Kas yra teorinė chemija? Apibrėžimas, kvantinė chemija ir metodai
Teorinė chemija bando paaiškinti cheminių eksperimentų duomenis. Joje naudojama matematika ir kompiuteriai. Teorinė chemija prognozuoja, kas atsitinka, kai atomai susijungia į molekules. Ji taip pat prognozuoja molekulių chemines savybes (charakteristikas). Svarbi teorinės chemijos dalis yra kvantinė chemija. Tai kvantinės mechanikos naudojimas siekiant suprasti valentingumą (elemento atomo sudarytų ryšių skaičių). Kitos svarbios dalys yra molekulinė dinamika, statistinė termodinamika ir elektrolitų tirpalų, reakcijų tinklų, polimerizacijos ir katalizės teorijos.
Kas sprendžiama teorinėje chemijoje
Teorinė chemija siekia atsakyti į tokius klausimus:
- Kaip pasiskirsto elektronai molekulėje ir kaip tai lemia molekulės geometriją bei energetiką?
- Kaip vyksta cheminės reakcijos — kokie yra pereinamieji etapai, aktyvacijos energijos ir reakcijų greičiai?
- Kaip numatyti spektroskopines savybes (pvz., UV/Vis, IR, NMR), termodinamines charakteristikas (entalpija, laisvoji energija) arba kinetiką?
- Kaip susieti makroskopines savybes (pvz., tirpumo, laidumo, polimerų mechanines savybes) su molekuliniais modeliais?
Dažniausiai naudojami metodai
Teorinė chemija naudoja įvairius metodus, kuriuos galima skirstyti pagal tikslumą ir skaičiavimo sąnaudas:
- Kvantinė chemija (elektroninė struktūra) — sprendžia elektronų daugiakūnio (many-electron) problemą naudojant kvantinės mechanikos principus. Pagrindiniai požiūriai:
- Hartree–Fock (HF): bazinis metodu, kuris apibrėžia orbitales ir jų sąveikas, bet neįtraukia visų elektronų korrelacijos efektų.
- Post-HF metodai: MP2, CI, CCSD, CCSD(T) — tiksliau įvertina elektronų koreliaciją, tačiau yra skaičiavimo intensyvūs.
- Tankio funkcionalo teorija (DFT): geras kompromisas tarp tikslumo ir sąnaudų, plačiai naudojama molekulių geometrijoms, energijoms ir elektroninėms savybėms skaičiuoti.
- Pusiauempiriniai metodai: greitesni, mažiau tikslesni, naudingi didelėms sistemoms arba pradiniams įvertinimams.
- Molekulinė mechanika (MM) ir jėgos laukai — klasikiniai modeliai, kur atomai vaizduojami kaip taškai, sujungti spyruokliniais ryšiais; naudojami didelėms sistemoms (baltymai, polimerai). Tai leidžia greitai skaičiuoti geometrijas ir termodinamikos savybes, bet neapima elektroninių perorganizavimų (pvz., cheminių reaktyvumo be papildomų kvantinių metodų).
- Molekulinė dinamika (MD) — simuliuoja atomų judėjimą laike pagal klasikinę mechaniką arba ab initio MD, kur jėgos apskaičiuojamos kvantiniu metodu. Naudojama difuzijos, terminių procesų, baltymų dinamikos tyrimams.
- Monte Carlo metodai — naudoja atsitiktinius ėjimus fazės erdvėje, kad įvertintų termodinamines savybes ir pavyzdžiui skaičiuotų vidurkius pagal Boltzmanno paskirstymą.
- Statistinė termodinamika — jungia molekulinius modelius su makroskopinėmis savybėmis per padalinių (partition function) skaičiavimus, entropiją, laisvąją energiją ir kt.
Pagrindiniai techniniai terminai ir apribojimai
- Bazės rinkiniai — funkcijų rinkinys, kuriuo išreiškiamos orbitalės. Didesni bazės rinkiniai leidžia didesnį tikslumą, bet reikalauja daugiau skaičiavimo išteklių.
- Elektronų koreliacija — skirtumas tarp tikro elektronų elgesio ir to, ką prognozuoja paprastas HF metodas; į ją atsižvelgti būtina tiksliems rezultatams.
