الكيمياء النظرية

الكيمياء النظرية هي فرع من فروع الكيمياء يقوم بتطوير تعميمات نظرية تشكل جزءًا من الترسانة النظرية للكيمياء الحديثة: على سبيل المثال، مفاهيم الترابط الكيميائي ، والتفاعل الكيميائي ، والتكافؤ ، وسطح طاقة الوضع ، والمدارات الجزيئية ، والتفاعلات المدارية، وتنشيط الجزيء.

يجمع علم الكيمياء النظرية بين المبادئ والمفاهيم المشتركة بين جميع فروع الكيمياء. وفي إطاره، يتم تنظيم القوانين والمبادئ والقواعد الكيميائية، وتطويرها وتفصيلها، وبناء تسلسل هرمي لها. ويحتل مبدأ ترابط بنية وخصائص الأنظمة الجزيئية مكانة مركزية في الكيمياء النظرية. ويستخدم هذا العلم الأساليب الرياضية والفيزيائية لشرح بنى وديناميكيات الأنظمة الكيميائية، وربط خصائصها الديناميكية الحرارية والحركية وفهمها والتنبؤ بها. وبمعنى أعم، هو تفسير للظواهر الكيميائية باستخدام أساليب الفيزياء النظرية . وعلى النقيض من الفيزياء النظرية، ونظرًا للتعقيد الشديد للأنظمة الكيميائية، غالبًا ما يستخدم علم الكيمياء النظرية، بالإضافة إلى الأساليب الرياضية التقريبية، أساليب شبه تجريبية وتجريبية.

في السنوات الأخيرة، انصبّ التركيز بشكل أساسي على الكيمياء الكمومية ، أي تطبيق ميكانيكا الكم على مسائل الكيمياء. وتشمل المكونات الرئيسية الأخرى الديناميكا الجزيئية ، والديناميكا الحرارية الإحصائية ، ونظريات محاليل الإلكتروليت ، وشبكات التفاعلات ، والبلمرة ، والحفز ، والمغناطيسية الجزيئية ، والتحليل الطيفي .

يمكن تقسيم الكيمياء النظرية الحديثة تقريبًا إلى قسمين: دراسة البنية الكيميائية ودراسة الديناميكا الكيميائية. يشمل القسم الأول دراساتٍ مثل: البنية الإلكترونية، وأسطح طاقة الوضع، ومجالات القوى؛ والحركة الاهتزازية الدورانية؛ وخصائص التوازن لأنظمة الطور المكثف والجزيئات الكبيرة. أما الديناميكا الكيميائية فتشمل: حركية الجزيئات الثنائية ونظرية تصادم التفاعلات وانتقال الطاقة؛ ونظرية معدل التفاعل أحادي الجزيء والحالات شبه المستقرة؛ وجوانب الديناميكا في الطور المكثف والجزيئات الكبيرة.

الكيمياء الكمية

تطبيق ميكانيكا الكم أو التفاعلات الأساسية على المشكلات الكيميائية والفيزيائية الكيميائية. وتُعد الخصائص الطيفية والمغناطيسية من بين أكثر الخصائص التي يتم نمذجتها.

الكيمياء الحاسوبية

يشمل تطبيق الحوسبة العلمية في الكيمياء استخدام أساليب تقريبية مثل هارتري-فوك ، وما بعد هارتري-فوك ، ونظرية الكثافة الوظيفية ، والأساليب شبه التجريبية (مثل PM3 )، أو أساليب مجال القوة . يُعد شكل الجزيء الخاصية الأكثر شيوعًا في التنبؤ. كما يمكن للحواسيب التنبؤ بالأطياف الاهتزازية والاقتران الاهتزازي الإلكتروني، بالإضافة إلى الحصول على بيانات الأشعة تحت الحمراء وتحويلها باستخدام تحويل فورييه إلى معلومات ترددية. وتؤكد المقارنة مع الاهتزازات المتوقعة صحة الشكل المتوقع.

النمذجة الجزيئية

طرق لنمذجة البنى الجزيئية دون الرجوع بالضرورة إلى ميكانيكا الكم. ومن الأمثلة على ذلك: الالتحام الجزيئي ، والتحام البروتين-بروتين ، وتصميم الأدوية ، والكيمياء التوافقية . ويُعدّ التوافق بين الشكل والجهد الكهربائي العاملَ الأساسي في هذا النهج البياني.

الديناميكا الجزيئية

تطبيق الميكانيكا الكلاسيكية لمحاكاة حركة نوى مجموعة من الذرات والجزيئات. وتتحكم قوى فان دير فالس في إعادة ترتيب الجزيئات داخل المجموعة، بينما يعززها تغير درجة الحرارة.

