Θεωρητική χημεία

Επισκόπηση

Οι θεωρητικοί χημικοί χρησιμοποιούν ένα ευρύ φάσμα εργαλείων. Τα εργαλεία αυτά περιλαμβάνουν αναλυτικά μοντέλα (για παράδειγμα, LCAO-MOs για την προσέγγιση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στα μόρια) και υπολογιστικές και αριθμητικές προσομοιώσεις.

Οι θεωρητικοί της χημείας δημιουργούν θεωρητικά μοντέλα. Στη συνέχεια, βρίσκουν πράγματα που οι πειραματικοί χημικοί μπορούν να μετρήσουν από αυτά τα μοντέλα. Αυτό βοηθά τους χημικούς να αναζητήσουν δεδομένα που μπορούν να αποδείξουν ότι ένα μοντέλο δεν είναι αληθινό. Τα δεδομένα βοηθούν στην επιλογή μεταξύ διαφόρων διαφορετικών ή αντίθετων μοντέλων.

Οι θεωρητικοί προσπαθούν επίσης να δημιουργήσουν ή να τροποποιήσουν τα μοντέλα ώστε να ταιριάζουν σε κάθε νέο δεδομένο, Εάν τα δεδομένα δεν μπορούν να ταιριάζουν στο μοντέλο, οι χημικοί προσπαθούν να κάνουν την παραμικρή αλλαγή στο μοντέλο ώστε να ταιριάζει στα δεδομένα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι χημικοί απορρίπτουν ένα μοντέλο αν πολλά δεδομένα δεν ταιριάζουν, με την πάροδο του χρόνου.

Η θεωρητική χημεία χρησιμοποιεί τη φυσική για να εξηγήσει ή να προβλέψει τις χημικές παρατηρήσεις. Τα τελευταία χρόνια ασχολείται κυρίως με την κβαντική χημεία (την εφαρμογή της κβαντομηχανικής σε προβλήματα της χημείας). Τα κύρια μέρη της θεωρητικής χημείας είναι η ηλεκτρονική δομή, η δυναμική και η στατιστική μηχανική.

Όλοι αυτοί οι τομείς χρησιμοποιούνται στη διαδικασία πρόβλεψης των χημικών αντιδράσεων. Άλλοι λιγότερο κεντρικοί ερευνητικοί τομείς περιλαμβάνουν τη μαθηματική περιγραφή της χύδην χημείας σε διάφορες φάσεις. Οι θεωρητικοί χημικοί θέλουν να εξηγήσουν τη χημική κινητική (τη διαδρομή που συνδυάζουν τα μόρια).

Οι επιστήμονες αποκαλούν πολλές από αυτές τις εργασίες "υπολογιστική χημεία". Η υπολογιστική χημεία χρησιμοποιεί συνήθως τη θεωρητική χημεία για να εργαστεί πάνω σε βιομηχανικά και πρακτικά προβλήματα. Παραδείγματα υπολογιστικής χημείας είναι έργα προσέγγισης χημικών μετρήσεων, όπως ορισμένοι τύποι post Hartree-Fock, Density Functional Theory, ημιεμπειρικές μέθοδοι (όπως η PM3) ή μέθοδοι πεδίου δυνάμεων. Ορισμένοι χημικοί θεωρητικοί χρησιμοποιούν τη στατιστική μηχανική για να δημιουργήσουν μια σύνδεση μεταξύ των μικροσκοπικών φαινομένων του κβαντικού κόσμου και των μακροσκοπικών χύδην ιδιοτήτων των συστημάτων.

Κύριοι τομείς της θεωρητικής χημείας

Κβαντική χημεία

Η εφαρμογή της κβαντομηχανικής στη χημεία

Υπολογιστική χημεία

Η εφαρμογή των ηλεκτρονικών κωδίκων στη χημεία

Μοριακή μοντελοποίηση

Μέθοδοι για τη μοντελοποίηση μοριακών δομών χωρίς απαραίτητα αναφορά στην κβαντομηχανική. Παραδείγματα είναι η μοριακή πρόσδεση, η πρόσδεση πρωτεΐνης-πρωτεΐνης, ο σχεδιασμός φαρμάκων, η συνδυαστική χημεία.

Μοριακή δυναμική

Εφαρμογή της κλασικής μηχανικής για την προσομοίωση της κίνησης των πυρήνων ενός συνόλου ατόμων και μορίων.

Μοριακή μηχανική

Μοντελοποίηση των επιφανειών δυναμικής ενέργειας ενδο- και διαμοριακής αλληλεπίδρασης μέσω ενός αθροίσματος δυνάμεων αλληλεπίδρασης.

Μαθηματική χημεία

Συζήτηση και πρόβλεψη της μοριακής δομής με τη χρήση μαθηματικών μεθόδων χωρίς απαραίτητα να γίνεται αναφορά στην κβαντομηχανική.

Θεωρητική χημική κινητική

Θεωρητική μελέτη των δυναμικών συστημάτων που σχετίζονται με αντιδραστικές χημικές ουσίες και των αντίστοιχων διαφορικών εξισώσεων.

Χημειοπληροφορική (επίσης γνωστή ως χημειοπληροφορική)

Η χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών και πληροφοριακών τεχνικών, που εφαρμόζονται σε μια σειρά προβλημάτων στον τομέα της χημείας.

Σχετικές σελίδες

Ιστορικά, οι ερευνητές χρησιμοποιούν τη θεωρητική χημεία για να μελετήσουν:

• Ατομική φυσική: ηλεκτρόνια και ατομικοί πυρήνες.
• Μοριακή φυσική: τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τους μοριακούς πυρήνες και η κίνηση των πυρήνων. Ο όρος αυτός αναφέρεται συνήθως στη μελέτη των μορίων που αποτελούνται από λίγα άτομα στην αέρια φάση. Ορισμένοι όμως θεωρούν ότι η μοριακή φυσική είναι επίσης η μελέτη των χύδην ιδιοτήτων των χημικών ουσιών από την άποψη των μορίων.
• Φυσική χημεία και χημική φυσική: χρήση φυσικών μεθόδων όπως τεχνικές λέιζερ, μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας κ.λπ. Η τυπική διάκριση μεταξύ των δύο τομέων είναι ότι η φυσική χημεία είναι κλάδος της χημείας, ενώ η χημική φυσική είναι κλάδος της φυσικής. Αυτή η διαφορά δεν είναι σαφής.
• Θεωρία πολλών σωμάτων: τα φαινόμενα που εμφανίζονται σε συστήματα με μεγάλο αριθμό συστατικών. Βασίζεται στην κβαντική φυσική - κυρίως στον φορμαλισμό της δεύτερης κβάντωσης - και στην κβαντική ηλεκτροδυναμική.