Teorētiskā ķīmija — definīcija, kvantu ķīmija un molekulārā dinamika
Teorētiskā ķīmija: kvantu ķīmija, molekulārā dinamika, modeļi un prognozes molekulu īpašībām — matemātika un datoru simulācijas, kas skaidro ķīmiskos procesus.
Teorētiskā ķīmija cenšas izskaidrot ķīmijas eksperimentos iegūtos datus. Tā izmanto matemātiku un datorus. Teorētiskā ķīmija paredz, kas notiek, kad atomi apvienojas, veidojot molekulas. Tā arī paredz molekulu ķīmiskās īpašības (raksturlielumus). Svarīga teorētiskās ķīmijas daļa ir kvantu ķīmija. Tā izmanto kvantu mehāniku, lai izprastu valentību (elementu atomu veidoto saišu skaitu). Citas svarīgas daļas ir molekulārā dinamika, statistiskā termodinamika un elektrolītu šķīdumu, reakciju tīklu, polimerizācijas un katalīzes teorijas.
Kas ietilpst teorētiskajā ķīmijā
Teorētiskā ķīmija aptver metodes un pieejas, kas ļauj aprēķināt un prognozēt molekulārus procesus. Galvenās sadaļas un metodes:
- Kvantu ķīmija: elektroniskās struktūras aprēķini, kas nodrošina informāciju par enerģijām, molekulu ģeometrijām, elektronu blīvumu un spektroskopiskajiem parametriem.
- Ab initio un semi‑empīriskās metodes: Hartree–Fock (HF), post‑HF metodes (piem., MP2, CCSD(T)) un semiempīriskās metodes, kas izmanto vienādojumus vai pielāgotus parametrus.
- Bloku‑funkciju metodes: blīvuma funkcionāla teorija (DFT), plaši izmantota, jo nodrošina labu precizitātes/izmaksu attiecību.
- Molekulārā dinamika (MD): klasiskā MD ar spēka laukiem un ab initio MD (piem., Car–Parrinello vai Born–Oppenheimer), kas izseko atomu kustību laika gaitā.
- Monte Karlo metodes: statistiskās paraugu ņemšanas paņēmieni termodinamiskai īpašību aprēķināšanai un fāzu uzvedības modelēšanai.
- Statistiskā termodinamika: sasaista mikroskopiskos aprēķinus ar makroskopiskiem lielumiem (entalpija, entropija, brīvā enerģija, reakciju konstantes).
- Solventu un elektrolītu modeļi: eksplizīti šķīdumi, sekvestrācijas un kontinuuma modeļi (piem., PCM) elektrolītu ietekmes aprēķināšanai.
Būtiskie jēdzieni
- Potenciālā enerģijas virsma (PES): enerģijas atkarība no atomu koordinātām — tās minima atbilst stabilām ģeometrijām, savukārt pārejas stāvokļi (transition states) nosaka reakcijas barjeras.
- Bāzes kopas: matemātiskas funkcijas, kuras izmanto viļņu funkcijas vai blīvuma aprēķinos; to izvēle ietekmē rezultātu precizitāti un skaitļošanas laiku.
- Elektronu korelācija: atšķirība starp precīzu elektroniskās sistēmas rādījumu un Hartree–Fock aproksimāciju; to ņem vērā ar post‑HF metodēm vai ar DFT ar piemērotu funkcionalu.
- Termiskā un laika mērogi: MD simulācijas prasa laika soli (femtosekundes) un mēdz būt ierobežotas laika skalas dēļ; tas ietekmē procesus, kurus var tieši modelēt.
Praktiskās pieejas un programmatūra
Teorētiskās ķīmijas aprēķini tiek veikti ar speciālu programmatūru un lieljaudas datoriem. Bieži izmantošanas rīki sniedz iespēju aprēķināt optimālās molekulu ģeometrijas, vibrāciju frekvences, UV/Vis un IR spektroskopijas parametrus, enerģijas barjeras un reakciju ceļus. Mūsdienu aprēķinos izmanto paralelizāciju un GPU skaitļošanu, lai risinātu lielākas sistēmas un ilgākus laika intervālus.
