الكيمياء الكمومية

الموسوعة الحرة

الكيمياء الكمومية ، وتسمى أيضًا ميكانيكا الكم الجزيئية ، هي فرع من الكيمياء الفيزيائية يركز على تطبيق ميكانيكا الكم على الأنظمة الكيميائية، وخاصة نحو الحساب الميكانيكي الكمومي للمساهمات الإلكترونية في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات والمواد والحلول على المستوى الذري. [1] تتضمن هذه الحسابات تقريبات مطبقة بشكل منهجي تهدف إلى جعل الحسابات ممكنة حسابيًا مع الاستمرار في التقاط أكبر قدر ممكن من المعلومات حول المساهمات المهمة في الدوال الموجية المحسوبة بالإضافة إلى الخصائص القابلة للملاحظة مثل الهياكل والأطياف والخصائص الديناميكية الحرارية . تهتم الكيمياء الكمومية أيضًا بحساب التأثيرات الكمومية على الديناميكيات الجزيئية والحركية الكيميائية .

يعتمد الكيميائيون بشكل كبير على التحليل الطيفي الذي يمكن من خلاله الحصول على معلومات حول كمية الطاقة على المستوى الجزيئي. ومن الطرق الشائعة التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (IR) والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتحليل المجهري بالمسبار الماسح . ويمكن تطبيق الكيمياء الكمومية على التنبؤ بالبيانات الطيفية والتحقق منها بالإضافة إلى البيانات التجريبية الأخرى.

تركز العديد من دراسات الكيمياء الكمومية على الحالة الأرضية الإلكترونية والحالات المثارة للذرات والجزيئات الفردية بالإضافة إلى دراسة مسارات التفاعل وحالات الانتقال التي تحدث أثناء التفاعلات الكيميائية . يمكن أيضًا التنبؤ بالخصائص الطيفية. عادةً، تفترض مثل هذه الدراسات أن دالة الموجة الإلكترونية يتم تحديد معلماتها بشكل ثابت حراريًا من خلال المواضع النووية (أي تقريب بورن-أوبنهايمر ). يتم استخدام مجموعة واسعة من الأساليب، بما في ذلك الأساليب شبه التجريبية ونظرية الكثافة الوظيفية وحسابات هارتري-فوك وطرق مونت كارلو الكمومية وطرق المجموعة المقترنة .

إن فهم البنية الإلكترونية والديناميكيات الجزيئية من خلال تطوير حلول حسابية لمعادلة شرودنجر هو هدف أساسي للكيمياء الكمومية. ويعتمد التقدم في هذا المجال على التغلب على العديد من التحديات، بما في ذلك الحاجة إلى زيادة دقة النتائج للأنظمة الجزيئية الصغيرة، وكذلك زيادة حجم الجزيئات الكبيرة التي يمكن إخضاعها بشكل واقعي للحساب، وهو ما يقتصر على اعتبارات الحجم - حيث يزداد وقت الحساب كقوة لعدد الذرات.

تاريخ

يرى البعض أن ولادة الكيمياء الكمومية بدأت باكتشاف معادلة شرودنجر وتطبيقها على ذرة الهيدروجين. ومع ذلك، غالبًا ما يُعترف بمقال عام 1927 لوالتر هايتلر (1904-1981) وفريتز لندن على أنه أول معلم في تاريخ الكيمياء الكمومية. [2] كان هذا أول تطبيق لميكانيكا الكم على جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة ، وبالتالي على ظاهرة الرابطة الكيميائية. [3] ومع ذلك، قبل ذلك، قدم جيلبرت ن. لويس إطارًا مفاهيميًا حاسمًا في ورقته عام 1916 الذرة والجزيء ، [4] حيث طور لويس أول نموذج عملي للإلكترونات التكافؤية . كما قدم يوشيكاتسو سوجيورا [5] [6] وإس سي وانج مساهمات مهمة. [7] سلسلة من المقالات التي كتبها لينوس بولينج ، والتي كُتبت طوال ثلاثينيات القرن العشرين، دمجت عمل هيتلر ولندن وسوجيورا ووانج ولويس وجون سي سلاتر حول مفهوم التكافؤ وأساسه الميكانيكي الكمومي في إطار نظري جديد. [8] تم تقديم العديد من الكيميائيين إلى مجال الكيمياء الكمومية من خلال نص بولينج لعام 1939 بعنوان طبيعة الرابطة الكيميائية وبنية الجزيئات والبلورات: مقدمة للكيمياء البنيوية الحديثة ، حيث لخص هذا العمل (يشار إليه على نطاق واسع الآن باسم نظرية الرابطة التكافؤية ) وشرح ميكانيكا الكم بطريقة يمكن للكيميائيين اتباعها. [9] سرعان ما أصبح النص نصًا قياسيًا في العديد من الجامعات. [10] في عام 1937، يبدو أن هانز هيلمان كان أول من نشر كتابًا عن الكيمياء الكمومية، باللغتين الروسية [11] والألمانية. [12]

