Quant-Chemie ist ein Zweig der Chemie, deren primärer Fokus die Anwendung der Quant-Mechanik in physischen Modellen und Experimenten von chemischen Systemen ist. Es schließt schweres Wechselspiel von experimentellen und theoretischen Methoden ein:

• Experimentelle Quant-Chemiker verlassen sich schwer auf die Spektroskopie, durch die die Information bezüglich des quantization der Energie auf einer molekularen Skala erhalten werden kann. Übliche Methodik ist InfrarotIRspektroskopie und Spektroskopie der Kernkernspinresonanz (NMR).
• Theoretische Quant-Chemie, deren Tätigkeit auch dazu neigt, unter der Kategorie der rechenbetonten Chemie zu fallen, bemüht sich, die Vorhersagen der Quant-Theorie zu berechnen; da diese Aufgabe, wenn angewandt, auf Polyatomarten, das Vielkörperproblem anruft, werden diese Berechnungen mit Computern aber nicht durch den Rücken der Umschlag-Berechnungen durchgeführt.

Auf diese Weisen untersuchen Quant-Chemiker chemische Phänomene.

• In Reaktionen studiert Quant-Chemie den Boden-Staat von individuellen Atomen und Molekülen, die aufgeregten Staaten und die Übergang-Staaten, die während chemischer Reaktionen vorkommen.
• Auf den Berechnungen: Quant verwenden chemische Studien auch halbempirische und andere Methoden, die auf dem Quant mechanische Grundsätze gestützt sind, und befassen sich mit zeitabhängigen Problemen. Viele Quant chemische Studien nehmen die Kerne an, sind (Geborene-Oppenheimer Annäherung) beruhigt. Viele Berechnungen sind mit wiederholenden Methoden verbunden, die konsequente Feldmethoden einschließen. Hauptabsichten der Quant-Chemie schließen Erhöhung der Genauigkeit der Ergebnisse für kleine molekulare Systeme und Erhöhung der Größe von großen Molekülen ein, die bearbeitet werden können, der durch das Schuppen von Rücksichten — die Berechnungszeitzunahmen als eine Macht der Zahl von Atomen beschränkt wird.

Geschichte

Die Geschichte der Quant-Chemie hat im Wesentlichen mit der 1838-Entdeckung von Kathode-Strahlen durch Michael Faraday, die 1859-Behauptung des schwarzen Körperstrahlenproblems durch Gustav Kirchhoff, des 1877-Vorschlags durch Ludwig Boltzmann begonnen, dass die Energiestaaten eines physischen Systems, und die 1900-Quant-Hypothese von Max Planck getrennt sein konnten, dass jede Energie, die Atomsystem ausstrahlt, in mehrere getrennte Energieelemente ε solch theoretisch geteilt werden kann, dass jedes dieser Energieelemente zur Frequenz ν proportional ist, mit dem sie jeder individuell Energie, wie definiert, durch die folgende Formel ausstrahlt:

:

wo h ein numerischer Wert ist, hat die Konstante von Planck genannt. Dann, 1905, um die fotoelektrische Wirkung (1839) zu erklären, d. h., kann dieses leuchtende Licht auf bestimmte Materialien fungieren, um Elektronen aus dem Material zu vertreiben, Albert Einstein, hat gestützt auf der Quant-Hypothese von Planck verlangt, dieses Licht selbst besteht aus individuellen Quant-Partikeln, die später gekommen sind, um Fotonen (1926) genannt zu werden. In den Jahren, um zu folgen, hat diese theoretische Basis langsam begonnen, auf die chemische Struktur, die Reaktionsfähigkeit und das Abbinden angewandt zu werden.

Elektronische Struktur

Der erste Schritt im Lösen eines Quants chemisches Problem löst gewöhnlich die Gleichung von Schrödinger (oder Gleichung von Dirac in der relativistischen Quant-Chemie) mit elektronischem molekularem Hamiltonian. Das wird genannt, die elektronische Struktur des Moleküls bestimmend. Es kann gesagt werden, dass die elektronische Struktur eines Moleküls oder Kristalls im Wesentlichen seine chemischen Eigenschaften einbezieht. Eine genaue Lösung für die Gleichung von Schrödinger kann nur für das Wasserstoffatom erhalten werden. Seit allen andere atomare oder molekulare Systeme, schließen Sie die Bewegungen von drei oder mehr "Partikeln" ein, ihre Gleichungen von Schrödinger können genau nicht gelöst werden, und so müssen ungefähre Lösungen gesucht werden.

Welle-Modell

Das Fundament der Quant-Mechanik und Quant-Chemie ist das Welle-Modell, in dem das Atom ein kleiner, dichtes, positiv beladener durch Elektronen umgebener Kern ist. Verschieden vom früheren Modell von Bohr des Atoms, jedoch, beschreibt das Welle-Modell Elektronen als "Wolken", die sich in orbitals bewegen, und ihre Positionen werden durch den Wahrscheinlichkeitsvertrieb aber nicht die getrennten Punkte vertreten. Die Kraft dieses Modells liegt in seiner prophetischen Macht. Spezifisch sagt es das Muster chemisch ähnlicher im Periodensystem gefundener Elemente voraus. Das Welle-Modell wird so genannt, weil Elektronen Eigenschaften (wie Einmischung) traditionell vereinigt mit Wellen ausstellen. Sieh Dualität der Welle-Partikel.

