Computationele chemie wordt gebruikt om de energetica en structuur van atomen en moleculen in de chemie te modelleren. Dit artikel geeft een overzicht van de verschillende computationele technieken die in de chemie worden gebruikt.

Stappen

  1. 1 Computationele chemie is een tak van chemie die zich bezighoudt met wiskundige berekeningen die uiteindelijk leiden tot de bepaling van de energie en geometrie van bepaalde chemische verbindingen die van belang zijn voor de chemicus. Voor het grootste deel is de interessante informatie die een chemicus zoekt elektronische energie van atomen en moleculen. De berekening kan ook voorspellen of de verbinding stabiel genoeg is om bestaand te zijn.
  2. 2 De belangrijkste elektronen in het atoom of het molecuul zijn die zich bevinden in de hoogste elektronische schaal of in de taal van de orbitalen de hoogste bezette (HOMO) en onbezette (LUMO) moleculaire orbitalen. Deze orbitalen zijn verantwoordelijk voor de chemische eigenschappen van de moleculen, namelijk of ze al dan niet met andere moleculen zullen reageren en door welke symmetrie.
  3. 3 Chemische berekeningen van organische verbindingen maken deel uit van het computationeel chemieschema. Ze zijn moeilijk nauwkeurig te berekenen vanwege de betrokkenheid van veel atomen in hun moleculaire structuur. Organische verbindingen met een klein aantal atomen zijn echter relatief eenvoudig te berekenen vanwege het lage aantal elektronen daarin.
  4. 4 De reactiviteit van chemische verbindingen wordt bepaald door de HOMO-orbitaal- en de LUMO- of de grensmoleculaire orbitalen. In het bijzonder is de interactie tussen de LUMO van één verbinding en de HOMO van de andere reactant belangrijk. Het verschil in energetica tussen deze twee orbitalen en de aanpassing van de symmetrie zal bepalen of er een reactie zal zijn tussen deze twee verbindingen. Daarom is het belangrijk om berekeningen uit te voeren op de energetica van deze orbitalen en niet op de binnenste kernorbitalen om te controleren of er een reactie zal zijn tussen deze twee moleculen of niet.
  5. 5 De basisvergelijking die wordt gebruikt om de energetica van chemische verbindingen te bepalen, is de Schroedinger-vergelijking. Deze vergelijking is niet-relativistisch en houdt geen rekening met relativistische effecten zoals het fenomeen van de spin. De kwantummechanische variant van deze vergelijking met relativistische effecten op atomen en moleculen wordt de Dirac-vergelijking genoemd.
  6. 6 De Schroedinger-vergelijking is een lineaire differentiaalvergelijking die op exacte wijze wiskundig alleen op te lossen is voor eenvoudige systemen zoals het deeltje in een doos en de energetica van het waterstofatoom. Voor atomaire systemen wordt het op een exacte manier alleen voor het waterstofatoom opgelost. In dit geval omvat de oplossing ook formidabele wiskundige vergelijkingen waarbij laplaciaal in sferische coördinaten betrokken is. Daarnaast zijn er ook differentiaalvergelijkingen die niet eenvoudig op te lossen zijn voor de arts-assistent.
  7. 7 Voor andere atomen dan waterstof kunnen oplossingen van de Schroedinger-vergelijking niet wiskundig op een nauwkeurige manier worden verkregen vanwege de aanwezigheid in de Hamilton-vergelijking van de Schroedinger-vergelijking, een potentiële energieterm die de analytische oplossing van de Schroedinger-vergelijking onmogelijk maakt. Om deze reden zijn veel inspanningen gedaan om deze moeilijkheid te overwinnen door verschillende benaderingsmethoden af ​​te leiden die perturbatieve methoden worden genoemd. Het gaat om het oplossen van de energieterm van de verstoring zelf en het vervolgens toevoegen aan de algemene energie van de onverstoorde Hamiltoniaan.
  8. 8 De meeste berekeningen in de chemie hebben betrekking op dit type perturbatietheorie. Dit is vooral belangrijk voor veel elektronenatomen en moleculen. In veel elektronenatomen zijn er twee belangrijke verstoringen die verhinderen dat de Schroedinger-vergelijking exact wordt opgelost. Dit zijn: de correlatie tussen elektronen of de afstotingskrachten tussen de verschillende elektronen die een term toevoegen aan de Hamiltoniaan die de wiskunde onmogelijk maakt om het probleem op te lossen. Deze elektronische correlatie manifesteert zich niet alleen in veel elektronenatomen, maar ook in alle moleculen.
  9. 9 Het andere deel van de Hamiltoniaan dat moeilijk exact op te lossen is, is te wijten aan de spin-baankoppeling die een relativistisch effect heeft. Het ontstaat door de relatieve beweging van de kern rond het elektron zelf. De beweging van de kern rond het elektron genereert een magnetisch veld dat kan interageren met het spin- en hoekmagnetisch moment van het elektron, waardoor een extra term ontstaat in de atomische Hamiltoniaan die een nauwkeurige oplossing van de Schroedinger-vergelijking belemmert.
  10. 10 In de jaren 90 was de meest bekende berekeningsmethode voor de chemicus de Hartree-Fock-methode of het zelfconsistente veld. Tegenwoordig zijn er veel perturbatieve methoden zoals de Muller-plesset-methode die correlatie tussen elektronen in de Hamiltoniaan omvat. Daarnaast is een populaire methode die steeds meer wordt gebruikt in computationele chemie de density-functionele theorie die het voordeel heeft dat deze minder tijdrovend is dan de andere methoden. Aanvullende berekeningsmethoden die in het bijzonder bruikbaar zijn voor overgangstoestandberekeningen omvatten de gekoppelde clustermethoden. voor thermodynamische berekeningen is een zeer efficiënte methode de semi-empirische methode, met name de PM3-methode.