في السنوات التالية، بدأ تطبيق هذا الأساس النظري ببطء على البنية الكيميائية والتفاعلية والترابط. بالإضافة إلى الباحثين المذكورين أعلاه، تم تحقيق تقدم مهم ومساهمات حاسمة في السنوات الأولى لهذا المجال من قبل إيرفينج لانجموير وروبرت إس. موليكين وماكس بورن وجيه روبرت أوبنهايمر وهانز هيلمان وماريا جوبيرت ماير وإريك هيكل ودوجلاس هارتري وجون لينارد جونز وفلاديمير فوك .

البنية الالكترونية

البنية الإلكترونية للذرة أو الجزيء هي الحالة الكمومية لإلكتروناتها. [13] الخطوة الأولى في حل مشكلة كيميائية كمية هي عادةً حل معادلة شرودنجر (أو معادلة ديراك في الكيمياء الكمومية النسبية ) باستخدام هاملتوني جزيئي إلكتروني ، عادةً باستخدام تقريب بورن-أوبنهايمر (B-O). يُسمى هذا تحديد البنية الإلكترونية للجزيء. [14] لا يمكن الحصول على حل دقيق لمعادلة شرودنجر غير النسبية إلا لذرة الهيدروجين (على الرغم من تحديد الحلول الدقيقة لطاقات الحالة المرتبطة للأيون الجزيئي للهيدروجين داخل تقريب BO من حيث دالة لامبرت دبليو المعممة ). نظرًا لأن جميع الأنظمة الذرية والجزيئية الأخرى تنطوي على حركات ثلاثة "جسيمات" أو أكثر، فلا يمكن حل معادلات شرودنجر الخاصة بها تحليليًا وبالتالي يجب البحث عن حلول تقريبية و/أو حسابية. إن عملية البحث عن حلول حسابية لهذه المشاكل هي جزء من المجال المعروف باسم الكيمياء الحسابية .

نظرية الرابطة التكافؤية

كما ذكرنا سابقًا، تم توسيع طريقة هايتلر ولندن بواسطة سلاتر وبولينج لتصبح طريقة الرابطة التكافؤية (VB). في هذه الطريقة، يتم تكريس الاهتمام في المقام الأول للتفاعلات الزوجية بين الذرات، وبالتالي ترتبط هذه الطريقة ارتباطًا وثيقًا برسومات الكيميائيين الكلاسيكيين للروابط . تركز على كيفية اندماج المدارات الذرية للذرة لإعطاء روابط كيميائية فردية عند تكوين جزيء، مع دمج المفهومين الرئيسيين للتهجين المداري والرنين . [15]

نظرية المدارات الجزيئية

مداري جزيئي مضاد للترابط في البيوتادين

تم تطوير نهج بديل لنظرية الرابطة التكافؤية في عام 1929 بواسطة فريدريش هوند وروبرت إس. موليكين ، حيث يتم وصف الإلكترونات من خلال الدوال الرياضية غير الموضعية على جزيء كامل . إن نهج هوند-موليكين أو طريقة المدار الجزيئي (MO) أقل بديهية للكيميائيين، ولكن تبين أنها قادرة على التنبؤ بالخصائص الطيفية بشكل أفضل من طريقة VB. هذا النهج هو الأساس المفاهيمي لطريقة هارتري-فوك وطرق ما بعد هارتري-فوك الأخرى .