الميكانيكا الجزيئية

نمذجة أسطح طاقة التفاعل داخل الجزيئات وبينها عبر الكمونات. وعادة ما يتم تحديد معلمات هذه الكمونات من خلال حسابات ab initio.

الكيمياء الرياضية

مناقشة وتوقع البنية الجزيئية باستخدام الأساليب الرياضية دون الرجوع بالضرورة إلى ميكانيكا الكم. علم الطوبولوجيا هو فرع من الرياضيات يسمح للباحثين بتوقع خصائص الأجسام المرنة ذات الحجم المحدود مثل التجمعات الذرية .

الحركية الكيميائية

دراسة نظرية للأنظمة الديناميكية المرتبطة بالمواد الكيميائية التفاعلية ، والمركب المنشط ، ومعادلاتها التفاضلية المقابلة .

المعلوماتية الكيميائية (المعروفة أيضًا باسم المعلوماتية الكيميائية )

استخدام تقنيات الحاسوب والمعلومات، المطبقة على معلومات المحاصيل لحل المشكلات في مجال الكيمياء.

الهندسة الكيميائية

تطبيق الكيمياء على العمليات الصناعية لإجراء البحوث والتطوير . وهذا يسمح بتطوير وتحسين المنتجات الجديدة والحالية وعمليات التصنيع .

الديناميكا الحرارية الكيميائية

دراسة العلاقة بين الحرارة والشغل والطاقة في التفاعلات والعمليات الكيميائية، مع التركيز على الإنتروبيا والإنثالبي وطاقة جيبس ​​الحرة لفهم تلقائية التفاعل والتوازن.

الميكانيكا الإحصائية

تطبيق الميكانيكا الإحصائية للتنبؤ بالخصائص الديناميكية الحرارية للأنظمة الكيميائية وشرحها، وربط السلوك الجزيئي بالخصائص العيانية.

تاريخياً، كان المجال الرئيسي لتطبيق الكيمياء النظرية في مجالات البحث التالية:

• الفيزياء الذرية : التخصص الذي يتعامل مع الإلكترونات ونوى الذرات.
• الفيزياء الجزيئية : هي علم يدرس الإلكترونات المحيطة بنوى الجزيئات وحركة هذه النوى. يشير هذا المصطلح عادةً إلى دراسة الجزيئات المكونة من عدد قليل من الذرات في الحالة الغازية. لكن يرى البعض أن الفيزياء الجزيئية تشمل أيضاً دراسة الخصائص الكلية للمواد الكيميائية من منظور الجزيئات.
• الكيمياء الفيزيائية والفيزياء الكيميائية : تُدرس الكيمياء باستخدام أساليب فيزيائية مثل تقنيات الليزر ، والمجهر النفقي الماسح ، وغيرها. يتمثل التمييز الرسمي بين المجالين في أن الكيمياء الفيزيائية فرع من فروع الكيمياء، بينما الفيزياء الكيميائية فرع من فروع الفيزياء. لكن عمليًا، هذا التمييز غير واضح تمامًا.
• نظرية الأجسام المتعددة : هي فرع من فروع الفيزياء يدرس التأثيرات التي تظهر في الأنظمة ذات العدد الكبير من المكونات. وهي تستند إلى فيزياء الكم - وخاصةً صيغة التكميم الثاني - والديناميكا الكهربائية الكمية .

ومن ثم، برزت الكيمياء النظرية كفرع من فروع البحث العلمي. ومع ظهور نظرية الكثافة الوظيفية وغيرها من الأساليب مثل الميكانيكا الجزيئية ، اتسع نطاق تطبيقها ليشمل الأنظمة الكيميائية ذات الصلة بمجالات أخرى من الكيمياء والفيزياء، بما في ذلك الكيمياء الحيوية ، وفيزياء المادة المكثفة ، وتقنية النانو ، وعلم الأحياء الجزيئي .

• قائمة بالمسائل غير المحلولة في الكيمياء

• أتيلا سزابو ونيل س. أوستلوند، الكيمياء الكمية الحديثة: مقدمة في نظرية البنية الإلكترونية المتقدمة ، منشورات دوفر؛ طبعة جديدة (1996) ISBN 0-486-69186-1، ISBN 978-0-486-69186-2
• روبرت ج. بار وويتاو يانغ، نظرية الكثافة الوظيفية للذرات والجزيئات ، منشورات أكسفورد للعلوم؛ نُشر لأول مرة عام 1989؛ رقم ISBN 0-19-504279-4، ISBN 0-19-509276-7
• DJ Tannor, V. Kazakov and V. Orlov, Control of Photochemical Branching: Novel Procedures for Find the Optimal Pulses and Global Upper Bounds, in Time Dependent Quantum Molecular Dynamics, J. Broeckhove and L. Lathouwers, eds., 347–360 (Plenum, 1992)