כימיה קוונטית

כִימְיָה קְוַנְטִית היא ענף בכימיה תאורטית העושה שימוש במכניקה הקוונטית ובתורת השדות הקוונטית בהסבר תופעות יסוד בכימיה. ענף זה הוא יישום של הפיזיקה האטומית בכימיה. אחת התוצאות של יישום זה של כימיה קוונטית הוא מתן הסבר אלקטרוני של התגובות הכימיות בין אטומים ומולקולות. ענף זה מטבעו משלב בין כימיה ופיזיקה, ותרומות משמעותיות בתחום זה נעשו על ידי מדענים משני התחומים. ניתן לזהות את שורשיה של הכימיה הקוונטית בכמה נקודות ציון, בהן: גילוי הקרניים הקתודיות על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1838; בעיית קרינת גוף שחור אשר תוארה לראשונה על ידי גוסטב קירכהוף ב-1859; הצעתו של לודוויג בולצמן ב-1877, לפיה רמות האנרגיה של מערכת פיזיקלית יכולות להיות בלתי-רציפות; וההשערה הקוונטית של מקס פלאנק ב-1900, לפיה האנרגיה הנפלטת ממערכת אטומית קורנת כלשהי ניתנת לחלוקה, באופן תאורטי, למספר "אלמנטי אנרגיה" נפרדים, ε, כך שכל אחד מאלמנטי האנרגיה הללו יחסי לתדירות ν, בה כל אחד מהם קורן אנרגיה בנפרד, על פי הנוסחא הבאה: ε = h ν {\displaystyle \varepsilon =h\nu \,} בנוסחא זו h הוא גודל מספרי קבוע הקרוי קבוע פלאנק. ב-1905 הציע איינשטיין הסבר חדש לאפקט הפוטואלקטרי, תופעה בה הארת חומרים מסוימים יכולה לגרום לפליטת אלקטרונים מהחומר. לפי ההסבר שלו, בהתבסס על ההשערה הקוונטית של פלאנק, האור מורכב מחלקיקים קוונטיים נפרדים, שמאוחר יותר קיבלו את השם פוטונים (1926). בסיס תאורטי זה יושם יותר מאוחר, בהדרגה, בבעיות המבנה הכימי, ריאקטיביות וקשרים כימיים. הצעד הראשון להבנת בעיה כימית-קוונטית הוא בדרך כלל פתרון משוואת שרדינגר (או משוואת דיראק במכניקה קוונטית יחסותית), תוך שימוש בהמילטוניאן המולקולרי האלקטרוני. גישה זו מאפשרת לקבל תיאור של המבנה האלקטרוני של המולקולה, העומד בבסיס התכונות הכימיות שלה. ערך מורחב – פונקציית גל מודל הגלים הוא אחד מיסודות מכניקת הקוונטים והכימיה הקוונטית, ולפיו האטום הוא גרעין חיובי קטן וצפוף וסביבו נעים אלקטרונים. בניגוד למודל האטום של בוהר בו האלקטרון הוא חלקיק הנע במסלול מעטפת של האטום, מכניקת הגלים מתארת את האלקטרון כ"ענן" של הסתברויות של מיקום האלקטרון, העוטף את האטום (ענן זה מתואר על ידי פונקציית הגל). הנקודה החזקה של מודל הגל היא יכולת החיזוי שהוכחה בניסויים רבים, ובמיוחד בחיזוי המבנה הכימי של יסודות דומים בטבלה המחזורית. המודל מכונה כך כיוון שהאלקטרונים מפגינים תכונות המקושרות בדרך כלל לגלים, כמו התאבכות. ראו גם דואליות גל-חלקיק. ערך מורחב – תאוריית הקשר הערכי אף על פי ששרדינגר הניח את הבסיס המתמטי לכימיה הקוונטית ב-1926, מקובל כי החישוב "האמיתי" הראשון בכימיה קוונטית בוצע ב-1927 על ידי הפיזיקאים הגרמניים ולטר הייטלר ופריץ לונדון, על המולקולה של מימן. מאוחר יותר הרחיבו הפיזיקאי התאורטי ג'ון סלייטר והכימאי התאורטי לינוס פאולינג, שניהם אמריקנים, את שיטת הייטלר-לונדון לפיתוח מושג קשר ערכיות (Valence Bond, ידועה גם בכינוי "שיטת הייטלר-לונדון-סלייטר-פאולינג", HLSP). בשיטה זו מירב תשומת הלב ניתן לאינטראקציות של זוגות אלקטרונים בין האטומים, ולכן הטכניקה תואמת היטב את הייצוג הכימי המסורתי של קשרים כימיים. ערך מורחב – אורביטל מולקולרי גישה אלטרנטיבית ל-VB פותחה ב-1929 על ידי פרידריך הונד ורוברט מוליקן, לפיה אלקטרונים מתוארים