Computational Chemistry wird verwendet, um die Energetik und Struktur von Atomen und Molekülen in der Chemie zu modellieren. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Computertechniken, die in der Chemie verwendet werden.

Schritte

  1. 1 Computational Chemistry ist ein Zweig der Chemie, der sich mit mathematischen Berechnungen beschäftigt, die schließlich zur Bestimmung der Energie und Geometrie bestimmter chemischer Verbindungen führen, die für den Chemiker von Interesse sind. Die interessanten Informationen, die ein Chemiker sucht, sind zum größten Teil elektronische Energien von Atomen und Molekülen. Die Berechnung kann auch vorhersagen, ob die Verbindung stabil genug ist, um existent zu sein.
  2. 2 Die wichtigsten Elektronen im Atom oder Molekül sind diejenigen, die sich in der höchsten elektronischen Schale oder in der Sprache der Orbitale befinden, die höchsten besetzten (HOMO) und unbesetzten (LUMO) Molekülorbitale. Diese Orbitale sind für die chemischen Eigenschaften der Moleküle verantwortlich, nämlich ob sie mit anderen Molekülen reagieren oder nicht und durch welche Symmetrie.
  3. 3 Chemische Berechnungen an organischen Verbindungen sind Teil des Computerchemie-Schemas. Sie sind schwer zu berechnen aufgrund der Beteiligung vieler Atome in ihrer molekularen Struktur. Organische Verbindungen, die eine geringe Anzahl von Atomen aufweisen, sind jedoch aufgrund der geringen Elektronenzahl in ihnen relativ leicht zu berechnen.
  4. 4 Die Reaktivität chemischer Verbindungen wird durch das HOMO-Orbital und die LUMO- oder Grenzmolekülorbitale bestimmt. Insbesondere ist die Wechselwirkung zwischen dem LUMO einer Verbindung und dem HOMO des anderen Reaktanten wichtig. Der Unterschied in der Energetik zwischen diesen beiden Orbitalen sowie die Übereinstimmung der Symmetrie bestimmen, ob zwischen diesen beiden Verbindungen eine Reaktion stattfindet. Daher ist es wichtig, Berechnungen zur Energetik dieser Orbitale und nicht zu den inneren Kernorbitalen durchzuführen, um zu überprüfen, ob eine Reaktion zwischen diesen beiden Molekülen stattfindet oder nicht.
  5. 5 Die grundlegende Gleichung, die zur Bestimmung der Energetik chemischer Verbindungen verwendet wird, ist die Schrödinger-Gleichung. Diese Gleichung ist nicht-relativistisch und berücksichtigt keine relativistischen Effekte wie das Phänomen des Spins. Die quantenmechanische Variante dieser Gleichung, die relativistische Effekte auf Atome und Moleküle beinhaltet, wird als Dirac-Gleichung bezeichnet.
  6. 6 Die Schrödinger-Gleichung ist eine lineare Differentialgleichung, die nur für einfache Systeme wie das Teilchen in einer Box und die Energetik des Wasserstoffatoms mathematisch exakt lösbar ist. Für atomare Systeme ist es nur für das Wasserstoffatom in exakter Weise gelöst. In diesem Fall beinhaltet auch die Lösung formidable mathematische Gleichungen, die Laplace in sphärischen Koordinaten beinhalten. Dazu gehören auch Differentialgleichungen, die für den Praktiker nicht einfach zu lösen sind.
  7. 7 Für andere Atome als Wasserstoff können Lösungen der Schrödinger-Gleichung nicht genau mathematisch erhalten werden, da im Hamilton-Operator der Schrödinger-Gleichung ein potentieller Energieterm vorhanden ist, der die analytische Lösung der Schrödinger-Gleichung unmöglich macht. Aus diesem Grund wurden viele Anstrengungen unternommen, um diese Schwierigkeit zu überwinden, indem mehrere Approximationsmethoden abgeleitet wurden, die als störungstheoretische Methoden bezeichnet werden. Sie beinhalten das Lösen des Energieterms der Störung selbst und dann das Hinzufügen zu der allgemeinen Energie des ungestörten Hamilton-Operators.
  8. 8 Die meisten Berechnungen in der Chemie beinhalten diese Art von Störungstheorie. Dies ist besonders wichtig für viele Elektronenatome und Moleküle. In vielen Elektronenatomen gibt es zwei Hauptstörungen, die verhindern, dass die Schrödinger-Gleichung exakt gelöst wird. Dies sind: die Korrelation zwischen Elektronen oder die Abstoßungskräfte zwischen den verschiedenen Elektronen, die dem Hamilton-Operator einen Ausdruck hinzufügen, der die Mathematik unmöglich macht, das Problem zu lösen. Diese elektronische Korrelation manifestiert sich nicht nur in vielen Elektronenatomen, sondern auch in allen Molekülen.
  9. 9 Der andere Teil des Hamilton-Operators, der schwer zu lösen ist, ist auf die Spin-Bahn-Kopplung zurückzuführen, was ein relativistischer Effekt ist. Es entsteht aufgrund der relativen Bewegung des Kerns um das Elektron selbst. Die Bewegung des Kerns um das Elektron erzeugt ein magnetisches Feld, das mit dem Spin und dem magnetischen Winkelmoment des Elektrons wechselwirken kann. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Term im Hamilton-Operator, der eine genaue Lösung der Schrödinger-Gleichung verhindert.
  10. 10 In den 1990er Jahren war die bekannteste Berechnungsmethode für den Chemiker die Hartree-Fock-Methode oder das selbstkonsistente Feld. Heutzutage gibt es viele störungstheoretische Methoden wie die Muller-Pleset-Methode, die die Korrelation zwischen Elektronen im Hamilton-Operator beinhaltet. Eine populäre Methode, die in der Computerchemie immer mehr verwendet wird, ist die Dichtefunktionaltheorie, die den Vorteil hat, weniger zeitaufwendig zu sein als die anderen Methoden. Zusätzliche Berechnungsmethoden, die besonders für Übergangszustandsberechnungen nützlich sind, umfassen die gekoppelten Clustermethoden. Für thermodynamische Berechnungen ist die semi-empirische Methode, insbesondere die PM3-Methode, eine sehr effiziente Methode.