Pielietojumi
- Reakciju mehānismu izpēte un aktivācijas enerģiju aprēķini.
- Spektroskopijas interpretācija — palīdz sasaistīt eksperimentus ar molekulārajām struktūrām.
- Materiālu un katalizatoru dizains — nākotnes materiālu un aktīvo centru optimizācija.
- Farmaceitiskā izpēte — savienojumu savietošanās ar mērķproteīniem, šūnu membrānu īpašību modelēšana.
- Polimerizācijas un makromolekulu uzvedības modelēšana, arī elektrolītu un šķīdumu pētījumi.
Stiprās puses un ierobežojumi
Teorētiskā ķīmija spēj sniegt detalizētu molekulāru izpratni un palīdzēt interpretēt eksperimentus. Tomēr tai ir ierobežojumi:
- Aprēķinu precizitāte ir atkarīga no izvēlētajām metodēm un bāzes kopām.
- Daudzas precīzākas metodes (piem., augstākie post‑HF līmeņi) ir ļoti dārgas skaitļošanas ziņā.
- Laika un telpas mērogi var ierobežot iespējas tieši simulēt gaūstos (retos) notikumus vai ļoti lielas sistēmas bez papildu aptuveni pieejām.
- DFT rezultāti ir jutīgi pret izvēlēto apmaiņas‑korelācijas funkcionalu; funkcionalu izvēle var ietekmēt secinājumus.
Kopsavilkums
Teorētiskā ķīmija ir starpdisciplināra joma, kas apvieno ķīmiju, fiziku, matemātiku un datorzinātni. Tā sniedz kvantitatīvus rīkus molekulāro struktūru un reakciju izpratnei, palīdz prognozēt īpašības un attīstīt jaunus materiālus un procesu risinājumus. Apvienojot kvantu ķīmiju, molekulāro dinamiku un statistisko termodinamiku, pētnieki var sasaistīt mikroskopiskos mehānismus ar makroskopiskām novērojamām īpašībām.
Pārskats
Teorētiskie ķīmiķi izmanto dažādus rīkus. Šie rīki ietver analītiskos modeļus (piemēram, LCAO-MO, lai aproksimētu elektronu uzvedību molekulās) un skaitliskās un skaitliskās simulācijas.
Ķīmijas teorētiķi rada teorētiskos modeļus. Pēc tam viņi atrod lietas, ko eksperimentālie ķīmiķi var izmērīt, izmantojot šos modeļus. Tas palīdz ķīmiķiem meklēt datus, kas var pierādīt, ka modelis neatbilst patiesībai. Dati palīdz izvēlēties starp vairākiem atšķirīgiem vai pretējiem modeļiem.
Ja dati neatbilst modelim, ķīmiķi cenšas veikt vismazākās izmaiņas modelī, lai tas atbilstu datiem, lai tie atbilstu datiem. Dažos gadījumos ķīmiķi izmet modeli, ja laika gaitā tam neatbilst daudzi dati.
Teorētiskajā ķīmijā izmanto fiziku, lai izskaidrotu vai prognozētu ķīmiskos novērojumus. Pēdējos gados tā galvenokārt ir saistīta ar kvantu ķīmiju (kvantu mehānikas pielietošana ķīmijas problēmām). Teorētiskās ķīmijas galvenās daļas ir elektroniskā struktūra, dinamika un statistiskā mehānika.
Visas šīs jomas tiek izmantotas ķīmisko reaktivitāšu prognozēšanas procesā. Citas, ne tik centrālās pētniecības jomas, ietver tilpuma ķīmijas matemātisko aprakstu dažādās fāzēs. Ķīmiķi teorētiķi vēlas izskaidrot ķīmisko kinētiku (molekulu savienošanās ceļu).
Daudzus no šiem darbiem zinātnieki dēvē par "skaitļošanas ķīmiju". Izrēķinu ķīmija parasti izmanto teorētisko ķīmiju, lai risinātu rūpnieciskas un praktiskas problēmas. Izrēķinu ķīmijas piemēri ir projekti, kuru mērķis ir aproksimēt ķīmiskos mērījumus, piemēram, dažāda veida posthartrī-Foka, blīvuma funkcionālās teorijas, pusempīriskās metodes (piemēram, PM3) vai spēku lauku metodes. Daži ķīmijas teorētiķi izmanto statistisko mehāniku, lai radītu saikni starp mikroskopiskajām kvantu pasaules parādībām un sistēmu makroskopiskajām tilpuma īpašībām.
