chemia kwantowa

chemia kwantowa,

dział chemii teoret. zajmujący się badaniem układów chem. za pomocą metod mechaniki kwantowej;

obejmuje teorię budowy atomów i cząsteczek, teorię oddziaływań między nimi i teorię procesów chemicznych. W szczególności do zakresu badań chemii kwantowej należy struktura elektronowa atomów i cząsteczek, natura i trwałość wiązań chem., proces łączenia się atomów w cząsteczki, aktywność chem. cząsteczek, szybkość reakcji chemicznych. Chemia kwantowa umożliwia obliczanie wielkości charakteryzujących badane układy i dostępnych pomiarom, jak energia wiązań chem., kąty między wiązaniami, odległości międzyatomowej, momenty elektryczne i magnet., energia stanów wzbudzonych, prawdopodobieństwa przejść między różnymi stanami, potencjały jonizacyjne; umożliwia też zrozumienie elementarnych procesów chem. i stwarza teoret. podstawy interpretacji wyników doświadczalnych.

Rozwiązywanie zagadnień chemii kwantowej sprowadza się w zasadzie do rozwiązania niezależnego od czasu równania Schrödingera dla danego układu, tj. obliczenia energii i funkcji falowej tego układu w określonym stanie. W praktyce ścisłe rozwiązanie tego równania jest możliwe tylko w odniesieniu do atomu najprostszego — jednoelektronowego (atom wodoru) i niektórych modelowych układów (np. swobodna cząstka). Układy bardziej skomplikowane (wieloelektronowe i wieloatomowe) wymagają stosowania przybliżonych metod obliczeniowych, z których najważniejszymi są: metoda wiązań walencyjnych i metoda orbitali molekularnych. Metody te wymagają bardzo skomplikowanych obliczeń i stosowanie ich na szerszą skalę stało się możliwe dopiero dzięki zastosowaniu komputerów. W odniesieniu do cząsteczek dużych (związki org., związki koordynacyjne) opracowuje się zwykle metody półempiryczne, w których pewne wielkości zdefiniowane teoretycznie (np. całki) traktuje się jako parametry empiryczne, ustalając ich wartości tak, aby dla wybranych układów wzorcowych wyniki teoret. były zgodne z doświadczalnymi. W badaniach układów wzajemnie ze sobą reagujących, ze względu na ich złożoność w porównaniu z cząsteczkami izolowanymi, chemia kwantowa musi ponadto posługiwać się metodami stosowanymi w termodynamice i fizyce statystycznej. Coraz szersze zastosowanie metod chemii kwantowej do układów i procesów biol. doprowadziło do wyodrębnienia się biochemii kwantowej jako samodzielnego działu.

Powstanie chemii kwantowej zapoczątkowały badania E.U. Condona, W. Heitlera i F. Londona, wyjaśniające 1927 wiązanie chem. w cząsteczce wodoru H₂; jako oddzielna dyscyplina nauki chemia kwantowa wyodrębniła się po II wojnie świat.; jej rozwój jest ściśle związany z rozwojem nowoczesnej techniki obliczeniowej; stosowanie komputerów umożliwia dokładne wykonywanie bardzo skomplikowanych obliczeń w odniesieniu do coraz bardziej złożonych układów i jest ograniczone jedynie szybkością komputerów i wielkością ich pamięci. W Polsce badania nauk. w zakresie chemii kwantowej prowadzi się gł. w Krakowie, Poznaniu, Toruniu, Warszawie i Wrocławiu. Jednym z twórców ch.k. w Polsce jest W. Kołos.

W 1967 utworzono Międzynar. Akad. Nauk Kwantowo-Molekularnych z siedzibą w Mentonie (Francja) organizującą co 3 lata Międzynar. Kongresy Chemii Kwantowej oraz przyznającą co roku medal za osiągnięcia nauk. w tej dziedzinie (Kołos 1967, B. Jeziorski 1987). Prace z zakresu chemii kwantowej są publikowane w „International Journal of Quantum Chemistry” wyd. w Nowym Jorku, „Theoretica Chimica Acta” wyd. w Berlinie oraz „Molecular Physics” ukazującym się w Londynie.

Bibliografia

A.G. GOŁĘBIEWSKI Elementy mechaniki i chemii kwantowej, Warszawa 1982;

W. KOŁOS Elementy chemii kwantowej sposobem niematematycznym wyłożone, Warszawa 1984;

tenże Chemia kwantowa, Warszawa 1987;

W. KOŁOS, J. SADLEJ Atom i cząsteczka, Warszawa 1998;

R.F. NALEWAJSKI Podstawy i metody chemii kwantowej, Kraków 1998.