כימיה קוונטית

כימיה קוונטית היא ענף בכימיה תאורטית המחיל את המכניקה הקוונטית ואת תורת השדות הקוונטית על סוגיות שונות בכימיה. ענף זה הוא מעין הרחבה של הפיזיקה האטומית לתחום הכימיה. אחד מיישומיה של הכימיה הקוונטית הוא ההסבר האלקטרוני של התגובות הכימיות באטומים ומולקולות. ענף זה מטבעו משלב בין כימיה ופיזיקה ותרומות משמעותיות לתחום זה נעשו על ידי מדענים משני התחומים.

היסטוריה

ניתן לזהות את שורשיה של הכימיה הקוונטית במספר נקודות מפתח: גילוי הקרניים הקתודיות על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1838; הצהרת בעיית קרינת גוף שחור על ידי גוסטב קירכהוף ב-1859; הצעתו של לודוויג בולצמן ב-1877, לפיה רמות האנרגיה של מערכת פיזיקלית יכולות להיות בלתי-רציפות; וההשערה הקוונטית של מקס פלאנק ב-1900, לפיה האנרגיה הנפלטת ממערכת אטומית קורנת כלשהי ניתנת לחלוקה, באופן תאורטי, למספר "אלמנטי אנרגיה" נפרדים, ε, כך שכל אחד מאלמנטי האנרגיה הללו יחסי לתדירות ν, בה כל אחד מהם קורן אנרגיה בנפרד, על פי הנוסחא הבאה:

$\epsilon = h \nu \,$

בנוסחא זו h הוא ערך מספרי המכונה קבוע פלאנק. ב-1905 הציע איינשטיין הסבר חדש לאפקט הפוטואלקטרי - הארת חומרים מסוימים יכולה לגרום לפליטת אלקטרונים מהחומר. לפי ההסבר שלו, בהתבסס על ההשערה הקוונטית של פלאנק, האור מורכב מחלקיקים קוונטיים נפרדים, שמאוחר יותר קיבלו את השם פוטונים (1926). בשנים הבאות בסיס תאורטי זה יושם בהדרגה לבעיות המבנה הכימי, ריאקטיביות וקשרים כימיים.

מבנה אלקטרוני

הצעד הראשון להבנת בעיה כימית-קוונטית הוא בדרך כלל פתרון משוואת שרדינגר (או משוואת דיראק במכניקה קוונטית יחסותית), עם ההמילטוניאן המולקולרי האלקטרוני. זאת על מנת לקבל תאור של המבנה האלקטרוני של המולקולה, העומד בבסיס התכונות הכימיות שלה.

מודל הגלים

מודל הגלים הוא אחד מיסודות מכניקת הקוונטים והכימיה הקוונטית, ולפיו האטום הוא גרעין חיובי קטן וצפוף וסביבו נעים אלקטרונים. בניגוד למודל האטום של בוהר בו האלקטרון הוא חלקיק הנע במעטפת של האטום, מכניקת הגלים מתארת את האלקטרון כ"ענן" של הסתברויות למיקום האלקטרון העוטף את האטום (ענן זה מתואר על ידי פונקציית הגל). הנקודה החזקה של מודל הגל היא יכולת החיזוי שהוכחה בניסויים רבים, ובמיוחד בחיזוי המבנה הכימי של יסודות דומים בטבלה המחזורית. המודל מכונה כך כיוון שהאלקטרונים מפגינים תכונות המקושרות בדרך כלל לגלים, כמו התאבכות. ראו גם דואליות גל-חלקיק.

קשר ערכיות (VB)

למרות ששרדינגר הניח את הבסיס המתמטי לכימיה הקוונטית ב-1926, מקובל כי החישוב "האמיתי" הראשון בכימיה קוונטית בוצע ב-1927 על ידי הפיזיקאים הגרמניים וולטר הייטלר ופריץ לונדון, על מולקולת המימן. מאוחר יותר הפיזיקאי התאורטי ג'ון סלייטר והכימאי התאורטי לינוס פאולינג, שניהם אמריקנים, הרחיבו את שיטת הייטלר-לונדון ליצירת שיטת קשר ערכיות (Valence Bond, ידועה גם בכינוי "שיטת הייטלר-לונדון-סלייטר-פאולינג", HLSP). בשיטה זו מירב תשומת הלב ניתן לאינטראקציות של זוגות אלקטרונים בין האטומים, ולכן הטכניקה תואמת היטב לייצוג הכימי הקלאסי של קשרים כימיים.