Wertigkeitsband

Obwohl die mathematische Basis der Quant-Chemie von Schrödinger 1926 gelegt worden war, wird es allgemein akzeptiert, dass die erste wahre Berechnung in der Quant-Chemie die der deutschen Physiker Walter Heitler und Fritz Londons auf dem Wasserstoff (H) Molekül 1927 war. Heitler und die Methode von London wurden vom amerikanischen theoretischen Physiker John C. Slater und dem amerikanischen theoretischen Chemiker Linus Pauling erweitert, um Valence-Bond (VB) [oder Heitler London Slater Pauling (HLSP)] Methode zu werden. In dieser Methode wird Aufmerksamkeit in erster Linie den pairwise Wechselwirkungen zwischen Atomen gewidmet, und diese Methode entspricht deshalb nah den Zeichnungen der klassischen Chemiker von Obligationen.

Molekular Augenhöhlen-

Eine alternative Annäherung wurde 1929 von Friedrich Hund und Robert S. Mulliken entwickelt, in dem Elektronen durch mathematische Funktionen delocalized über ein komplettes Molekül beschrieben werden. Die Hund-Mulliken-Annäherung oder Methode der molekular Augenhöhlen-(MO) sind Chemikern weniger intuitiv, aber haben sich fähig dazu erwiesen, spektroskopische Eigenschaften besser vorauszusagen, als die VB Methode. Diese Annäherung ist die begriffliche Basis der Hartree-Fock Methode und Hartree-Fock weiteren Postmethoden.

Dichte funktionelle Theorie

Das Modell von Thomas-Fermi wurde unabhängig von Thomas und Fermi 1927 entwickelt. Das war der erste Versuch, Vielelektronsysteme auf der Grundlage von der elektronischen Dichte statt Welle-Funktionen zu beschreiben, obwohl es in der Behandlung von kompletten Molekülen nicht sehr erfolgreich war. Die Methode hat wirklich die Grundlage dafür geschaffen, was jetzt als Dichte funktionelle Theorie bekannt ist. Obwohl diese Methode weniger entwickelt wird als Hartree-Fock Postmethoden, erlauben seine bedeutsam niedrigeren rechenbetonten Voraussetzungen (normalerweise nicht schlechter kletternd, als in Bezug auf Basisfunktionen) ihr, größere Polyatommoleküle und sogar Makromoleküle anzupacken. Dieser rechenbetonte affordability und häufig vergleichbare Genauigkeit zu MP2 und CCSD (post-Hartree-Fock Methoden) haben es eine der populärsten Methoden in der rechenbetonten Chemie zurzeit gemacht.

Chemische Dynamik

Ein weiterer Schritt kann daraus bestehen, die Gleichung von Schrödinger mit ganzem molekularem Hamiltonian zu lösen, um die Bewegung von Molekülen zu studieren. Die direkte Lösung der Gleichung von Schrödinger wird Quant molekulare Dynamik, innerhalb der halbklassischen Annäherung halbklassische molekulare Dynamik, und innerhalb der klassischen molekularen Mechanik-Fachwerk-Dynamik (MD) genannt. Statistische Annäherungen, mit zum Beispiel Methoden von Monte Carlo, sind auch möglich.

Adiabatische chemische Dynamik

In der adiabatischen Dynamik werden Zwischenatomwechselwirkungen durch einzelne Skalarpotenziale genannt potenzielle Energieoberflächen vertreten. Das ist die Geborene-Oppenheimer Annäherung, die von Born und Oppenheimer 1927 eingeführt ist. Den Weg bahnende Anwendungen davon in der Chemie wurden von Rice und Ramsperger 1927 und Kassel 1928 durchgeführt, und haben in die RRKM Theorie 1952 von Marcus verallgemeinert, der die Übergang-Zustandtheorie genommen hat, die von Eyring 1935 in die Rechnung entwickelt ist. Diese Methoden ermöglichen einfache Schätzungen von monomolekularen Reaktionsraten von einigen Eigenschaften der potenziellen Oberfläche.

Nichtadiabatische chemische Dynamik

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Nichtadiabatische Dynamik besteht daraus, die Wechselwirkung zwischen mehrerer verbundener potenzieller Energieoberfläche (entsprechend verschiedenen elektronischen Quant-Staaten des Moleküls) zu nehmen. Die Kopplungsbegriffe werden vibronic Kopplungen genannt. Die Pionierarbeit in diesem Feld wurde von Stueckelberg, Landauer und Zener in den 1930er Jahren, in ihrer Arbeit daran getan, was jetzt als der Übergang des Landauers-Zener bekannt ist. Ihre Formel erlaubt der Übergangswahrscheinlichkeit zwischen zwei diabatic potenziellen Kurven in der Nachbarschaft einer vermiedenen Überfahrt, berechnet zu werden.

Siehe auch

• Atomphysik
• Rechenbetonte Chemie
• Kondensierte Sache-Physik
• Internationale Akademie des Quants molekulare Wissenschaft
• Das molekulare Modellieren
• Physische Chemie
• Quant-Chemie-Computerprogramme
• Quant-Elektrochemie
• QMC@Home
• Theoretische Physik
• Elektronlokalisierungsfunktion

Weiterführende Literatur

• Denkt das Ausmaß, in der Chemie und besonders das periodische System auf die Quant-Mechanik reduziert worden ist.
• Karplus M., Porter R.N. (1971). Atome und Moleküle. Eine Einführung für Studenten der physischen Chemie, Benjamin Cummings Publishing Company, internationale Standardbuchnummer 978-0-8053-5218-4

Außenverbindungen

• Sherrill Group - bemerkt
• Lehrplan-Unterstützungsmittel von ChemViz
• Frühe Ideen in der Geschichte der Quant-Chemie
• Das Partikel-Abenteuer

Nobel liest durch Quant-Chemiker

• Nobel von Walter Kohn hält Vorlesungen
• Nobel von Rudolph Marcus hält Vorlesungen
• Nobel von Robert Mulliken hält Vorlesungen
• Nobel von Linus Pauling hält Vorlesungen
• Nobel von John Pople hält Vorlesungen