квантовая химия это что

Квантовая химия

Про квантовую физику многие слышали благодаря научно-фантастическим книгам и фильмам. Но квантовая теория не оставила без внимания и другую классическую отрасль знания — химию. Чтобы разобраться в этой области, мы поговорили с доктором физико-математических наук, руководителем департамента химии МФТИ Александром Митиным.

C 70-х годов прошлого века теоретическая химия стала очень бурно развиваться. В том числе и одна из ее составляющих — квантовая химия. Связано это с тем, что атомы и молекулы являются квантовыми объектами, а наука, которая их описывает, — квантовая механика. Отсюда вытекает, что на основе уравнений квантовой механики можно получать информацию о свойствах конкретных атомных и молекулярных систем. А зная уравнения для молекул, которые вступают в те или иные взаимодействия, — изучать механизм химических реакций.

Поскольку уравнения квантовой механики, как правило, не допускают аналитических решений, все современные знания основаны на численных методах решения. При таких подходах размерность системы, к которой сводятся исходные уравнения, может достигать нескольких миллионов.

«Вычислительная сложность этих уравнений такова, что для получения качественного решения, то есть хорошей информации о молекулах, необходимо использовать мощные вычислительные ресурсы. Поэтому современные программы стали очень большими — они насчитывают больше полумиллиона строк исходного кода. Экстремальные расчеты молекулярных систем часто проводятся на многопроцессорных кластерах. Поэтому, нужно развивать как теорию, так и методы реализации», — рассказывает Александр Митин.

Квантовая химия является синтетической наукой на стыке химии, физики и математики: объекты исследования — химические, методы их исследования — физические, а алгоритмы этих методов — математические. Объектами изучения квантовой химии являются не только атомы и молекулы, но и наноструктуры. Последние вместе с пленками не являются твердыми телами, их правильнее относить к молекулярным системам.

Примером молекулы такого размера может быть инсулин. Это вещество очень важно для здоровья людей. Поэтому необходимо понимать, как происходят взаимодействия этой молекулы с организмом человека. По словам Александра Митина, ученые начинают понимать механизмы тех реакций, в которых она участвует. Это демонстрирует потенциальные возможности современной квантовой химии.

«Когда я только начинал свою научную карьеру, даже 3–4 атома были сложными молекулами. Сейчас системы с 1,5 тысячи атомов уже становятся доступными для расчетов. И я понимаю, какие алгоритмы надо использовать, чтобы можно было рассчитывать молекулы из 5 и более тысяч атомов. Это уже размер небольших белковых структур», — продолжает Александр Васильевич.

Проводя такие расчеты, можно лучше понять исследуемые процессы, что дополняет экспериментальные работы. Ведь очень часто экспериментально далеко не все можно определить. И возможность предварительно рассчитать объект изучения дает более глубокое понимание его сущности.

Первым делом моделируй

Сегодня в мире ежегодно синтезируется несколько сотен тысяч абсолютно новых веществ. Описываются их физико-химические свойства. Но по большей части полученные вещества не находят применения. Как же происходит поиск новых веществ? Синтез вещества является ключевой, но сложной и очень дорогой фазой этого процесса. Поэтому сначала идут квантовые расчеты возможных кандидатов для конкретного применения. Затем отбираются наиболее подходящие исходя из рассчитанных свойств кандидаты. И только потом они синтезируются. Тем самым ускоряется процесс поиска новых веществ.

Важны такие расчеты и для описания химических реакций, то есть для понимания их кинетики. В случае больших молекул знание электронной структуры позволяет определить их активные центры.

«Сейчас у меня в работе молекула инсулина, которая интересна и важна как для биологов, так и для химиков. Я хочу определить ее активные центры, то есть понять, какими частями она может присоединяться к другим молекулам, — говорит Александр Митин. — Понятно, что какая-то маленькая молекула может присоединиться к ней не в любом месте, а, согласно квантовой механике, только к последним заполненным электронами уровням энергий. А соответствующая молекулярная орбиталь не обволакивает всю молекулу, она локализована в каких-то ее частях. Те области, где она будет располагаться, и будут являться активными центрами. Определив их, мы можем понять, как инсулин будет взаимодействовать с другими молекулами».

