Teoretická chemie - Theoretical chemistry

J. van 't Hoff (1852–1911), první vítěz soutěže Nobelova cena za chemii, je široce považován za jednoho z nejskvělejších teoretických chemiků v historii.

Teoretická chemie je obor chemie, který vyvíjí teoretická zobecnění, která jsou součástí teoretického arzenálu moderní chemie: například pojmy chemické vazby, chemické reakce, valence, povrch potenciální energie, molekulární orbitaly, orbitální interakce a aktivace molekul.

Přehled

Teoretická chemie spojuje principy a koncepty společné pro všechna odvětví chemie. V rámci teoretické chemie dochází k systematizaci chemických zákonů, principů a pravidel, jejich zdokonalování a rozpracování, konstrukci hierarchie. Ústřední místo v teoretické chemii zaujímá doktrína vzájemného propojení struktury a vlastností molekulárních systémů. Využívá matematické a fyzikální metody k vysvětlení struktur a dynamiky chemických systémů a ke korelaci, porozumění a předpovědi jejich termodynamických a kinetických vlastností. V nejobecnějším smyslu jde o vysvětlení chemických jevů metodami teoretická fyzika. Na rozdíl od teoretické fyziky, v souvislosti s vysokou složitostí chemických systémů, používá teoretická chemie kromě přibližných matematických metod také semi-empirické a empirické metody.

V posledních letech se skládala převážně z kvantová chemie, tj. aplikace kvantové mechaniky na problémy v chemii. Mezi další hlavní součásti patří molekulární dynamika, statistická termodynamika a teorie roztoky elektrolytů, reakční sítě, polymerizace, katalýza, molekulární magnetismus a spektroskopie.

Moderní teoretickou chemii lze zhruba rozdělit na studium chemické struktury a studium chemické dynamiky. První zahrnuje studie: elektronické struktury, povrchů potenciální energie a silových polí; vibračně-rotační pohyb; rovnovážné vlastnosti systémů kondenzované fáze a makromolekul. Chemická dynamika zahrnuje: bimolekulární kinetiku a kolizní teorii reakcí a přenosu energie; teorie unimolekulární rychlosti a metastabilní stavy; kondenzované fáze a makromolekulární aspekty dynamiky.

Obory teoretické chemie

Kvantová chemie
Aplikace kvantová mechanika nebo základní interakce s chemickými a fyzikálně-chemickými problémy. Spektroskopické a magnetické vlastnosti patří mezi nejčastěji modelované.
Výpočetní chemie
Aplikace vědecké výpočty k chemii, zahrnující aproximační schémata jako např Hartree – Fock, post-Hartree – Fock, hustota funkční teorie, semiempirické metody (jako PM3 ) nebo silové pole metody. Molekulární tvar je nejčastěji předpovídanou vlastností. Počítače mohou také předpovídat vibrační spektra a vibronové vazby, ale také získávat a Fourierova transformace infračervených dat na informace o frekvenci. Porovnání s předpokládanými vibracemi podporuje předpokládaný tvar.
Molekulární modelování
Metody modelování molekulárních struktur bez nutnosti odkazovat na kvantovou mechaniku. Příklady jsou molekulární dokování, dokování protein-protein, design léku, kombinatorická chemie. Přizpůsobení tvaru a elektrického potenciálu jsou hnacím faktorem v tomto grafickém přístupu.
Molekulární dynamika
Aplikace klasická mechanika pro simulaci pohybu jader sestavy atomů a molekul. Přeskupení molekul v souboru je řízeno Van der Waalsovými silami a podporováno teplotou.
Molekulární mechanika
Modelování intra- a inter-molekulární interakce povrchy potenciální energie prostřednictvím potenciálů. Ty jsou obvykle parametrizovány z ab initio výpočtů.
Matematická chemie
Diskuse a predikce molekulární struktury pomocí matematických metod, aniž by se nutně odkazovalo na kvantovou mechaniku. Topologie je odvětví matematiky, které umožňuje vědcům předpovídat vlastnosti pružných těles konečné velikosti, jako jsou shluky.
Teoretický chemická kinetika
Teoretické studium dynamické systémy spojené s reaktivní Chemikálie, aktivovaný komplex a jejich odpovídající diferenciální rovnice.
Cheminformatika (také známý jako chemoinformatika)
Využití počítačových a informačních technik aplikovaných na informace o plodinách při řešení problémů v oblasti chemie.

Úzce související disciplíny

Historicky byla hlavní oblast aplikace teoretické chemie v následujících oblastech výzkumu:

  • Atomová fyzika: Disciplína zabývající se elektrony a atomovými jádry.
  • Molekulární fyzika: Disciplína elektronů obklopujících molekulární jádra a pohyb jader. Tento termín obvykle označuje studium molekul složených z několika atomů v plynné fázi. Někteří se však domnívají, že molekulární fyzika je také studiem objemových vlastností chemických látek z hlediska molekul.
  • Fyzikální chemie a chemická fyzika: Chemie vyšetřována pomocí fyzikálních metod jako laser techniky, skenovací tunelovací mikroskop atd. Formální rozdíl mezi oběma poli spočívá v tom, že fyzikální chemie je odvětví chemie, zatímco chemická fyzika je odvětví fyziky. V praxi je tento rozdíl velmi vágní.
  • Teorie mnoha těl: Disciplína studující účinky, které se objevují v systémech s velkým počtem složek. Je to založeno na kvantová fyzika - většinou druhá kvantizace formalismus - a kvantová elektrodynamika.

Teoretická chemie se proto ukázala jako obor výzkumu. Se vzestupem hustota funkční teorie a další metody jako molekulární mechanika, rozsah použití byl rozšířen na chemické systémy, které jsou relevantní pro jiné oblasti chemie a fyziky, včetně biochemie, fyzika kondenzovaných látek, nanotechnologie nebo molekulární biologie.

Viz také

Bibliografie

  • Attila Szabo a Neil S. Ostlund, Moderní kvantová chemie: Úvod do pokročilé teorie elektronické struktury, Dover Publications; New Ed edition (1996) ISBN  0-486-69186-1, ISBN  978-0-486-69186-2
  • Robert G. Parr a Weitao Yang, Hustota-funkční teorie atomů a molekul, Oxford Science Publications; poprvé publikováno v roce 1989; ISBN  0-19-504279-4, ISBN  0-19-509276-7
  • DJ Tannor, V. Kazakov a V. Orlov, Řízení fotochemického větvení: Nové postupy pro hledání optimálních pulzů a globálních horních mezí, v kvantové molekulární dynamice závislé na čase, J. Broeckhove a L. Lathouwers, eds., 347-360 (Plenum 1992)