אורביטלים מולקולריים

גישה אלטרנטיבית ל-VB פותחה ב-1929 על ידי פרידריך הונד ורוברט מוליקן, לפיה אלקטרונים מתוארים על ידי פונקציות מתמטיות הפרושות על כל המולקולה. גישה הונד-מוליקן, או אורביטלים מולקולריים (MO), היא פחות אינטואיטיבית לכימאים, אך מסוגלת להפיק תחזיות מדויקות יותר מ-VB לגבי תכונות ספקטרוסקופיות. גישה זו היא הבסיס הקונספטואלי לשיטת הארטרי-פוק וגישות מתקדמות יותר המבוססות עליה, הידועות בכינוי הכללי פוסט-הארטרי-פוק.

תיאורית פונקציונל הצפיפות

מודל תומאס-פרמי (גז בקופסה) פותח באופן עצמאי על ידי תומאס ופרמי ב-1927. היה זה הניסיון הראשון לתאר מערכת רב-אלקטרונית על בסיס צפיפות אלקטרונית במקום פונקציות גל, למרות שלא היה מוצלח במיוחד בטיפול במולקולות שלמות. השיטה היוותה את הבסיס למה שמכונה כיום תורת פונקציונל הצפיפות (Density functional theory). אמנם שיטה זו פחות מפותחת משיטות פוסט-הארטרי-פוק למיניהן, אך הדרישות החישוביות הנמוכות יותר שלה מאפשרות לה לטפל במולקולות רב-אטומיות גדולות יותר, ואף במקרומולקולות, ולכן שיטה זו הנפוצה ביותר כיום בעולם הכימיה החישובית.

דינמיקה כימית

ניתן להמשיך בתיאור המערכות על ידי פתרון משוואת שרדינגר תוך שימוש בהמילטוניאן המולקולרי השלם, וזאת במטרה לחקור את תנועת המולקולות. פתרון ישיר של משוואת שרדינגר קרוי "דינמיקה מולקולרית קוונטית", במסגרת הקירוב הקלאסי-למחצה "דינמיקה מולקולרית קלאסית-למחצה", ובמסגרת המכניקה הקלאסית - "דינמיקה מולקולרית" (MD). ניתן גם לעשות שימוש בשיטות סטטיסטיות, כגון שיטות מונטה-קרלו.

דינמיקה כימית אדיאבטית

בדינמיקה אדיאבטית, אינטראקציות בין-אטומיות מתוארות על ידי פוטנציאלים סקלריים יחידים, הקרויים "משטחי אנרגיה פוטנציאלית". זהו קירוב בורן-אופנהיימר, שהונהג לראשונה על ידי בורן ואופנהיימר ב-1927. הקירוב שימוש ליישומים חלוציים בכימיה ב-1927 על ידי רייס ורמספרגר, ועל ידי קאסל ב-1928. יישומים אלה הוכללו על ידי מרכוס ב-1952 ליצירת תיאורית RRKM, שכללה גם את תיאורית מצב המעבר שפותחה על ידי אירינג ב-1935. שיטות אלה איפשרו הערכות פשוטות של קצבי תגובות חד-מולקולריות בעזרת מספר תכונות של משטח הפוטנציאל.

דינמיקה כימית לא-אדיאבטית

דינמיקה כימית לא-אדיאבטית לוקחת בחשבון את האינטראקציה בין כמה משטחי פוטנציאל מצומדים (המתאימים לכמה מצבים אלקטרוניים קוונטיים של המולקולה). אברי הצימוד מכונים "צימודים ויברוניים". העבודה החלוצית בתחום נעשתה על ידי שטוקלברג, לנדאו וזנר בשנות ה-30, כאשר חקרו את מה שמכונה היום מעבר לנדאו-זנר (Landau-Zener transition). הנוסחא אליה הגיעו מאפשרת חישוב סיכוי המעבר בין שתי עקומות פוטנציאל דיאבטיות בסביבות החיתוך (שנמנע) שלהן.

המכניקה הקוונטית ותורת השדות הקוונטית

יישום תורת השדות הקוונטית (QFT) למערכות ותאוריות כימיות נעשה נפוץ יותר ויותר במדעים הפיזיקליים המודרניים. אחת מההופעיות הראשונות, והחשובות ביותר, היא בתאוריה של הפוטומגנטון. במערכת זו, פלזמות, המצויות בכל בפיזיקה ובכימיה, נחקרות במטרה לקבוע את הקוונטיזציה הבסיסית של השדה הבוזוני שביסודן. אך מעבר לכך, תורת השדות הקוונטית משמשת לתחומים רבים בכימיה, ביניהם כימיה גרעינית, אסטרוכימיה, סונוכימיה והידרודינמיקה קוונטית. שיטות שדה תאורטיות היו גם המפתח לפיתוח תיאורית ההמילטוניאן האפקטיבי של שיטות אלקטרוני-פאי אמפריות למחצה.

ראו גם

• כימיה פיזיקלית
• כימיה תאורטית
• פיזיקה תאורטית
• פיזיקה אטומית
• אלקטרוכימיה קוונטית, תאוריה קוונטית לתהליכים אלקטרוכימיים שפותחה על ידי רוואז דור'ונדזה