интерацтионс. Таyлор & Францис. ИСБН 978-0-85626-087-2. 

Спољашње везе[уреди | уреди извор]

Квантна хемија на Викимедијиној остави.

Нобелова предавања из области квантне хемије[уреди | уреди извор]

Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Kvantna_hemija&oldid=27680065”