• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Chemia kwantowa

    Przeczytaj także...
    Cząsteczka (molekuła) – neutralna elektrycznie grupa dwóch lub więcej atomów utrzymywanych razem kowalencyjnym wiązaniem chemicznym. Cząsteczki różnią się od cząstek (np. jonów) brakiem ładunku elektrycznego. Jednakże, w fizyce kwantowej, chemii organicznej i biochemii pojęcie cząsteczka jest zwyczajowo używane do określania jonów wieloatomowych.Elektryczny moment dipolowy jest to wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca dipol elektryczny. Dipol jest układem dwóch ładunków o tych samych wartościach bezwzględnych, ale przeciwnych znakach. Elektryczny moment dipolowy p dwóch punktowych ładunków o jednakowych wartościach q i przeciwnych znakach jest równy iloczynowi odległości między nimi i wartości ładunku dodatniego:
    Teorie pól kwantowych (ang. QFT – Quantum Field Theory) – współczesne teorie fizyczne tłumaczące oddziaływania podstawowe. Są one rozwinięciem mechaniki kwantowej zapewniającym jej zgodność ze szczególną teorią względności.

    Chemia kwantowa – dziedzina z pogranicza fizyki i chemii, która stosuje mechanikę kwantową i kwantową teorię pola do opisu atomowych i molekularnych układów będących przedmiotem zainteresowania chemii.

    Podstawowym równaniem nierelatywistycznej chemii kwantowej jest równanie Schrödingera. Głównym zadaniem chemii kwantowej jest rozwijanie metod rozwiązywania równania Schrödingera opisującego atomy i cząsteczki, najdokładniej jak jest to możliwe, oraz zastosowanie tych metod w praktycznych obliczeniach. W tym celu chemicy kwantowi rozwinęli szereg matematycznych i numerycznych metod.

    Mechanika klasyczna – dział mechaniki w fizyce opisujący ruch ciał (kinematyka), wpływ oddziaływań na ruch ciał (dynamika) oraz badaniem równowagi ciał materialnych (statyka). Mechanika klasyczna oparta jest na prawach ruchu (zasadach dynamiki) sformułowanych przez Isaaca Newtona, dlatego też jest ona nazywana „mechaniką Newtona” (Principia). Mechanika klasyczna wyjaśnia poprawnie zachowanie się większości ciał w naszym otoczeniu.Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

    Efekty relatywistyczne w chemii kwantowej uwzględnia się zastępując równanie Schrödingera równaniem Diraca, albo wprowadzając poprawki, wynikające z relatywistycznej mechaniki kwantowej i kwantowej teorii pola, przy użyciu teorii perturbacji (rachunku zaburzeń), lub metody wariacyjnej.

    Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.Chemia obliczeniowa – dziedzina chemii teoretycznej, która stosuje programy do modelowania molekularnego implementujące metody chemii kwantowej do rozwiązywania rzeczywistych problemów chemicznych, takich jak przewidywanie właściwości fizyko-chemicznych cząsteczek; izolowanych lub w układach ponadcząsteczkowych.

    Punktem startowym przeważającej części obliczeń w chemii kwantowej jest przybliżenie Borna-Oppenheimera. Przybliżenie to pozwala odseparować dynamikę ruchu elektronów i jąder oraz podzielić obliczenia na dwa kroki. W pierwszy kroku rozwiązuje się równanie Schrödingera (lub Dirac) z elektronowym hamiltonianem, otrzymując zależność energii elektronowej w funkcji współrzędnych atomów. W drugim kroku rozwiązuje się równanie Schrödingera dla ruch jąder z potencjałem uzyskanym w pierwszym kroku. W praktyce główny nacisk w chemii kwantowej kładzie się na rozwiązanie problemu elektronowego, ponieważ niedokładność tych obliczeń wpływa głównie na rozbieżności pomiędzy danymi doświadczalnymi a eksperymentalnymi.

    Reakcja chemiczna – każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.Metoda wariacyjna – jedna z dwóch podstawowych (obok rachunku zaburzeń), przybliżonych metod rozwiązywania równania Schrödingera.

    Dziedzinę, która wykorzystuje metody chemii kwantowej (jak również klasyczne lub półklasyczne teorie), a nie zajmuje się rozwijaniem metod matematycznych i numerycznych, nazywa się chemią obliczeniową.