Среди направлений развития теоретических химических методов можно выделить изучение трансурановых элементов. Эксперименты с трансурановыми химическими соединениями делать крайне сложно. Квантовые расчеты проводить заметно проще. Они дают информацию о соединениях и возможных химических реакциях с участием этих элементов. По словам Александра Митина еще до того, как синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева, он с коллегами смог рассчитать физико-химические свойства этого атома и его двухатомной молекулы. Экспериментально определить их не представляется возможным, поскольку ядра столь массивных элементов являются короткоживущими. Но располагать элементы в таблице нужно, а для этого необходимо знать их свойства.

«Новые теоретические построения и модели дают новый взгляд на физические объекты. Они позволяют ставить новые эксперименты, поскольку исследуемый объект всегда видится через призму модели. Квантово-механические расчеты часто позволяют уточнять эти модели и оценивать свойства исследуемых объектов до начала эксперимента. В этом их сила. Например, можно заранее оценить физико-химические свойства молекулы, которую планируется исследовать или синтезировать», — считает Александр Митин.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Квантовая химия

Содержание

Общие сведения

Основной задачей квантовой химии является решение уравнения Шредингера и его релятивистского варианта (уравнение Дирака) для атомов и молекул. Уравнение Шредингера решается аналитически, учитывая следующие ограничения: жёсткий ротатор, гармонический осциллятор, одноэлектронная система. Но реальные многоатомные системы содержат большое количество взаимодействующих электронов, а для таких систем не существует аналитического решения этих уравнений, и, по всей видимости, оно не будет найдено и в дальнейшем. По этой причине в квантовой химии приходится строить различные приближённые, обычно численные или получисленные решения. Из-за быстрого роста сложности поиска решений с ростом сложности системы и требований к точности расчёта, возможности квантовохимических расчётов сильно ограничиваются текущим развитием вычислительной техники, хотя, наблюдаемые в последние два десятилетия революционные сдвиги в развитии компьютерной техники, приведшие к её заметному удешевлению, заметно стимулируют развитие прикладной квантовой химии. Решение уравнения Шредингера строится на уравнении Хартри-Фока-Рутана итерационным методом (SCF-self consistent field — самосогласованное поле) и состоит в нахождении вида волновой функции. Приближения, используемые в квантовой химии:

1. Приближение Борна — Оппенгеймера (адиабатическое): движение электронов и движение ядер разделено (ядра движутся настолько медленно, что при расчёте движения электронов ядра можно принять за неподвижные объекты). В связи с этим приближением существует так называемый эффект Яна-Теллера. Данное приближение позволяет представить волновую функцию системы как произведение волновой функции ядер и волновой функции электронов.
2. Одноэлектронное приближение (или приближение Хартри): считается, что движение электрона не зависит от движения других электронов системы. В связи с этим в уравнения, используемые в квантовой химии вносятся поправки на взаимное отталкивание электронов. Это позволяет волновую функцию электронов представить в виде суммы волновых функций отдельных электронов.
3. Приближение МО ЛКАО (Молекулярная Орбиталь как Линейная Комбинация Атомных Орбиталей): в данном подходе волновая функция молекулы представляется как сумма атомных орбиталей с коэффициентами: Ψ(r)=c₁ψ₁+ c₂ψ₂+…+c_nψ_n, где
Ψ(r) — волновая функция (а точнее — её электронная часть),
c₁ — коэффициент при атомной орбитали,
ψ₁ — волновая функция атомной орбитали (получается при решении уравнения Шредингера для атома водорода — известно в точном виде). Решение задачи состоит в нахождении коэффициентов С. При учёте всех интегралов — так называемый метод Ab initio — количество вычислений растёт пропорционально количеству электронов в 6-8 степени, при полуэмпирических методах — в 4-5 степени.

Получаемая при решении уравнения волновая функция является математической абстракцией. Имеет определённый физический смысл лишь квадрат её значения, который по мнению Э.Шрёдингера, характеризует вероятность распределения (плотность) отрицательно заряженного электронного облака.

Однако большинство физиков не разделяло убеждений Э.Шрёдингера, так как доказательств существования электрона как отрицательно заряженного облака не существовало на тот момент. Общепринятой точка зрения стала лишь благодаря работам Макса Борна, который обосновал вероятностную трактовку квадрата волновой функции. За фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую (вероятностную) интерпретацию волновой функции, М.Борну была присуждена в 1954 году Нобелевская премия по физике.

Строение атома

Источник