نظرية الكثافة الوظيفية

تم تطوير نموذج توماس فيرمي بشكل مستقل من قبل توماس وفيرمي في عام 1927. كانت هذه أول محاولة لوصف أنظمة متعددة الإلكترونات على أساس الكثافة الإلكترونية بدلاً من الدوال الموجية ، على الرغم من أنها لم تكن ناجحة جدًا في معالجة الجزيئات بالكامل. وفرت الطريقة الأساس لما يُعرف الآن بنظرية الكثافة الوظيفية (DFT). تستخدم نظرية الكثافة الوظيفية الحديثة طريقة كوهن شام ، حيث يتم تقسيم دالة الكثافة إلى أربعة مصطلحات؛ طاقة الحركة كوهن شام، والإمكانات الخارجية، وطاقات التبادل والارتباط. ينصب جزء كبير من التركيز في تطوير نظرية الكثافة الوظيفية على تحسين مصطلحات التبادل والارتباط. على الرغم من أن هذه الطريقة أقل تطورًا من طرق ما بعد هارتري فوك، إلا أن متطلباتها الحسابية المنخفضة بشكل كبير (عادةً ما لا يقل التوسع عن n 3 فيما يتعلق بوظائف الأساس n ، للوظائف البحتة) تسمح لها بمعالجة جزيئات متعددة الذرات أكبر وحتى الجزيئات الكبيرة . إن هذه القدرة على تحمل التكاليف الحسابية والدقة القابلة للمقارنة في كثير من الأحيان مع MP2 و CCSD (T) (طرق ما بعد Hartree-Fock) جعلتها واحدة من أكثر الطرق شيوعًا في الكيمياء الحسابية .

الديناميكية الكيميائية

يمكن أن تتكون خطوة أخرى من حل معادلة شرودنجر باستخدام هاملتوني الجزيئي الكلي من أجل دراسة حركة الجزيئات. يُطلق على الحل المباشر لمعادلة شرودنجر اسم ديناميكيات الكم ، في حين يُطلق على حلها ضمن التقريب شبه الكلاسيكي اسم ديناميكيات شبه كلاسيكية. يشار إلى المحاكاة الكلاسيكية البحتة للحركة الجزيئية باسم ديناميكيات الجزيئية (MD) . نهج آخر للديناميكيات هو إطار هجين يُعرف باسم ديناميكيات الكم الكلاسيكية المختلطة ؛ يستخدم إطار هجين آخر صيغة تكامل مسار فاينمان لإضافة تصحيحات كمية إلى ديناميكيات الجزيئات، والتي تسمى ديناميكيات الجزيئية التكاملية المسارية . الأساليب الإحصائية، باستخدام على سبيل المثال أساليب مونت كارلو الكلاسيكية والكمية ، ممكنة أيضًا وهي مفيدة بشكل خاص لوصف توزيعات التوازن للحالات.

الديناميكية الكيميائية الأديباتية

في الديناميكيات الأدياباتية، يتم تمثيل التفاعلات بين الذرات بواسطة إمكانات قياسية مفردة تسمى أسطح الطاقة الكامنة . هذا هو تقريب بورن-أوبنهايمر الذي قدمه بورن وأوبنهايمر في عام 1927. تم إجراء تطبيقات رائدة لهذا في الكيمياء بواسطة رايس ورامسبيرجر في عام 1927 وكاسل في عام 1928، وتم تعميمها في نظرية RRKM في عام 1952 بواسطة ماركوس الذي أخذ نظرية الحالة الانتقالية التي طورها إيرينغ في عام 1935 في الاعتبار. تمكن هذه الأساليب من تقديرات بسيطة لمعدلات التفاعل الأحادي الجزيء من عدد قليل من خصائص سطح الجهد.