    Obliczenia struktury elektronowej[]

    Pierwszym krokiem, po zastosowaniu przybliżenia Borna-Oppenheimera, jest rozwiązywanie równania Schrödingera z elektronowym hamiltonianem. Wynikiem takich obliczeń jest poznanie struktury elektronowej cząsteczki dla danego położenia jąder.

    Teoria funkcjonału gęstości (DFT, ang. density functional theory) – filar szeregu metod kwantowo-mechanicznych, służących do modelowania struktury cząsteczek chemicznych lub kryształów. Metody te są alternatywą do metod opartych na funkcjach falowych.Metody numeryczne – metody rozwiązywania problemów matematycznych za pomocą operacji na liczbach. Otrzymywane tą drogą wyniki są na ogół przybliżone, jednak dokładność obliczeń może być z góry określona i dobiera się ją zależnie od potrzeb.

    Ponieważ dla zdecydowanej większości układów nie istnieje analityczne rozwiązanie elektronowego równania Schrödingera, chemia kwantowa rozwinęła całą paletę metod mających na celu jak najdokładniejsze rozwiązanie tego równania w sposób przybliżony.

    Obecnie używane metody chemii kwantowej można podzielić na kilka grup:

    Metody ab initio - metody obliczeniowe chemii kwantowej, które polegają na przybliżonym rozwiązywaniu równania Schrödingera (lub jego relatywistycznych odpowiedników w relatywistycznej chemii kwantowej) bez dopasowawania używanego modelu do danych eksperymentalnych. Jedynymi wartościami eksperymentalnymi uzywanymi w metodach ab initio są uniwersalne stałe fizyczne. Nazwa pochodzi od łacińskiego wyrażenia od początku. Termin ab initio został prawdopodobnie użyty po raz pierwszy w tym kontekście w 1950 roku .Polaryzowalność – wielkość fizyczna opisująca zdolność rozkładu ładunku cząsteczki (bądź atomu) do odkształcania się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego i tworzenia w ten sposób dipoli elektrycznych, co makroskopowo prowadzi do polaryzacji dielektryka.
  • Metody ab initio, oparte na formalizmie wykorzystującym funkcje falowe,
  • metody DFT, oparte na gęstości elektronowej stanu podstawowego,
  • metody półempiryczne, oparte na formalizmie kwantowym z parametrami doświadczalnymi.
  • Symulacje dynamiki molekularnej[]

    Drugim krokiem, po zastosowaniu przybliżenia Borna-Oppenheimera, jest rozwiązywanie równania Schrödingera z hamiltonianem opisującym ruch jąder z potencjałem oddziaływania uzyskanym w obliczeniach struktury elektronowej. Wynikiem takich obliczeń jest poznanie kwantowej dynamiki molekularnej.

    Relatywistyczna mechanika kwantowa – teoria kwantowa uwzględniająca istnienie skończonej, maksymalnej do osiągnięcia prędkości równej prędkości światła, zarówno dla ruchu cząstek, jak i propagacji oddziaływania. W teorii tej nierelatywistyczne równanie Schrödingera (słuszne dla małych prędkości) zastępowane jest równaniem Kleina-Gordona lub Diraca. Relatywistyczna mechanika kwantowa stosuje kwantowy opis ruchu w czasoprzestrzeni Minkowskiego. Immanentną cechą opisu relatywistycznego mechaniki kwantowej z użyciem równania Diraca jest istnienie spinu. Teoria ta napotyka na liczne problemy interpretacyjne (zitterbewegung, paradoks Kleina, rozwiązania o ujemnej energii) i przez to nie jest teorią spójną. Jej naturalnym uogólnieniem jest kwantowa teoria pola, która w naturalny sposób rozwiązuje większość problemów relatywistycznej mechaniki kwantowej.Teoria perturbacji (nazywana też rachunkiem zaburzeń) jest zbiorem metod matematycznych, które są używane do znalezienia przybliżonego rozwiązania problemu, który nie może być rozwiązany w sposób ścisły, dostarczając bezpośrednie rozwiązanie problemu. Teoria perturbacji może być zastosowana do rozwiązania problemu, gdy można go przedstawić jako część dającą bezpośrednie rozwiązanie i stosunkowo mały człon zaburzający.

