Teoreettinen kemia

Yleiskatsaus

Teoreettiset kemistit käyttävät monenlaisia työkaluja. Näihin välineisiin kuuluvat analyyttiset mallit (esimerkiksi LCAO-MO:t, joilla voidaan approksimoida elektronien käyttäytymistä molekyyleissä) sekä laskennalliset ja numeeriset simulaatiot.

Kemian teoreetikot luovat teoreettisia malleja. Sitten he löytävät asioita, joita kokeelliset kemistit voivat mitata näiden mallien avulla. Tämä auttaa kemistejä etsimään tietoja, jotka voivat todistaa, että malli ei pidä paikkaansa. Tiedot auttavat valitsemaan useiden erilaisten tai vastakkaisten mallien välillä.

Jos tiedot eivät sovi malliin, kemistit yrittävät tehdä pienimmän mahdollisen muutoksen malliin, jotta se sopisi tietoihin. Joissakin tapauksissa kemistit heittävät mallin pois, jos monet tiedot eivät sovi, ajan myötä.

Teoreettisessa kemiassa käytetään fysiikkaa kemiallisten havaintojen selittämiseen tai ennustamiseen. Viime vuosina kyse on ollut lähinnä kvanttikemiasta (kvanttimekaniikan soveltaminen kemian ongelmiin). Teoreettisen kemian tärkeimmät osat ovat elektronirakenne, dynamiikka ja tilastollinen mekaniikka.

Kaikkia näitä alueita käytetään kemiallisten reaktiivisuuksien ennustamisessa. Muita vähemmän keskeisiä tutkimusalueita ovat muun muassa kemian matemaattiset kuvaukset eri vaiheissa. Teoreettiset kemistit haluavat selittää kemiallista kinetiikkaa (molekyylien yhdistymisreittiä).

Tutkijat kutsuvat suurta osaa tästä työstä "laskennalliseksi kemiaksi". Laskennallisessa kemiassa käytetään yleensä teoreettista kemiaa teollisten ja käytännön ongelmien ratkaisemiseen. Esimerkkejä laskennallisesta kemiasta ovat hankkeet, joissa approksimoidaan kemiallisia mittauksia, kuten tietyntyyppiset post-Hartree-Fock-, tiheysfunktioteoria-, puoli-empiiriset (kuten PM3) tai voimakenttämenetelmät. Jotkut kemian teoreetikot käyttävät tilastollista mekaniikkaa luodakseen yhteyden kvanttimaailman mikroskooppisten ilmiöiden ja systeemien makroskooppisten bulkkiominaisuuksien välille.

Teoreettisen kemian pääalueet

Kvanttikemia

Kvanttimekaniikan soveltaminen kemiaan

Laskennallinen kemia

Tietokonekoodien soveltaminen kemiaan

Molekyylimallinnus

Menetelmät molekyylirakenteiden mallintamiseksi ilman, että on välttämättä turvauduttava kvanttimekaniikkaan. Esimerkkejä ovat molekyylien telakointi, proteiinien ja proteiinien välinen telakointi, lääkesuunnittelu ja kombinatorinen kemia.

Molekyylidynamiikka

Klassisen mekaniikan soveltaminen atomien ja molekyylien muodostaman kokonaisuuden ytimien liikkeen simulointiin.

Molekyylimekaniikka

Molekyylien sisäisen ja välisen vuorovaikutuksen potentiaalienergiapintojen mallintaminen vuorovaikutusvoimien summan avulla.

Matemaattinen kemia

Molekyylirakenteen pohdinta ja ennustaminen matemaattisin menetelmin ilman, että välttämättä viitataan kvanttimekaniikkaan.

Teoreettinen kemiallinen kinetiikka

Reaktiivisiin kemikaaleihin liittyvien dynaamisten järjestelmien ja niitä vastaavien differentiaaliyhtälöiden teoreettinen tutkimus.

Kemianinformatiikka (tunnetaan myös nimellä kemoinformatiikka)

Tietokone- ja tietotekniikan käyttö sovellettuna erilaisiin kemian alan ongelmiin.

 

Aiheeseen liittyvät sivut

Historiallisesti tutkijat ovat käyttäneet teoreettista kemiaa tutkiakseen:

• Atomifysiikka: elektronit ja atomiytimet.
• Molekyylifysiikka: molekyylien ytimiä ympäröivät elektronit ja ytimien liikkeet. Tällä termillä tarkoitetaan yleensä muutamista atomeista koostuvien molekyylien tutkimusta kaasufaasissa. Joidenkin mielestä molekyylifysiikka on kuitenkin myös kemikaalien bulkkiominaisuuksien tutkimista molekyylien kannalta.
• Fysikaalinen kemia ja kemiallinen fysiikka: fysikaalisten menetelmien, kuten lasertekniikoiden ja pyyhkäisytunnelointimikroskoopin käyttö. Nämä kaksi alaa erotetaan toisistaan muodollisesti siten, että fysikaalinen kemia on kemian osa-alue, kun taas kemiallinen fysiikka on fysiikan osa-alue. Tämä ei ole selkeä ero.
• Monikappaleteoria: vaikutukset, jotka ilmenevät järjestelmissä, joissa on suuri määrä rakenneosia. Se perustuu kvanttifysiikkaan - lähinnä toisen kvantisoinnin formalismiin - ja kvanttisähködynamiikkaan.

Lisää lukemista

• Attila Szabo ja Neil S. Ostlund, Moderni kvanttikemia: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover Publications; New Ed edition (1996) ISBN 0486691861, ISBN 978-0486691862.
• Robert G. Parr ja Weitao Yang, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford Science Publications; ensimmäinen julkaisu 1989; ISBN 0-19-504279-4, ISBN 0-19-509276-7.