על ידי פונקציות מתמטיות המתפרשות על כל המולקולה. גישת הונד-מוליקן, או אורביטלים מולקולריים (MO), היא פחות אינטואיטיבית לכימאים, אך מאפשרת לקבל תחזיות מדויקות יותר מאשר VB לגבי תכונות ספקטרוסקופיות. גישה זו היא הבסיס המושגי עבור שיטת הארטרי-פוק וגישות מתקדמות יותר המבוססות עליה, הידועות בכינוי הכללי פוסט-הארטרי-פוק. ערך מורחב – תורת פונקציונל הצפיפות מודל תומאס-פרמי (גז בקופסה) פותח באופן עצמאי על ידי תומאס ופרמי ב-1927. היה זה הניסיון הראשון לתאר מערכת רב-אלקטרונית על בסיס צפיפות אלקטרונית במקום פונקציות גל, אף על פי שלא היה מוצלח במיוחד בטיפול במולקולות שלמות. השיטה היוותה את הבסיס למה שמכונה כיום תורת פונקציונל הצפיפות. אמנם שיטה זו פחות מפותחת משיטות פוסט-הארטרי-פוק למיניהן, אך הדרישות החישוביות הנמוכות יותר שלה מאפשרות לה לטפל במולקולות רב-אטומיות גדולות יותר, ואף במקרומולקולות, ולכן שיטה זו הנפוצה ביותר כיום בעולם הכימיה החישובית. ניתן להמשיך בתיאור המערכות על ידי פתרון משוואת שרדינגר תוך שימוש בהמילטוניאן המולקולרי השלם, וזאת במטרה לחקור את תנועת המולקולות. פתרון ישיר של משוואת שרדינגר קרוי "דינמיקה מולקולרית קוונטית", במסגרת הקירוב הקלאסי-למחצה "דינמיקה מולקולרית קלאסית-למחצה", ובמסגרת המכניקה הקלאסית - "דינמיקה מולקולרית" (MD). ניתן גם לעשות שימוש בשיטות סטטיסטיות, כגון שיטת מונטה קרלו. ערך מורחב – תהליך אדיאבטי בדינמיקה אדיאבטית, אינטראקציות בין-אטומיות מתוארות על ידי פוטנציאלים סקלריים יחידים, הקרויים "משטחי אנרגיה פוטנציאלית". זהו קירוב בורן-אופנהיימר, שהונהג לראשונה על ידי בורן ואופנהיימר ב-1927. הקירוב שימש עבור יישומים חלוציים בכימיה ב-1927 על ידי רייס ורמספרגר, ועל ידי קאסל ב-1928. יישומים אלה הוכללו על ידי מרכוס ב-1952 ליצירת תיאורית RRKM, אשר כללה גם את תיאורית מצב המעבר שפותחה על ידי אירינג ב-1935. שיטות אלה איפשרו הערכות פשוטות של קצבי תגובות חד-מולקולריות בעזרת מספר תכונות של משטח הפוטנציאל. דינמיקה כימית לא-אדיאבטית לוקחת בחשבון את האינטראקציה בין כמה משטחי פוטנציאל מצומדים (המתאימים לכמה מצבים אלקטרוניים קוונטיים של המולקולה). איברי הצימוד מכונים "צימודים ויברוניים". העבודה החלוצית בתחום נעשתה על ידי שטוקלברג, לנדאו וזנר בשנות ה-30, כאשר חקרו את מה שמכונה היום מעבר לנדאו-זנר (Landau-Zener transition). הנוסחה אליה הגיעו מאפשרת חישוב סיכוי המעבר בין שתי עקומות פוטנציאל דיאבטיות בסביבות החיתוך (הנמנע) שלהן. יישום תורת השדות הקוונטית (QFT) למערכות ולתאוריות כימיות נעשה נפוץ יותר ויותר במדעים הפיזיקליים המודרניים. אחת מההופעיות הראשונות, והחשובות ביותר, היא בתאוריה של הפוטומגנטון. במערכת זו, פלזמות, המצויות בכל בפיזיקה ובכימיה, נחקרות במטרה לקבוע את הקוונטיזציה הבסיסית של השדה הבוזוני שביסודן. אך מעבר לכך, תורת השדות הקוונטית משמשת לתחומים רבים בכימיה, ביניהם כימיה גרעינית, אסטרוכימיה, סונוכימיה והידרודינמיקה קוונטית. שיטות שדה תאורטיות היו גם המפתח לפיתוח תיאורית ההמילטוניאן האפקטיבי של שיטות אלקטרוני פאי אמפיריות למחצה. כימיה פיזיקלית כימיה תאורטית פיזיקה תאורטית פיזיקה אטומית אלקטרוכימיה קוונטית, תאוריה קוונטית לתהליכים אלקטרוכימיים שפותחה על ידי רוואז דור'ונדזה קירוב היקל כימיה קונטית, דף שער בספרייה הלאומית