כימיה חישובית

כימיה חישובית (באנגלית: Computational chemistry) הוא ענף של הכימיה המשתמש בידע הכימיה התאורטית הבא לשימוש בתוכנות מחשב המחשבות מבנה ותכונות של מולקולות ומוצקים, והתאמת תוכנות אלו לבעיות כימיות מציאותיות. דוגמאות לתכונות אלו הן: מבנה, אנרגיה, אנרגיית אינטראקציה, מטען, דיפוליות תדירות ויברציות ראקטיביות ועוד. המונח כימיה חישובית משמש לעיתים גם לכל תחום במדע המהווה קישור בין מדעי המחשב לכימיה. התחום משמש בין היתר גם לאופטימיזציה של תהליכים כימיים באמצעות מציאת התנאים האידיאליים לביצוע התגובות.

הצורך בתחום

בשונה מתחומים אחרים במדעים המדויקים, כגון מכניקה או אופטיקה, שבהם נוסחו חוקים מדעיים כנוסחאות מתמטיות המאפשרות חישובים מדויקים המסוגלים לנבא בדיוק רב תופעות במציאות, נותרה הכימיה מאחור, ומסתמכים בה, כמו בביולוגיה, בעיקר על ניסוי וטעייה וזאת עקב ריבוי משתנים המשפיעים על התגובות.
לדוגמה, כאשר מהנדסים עוסקים בתכנון גשר, ניתן, באמצעות שימוש בחוקי ניוטון, למצוא בדיוק רב את הדרך שבה יש לבנותו כדי שיעמוד בעומסים הצפויים. לעומת זאת, בכימיה, בעיקר כאשר מדובר על מולקולות גדולות או על תהליך מרובה תגובות, קיים קושי להעריך את התוצאה, וההערכות מסתמכות על הזנחות מתמטיות רבות ועל הנחות שנועדות להקל על החישוב (כגון התייחסות אל גז ריאלי כאל גז אידיאלי).
עקב הנחות אלו כיוון שמזניחים גורמים שאמנם השפעתם מועטה יחסית אבל בכל זאת קיימת נוצרים אי דיוקים רבים, הגורמים לכך שבהקמת מתקן ליצור כימי יש חובה לבצע גמלון, כלומר הגדלת קנה המידה של התהליך עד לגודל המתקן המלא במפעל במספר שלבים כדי לראות את השפעת שינוי הגודל, היחס בין נפח לשטח וכו' על התהליך.
הנוסחאות המוכרות של התרמודינמיקה מסוגלות לחשב קבוע שיווי משקל, זמן מחצית החיים ועוד פרטים חשובים, אך בכל פעם רק עבור תגובה בודדת. כאשר מדובר על תערובת המכילה חומרים רבים המשוואות התרמודינמיות תלויות זו בזו ונוצר קושי חישובי.

התפתחות התחום

בתחילת העשור הראשון של המאה ה-21 חלה פריצת דרך בתחום, כאשר החלה הסתכלות יותר מתמטית על התגובות. לדוגמה, בזמן יצירת סגסוגת מתכתית הטמפרטורה גבוהה וישנה דיפוזיה גבוהה, ותגובות חמצון חיזור רבות בין המרכיבים (כגון ברזל, ניקל, כרום, צורן, פחמן, או חמצן). כדי לחשב את הרכב הסגסוגת יש להתייחס לכך שבין כל זוג מתכות ישנה תגובת חמצון חיזור וכן בין כל מתכת לפחמן. כיוון שכל סדרת משוואות התייחסה רק לדיפוזיה ולתרמודינמיקה של תגובה בודדה לא ניתן היה לנבא את ההרכב הסופי כיוון שהמשוואות היו תלויות זו בזו.
לפי התפיסה החדשה, דווקא בגלל שהמשוואות תלויות ניתן להתייחס אל ריכוז כל מתכת כאל נעלם אחד בכל התגובות כך שיש לבחור חומר אחד (נהוג לבחור את החומר בריכוז הכי גבוה לשם נוחות) ולהתייחס כאילו כל שאר החומרים מגיבים רק איתו ולא בינם לבין עצמם. כיוון שמבחינה כימית פיזיקלית זהו לא המצב, ומתייחסים אל התגובות כך רק לצורך החישוב, נדרש שינוי תפישתי מצד הכימאים.
התקדמות זו השפיעה, בשלב זה, בעיקר על חישובי תגובות במתכות ובתמיסות יוניות כיוון שמדובר במולקולות פשוטות יחסית. כיום כבר קיימות תוכנות שמחשבות בדיוק רב תרכובות של תמיסות בתנאים ספציפיים משתנים, כך שניתן לבצע בעזרתן אופטימיזציה של תהליכים כימיים תוך חיסכון בזמן ובמשאבים.
לתחום תרומה נוספת  במדע החומרים. כאשר ידוע מחוקי יום-רותרי ששתי מתכות יצרו תמיסה תחליפית מסודרת אך לא מיקומו בגביש של כל אטום, שימוש במשוואות הקוונטיות יאפשר את חיזוי מיקומו. לדוגמה, בסגסוגת זהב ונחושת ניתן להגיע על ידי הכימיה החישובית לכך שאטומי הזהב יהיו בפינות היחידה החוזרת בגביש ואילו אטומי הנחושת יתמקמו בפאות היחידה החוזרת בגביש.

צפי לעתיד

הציפיות הן שתחום זה ישמש לאופטימיזציה של תהליכים כימיים תוך מציאת התנאים האידיאליים להתרחשות תגובה. למרות קפיצות הדרך הרבות שהענף עשה וההתפתחות הרבה בו, יש לצפות שיעבור עוד זמן רב עד שניתן יהיה לבצע חישובים אלו על תגובות מורכבות כגון תגובות בכימיה אורגנית או בביוכימיה. בינתיים הכימיה עודנה תלויה בעיקר בשיטה הישנה של ניסוי וטעייה. למרות שהתחום עדיין בחיתוליו כבר קיימות חברות שעושות שימוש תעשייתי בתוכנות המבוססות על שיטות אלה.