Kimia kuantum

Kimia kuantum adalah sebuah cabang kimia teori, yang menerapkan mekanika kuantum (dan belakangan ini teori medan kuantum) untuk menangani masalah dalam kimia. Penjelasan perilaku elektron pada atom dan molekul dalam kaitannya dengan kereaktifan adalah salah satu terapan kimia kuantum. Kimia kuantum terletak di perbatasan antara kimia dan fisika, dan sumbangan yang berarti telah dicapai oleh ilmuwan dari kedua bidang tersebut.

Struktur elektron

Langkah pertama untuk memecahkan masalah kimia kuantum biasanya dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger (atau persamaan Dirac dalam kimia kuantum relativitas) dengan Hamiltonian molekul elektron, yang disebut sebagai penentuan struktur elektron molekul.

Model gelombang

Landasan mekanika kuantum dan kimia kuantum adalah model gelombang, di mana suatu atom adalah inti bermuatan positif yang amat kecil dan rapat namun masih dapat dibelah lagi, tidak seperti teori yang selama ini dianut bahwa inti atom merupakan bagian terkecil dari suatu atom yang tidak dapat dibelah lagi, yang dikelilingi oleh elektron. Tidak seperti model sebelumnya, yaitu model Bohr tentang atom, model gelombang menggambarkan elektron sebagai "awan" yang bergerak dalam orbitalmengelilingi inti atom, dan letaknya dinyatakan dengan distribusi kebolehjadian dari titik-titik diskrit. Kekuatan model ini terletak pada daya ramalnya.

Ikatan valensi

Walaupun dasar matematika kimia kuantum telah diletakkan oleh Schrödinger pada tahun 1926, umum diterima bahwa perhitungan dalam kimia kuantum baru sungguh-sungguh dilakukan oleh ilmuwan Jerman walter Heitler dan Fritz London pada molekul hidrogen (H₂) pada tahun 1927. Metode Heitler dan London diperluas oleh kimiawan Amerika John C. Slater dan Linus Pauling menjadi metode Ikatan-Valensi (VB) (atau Heitler-London-Slater-Pauling). Pada metode ini, perhatian terutama diberikan pada interaksi berpasangan antara atom-atom, dan dengan demikian metode ini terkait erat dengan penggambaran ikatan oleh kimiawan.

Orbital molekul

Pendekatan alternatif dikembangkan pada tahun 1920 oleh Friedrich Hund dan Robert S. Mulliken, di mana elektron digambarkan dengan fungsi matematika terdelokalisasi di seluruh molekul. Pendekatan Hund-Mulliken atau metode orbital molekul (MO) kurang intuitif bagi kimiawan.

Teori fungsi kerapatan

Model Thomas-Fermi dikembangkan secara sendiri-sendiri oleh Thomas dan Fermi pada tahun 1927. Hal ini merupakan usaha pertama untuk menggambarkan sistem banyak-elektron berlandaskan kerapatan elektron, walaupun tidak terlalu berhasil untuk menangani keseluruhan molekul. Metode meletakkan landasan bagi teori fungsi kerapatan. Walaupun metode ini kurang dikembangkan dibandingkan dengan metode Pasca-Hartree-Fock, kebutuhan komputasi yang lebih rendah memungkinnya menangani molekul poliatom yang lebih besar dan bahkan makromolekul, yang membuatnya menjadi metode yang paling sering digunakan dalam kimia komputasi saat ini.

Dinamika molekul

Langkah lebih jauh dapat mencakup penyelesaian persamaan Schrödinger dengan Hamiltonian molekul total untuk mengkaji gerakan molekul. Penyelesaian langsung persamaan Schrödinger disebut dinamika molekul kuantum, dengan hampiran semiklasik disebut dinamika molekul semiklasik, dan dalam kerangka mekanika klasik disebut dinamika molekul (MD). Pendekatan statistik juga mungkin, misalnya dengan menggunakan metode Monte Carlo.