Квантовая химия

Квантовая химия — это раздел химии, который сосредоточен на применении квантовой механики к химическим системам. Цель этой области - описывать химические системы с использованием квантовой теории. Она играет ключевую роль в понимании того, как молекулы ведут себя на атомном уровне. В основе квантовой химии лежит структура, свойства и реакции молекул с точки зрения квантовой механики.

Введение в квантовую химию

Квантовая механика, фундаментальная теория в физике, предоставляет инструменты для описания физических свойств природы на наименьших масштабах. В отличие от классической механики, которая может точно предсказать поведение макроскопических объектов, квантовая механика становится незаменимой при работе с молекулами и атомами. Квантовая химия непосредственно применяет принципы квантовой механики к химическим задачам. Это позволяет химикам предсказывать молекулярные структуры, понимать химические реакции и многое другое.

Уравнение Шрёдингера

В основе квантовой химии лежит уравнение Шрёдингера — математическое уравнение, которое описывает, как меняется квантовое состояние физической системы во времени. В своей стационарной форме для частицы в потенциальной яме V, уравнение выражается как:

hΨ = eΨ

Где:

• H — оператор Гамильтона, представляющий полную энергию системы.
• Ψ (пси) — волновая функция квантовой системы.
• E — энергия, соответствующая волновой функции.

Волновая функция Ψ содержит всю информацию о системе, которую можно узнать. Плотность вероятности, заданная |Ψ|^2, говорит нам, где может быть найдена частица, например электрон, в молекуле.

Квантовые состояния и конфигурации электронов

В квантовой химии мы часто говорим о квантовых состояниях - допустимых конфигурациях, в которых может находиться система. Молекула может существовать на разных уровнях энергии, или в квантовых состояниях, которые должны удовлетворять уравнению Шрёдингера для молекулы. Конфигурация электронов, распределение электронов среди атомных или молекулярных орбиталей, дает расположение электронов в этих состояниях.

Для атома конфигурация электронов следует принципу минимальной энергии, заполняя орбитали начиная с наименьшего уровня энергии. Например, электронная конфигурация гелия:

1s²

Эта запись означает, что в 1s орбитали находятся два электрона. Конфигурация электронов важна для понимания, поскольку она управляет химическими свойствами и реактивностью элемента.

Визуальное представление орбиталей

Форма и ориентация атомных и молекулярных орбиталей могут быть визуализированы с помощью математических функций. Ниже приведено минимальное представление p орбиталей с линиями для узловой плоскости и заштрихованными областями, где плотность вероятности высока.

Это упрощенное изображение показывает две доли p орбитали, ориентированные вдоль оси z.

Теория молекулярных орбиталей

Теория молекулярных орбиталей (MO) является расширением теории атомных орбиталей, применяемой к молекулам. Эта теория описывает распределение электронов в молекулах в терминах молекулярных орбиталей, которые относятся ко всей молекуле, а не к отдельным атомам.

Когда атомы соединяются, образуя молекулы, их атомные орбитали объединяются, образуя новые орбитали, называемые молекулярными орбиталями. Эти орбитали могут быть связывающими, анти-связывающими или не-связывающими и влияют на стабильность получающейся молекулы. Рассмотрим простой случай молекулы _{H 2}. Ее конфигурация молекулярных орбиталей может быть представлена как:

(σ_1s)^2

Эта конфигурация показывает, что оба электрона занимают молекулярную орбиталь σ_1s, что способствует стабильности связи H-H.

Теория валентных связей

Теория валентных связей (VB) — это другой способ понимания химического связывания. Она сосредоточена на идее, что связи формируются, когда атомные орбитали двух атомов перекрываются и содержат пару электронов с противоположным спином. В то время как теория MO сосредоточена на всей молекуле, теория VB подчеркивает отдельные связи.

Рассмотрим простую молекулу воды H 2 O, описанную теорией VB. Атом кислорода делится электронными парами с атомами водорода, в результате чего образуется угловая молекулярная геометрия из-за отталкивания одиночных пар.

Роль вычислительной химии

Квантовая химия не только предоставляет теоретическое понимание, но и практические применения в вычислительной химии. Вычислительная область использует алгоритмы для приближенного решения уравнения Шрёдингера для молекулярных систем. Эта область исследований позволяет ученым предсказывать молекулярные свойства и поведения, которые иногда трудно наблюдать в экспериментах.

Существуют различные вычислительные методы. Популярным методом является теория функционала плотности (DFT), которая работает непосредственно с плотностью электронов, вместо того, чтобы работать с многими-электронными волновыми функциями. Это приводит к намного более простым расчетам и особенно полезно для больших молекул или сложных систем.

Квантовая химия и химические реакции

Понимание квантовой химии важно для предсказания и объяснения химических реакций. Механизмы реакций могут быть определены анализом квантовых состояний реагентов, промежуточных продуктов и продуктов. Энергии активации, скорости реакций и переходные состояния объясняются и рассчитываются с использованием принципов квантовой химии.

Заключение

Квантовая химия объединяет абстрактные принципы квантовой механики с осязаемой реальностью химических систем, создавая всеобъемлющую картину микроскопического мира. Эта дисциплина продвигает наше понимание молекулярных структур, связывания, реактивности и преобразования энергии на фундаментальном уровне. По мере развития технологий, разрыв между теоретическими моделями и практическими применениями продолжает расти, стимулируя инновации в материаловедении, фармацевтике и понимании фундаментальных биологических процессов.

Комментарии