Kvantkeemia

Kvantkeemia on keemia haru, mis kasutab kvantmehaanikat keemiliste süsteemide struktuuri, energia ja omaduste mõistmiseks ning ennustamiseks. Selle peamine eesmärk on lahendada elektronide ja tuumade liikumisega seotud Schrödingeri võrrand ning pakkuda prognoose molekulide geomeetria, energiate, reaktiivsuse ja spektroskoopiliste omaduste kohta.

Kvantkeemia keskendub elektronide ja tuumade liikumise koordineeritud kirjeldusele ning rakendab Born‑Oppenheimeri lähtepõhimõtet, mis eraldab elektronide ja tuumade liikumise ning võimaldab arvutada potentsiaalienergiapindu, mille peal molekuli reaktsioonid ja omadused kujunevad.

Peamised meetodid on ab initio meetodid (Hartree–Fock ja post‑HF, nt MP2, CCSD, CCSD(T)) ning tihedusfunktsionaalteooria (DFT), mis pakub sageli head tasakaalu täpsuse ja arvutuskoormuse vahel. Edasijõudnud tööriistad hõlmavad ajaliselt sõltuvat DFTi (TD‑DFT) keerukamateks eksperimentideks. Baasisüsteeme kasutatakse elektronide kirjeldamiseks; levinud on erinevad baasid nagu cc-pVDZ ja aug-cc-pVDZ. Solventvõimaluste mõju hinnatakse kontiinuma mudelitega (PCM, SMD).

Rakendused hõlmavad molekulide geomeetria optimeerimist, vibreerivate sageduste arvutust, reaktsioonimehhanismide ja katalüüsi uurimist, spektroskoopiat ning materjaliteadust ja farmakoloogilist disaini.

Ajalugu: kvantkeemia arenes 20. sajandi alguses kvantmehaanika arengust; HF meetodid 1950.–60. aastatel; DFT populaarsus 1990ndatel; tänapäeval on see põhiline tööriist keemias ning kasutusel nii teoorias kui rakendustes. Populaarsed tarkvarapakid hõlmavad Gaussian, ORCA, Molpro ja Q‑Chem.