Galvenās teorētiskās ķīmijas jomas
Kvantu ķīmija
Kvantu mehānikas izmantošana ķīmijā
Datorkodeksu izmantošana ķīmijā
Molekulārā modelēšana
Metodes molekulāro struktūru modelēšanai bez obligātas atsauces uz kvantu mehāniku. Piemēram, molekulārā doķēšana, proteīnu-proteīnu doķēšana, zāļu dizains, kombinatoriskā ķīmija.
Molekulārā dinamika
Klasiskās mehānikas pielietojums atomu un molekulu kopas kodolu kustības simulēšanai.
Molekulārā mehānika
Iekšmolekulārās un starpmolekulārās mijiedarbības potenciālās enerģijas virsmu modelēšana, izmantojot mijiedarbības spēku summu.
Matemātiskā ķīmija
Molekulārās struktūras apspriešana un prognozēšana, izmantojot matemātiskās metodes, ne vienmēr atsaucoties uz kvantu mehāniku.
Teorētiskā ķīmiskā kinētika
Ar reaktīvām ķīmiskām vielām saistītu dinamisko sistēmu un tām atbilstošo diferenciālvienādojumu teorētiska izpēte.
Ķīmiskā informātika (pazīstama arī kā ķīmiskā informātika)
Datortehnikas un informācijas metožu izmantošana, ko piemēro dažādām problēmām ķīmijas jomā.
Saistītās lapas
Vēsturiski pētnieki izmanto teorētisko ķīmiju, lai pētītu:
- Atomu fizika: elektroni un atomu kodoli.
- Molekulārā fizika: elektroni, kas apņem molekulu kodolus, un kodolu kustība. Šis termins parasti attiecas uz molekulu, kas sastāv no dažiem atomiem gāzes fāzē, izpēti. Taču daži uzskata, ka molekulārā fizika ir arī ķīmisko vielu tilpuma īpašību izpēte molekulu izteiksmē.
- Fizikālā ķīmija un ķīmiskā fizika: izmantojot fizikālās metodes, piemēram, lāzera metodes, skenēšanas tuneļmikroskopu u. c. Formālā atšķirība starp abām jomām ir tāda, ka fizikālā ķīmija ir ķīmijas nozare, bet ķīmiskā fizika ir fizikas nozare. Tā nav skaidra atšķirība.
- Daudzu ķermeņu teorija: efekti, kas parādās sistēmās ar lielu sastāvdaļu skaitu. Tās pamatā ir kvantu fizika - galvenokārt otrās kvantizācijas formālisms - un kvantu elektrodinamika.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir teorētiskā ķīmija?
A: Teorētiskā ķīmija ir zinātnes nozare, kas izmanto matemātiku un skaitļošanas analīzi, lai izskaidrotu ķīmijas eksperimentu datus, prognozētu, kas notiek, atomiem savienojoties molekulās, un paredzētu molekulu ķīmiskās īpašības.
J: Kāda veida analīzi izmanto?
A: Teorētiskajā ķīmijā izmanto matemātiku un skaitļošanas analīzi.
J: Kā tā palīdz izskaidrot ķīmijas eksperimentos iegūtos datus?
A: Teorētiskā ķīmija mēģina izskaidrot ķīmijas eksperimentos iegūtos datus, izmantojot matemātiku un skaitļošanas analīzi.
J: Ko tā var paredzēt par atomu savienošanos, veidojot molekulas?
A: Teorētiskā ķīmija var paredzēt, kas notiek, kad atomi apvienojas, veidojot molekulas.
J: Kāda veida prognozes par molekulu ķīmiskajām īpašībām?
A: Teorētiskā ķīmija prognozē molekulu ķīmiskās īpašības (īpašības).
Vai kvantu ķīmija ir svarīga teorētiskās ķīmijas daļa?
A: Jā, kvantu ķīmija ir svarīga teorētiskās ķīmijas daļa.
Meklēt