- Skaliavimas — daugelis tikslesnių metodų greitai didėja pagal dalelių skaičių (pvz., N^4, N^7), todėl praktikoje renkamasi kompromisą tarp tikslumo ir sąnaudų.
- Apie modelių ribotumą — jokiame skaičiavime nėra „universalaus“ metodo: reikia pasirinkti metodą pagal tiriamą problemą, pageidaujamą tikslumą ir turimus išteklius.
Taikymo sritys
Teorinė chemija plačiai taikoma:
- Molekulių ir medžiagų dizainui (pvz., nauji katalizatoriai, baterijų medžiagos, puslaidininkiai).
- Vaistų (lead) atrankai ir molekulių interakcijų prognozavimui.
- Spektroskopinių duomenų interpretacijai ir spektrų priskyrimui atitinkamiems virpesiams ar elektroniniams pereinimams.
- Reakcijų mechanizmų atskleidimui ir kinetikos skaičiavimams.
- Polimerų, biomolekulių ir tirpalų savybių modeliavimui.
Programinė įranga ir praktika
Yra daug specializuotų programų ir paketų, skirtų įvairiems metodams (elektroninės struktūros skaičiavimams, molekulinei dinamikai, Monte Carlo). Praktikoje svarbu:
- Parinkti tinkamą metodą ir bazės rinkinį problemos mastui ir tikslumui.
- Patikrinti rezultatus, palyginti skirtingus metodus ar atlikti konvergencijos testus.
- Suprasti, kaip interpretuoti skaičiavimo duomenis ir jų ribotumus lyginant su eksperimento rezultatais.
Ateities kryptys
Teorinė chemija sparčiai vystosi: didėja kompiuterių galingumas, atsiranda naujos metodikos (pvz., integracija su mašininio mokymosi modeliais), gerėja ab initio metodų efektyvumas. Tai leidžia modeliuoti vis sudėtingesnes sistemas ir geriau susieti teorinius prognozavimus su eksperimentu.
Apibendrinant: teorinė chemija yra tarpdalykinė disciplina, jungianti fizikos, matematikos ir informatikos metodus, kad paaiškintų ir prognozuotų chemines ryšis, reakcijas ir medžiagų savybes bei taip papildytų ir nukreiptų eksperimentinius tyrimus.
Apžvalga
Chemikai teoretikai naudoja daugybę priemonių. Šios priemonės apima analitinius modelius (pavyzdžiui, LCAO-MO, kuriais aproksimuojama elektronų elgsena molekulėse) ir kompiuterinius bei skaitmeninius modeliavimus.
Chemijos teoretikai kuria teorinius modelius. Tuomet jie randa dalykus, kuriuos chemikai eksperimentatoriai gali išmatuoti remdamiesi šiais modeliais. Tai padeda chemikams ieškoti duomenų, galinčių įrodyti, kad modelis nėra teisingas. Duomenys padeda pasirinkti vieną iš kelių skirtingų arba priešingų modelių.
Teoretikai taip pat stengiasi sukurti arba pakeisti modelius, kad jie atitiktų bet kokius naujus duomenis, Jei duomenys neatitinka modelio, chemikai stengiasi kuo mažiau pakeisti modelį, kad jis atitiktų duomenis. Kai kuriais atvejais chemikai išmeta modelį, jei laikui bėgant netelpa daug duomenų.
Teorinėje chemijoje fizika naudojama cheminiams stebėjimams paaiškinti arba prognozuoti. Pastaraisiais metais daugiausia kalbama apie kvantinę chemiją (kvantinės mechanikos taikymą chemijos problemoms spręsti). Pagrindinės teorinės chemijos dalys yra elektroninė struktūra, dinamika ir statistinė mechanika.
Visos šios sritys naudojamos prognozuojant cheminį reaktyvumą. Kitos ne tokios svarbios mokslinių tyrimų sritys apima įvairių fazių tūrinės chemijos matematinį aprašymą. Chemikai teoretikai nori paaiškinti cheminę kinetiką (molekulių jungimosi kelią).