الديناميكيات الكيميائية غير الكأدياباتية

تتكون الديناميكيات غير الأدياباتية من أخذ التفاعل بين العديد من أسطح الطاقة الكامنة المقترنة (المقابلة للحالات الكمومية الإلكترونية المختلفة للجزيء). تسمى مصطلحات الاقتران اقترانات اهتزازية. تم إنجاز العمل الرائد في هذا المجال من قبل Stueckelberg و Landau و Zener في ثلاثينيات القرن العشرين، في عملهم على ما يُعرف الآن باسم انتقال Landau-Zener . تسمح صيغتهم بحساب احتمالية الانتقال بين منحنيين محتملين أدياباتيين في جوار التقاطع المتجنب . التفاعلات المحظورة بالدوران هي نوع من التفاعلات غير الأدياباتية حيث يحدث تغيير واحد على الأقل في حالة الدوران عند التقدم من المتفاعل إلى الناتج .

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ McQuarrie, Donald A. (2007). Quantum Chemistry (الطبعة الثانية). University Science Books. ISBN 978-1891389504.
  2. ^ هيتلر، دبليو. لندن، ف. (1927). "Wechselwirkung Neutraler Atome und Homopolare Bindung nach der Quantenmechanik". Zeitschrift für Physik . 44 (6-7): 455-472. بيب كود :1927ZPhy...44..455H. دوى :10.1007/BF01397394.
  3. ^ كولوس ، دبليو (1989). “أصل وتطور وأهمية نهج هيتلر-لندن”. وجهات نظر في كيمياء الكم. Académie Internationale Des Sciences Moléculaires Quantiques/الأكاديمية الدولية للعلوم الجزيئية الكمومية. المجلد. 6. دوردريخت: سبرينغر. ص 145-159. دوى :10.1007/978-94-009-0949-6_8. رقم ISBN 978-94-010-6917-5.
  4. ^ لويس، جي إن (1916). "الذرة والجزيء". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 38 (4): 762-785. doi :10.1021/ja02261a002.
  5. ^ سوجيورا ، ي. (1927). "Über die Eigenschaften des Wasserstoffmoleküls im Grundzustande". Zeitschrift für Physik . 45 (7-8): 484-492. بيب كود :1927ZPhy...45..484S. دوى :10.1007/BF01329207.
  6. ^ ناكاني ميتشيو (2019). “مساهمة يوشيكاتسو سوجيورا في تطوير فيزياء الكم في اليابان”. Berichte zur Wissenschaftsgeschichte . 42 (4): 338-356. دوى :10.1002/bewi.201900007. بميد  31777981.
  7. ^ وانج، إس سي (1928-04-01). "مشكلة جزيء الهيدروجين الطبيعي في ميكانيكا الكم الجديدة". المراجعة الفيزيائية . 31 (4): 579-586. رمز Bibcode :1928PhRv...31..579W. doi :10.1103/PhysRev.31.579.
  8. ^ بولينج، لينوس (6 أبريل 1931). "طبيعة الرابطة الكيميائية. تطبيق النتائج التي تم الحصول عليها من ميكانيكا الكم ومن نظرية القابلية المغناطيسية لبنية الجزيئات". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 53 (4): 1367-1400. doi :10.1021/ja01355a027 – عبر مكتبة جامعة ولاية أوريغون.
  9. ^ بولينج، لينوس (1939). طبيعة الرابطة الكيميائية وبنية الجزيئات والبلورات: مقدمة في الكيمياء البنيوية الحديثة (الطبعة الأولى). مطبعة جامعة كورنيل.
  10. ^ نورمان، جيريمي. "بولينج ينشر كتاب "طبيعة الرابطة الكيميائية"". تاريخ المعلومات . تم الاسترجاع في 11 يوليو 2023 .
  11. ^ هيلمان ، ج. (1937). زهرة كيميا . التحرير الرئيسي للأدباء التقنيين النظريين وموسكو ولينينغراد.
  12. ^ هيلمان ، هانز (1937). Einführung in the Quantenchemie . دويتيك ولايبزيغ وفيينا.
  13. ^ سيمونز، جاك (2003). "الفصل 6. البنى الإلكترونية". مقدمة في الكيمياء النظرية (PDF) . كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0521823609.
  14. ^ مارتن، ريتشارد م. (2008-10-27). البنية الإلكترونية: النظرية الأساسية والأساليب العملية . كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 978-0-521-53440-6.
  15. ^ شايك، إس إس؛ هيبيرتي، بي سي (2007). دليل الكيميائي لنظرية الرابطة التكافؤية . وايلي-إنترسانس. رقم ISBN 978-0470037355.

