Як порахувати хімію: роль квантової хімії в сучасній науці

Чи можна роз­ра­ху­ва­ти хімію з точні­стю до еле­ктро­на? Виявляється, так — хоча це зав­да­н­ня над­зви­чай­но скла­дне і потре­бує гли­бо­ких знань у кван­то­вій меха­ні­ці, фізи­ці та мате­ма­ти­ці. Саме цим займа­є­ться кван­то­ва хімія — галузь науки, що роз­кри­ває най­глиб­ші меха­ні­зми вза­є­мо­дії ато­мів і моле­кул. Вона не лише допо­ма­гає зро­зу­мі­ти, як від­бу­ва­ю­ться хімі­чні реа­кції, а й дозво­ляє моде­лю­ва­ти про­це­си, які скла­дно або немо­жли­во дослі­ди­ти експериментально.

Що таке квантова хімія

Квантова хімія — це між­ди­сци­плі­нар­на наука, яка поєд­нує прин­ци­пи кван­то­вої меха­ні­ки з хімі­єю для ана­лі­зу будо­ви та вла­сти­во­стей моле­кул, а також меха­ні­змів хімі­чних реа­кцій. У цен­трі уваги — еле­ктрон­на стру­кту­ра ато­мів і моле­кул, яка визна­чає хімі­чну актив­ність, типи зв’язків та реа­кцій­ну здатність.

Оскільки точні роз­ра­хун­ки пове­дін­ки еле­ктро­нів можли­ві лише для най­про­сті­ших моле­кул, вчені засто­со­ву­ють набли­же­ні мето­ди — напри­клад, метод моле­ку­ляр­них орбі­та­лей. З його допо­мо­гою можна оці­ни­ти, як еле­ктро­ни роз­по­ді­ля­ю­ться в моле­ку­лі, якою буде форма орбі­та­лей, енер­гії зв’язків тощо.

Роль обчислювальної хімії

Обчислювальна (ком­п’ю­тер­на) хімія — це пра­кти­чна реа­лі­за­ція кван­то­вої хімії, яка вико­ри­сто­вує мате­ма­ти­чні алго­ри­тми і комп’ютери для моде­лю­ва­н­ня моле­кул. Завдяки їй можливо:

• роз­ра­ху­ва­ти рів­но­ва­жні між’ядерні від­ста­ні та кути в молекулах;
• оці­ни­ти енер­гії зв’язків та бар’єри вну­трі­шньо­го обертання;
• визна­чи­ти енер­гії акти­ва­ції хімі­чних реакцій;
• дослі­ди­ти гео­ме­трію та вла­сти­во­сті моле­кул у збу­дже­них станах;
• перед­ба­чи­ти ймо­вір­ність кван­то­вих переходів.

Обчислювальна хімія осо­бли­во кори­сна там, де екс­пе­ри­мент немо­жли­вий або надто доро­гий. Вона також допо­ма­гає пере­ві­ри­ти та поясни­ти резуль­та­ти, отри­ма­ні у лабораторіях.

Хімічний зв’язок: основа всього

Хімічний зв’язок — це вза­є­мо­дія між ато­ма­ми, яка вини­кає зав­дя­ки пере­кри­ван­ню еле­ктрон­них хмар. Вона супро­во­джу­є­ться зни­же­н­ням пов­ної енер­гії систе­ми і є осно­вою фор­му­ва­н­ня всіх хімі­чних сполук.

Сучасна наука вва­жає, що зв’язки між ато­ма­ми мають еле­ктро­ста­ти­чну при­ро­ду. Електронні хмари части­нок пере­кри­ва­ю­ться, утво­рю­ю­чи обла­сті при­тя­га­н­ня, які утри­му­ють атоми разом. Тип зв’язку — кова­лен­тний, іон­ний, водне­вий чи мета­ле­вий — зале­жить від кон­кре­тних умов та при­ро­ди атомів.

Цікаво, що майже весь об’єм фізи­чних тіл скла­да­є­ться саме з хімі­чно­го зв’язку — при­бли­зно 99%, а маса зосе­ре­дже­на у ядрах.

Спектроскопія та фізичні методи

Квантова хімія дала поштовх до роз­ви­тку нових мето­дів дослі­дже­н­ня речо­ви­ни. Наприклад, вона лежить в осно­ві тео­рії еле­ктрон­них спе­ктрів погли­на­н­ня та люмі­не­сцен­ції, фото­еле­ктрон­них і рент­ге­но­еле­ктрон­них спе­ктрів. Завдяки їй з’явилися нові спосо­би інтер­пре­та­ції резуль­та­тів таких мето­дів, як еле­ктрон­ний пара­ма­гні­тний резо­нанс, ядер­ний магні­тний резо­нанс і ядер­ний ква­дру­поль­ний резонанс.

Квантова хімія та міждисциплінарність

Методи кван­то­вої хімії сьо­го­дні засто­со­ву­ють не лише в хімії. Вони актив­но вико­ри­сто­ву­ю­ться в:

• моле­ку­ляр­ній біо­ло­гії (моде­лю­ва­н­ня біл­ків, мем­бран, робо­ти м’язів);
• фар­ма­цев­ти­ці (роз­роб­ка ліків);
• мате­рі­а­ло­знав­стві (ство­ре­н­ня орга­ні­чних напів­про­від­ни­ків, ком­по­зи­тів, мате­рі­а­лів із зада­ни­ми властивостями).

Синергія з тео­ре­ти­чною фізи­кою дозво­ляє ство­рю­ва­ти моде­лі, які ста­ють осно­вою для пра­кти­чних техно­ло­гій майбутнього.

Квантова хімія — це спро­ба ося­гну­ти неви­ди­мий світ моле­кул за допо­мо­гою мате­ма­ти­чних рів­нянь і комп’ютерних роз­ра­хун­ків. Вона пере­тво­рює хімію з екс­пе­ри­мен­таль­ної науки на точну, від­кри­ва­ю­чи нові гори­зон­ти для дослі­джень та інно­ва­цій. І хоча пов­ні­стю «пора­ху­ва­ти хімію» поки що немо­жли­во, ми вже на шляху до цього.

Ця наука стає поту­жним інстру­мен­том для розу­мі­н­ня при­ро­ди речо­ви­ни та ство­ре­н­ня нових мате­рі­а­лів, що можуть змі­ни­ти наше життя.