Chemia teoretyczna
Chemia teoretyczna próbuje wyjaśnić dane z eksperymentów chemicznych. Wykorzystuje do tego matematykę i komputery. Chemia teoretyczna przewiduje, co się dzieje, gdy atomy łączą się, tworząc cząsteczki. Przewiduje również właściwości chemiczne (cechy charakterystyczne) cząsteczek. Ważną częścią chemii teoretycznej jest chemia kwantowa. Jest to wykorzystanie mechaniki kwantowej do zrozumienia walencji (liczby wiązań tworzonych przez atom danego pierwiastka). Inne ważne części obejmują dynamikę molekularną, termodynamikę statystyczną i teorie roztworów elektrolitów, sieci reakcji, polimeryzacji i katalizy.
Przegląd
Chemicy teoretyczni używają szerokiego wachlarza narzędzi. Narzędzia te obejmują modele analityczne (na przykład, LCAO-MO do przybliżenia zachowania elektronów w cząsteczkach) oraz symulacje obliczeniowe i numeryczne.
Teoretycy w chemii tworzą modele teoretyczne. Następnie znajdują rzeczy, które chemicy doświadczalni mogą zmierzyć na podstawie tych modeli. To pomaga chemikom szukać danych, które mogą udowodnić, że dany model nie jest prawdziwy. Dane pomagają wybrać pomiędzy kilkoma różnymi lub przeciwstawnymi modelami.
Teoretycy próbują również generować lub modyfikować modele, aby dopasować nowe dane. Jeśli dane nie pasują do modelu, chemicy próbują dokonać najmniejszej zmiany w modelu, aby dopasować dane. W niektórych przypadkach, chemicy wyrzucają model, jeśli wiele danych nie pasuje, w czasie.
Chemia teoretyczna wykorzystuje fizykę do wyjaśniania lub przewidywania obserwacji chemicznych. W ostatnich latach zajmuje się ona głównie chemią kwantową (zastosowaniem mechaniki kwantowej do problemów w chemii). Główne części chemii teoretycznej to struktura elektronowa, dynamika i mechanika statystyczna.
Wszystkie te obszary są wykorzystywane w procesie przewidywania reaktywności chemicznej. Inne, mniej centralne obszary badawcze obejmują matematyczny opis chemii masowej w różnych fazach. Chemicy teoretyczni chcą wyjaśnić kinetykę chemiczną (drogę, którą łączą się cząsteczki).
Naukowcy nazywają wiele z tych prac "chemią obliczeniową". Chemia obliczeniowa zazwyczaj wykorzystuje chemię teoretyczną do pracy nad problemami przemysłowymi i praktycznymi. Przykładami chemii obliczeniowej są projekty mające na celu przybliżenie pomiarów chemicznych, takie jak pewne typy metod post Hartree-Focka, teorii funkcjonalnej gęstości, metody półempiryczne (takie jak PM3) lub metody pola siłowego. Niektórzy teoretycy chemii wykorzystują mechanikę statystyczną, aby stworzyć związek między mikroskopowymi zjawiskami świata kwantowego a makroskopowymi właściwościami układów.
Główne dziedziny chemii teoretycznej
Chemia kwantowa
Zastosowanie mechaniki kwantowej w chemii
Zastosowanie kodów komputerowych w chemii
Modelowanie molekularne
Metody modelowania struktur molekularnych bez konieczności odwoływania się do mechaniki kwantowej. Przykłady to dokowanie molekularne, dokowanie białko-białko, projektowanie leków, chemia kombinatoryczna.
Dynamika molekularna
Zastosowanie mechaniki klasycznej do symulacji ruchu jąder atomów i cząsteczek.
Mechanika molekularna
Modelowanie powierzchni energii potencjalnej oddziaływań wewnątrz- i międzycząsteczkowych za pomocą sumy sił oddziaływania.
Chemia matematyczna
Dyskusja i przewidywanie struktury molekularnej przy użyciu metod matematycznych, niekoniecznie odwołujących się do mechaniki kwantowej.
Teoretyczna kinetyka chemiczna
Teoretyczne studium systemów dynamicznych związanych z reaktywnymi substancjami chemicznymi i odpowiadających im równań różniczkowych.
Cheminformatyka (znana również jako chemoinformatyka)
Wykorzystanie technik komputerowych i informacyjnych, stosowanych w odniesieniu do szeregu problemów z dziedziny chemii.
Powiązane strony
Historycznie, naukowcy używają chemii teoretycznej do badania:
- Fizyka atomowa: elektrony i jądra atomowe.
- Fizyka molekularna: elektrony otaczające jądra molekularne i ruch jąder. Termin ten odnosi się zwykle do badania cząsteczek zbudowanych z kilku atomów w fazie gazowej. Ale niektórzy uważają, że fizyka molekularna jest również badanie właściwości masowych substancji chemicznych w kategoriach cząsteczek.
- Chemia fizyczna i fizyka chemiczna: wykorzystująca metody fizyczne, takie jak techniki laserowe, skaningowy mikroskop tunelowy itp. Formalne rozróżnienie pomiędzy obiema dziedzinami polega na tym, że chemia fizyczna jest gałęzią chemii, natomiast fizyka chemiczna jest gałęzią fizyki. Nie jest to wyraźna różnica.
- Teoria wielu ciał: efekty, które występują w układach o dużej liczbie składników. Opiera się na fizyce kwantowej - głównie na formalizmie drugiej kwantyzacji - i elektrodynamicekwantowej.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest chemia teoretyczna?
O: Chemia teoretyczna jest dziedziną nauki, która wykorzystuje matematykę i analizę obliczeniową do wyjaśniania danych z eksperymentów chemicznych, przewidywania, co się dzieje, gdy atomy łączą się w cząsteczki, i przewidywania właściwości chemicznych cząsteczek.
P: Jakiego rodzaju analizy są wykorzystywane?
O: Chemia teoretyczna wykorzystuje matematykę i analizę obliczeniową.
P: Jak pomaga wyjaśnić dane z eksperymentów chemicznych?
O: Chemia teoretyczna próbuje wyjaśnić dane z eksperymentów chemicznych za pomocą matematyki i analizy obliczeniowej.
P: Co może przewidzieć na temat łączenia się atomów w cząsteczki?
O: Chemia teoretyczna potrafi przewidzieć, co się dzieje, gdy atomy łączą się w cząsteczki.
P: Jakiego rodzaju przewidywania dotyczą właściwości chemicznych cząsteczek?
O: Chemia teoretyczna przewiduje właściwości chemiczne (charakterystyki) cząsteczek.
P: Czy chemia kwantowa jest ważną częścią chemii teoretycznej?
O: Tak, chemia kwantowa jest ważną częścią chemii teoretycznej.