مصادر

  • أتكينز، بي دبليو (2002). الكيمياء الفيزيائية . مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 0-19-879285-9.
  • أتكينز، بي دبليو؛ فريدمان، آر. (2005). ميكانيكا الكم الجزيئية (الطبعة الرابعة). مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0-19-927498-7.
  • أتكينز، بي دبليو؛ فريدمان، آر. (2008). الكم، المادة والتغيير: نهج جزيئي للتغير الفيزيائي . ماكميلان. رقم ISBN 978-0-7167-6117-4.
  • بدر، ريتشارد (1994). الذرات في الجزيئات: نظرية الكم . مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0-19-855865-1.
  • جافروغلو، كوستاس؛ آنا سيمويس: لا فيزياء ولا كيمياء: تاريخ الكيمياء الكمومية ، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 2011، ISBN 0-262-01618-4 
  • Karplus M., Porter RN (1971). الذرات والجزيئات. مقدمة لطلاب الكيمياء الفيزيائية ، شركة Benjamin–Cummings للنشر، ISBN 978-0-8053-5218-4 
  • لاندو، إل دي؛ ليفشيتز، إي إم (1977). ميكانيكا الكم: النظرية غير النسبية . دورة الفيزياء النظرية. المجلد 3. مطبعة بيرغامون. رقم ISBN 0-08-019012-X.
  • ليفين، آي. (2008). الكيمياء الفيزيائية (الطبعة السادسة). مجلة ماكجرو هيل للعلوم. رقم ISBN 978-0-07-253862-5.
  • كولسون، تشارلز ألفريد (1991) [1979]. ماكوينى، روي (محرر). تكافؤ كولسون (الطبعة الثالثة). مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 9780198551454. OCLC  468330825.
  • بولينج، ل. (1954). الكيمياء العامة . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-65622-5.
  • بولينج، ل . ويلسون، إي بي (1963) [1935]. مقدمة في ميكانيكا الكم مع التطبيقات على الكيمياء . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-64871-0.
  • بولمان، برنارد؛ بولمان، ألبرت (1963). الكيمياء الحيوية الكمومية . نيويورك ولندن: أكاديميك بريس. رقم ISBN 90-277-1830-X.
  • سكيري، إريك ر. (2006). الجدول الدوري: قصته وأهميته . مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 0-19-530573-6. يتناول هذا الكتاب مدى تقليص الكيمياء، وخاصة النظام الدوري، إلى ميكانيكا الكم.
  • سيمون، ز. (1976). الكيمياء الحيوية الكمومية والتفاعلات النوعية . تايلور وفرانسيس. ISBN 978-0-85626-087-2.
  • زابو، أتيلا؛ أوستلوند، نيل س. (1996). الكيمياء الكمومية الحديثة: مقدمة إلى نظرية البنية الإلكترونية المتقدمة . دوفر. رقم ISBN 0-486-69186-1.
  • كوك، ديفيد برانستون (1998). دليل الكيمياء الكمومية الحاسوبية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 9780198501145. OCLC  468919475.
  • مجموعة شيريل – ملاحظات
  • موارد دعم المنهج الدراسي ChemViz
  • الأفكار المبكرة في تاريخ الكيمياء الكمومية
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Quantum_chemistry&oldid=1258623358#Electronic_structure"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate