כימיה קוונטית היא ענף בכימיה תאורטית שמשתמש במכניקה הקוונטית (תורת הפיזיקה שמתארת חלקיקים זעירים, כמו אלקטרונים) ובתורת השדות הקוונטית (QFT, תורת שדות שחוקרת חלקיקים ושדות) כדי להסביר תופעות כימיות יסודיות.
הגישה מסבירה את המנגנון האלקטרוני של תגובות בין אטומים ומולקולות. היא משלבת רעיונות מכימיה ופיזיקה ומייצרת מודלים שמחברים בין מבנה אלקטרוני לבין תכונות כימיות.
שורשי התחום נמתחים מהמאה ה-19 ועד ראשית המאה ה-20. בין הנקודות החשובות: גילוי קרניים קתודיות (פאראדיי), בעיות קרינת גוף שחור (קירכהוף) והרעיון של רמות אנרגיה בלתי-רציפות (בולצמן). מקס פלאנק הציע ב-1900 שהאנרגיה משוחררת בכמויות דיסקרטיות שנקראות קונטות. איינשטיין ב-1905 הציע שהאור מורכב מחלקיקים קוונטיים שבסופו של דבר קיבלו את השם פוטונים (חלקיקים של אור). רעיונות אלה הובילו ליישום התאורטי במבנה כימי, בקשרים ובריאקטיביות.
בכימיה קוונטית פותרים בדרך כלל את משוואת שרדינגר (או את משוואת דיראק במקרים יחסותיים) עם המילטוניאן המולקולרי האלקטרוני (מילטוניאן = אופרטור שמתאר את האנרגיה של המערכת). הפתרון נותן תיאור של המבנה האלקטרוני, שעליו מבוססות התכונות הכימיות.
מודל הגלים מתאר אלקטרונים כ"ענן הסתברויות" של מיקום, שנקרא פונקציית גל (פונקציה מתמטית שמציינת איפה הכי סביר למצוא אלקטרון). בניגוד למודל של בוהר, כאן אלקטרון אינו מסלול ברור, אלא התנהגות בעלת תכונות גליות, כמו התאבכות.
שיטת קשר הערכיות (Valence Bond, VB) התפתחה אחרי חישובים ראשונים ב-1927 על מולקולת מימן על ידי הייטלר ולונדון. סגנון זה מדגיש זוגות אלקטרונים שמצמידים בין אטומים. לינוס פאולינג וסלייטר הרחיבו את הרעיון, וכך השיטה קישרה היטב לייצוגים הכימיים המסורתיים של קשרים.
גישה אלטרנטיבית היא מודל אורביטלים מולקולריים (MO), שפיתחו הונד ומוליקן ב-1929. כאן אלקטרונים מתוארים על ידי פונקציות שמתפרשות על כל המולקולה. המודל פחות אינטואיטיבי לעתים, אבל מספק תחזיות טובות יותר לספקטרוסקופיה. הוא משמש כבסיס לשיטות כמו הארטרי-פוק וגשמים מתקדמות יותר (פוסט-הארטרי-פוק).
המודל של תומאס-פרמי (1927) היה ניסיון לתאר מערכות רב-אלקטרוניות באמצעות צפיפות האלקטרון במקום פונקציות גל. פיתוח זה הוביל לתורת פונקציונל הצפיפות (DFT). DFT פחות מדויקת לעתים מהשיטות המתקדמות, אבל זולה חישובית ולכן נפוצה במיוחד לחישוב מולקולות גדולות.
כדי לחקור תנועת מולקולות פותרים את משוואת שרדינגר המלאה. גישה ישירה קוראת "דינמיקה מולקולרית קוונטית". יש גם קירובים חצי-קלאסיים ודינמיקה קלאסית (MD), ושיטות סטטיסטיות כמו מונטה קרלו.
בדינמיקה אדיאבטית מתארים אינטראקציות בין אטומים באמצעות משטחי אנרגיה פוטנציאלית (גרפים שמראים אנרגיה כתלות במיקום גרעינים). זהו קירוב בורן-אופנהיימר (Born, Oppenheimer), שהופרד לראשונה ב-1927. כלים אלה הונחו בסיס לתיאוריות קצב תגובה, כמו RRKM ותיאוריית מצב המעבר.
כשיש מעבר בין כמה מצבים אלקטרוניים, מדברים על דינמיקה לא-אדיאבטית. כאן מתחשבים בצימודים ויברוניים (צימוד בין מצבים אלקטרוניים ותנודות גרעיניות). בעבודות ראשוניות בשנות ה-30 פותחו רעיונות ל"מעבר לנדאו-זנר", שמחשב את ההסתברות לעבור בין שתי עקומות פוטנציאל בקרבת חיתוך.
יישום תורת השדות הקוונטית למערכות כימיות הולך וגובר. היא מופיעה בתיאוריות של מערכות מורכבות, כמו תיאוריות של הפוטומגנטון (יישום מסוים שדן בקוונטיזציה של שדות בוזוניים במערכות פלזמה). תורת השדות משמשת גם בכימיה גרעינית, אסטרוכימיה, סונוכימיה והידרודינמיקה קוונטית. כמו כן היא תרמה לפיתוח המילטוניאנים האפקטיביים של שיטות אלקטרוני-פאי אמפיריות למחצה.
כימיה קוונטית משתמשת בכללים של פיזיקה קטנה כדי להבין חומרים. היא מסבירה איך אטומים ומולקולות מתנהגים.
לפני המאה ה-20 מדענים גילו רעיונות חשובים. מקס פלאנק חשב שהאנרגיה ניתנת לחלקים קטנים. איינשטיין אמר שאור יכול להיות מורכב מחלקיקים קטנים שנקראים פוטונים. רעיונות אלה עזרו להבין כימיה ברמה קטנה.
האלקטרונים מסביב לגרעין לא תמיד נמצאים במקום אחד. הם מתוארים כמו ענן הסתברויות. ענן זה נובע מפונקציית גל (זו נוסחה שמראה איפה סביר למצוא אלקטרון).
במודל זה אלקטרון מתנהג גם כמו גל. לכן יש לו דפוסים דומים להתאבכות של מים.
שיטה אחת חושבת על קשרים כזוגות אלקטרונים שמחברים אטומים. רעיון חשוב התחיל בחישוב של מולקולת המימן ב-1927.
שיטה אחרת מתארת אלקטרונים עם פונקציות שמכסות את כל המולקולה. היא עוזרת לחזות תכונות ספקטרום של מולקולות.
יש שיטה שמחשבת לפי צפיפות האלקטרון במקום פונקציות גל. שיטה זו נקראת DFT. היא יעילה במיוחד עבור מולקולות גדולות.
כדי ללמוד איך מולקולות נעות ותגובות קורות, משתמשים בדינמיקה מולקולרית. לפעמים מחשבים בצורה קוונטית, ולפעמים משתמשים בקירובים קלאסיים.
כשאלקטרונים יכולים לעבור בין מצבים שונים, יש צימוד בין מצבים אלקטרוניים ותנודות. עוברים בין משטחים אנרגיה בעזרת תהליכים כמו מעבר לנדאו-זנר.
תורת השדות הקוונטית עוזרת לתאר שדות וחלקיקים במערכות מסובכות. היא נעזרת במחקרים על פלזמות ונושאים מתקדמים בכימיה.
תגובות גולשים