Теоретическая химия

Якобус ван 'т-Гофф (1852–1911), влиятельный химик-теоретик и первый лауреат Нобелевской премии по химии .

Теоретическая химия — раздел химии , разрабатывающий теоретические обобщения , входящие в теоретический арсенал современной химии: например, понятия о химической связи , химической реакции , валентности , поверхности потенциальной энергии , молекулярных орбиталях , орбитальных взаимодействиях и молекулярных взаимодействиях. активация.

Обзор

Теоретическая химия объединяет принципы и понятия, общие для всех отраслей химии. В рамках теоретической химии происходит систематизация химических законов, принципов и правил, их уточнение и детализация, построение иерархии. Центральное место в теоретической химии занимает учение о взаимосвязи строения и свойств молекулярных систем. Он использует математические и физические методы для объяснения структуры и динамики химических систем, а также для корреляции, понимания и прогнозирования их термодинамических и кинетических свойств. В самом общем смысле это объяснение химических явлений методами теоретической физики . В отличие от теоретической физики, в связи с большой сложностью химических систем, теоретическая химия, помимо приближенных математических методов, часто использует полуэмпирические и эмпирические методы.

В последние годы она состояла в основном из квантовой химии , т. е. применения квантовой механики к химическим задачам. Другие основные компоненты включают молекулярную динамику , статистическую термодинамику и теории растворов электролитов , реакционные сети , полимеризацию , катализ , молекулярный магнетизм и спектроскопию .

Современную теоретическую химию можно грубо разделить на изучение химической структуры и изучение химической динамики. Первый включает исследования: электронной структуры, поверхностей потенциальной энергии и силовых полей; колебательно-вращательное движение; равновесные свойства конденсированных фазовых систем и макромолекул. Химическая динамика включает: бимолекулярную кинетику и теорию столкновений реакций и переноса энергии; мономолекулярная теория скоростей и метастабильные состояния; конденсационно-фазовые и макромолекулярные аспекты динамики.

Разделы теоретической химии

Квантовая химия

Применение квантовой механики или фундаментальных взаимодействий к химическим и физико-химическим проблемам. Спектроскопические и магнитные свойства относятся к числу наиболее часто моделируемых.

Вычислительная химия

Применение научных вычислений в химии, включая аппроксимационные схемы, такие как Хартри-Фока , пост-Хартри-Фока , теория функционала плотности , полуэмпирические методы (такие как PM3 ) или методы силового поля . Молекулярная форма является наиболее часто прогнозируемым свойством. Компьютеры также могут прогнозировать колебательные спектры и вибронную связь, а также получать и преобразовывать Фурье инфракрасные данные в частотную информацию. Сравнение с прогнозируемыми вибрациями подтверждает прогнозируемую форму.

Молекулярное моделирование

Методы моделирования молекулярных структур без обязательного обращения к квантовой механике. Примеры: молекулярный докинг , белок-белковый докинг , дизайн лекарств , комбинаторная химия . Подбор формы и электрического потенциала являются движущим фактором в этом графическом подходе.

Молекулярная динамика

Применение классической механики для моделирования движения ядер совокупности атомов и молекул. Перегруппировка молекул внутри ансамбля контролируется силами Ван-дер-Ваальса и поддерживается температурой.

Молекулярная механика

внутри- и межмолекулярного взаимодействия Моделирование поверхностей потенциальной энергии через потенциалы. Последние обычно параметризуются на основе первоначальных расчетов.

Математическая химия

Обсуждение и предсказание молекулярной структуры с использованием математических методов без обязательного обращения к квантовой механике. Топология — это раздел математики, который позволяет исследователям предсказывать свойства гибких тел конечного размера, таких как кластеры .

Теоретическая химическая кинетика

Теоретическое исследование динамических систем, связанных с химически активными веществами , активированными комплексами и соответствующими им дифференциальными уравнениями .

Хеминформатика (также известная как хемоинформатика )

Использование компьютерных и информационных технологий, применяемых для обработки информации, для решения задач в области химии.:

Химическая инженерия

Применение химии в промышленных процессах для проведения исследований и разработок . Это позволяет разрабатывать и совершенствовать новые и существующие продукты и производственные процессы .

Тесно связанные дисциплины

Исторически сложилось так, что основной областью применения теоретической химии были следующие области исследований:

• Атомная физика : дисциплина, изучающая электроны и атомные ядра.
• Молекулярная физика : дисциплина электронов, окружающих молекулярные ядра, и движения ядер. Этот термин обычно относится к изучению молекул, состоящих из нескольких атомов в газовой фазе. Но некоторые считают, что молекулярная физика — это также изучение объемных свойств химических веществ с точки зрения молекул.
• Физическая химия и химическая физика : химия, изучаемая с помощью физических методов, таких как лазерные методы, сканирующий туннельный микроскоп и т. д. Формальное различие между обеими областями состоит в том, что физическая химия является разделом химии, а химическая физика — разделом физики. На практике это различие весьма расплывчато.
• Теория многих тел : дисциплина, изучающая эффекты, возникающие в системах с большим количеством компонентов. Он основан на квантовой физике (в основном на формализме второго квантования ) и квантовой электродинамике .

Таким образом, теоретическая химия возникла как отрасль исследований. С появлением теории функционала плотности и других методов, таких как молекулярная механика , диапазон применения был расширен до химических систем, которые имеют отношение к другим областям химии и физики, включая биохимию , физику конденсированного состояния , нанотехнологию или молекулярную биологию .

См. также

• Список нерешенных задач по химии

Библиография

• Аттила Сабо и Нил С. Остлунд, Современная квантовая химия: введение в продвинутую теорию электронной структуры , Dover Publications; Новое издание Эда (1996) ISBN   0-486-69186-1 , ISBN   978-0-486-69186-2
• Роберт Г. Парр и Вейтао Ян, Теория функции плотности атомов и молекул , Oxford Science Publications; впервые опубликовано в 1989 году; ISBN   0-19-504279-4 , ISBN   0-19-509276-7
• Д. Д. Таннор, В. Казаков и В. Орлов, Контроль фотохимического разветвления: новые процедуры поиска оптимальных импульсов и глобальных верхних границ, в зависящей от времени квантовой молекулярной динамике, Дж. Брокхов и Л. Латхауверс, ред., 347–360 (Plenum , 1992)