Квантовая химия — это дисциплина на стыке химии и философии, которая объясняет химические явления через законы квантовой механики. Она помогает объяснить процессы, которые невозможно понять с точки зрения классической химии: почему атомы образуют именно такие связи, откуда берутся спектры, почему молекулы имеют определённую форму, как электроны распределяются в пространстве.
Что изучает квантовая химия
Квантовая химия исследует строение атомов и молекул, основываясь на уравнении Шрёдингера и поведении электронов как квантовых объектов. Квантовая химия сформировалась из уравнения Шрёдингера, но на этом история дисциплины не заканчивается. Когда речь заходит о релятивистских эффектах, особенно для тяжёлых атомов, высокоточных расчётов, обычно применяется уравнение Дирака.
Квантовая химия объясняет:
- как формируются химические связи, почему они формируются именно так
- почему молекулы имеют определённую структуру
- как распределяются электронные облака
- почему вещества обладают цветом, запахом
- реакции на уровне электронов
Основная идея: электроны — это волны
В квантовой химии электрон — волновая функция (Это не волна, как на воде, а фактически речь идет о математическом распределении вероятности), распределённая в пространстве. Это распределение определяет:
- длину связи
- её прочность
- форму молекулы
- реакционную способность
Чтобы описать молекулу, обычно решают уравнение Шрёдингера. Решение даёт:
- уровни энергии
- форму атомных (электронных) орбиталей
- распределение электронов
- свойства молекулы
Методы квантовой химии
Существует несколько подходов, каждый со своими преимуществами.
- Метод Хартри–Фока — базовый, относительно быстрый, но в значительной степени приближённый
- Теория функционала плотности — популярный метод сегодня
- Пост‑Хартри–Фок — более точный метод, чем метод Хартри–Фока
- Квантовая динамика — моделирование движения атомов
Все методы квантовой химии — от Хартри–Фока до пост‑Хартри–Фока — приблизительные. Точное решение уравнения Шрёдингера для молекул невозможно получить аналитически, кроме молекулы водорода. В настоящий момент методы квантовой химии продолжают развиваться, появляются новые методы.
Все методы на текущий момент — это компромисс между:
- точностью
- вычислительной сложностью
- размером анализируемой системы
Методы квантовой химии дают отличную точность, когда система:
- небольшая (до десятков атомов)
- не имеет сильной корреляции электронов
- не содержит сверхтяжёлых элементов
- не находится в экстремальных условиях
Где применяется квантовая химия
Она используется там, где важно понять поведение вещества на уровне электронов:
- разработка лекарств
- создание катализаторов
- моделирование материалов
- изучение наноструктур
- разработка батарей и солнечных элементов
- исследование атмосферной химии
- квантовое моделирование биомолекул
Эмиссионный спектр
Эмиссионный спектр — это один из самых фундаментальных феноменов в физике и химии. Он показывает, какие именно длины волн излучает атом или молекула, когда электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие.
Согласно теориям квантовой химии, электроны в атомах занимают дискретные энергетические уровни. Эмиссионный спектр — это экспериментальное подтверждение этого факта.