Кіріспе

Кванттық физикаға негізделген химия. Кванттық химия, сондай-ақ молекулалық кванттық механика деп аталады, – химиялық жүйелерге кванттық механиканы қолдануға бағытталған физикалық химияның бір саласы. Оның ерекше назары молекулалардың, материалдардың және ерітінділердің физикалық және химиялық қасиеттеріне электрондық үлестердің кванттық механикалық есептеулеріне шоғырланған. Бұл есептеулерге жүйелі түрде қолданылатын жуықтаулар кіреді, олар есептеулерді есептеу жағынан орындауға мүмкіндік береді, сонымен бірге есептелген толқындық функцияларға, құрылымдарға, спектрлерге және термодинамикалық қасиеттерге қатысты маңызды ақпаратты қамтиды. Кванттық химия молекулалық динамика мен химиялық кинетикаға кванттық эффектілердің әсерін есептеумен де айналысады. Химиктер спектроскопияға көп сенеді, оның көмегімен молекулалық деңгейде энергияның квантталуы туралы ақпарат алуға болады. Көп қолданылатын әдістерге инфрақызыл (ИҚ) спектроскопиясы, ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы және зондтық микроскопия жатады. Кванттық химия спектроскопиялық және басқа да эксперименталдық деректерді болжау және тексеру үшін қолданылуы мүмкін. Көптеген кванттық химиялық зерттеулер жеке атомдар мен молекулалардың электрондық негізгі және қозу күйлерін, сондай-ақ химиялық реакциялар кезінде жүретін реакция жолдары мен аралық күйлерді зерттеуге бағытталған. Спектроскопиялық қасиеттерді де болжауға болады. Әдетте, мұндай зерттеулер электрондық толқындық функцияның ядролық координаталармен (яғни Борн-Оппенгеймер жуықтауы) адиабатикалық түрде параметрленгенін болжайды. Жартылай эмпирикалық әдістер, тығыздық функционалдық теориясы, Хартри-Фок есептеулері, кванттық Монте-Карло әдістері және кластерлік әдістер сияқты әртүрлі тәсілдер қолданылады. Шредингер теңдеуіне есептеулік шешімдерді әзірлеу арқылы электрондық құрылымды және молекулалық динамиканы түсіну кванттық химияның басты мақсаты болып табылады. Бұл саланың прогресі бірнеше қиындықтарды жеңуге байланысты, соның ішінде кішкентай молекулалық жүйелер үшін нәтижелердің дәлдігін арттыру және есептеулерге нақты қолдануға болатын үлкен молекулалардың көлемін ұлғайту қажеттігі. Бұл, өз кезегінде, масштабтау факторларымен шектеледі – есептеу уақыты атомдар санының күші ретінде өседі.

Тарих

Кейбіреулер кванттық химияның пайда болуын Шредингер теңдеуін ашудан және оны сутек атомына қолданудан бастайды. Дегенмен, 1927 жылғы Уолтер Гейтлердің (1904–1981) және Фриц Лондонның мақаласы кванттық химия тарихындағы маңызды кезең ретінде жиі танылады. Бұл кванттық механиканың ди-атомдық сутек молекуласына, демек химиялық байланыс құбылысына алғашқы қолданылуы болды. Алайда, осыған дейін, Гильберт Н. Льюис өзінің 1916 жылғы «Атом және молекула» атты жұмысында маңызды тұжырымдамалық негізді ұсынды, онда Льюис валентті электрондардың алғашқы жұмыс моделін жасады. Йошикацу Сугиура және С. С. Ван да маңызды үлес қосты. 1930 жылдар бойына жазылған Линус Паулингтің мақалалар сериясы Гейтлер, Лондон, Сугиура, Ван, Льюис және Джон С. Слейтердің валенттілік туралы жұмыстарын және оның кванттық механикалық негіздерін жаңа теориялық аяға біріктірді. Көптеген химиктер Паулингтің 1939 жылғы «Химиялық байланыстың табиғаты және молекулалар мен кристалдардың құрылымы: қазіргі заманғы құрылымдық химияға кіріспе» атты мәтіні арқылы кванттық химия саласымен танысты, онда ол осы жұмысты (қазіргі уақытта валенттік байланыс теориясы деп кеңінен аталады) қорытындылады және кванттық механиканы химиктерге түсінікті болатын тәсілмен түсіндірді. Бұл мәтін көп ұзамай көптеген университеттерде стандартты оқулыққа айналды. 1937 жылы Ханс Хеллман кванттық химия бойынша орыс және неміс тілдерінде алғашқы кітапты жариялаған болып көрінеді. Одан кейінгі жылдары бұл теориялық негіз химиялық құрылымды, реакциялық қабілеттілікті және байланысты зерттеуге баяу-баяу қолданыла бастады. Жоғарыда аталған зерттеушілерден басқа, осы саланың алғашқы жылдарында Ирвинг Лангмюир, Роберт С. Мулликен, Макс Борн, Дж. Роберт Оппенгеймер, Ханс Хеллман, Мария Гепперт Майер, Эрих Гюкель, Дуглас Хартри, Джон Леннард-Джонс және Владимир Фок маңызды прогресс жасады және үлкен үлес қосты.

