Kvanttikemia onfysikaalisen kemian ala, jossa käytetäänkvanttimekaniikkaakemian ongelmien tarkasteluun.Atomienelektronien jamolekyylien käyttäytymistä ja reaktioita mallinnetaan matemaattisestifysiikan jamatematiikan antamin keinoin. Kvanttikemia on läheistä sukuateoreettiselle fysiikalle.
Kun esimerkiksi molekyylien ominaisuuksia tutkitaan tietokonelaskuilla, ei kenties ole ollenkaan tarpeellista valmistaa itse molekyyliä kokeellisesti. Kvanttikemia ja molekyylimallintaminen ovat nykyisen kemiantutkimuksen perustyökaluja.
Kvanttikemian historia on jatkoa kvanttimekaniikan historialle ja teorialle. Fyysikko ja kemistiMichael Faraday oli suuressa roolissa kvanttimekaniikan perustan luonnissa löytäessään katodisäteiden olemassaolon vuonna 1838.Albert Einsteininsuhteellisuusteoria vuodelta 1905 oli seuraus aiemmista kvanttimekaniikan teorioista. Monet pitävät kvanttikemian syntymänäSchrödingerin yhtälön löytämistä ja sen soveltamista vetyatomin perustilan ratkaisemiseksi vuonna 1926. Toinen suuri vaikuttaja kvanttikemian tutkimuksen edistämisessä oli yhdysvaltalainenLinus Pauling, joka sai kemian Nobelin palkinnon työstään vuonna 1954.[1]
Valenssisidosteoria tarkastelee yksittäisiäsidoksia. Siinä vierekkäisten atomienorbitaalit peittävät toisiaan jaelektronit, jotka sijaitsevat orbitaaleilla, keskittyvät muodostuville sidosorbitaaleille. Täten elektronit lokalisoituvat tiettyyn sidokseen. Malli toimii useimmissa kaksiatomisissamolekyyleissä, mutta tätä suuremmissa teoriaa joudutaan laajentamaan hybridiorbitaaleihin.[2]
Molekyyliorbitaaliteoria tarkastelee molekyyliorbitaalien muodostumista yhdistelemällä atomien valenssikuoren orbitaaleja. Tällöin molekyyliorbitaaleja muodostuu niin monta kuin atomeilla on valenssiorbitaaleja. Muodostuvat orbitaalit jakautuvat sitoviin ja hajottaviin. Sitovien orbitaalien elektronit keskittyvät sidokseen osallistuvien atomien väliin, kun taas hajottavien orbitaalien elektronit pyrkivät poisatomien välistä. Vain ne atomiorbitaalit, joiden energiat ovat samaa suuruusluokkaa ja symmetria on sopiva, pystyvät muodostamaan molekyyliorbitaaleja.[2]
Tiheysfunktionaaliteoriaa käytetään mikroskooppisten systeemien elektronirakenteen tutkimiseen. Pierre Hohenberg jaWalter Kohn loivat perustan teorialle vuonna 1964 osoittamalla elektronisysteemin perustilan elektronitiheyden määrittävän systeemin tilan yksiselitteisesti.[3].
Kvanttimekaaninen atomimalli kuuluu kokonaisuudessaanmodernin fysiikan piiriin ja esitetään melko vaativalla matemaattisella kielellä. Kvanttimekaniikassa elektroni ajatellaan samanaikaisesti sekä hiukkaseksi ettäaalloksi.[4]Elektronia tarkastellaan siisaaltoliikkeenä, johonErwin Schrödinger kehittiaaltoyhtälön. Hänen mukaansa atomin ytimeen sitoutunut elektroni näyttää seisovalta aallolta[5]. Aaltoyhtälön ratkaisuista saadaan todennäköisyystiheys elektronin esiintymiselle atomiytimen ympäristössä[6]. Ratkaisun avulla vetyatomin elektronille saadaan mahdolliset energiatilat, joihin elektroni voi sijoittua atomiytimen ulkopuolella. Nämä energiatilat esitetäänatomiorbitaaleina, joita kuvaa sarjakvanttiluvuiksi nimettyjä lukuja.[5].Kvanttilukuja on neljä, joistapääkvanttiluku,sivukvanttiluku jamagneettinen kvanttiluku on saatu aaltoyhtälön ratkaisun perusteella. Lisäksi on olemassa neljäs kvanttiluku,spinkvanttiluku.lähde?
Ab initio -menetelmillä pystytään mallintamaan matemaattisesti fysikaalisia ja matemaattisia malleja. Matemaattisen monimutkaisuuden vuoksiSchrödingerin yhtälöiden analyyttiset ratkaisut eivät tuota kunnollista tulosta, minkä takia joudutaan tyytymään pelkkiin approksimaatioihin.[7]
Jos tarkasteltavana oleva systeemi on pieni (atomit, molekyylit), tavallinen valinta Schrödingerin yhtälön ratkaisuun onHartree-Fock ja siihen pohjautuvat aaltofunktiomenetelmät. Suurempiin systeemeihin (kiinteä aine, suuret molekyylit, klusterit) paremmin soveltuva menetelmä on tiheysfunktionaaliteoria.[7]
- ↑The Nobel Prize in Chemistry: The Development of Modern Chemistry Nobelprize.org. Viitattu 29.4.2015.
- ↑abLaitinen, R. & Toivonen, J.: Yleinen ja epäorgaaninen kemia. Otatieto Oy, 1982.
- ↑Hohenberg P. & Kohn W.: Inhomogeneous electron gas. University of Edinburg, 1964.
- ↑Leena Kaila ym.: Reaktio 2, kemian mikromaailma. Lukion kemia. Tammi, 2006. ISBN 951-26-5133-5
- ↑abZumdahl, S.: Chemical Principles. Cengage Learning, Inc, 2009.
- ↑Kvanttimekaaninen atomimalli (etälukio) Opetushallitus. Arkistoitu 15.1.2016. Viitattu 20.4.2015.
- ↑abAla-Korpela, M: Molekyylien elektronirakenteiden ab initio laskumenetelmistä; Sovellutus HCl-molekyylin synkrotroniherätteisten resonanssi –Auger –spektrien tulkintaan. Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 1988.