    Na tym etapie można zbadać zarówno strukturę stanów rowibracyjnych cząsteczki, jak również przeprowadzić symulacje zależnej od czasu dynamiki opisującej np. przebieg reakcji chemicznej lub oddziaływanie cząsteczki z zewnętrznymi polami.

    Możliwości chemii kwantowej[]

    Metody chemii kwantowej pozwalają m.in.:

  • przewidywać własności atomów i molekuł, np. strukturę, wartości momentów dipolowych, polaryzowalności
  • przewidywać widma spektroskopowe,
  • opisywać reakcje chemiczne,
  • przewidywać własności termodynamiczne,
  • opisywać oddziaływania międzycząsteczkowe.
  • Zobacz też[]

  • Chemia obliczeniowa
  • Mechanika kwantowa
  • Linki zewnętrzne[]

  • Oprogramowanie stosowane w chemii kwantowej
  • Chemia (grec. χημεία – chemeia) – nauka badająca naturę i właściwości substancji, a zwłaszcza przemiany zachodzące pomiędzy nimi. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, według których atomy łączą się poprzez wiązania chemiczne w mniej lub bardziej trwałe związki chemiczne, a także praw według których wiązania pękają i tworzą się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane reakcjami chemicznymi. Chemia zajmuje się także rozmaitymi właściwościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej.Termodynamika – nauka o energii, dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi i energią elektryczną.



    w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)

    Warto wiedzieć że... beta

    Gęstość elektronowa – wielkość, która opisuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym miejscu, czyli gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu. W większości cząsteczek obszary o wysokiej gęstości elektronowej zazwyczaj znajdują się wokół atomów (z maksimami wokół jąder atomowych) i na wiązaniach chemicznych. Zwyczajowo nazywane są one chmurami elektronowymi.
    Przybliżenie Borna-Oppenheimera - jedno z podstawowych przybliżeń stosowanych w chemii kwantowej i spektroskopii, umożliwiające rozdzielenie ruchu elektronów i jąder w cząsteczce.
    Równanie Schrödingera – jedno z podstawowych równań nierelatywistycznej mechaniki kwantowej (obok równania Heisenberga), sformułowane przez austriackiego fizyka Erwina Schrödingera w 1926 roku. Opisuje ono ewolucję układu kwantowego w czasie. W nierelatywistycznej mechanice kwantowej odgrywa rolę analogiczną do drugiej zasady dynamiki Newtona w mechanice klasycznej.
    Fizyka (z stgr. φύσις physis – "natura") – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem właściwości i przemian materii i energii oraz oddziaływań między nimi. Do opisu zjawisk fizycznych używają wielkości fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich jak liczba, wektor, tensor. Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi.
    Widmo spektroskopowe – zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Widmo, które powstało w wyniku emisji promieniowania przez analizowaną substancję albo na skutek kontaktu z nią (przeszło przez nią lub zostało przez nią odbite), może dostarczyć szeregu cennych informacji o badanej substancji.
    Matematyka (z łac. mathematicus, od gr. μαθηματικός mathēmatikós, od μαθηματ-, μαθημα mathēmat-, mathēma, „nauka, lekcja, poznanie”, od μανθάνειν manthánein, „uczyć się, dowiedzieć”; prawd. spokr. z goc. mundon, „baczyć, uważać”) – nauka dostarczająca narzędzi do otrzymywania ścisłych wniosków z przyjętych założeń, zatem dotycząca prawidłowości rozumowania. Ponieważ ścisłe założenia mogą dotyczyć najróżniejszych dziedzin myśli ludzkiej, a muszą być czynione w naukach ścisłych, technice a nawet w naukach humanistycznych, zakres matematyki jest szeroki i stale się powiększa.
    Metody półempiryczne chemii kwantowej są to metody obliczeniowe bazujące na formalizmie Hartree-Focka, lecz z uproszczeniami i przybliżeniem pewnych parametrów danymi otrzymanymi z doświadczenia. Są szeroko stosowane w chemii kwantowej do obliczeń dla dużych cząsteczek ze względu znacznie mniejszy koszt obliczeniowy niż pełnej metody Hartree-Focka. Dodatkowo, użycie parametrów empirycznych pozwala na uwzględnienie w pewnym stopniu efektów korelacji elektronowej.

    Reklama