kwantumchemische

Kwantumchemie is een tak van de chemie die kwantummechanische principes toepast op moleculaire systemen. Het doel is het voorspellen en begrijpen van geometrieën, energieniveaus, elektronendichtheden en spectroscopische eigenschappen, en het verkennen van reactieroutes en kinetiek. Door elektronendynamica te modelleren biedt het inzichten die met klassieke benaderingen vaak ontbreken.

Kwantumchemische berekeningen lossen de Schrödinger-vergelijking zo goed mogelijk op voor elektronen in moleculen. De belangrijkste benaderingen zijn onder meer ab initio-methoden zoals Hartree-Fock (HF) en post-HF-methoden (MP2, CCSD(T)) die elektronencorrelatie beschrijven; DFT (dichtheidsfunctionaaltheorie) die vaak sneller is voor grotere systemen; en TD-DFT voor excitatie en spectroscopie. Semi-empirische methoden en samengestelde benaderingen worden ook toegepast, afhankelijk van de gewenste balans tussen nauwkeurigheid en rekenkracht.

Belangrijke aandachtspunten zijn de keuze van basissets (bijv. 6-31G*, aug-cc-pVDZ), BSSE-correctie en de beperkingen van functionals bij dispersion, zwakke bindingen en sterk gecorreleerde systemen. De berekeningen kunnen verrijkt worden met solventmodellen (PCM) of expliciete solventmoleculen.

Toepassingen omvatten het bepalen van moleculaire geometrieën en bindingsenergieën, het analyseren van reactiepaden en potentiaal-energieoppervlakken, en het voorspellen van vibratie- en elektronenspectra. Het speelt ook een centrale rol in katalyse, materiaalontwerp en farmaceutische chemie. Veel gebruikte softwarepakketten zijn Gaussian, ORCA, GAMESS, NWChem en Q-Chem.

Historisch gezien ontstond kwantumchemie uit de ontwikkeling van HF in de jaren vijftig en de opkomst van DFT in de jaren zestig en zeventig, met snelle groei vanaf de jaren negentig door betere functionals en toegenomen rekenkracht.