Daugelį šių darbų mokslininkai vadina skaičiavimo chemija. Skaičiavimo chemija paprastai naudoja teorinę chemiją sprendžiant pramonines ir praktines problemas. Skaičiavimo chemijos pavyzdžiai - tai projektai, skirti aproksimuoti cheminius matavimus, pavyzdžiui, tam tikrų tipų posthartrio-Foko, tankio funkcinės teorijos, pusiau empiriniai metodai (pavyzdžiui, PM3) arba jėgų lauko metodai. Kai kurie chemijos teoretikai naudoja statistinę mechaniką, kad sukurtų ryšį tarp mikroskopinių kvantinio pasaulio reiškinių ir makroskopinių tūrinių sistemų savybių.
Pagrindinės teorinės chemijos sritys
Kvantinė chemija
Kvantinės mechanikos taikymas chemijoje
Kompiuterinių kodų taikymas chemijoje
Molekulinis modeliavimas
Molekulinių struktūrų modeliavimo metodai nebūtinai remiantis kvantine mechanika. Pavyzdžiai: molekulinis dokavimas, baltymų ir baltymų dokavimas, vaistų projektavimas, kombinatorinė chemija.
Molekulinė dinamika
Klasikinės mechanikos taikymas atomų ir molekulių junginio branduolių judėjimui modeliuoti.
Molekulinė mechanika
Vidinės ir tarpmolekulinės sąveikos potencinės energijos paviršių modeliavimas taikant sąveikos jėgų sumą.
Matematinė chemija
Molekulinės struktūros aptarimas ir prognozavimas matematiniais metodais, nebūtinai remiantis kvantine mechanika.
Teorinė cheminė kinetika
Teorinis dinaminių sistemų, susijusių su reaktyviosiomis cheminėmis medžiagomis, ir jų atitinkamų diferencialinių lygčių tyrimas.
Cheminformatika (dar vadinama chemoinformatika)
Kompiuterinių ir informacinių metodų, taikomų įvairioms chemijos srities problemoms spręsti, naudojimas.
Susiję puslapiai
Istoriškai mokslininkai teorinę chemiją naudoja teorinei chemijai tirti:
- Atomų fizika: elektronai ir atomo branduoliai.
- Molekulinė fizika: elektronai, supantys molekulių branduolius, ir branduolių judėjimas. Šis terminas paprastai reiškia molekulių, sudarytų iš kelių atomų dujų fazėje, tyrimą. Tačiau kai kurie mano, kad molekulinė fizika taip pat yra cheminių medžiagų tūrinių savybių tyrimas molekulėmis.
- Fizikinė chemija ir cheminė fizika: fizikinių metodų, tokių kaip lazeriniai metodai, skenuojantis tunelinis mikroskopas ir kt., naudojimas. Formaliai abi sritys skiriasi tuo, kad fizikinė chemija yra chemijos šaka, o chemijos fizika - fizikos šaka. Tai nėra aiškus skirtumas.
- Daugelio kūnų teorija: efektai, pasireiškiantys sistemose, turinčiose daug sudedamųjų dalių. Ji grindžiama kvantine fizika - daugiausia antrojo kvantavimo formalizmu - ir kvantine elektrodinamika.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra teorinė chemija?
A: Teorinė chemija yra mokslo šaka, kuri naudoja matematiką ir kompiuterinę analizę chemijos eksperimentų duomenims paaiškinti, numatyti, kas atsitinka, kai atomai jungiasi į molekules, ir prognozuoti molekulių chemines savybes.
K: Kokio tipo analizė naudojama?
A: Teorinėje chemijoje naudojama matematika ir kompiuterinė analizė.
K: Kaip ji padeda paaiškinti cheminių eksperimentų duomenis?
A: Teorinė chemija bando paaiškinti cheminių eksperimentų duomenis naudodama matematiką ir kompiuterinę analizę.
K: Ką galima numatyti apie atomų jungimąsi į molekules?
A: Teorinė chemija gali numatyti, kas atsitinka, kai atomai susijungia į molekules.
K: Kokias chemines molekulių savybes ji gali prognozuoti?
A: Teorinė chemija numato molekulių chemines savybes (charakteristikas).
K: Ar kvantinė chemija yra svarbi teorinės chemijos dalis?
A: Taip, kvantinė chemija yra svarbi teorinės chemijos dalis.