Электрондық құрылым

Атомның немесе молекуланың электрондық құрылымы – оның электрондарының кванттық жай-күйі. Кванттық химиялық есепті шешудің алғашқы қадамы, әдетте, Шредингер теңдеуін (немесе релятивистік кванттық химияда Дирак теңдеуін) электрондық молекулалық Гамильтон операторымен шешу болып табылады, көбінесе Борн-Оппенгеймер (B O) жуықтауын қолданады. Бұл молекуланың электрондық құрылымын анықтау деп аталады. Релятивистік емес Шредингер теңдеуіне нақты шешім тек сутек атомы үшін ғана қолжетімді (бірақ сутек молекулалық ионының байланысқан күй энергияларының нақты шешімдері B O жуықтауы шеңберінде жалпыланған Ламберт W функциясы арқылы анықталған). Барлық басқа атомдық және молекулалық жүйелер үш немесе одан көп "бөлшектің" қозғалысын қамтитындықтан, олардың Шредингер теңдеулерін аналитикалық түрде шешу мүмкін емес, сондықтан жуықтап және/немесе есептеу арқылы шешімдер іздеу қажет. Бұл мәселелерді есептеу әдістерімен шешу процесі – есептеу химиясы деп аталатын саланың бір бөлігі.

Молекулалық орбитальдық теория

Валенттілік байланыстар теориясына баламалы көзқарас 1929 жылы Фридрих Хунд пен Роберт С. Мулликен жасады, онда электрондар бүкіл молекула бойынша кеңейтілген математикалық функциялармен сипатталады. Хунд-Мулликен әдісі немесе молекулалық орбиталь (MO) әдісі химиктерге интуитивті болмаса да, VB әдісінен спектроскопиялық қасиеттерді жақсы болжауға қабілетті екенін көрсетті. Бұл тәсіл Хартри-Фок әдісінің және одан кейінгі Хартри-Фок әдістерінің концептуалдық негізі болып табылады.

Тығыздық функционалдық теориясы

Томас-Ферми моделі Томас пен Фермидің 1927 жылы тәуелсіз түрде әзірленді. Бұл толқындық функциялардың орнына электрондық тығыздық негізінде көпэлектронды жүйелерді сипаттауға жасалған алғашқы тыраш, бірақ толық молекулаларды зерттеуде аса сәтті болмады. Бұл әдіс қазір тығыздық функционалдық теориясы (DFT) деп аталатын теорияның негізін қалады. Қазіргі DFT Kohn-Sham әдісін қолданады, онда тығыздық функционалы төрт компонентке бөлінеді: Kohn-Sham кинетикалық энергиясы, сыртқы потенциал, алмасу және корреляциялық энергиялар. DFT-ны дамыту жұмысының көп бөлігі алмасу және корреляциялық компоненттерді жақсартуға бағытталған. Бұл әдіс Хартри-Фок әдістерінен кейінгі әдістерге қарағанда кем дамыған болғанымен, есептеу шығындарының айтарлықтай төмендігі (таза функционалдар үшін n негіздік функциялар санына қатысты n³-тен нашар емес масштабталуы) үлкен полиатомдық молекулаларды және тіпті макромолекулаларды зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл есептеуге қолайлылығы және көбінесе MP2 және CCSD(T) (Хартри-Фок әдістерінен кейінгі әдістер) әдістерімен салыстыратын дәлдігі оны есептеу химиясындағы ең танымал әдістердің біріне айналдырды.

Химиялық динамика

Молекулалардың қозғалысын зерттеу үшін, толық молекулалық Гамильтон операторымен Шредингер теңдеуін шешу мүмкін. Шредингер теңдеуін тікелей шешу кванттық динамика деп аталады, ал оның жартылай классикалық жуықтаумен шешімі – жартылай классикалық динамика. Молекулалық қозғалыстың таза классикалық модельдеуі молекулалық динамика (МД) деп аталады. Динамикаға тағы бір тәсіл – аралас кванттық-классикалық динамика деп аталатын гибридтік әдіс; тағы бір гибридтік әдіс молекулалық динамикаға кванттық түзетулер енгізу үшін Фейнманның жол интегралы тұжырымын пайдаланады, бұл жол интегралды молекулалық динамика деп аталады. Статистикалық әдістер, мысалы классикалық және кванттық Монте-Карло әдістерін қолдану да мүмкін, және олар күйлердің тепе-теңдік таралуын сипаттау үшін ерекше пайдалы.

Адиабатикалық химиялық динамика

Адиабатикалық динамикада атомдар арасындағы өзара әрекеттесулер потенциалдық энергия беттері деп аталатын бір скалярлық потенциалдармен көрсетіледі. Бұл 1927 жылы Борн мен Оппенгеймер енгізген Борн-Оппенгеймер жуықтауы. Химия саласында осының алғашқы қолданылуын 1927 жылы Райс пен Рамспергер, 1928 жылы Кассель жүзеге асырды, ал 1935 жылы Айринг дамытқан өткізу күйі теориясын ескере отырып, Маркус 1952 жылы RRKM теориясына жалпылады. Бұл әдістер потенциалдық беттің негізгі қасиеттері арқылы мономолекулалық реакциялардың жылдамдығын шамалауға мүмкіндік береді.

Адиабатикалық емес химиялық динамика

Адиабатикалық емес динамика – бірнеше байланысқан потенциалдық энергия беттерінің (молекуланың әртүрлі электрондық кванттық күйлеріне сәйкес келетін) өзара әрекеттесуін қарастырудан тұрады. Бұл өзара әрекеттесу шарттары виброникалық байланыстар деп аталады. Осы саладағы алғашқы жұмыстар 1930 жылдары Стюкельберг, Ландау және Зенер есімдерімен байланысты, олар қазір Ландау-Зенер ауысуы деп танылатын мәселені зерттеді. Олардың формуласы екі адиабатикалық потенциалдық қисық арасындағы, қашықталатын нүктелер маңындағы ауысу ықтималдығын есептеуге мүмкіндік береді. Спинге қатысты шектеулер сақталатын реакциялар – адиабатикалық емес реакциялардың бір түрі, онда реактивтерден өнімге өту кезінде спин күйі кем дегенде бір рет өзгереді.