Можно ли посчитать химию? Квантовая химия

Можно ли посчитать химию? С трудом и только простые молекулы. Это пытается делать квантовая химия, выстраивая различные модели химической связи. На основе квантовой механики рассматриваются строение и свойства химических соединений, реакционная способность, кинетика и механизм химических реакций.

Из-за сложности объектов применяют приближенные методы расчета (например, метод молекулярных орбиталей).

Компьютерная (вычислительная) химия — дисциплина, использующая математические методы для расчета молекулярных свойств, амплитуды вероятности нахождения электронов в атомах, симуляции молекулярного поведения.

Вычислительная квантовая химия позволяет рассчитывать с достаточно высокой точностью такие важные характеристики молекул, как равновесные межъядерные расстояния и валентные углы, энергии химических связей, барьеры внутреннего вращения и барьеры перехода между различными конформациями, энергии активации простейших химических реакций, а также величины, которые затруднительно или даже невозможно определить экспериментально (например, энергии и геометрический параметры молекул в возбужденных состояниях, вероятности квантовых переходов и т. п.).

На основе квантовой химии разработана теория электронных спектров поглощения и люминесценции молекул, фотоэлектронных и рентгеноэлектронных спектров. Квантовая теория электрических и магнитных свойств молекул способствовала внедрению в химию физических методов исследования, в частности электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса и ядерного квадрупольного резонанса, и значительно облегчила интерпретацию экспериментальных результатов.

Методы квантовой химии используются в молекулярной биологии, например, для расчета моделей биологических мембран, моделирования работы мышцы. Результаты квантовохимических расчетов совместно с данными, получаемыми методами теоретической физики, начинают использовать в материаловедении для направленного создания материалов с заданными свойствами, органических полупроводников, композиционных материалов.

Химическая связь — явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. По современным представлениям химическая связь между атомами имеет электростатическую природу. Под химической связью понимают электрические силы притяжения, удерживающие частицы друг около друга. В объеме физического тела 99% - химическая связь, 1% - масса (ядра атомов).

Главное отличие химической связи от других видов взаимодействия между атомами заключается в том, что ее образование определяется изменением состояния электронов в молекуле по сравнению с исходными атомами. Различают следующие виды химической связи: ковалентная (полярная и неполярная; обменная и донорно-акцепторная), ионная, водородная и металлическая.

Собственно химия начинается там, где имеется факт образования между частицами химической связи. Например, натрий и хлор по отдельности — очень вредные вещества, а в результате взаимодействия образуют ионную связь и превращаются в абсолютно необходимую нам поваренную соль (хлорид натрия). А вот столкновение бильярдных шаров — процесс физический: было два шара и разлетелись два шара.

Институтов квантовой химии в России нет. Есть отделы и лаборатории квантовой или теоретической химии в ведущих академических институтах. Можно почитать: Грибов Л. А. Квантовая химия: Учебник. М.: Гардарики, 1999.