Química cuántica
La química cuántica , también llamada mecánica cuántica molecular , es una rama de la química centrada en la aplicación de la mecánica cuántica a los sistemas químicos. Comprender la estructura electrónica y la dinámica molecular mediante las ecuaciones de Schrödinger son temas centrales en la química cuántica.
Los químicos dependen en gran medida de la espectroscopia a través de la cual se puede obtener información sobre la cuantificación de la energía a escala molecular. Los métodos habituales son la espectroscopia de infrarrojos (IR) , la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) y la microscopía de sonda de barrido . La química cuántica estudia el estado fundamental de átomos y moléculas individuales, y los estados excitados y de transición que ocurren durante las reacciones químicas .
En los cálculos, los estudios de química cuántica utilizan también métodos semi-empíricos y de otro tipo basados en principios de la mecánica cuántica, y tratan problemas dependientes del tiempo. Muchos estudios de química cuántica asumen que los núcleos están en reposo ( aproximación de Born-Oppenheimer ). Muchos cálculos involucran métodos iterativos que incluyen métodos de campo autoconsistentes. Los principales objetivos de la química cuántica incluyen aumentar la precisión de los resultados para sistemas moleculares pequeños y aumentar el tamaño de las moléculas grandes que pueden procesarse, lo cual está limitado por consideraciones de escala: el tiempo de cálculo aumenta como una potencia del número de átomos.
Algunos ven el nacimiento de la química cuántica como comenzando con el descubrimiento de la ecuación de Schrödinger y su aplicación al átomo de hidrógeno en 1926. [ cita requerida ] Sin embargo, el artículo de 1927 de Walter Heitler (1904-1981) y Fritz London , a menudo se reconoce como el primer hito en la historia de la química cuántica. Ésta es la primera aplicación de la mecánica cuántica a la molécula de hidrógeno diatómico y, por tanto, al fenómeno del enlace químico. En los años siguientes, Robert S. Mulliken , Max Born , J. Robert Oppenheimer , Linus Pauling , Erich Hückel lograron muchos avances., Douglas Hartree , Vladimir Fock , por citar algunos. La historia de la química cuántica también pasa por el descubrimiento de 1838 de los rayos catódicos por Michael Faraday , la declaración de 1859 del problema de la radiación del cuerpo negro por Gustav Kirchhoff , la sugerencia de 1877 de Ludwig Boltzmann de que los estados de energía de un sistema físico podrían ser discretos, y la hipótesis cuántica de 1900 de Max Planck de que cualquier energía que irradia un sistema atómico puede teóricamente dividirse en varios elementos de energía discretos ε de manera que cada uno de estos elementos de energía es proporcional a la frecuencia νcon el que cada uno irradia energía individualmente y un valor numérico llamado constante de Planck . Luego, en 1905, para explicar el efecto fotoeléctrico (1839), es decir, que la luz brillante sobre ciertos materiales puede funcionar para expulsar electrones del material, Albert Einstein postuló, basándose en la hipótesis cuántica de Planck, que la luz misma consiste en partículas cuánticas individuales, que luego pasó a llamarse fotones (1926). En los años siguientes, esta base teórica comenzó a aplicarse lentamente a la estructura química, la reactividad y la unión. Probablemente la mayor contribución al campo la hizo Linus Pauling . [ cita requerida ]
El primer paso para resolver un problema de química cuántica suele ser resolver la ecuación de Schrödinger (o ecuación de Dirac en la química cuántica relativista ) con el Hamiltoniano molecular electrónico . A esto se le llama determinar la estructura electrónica de la molécula. Se puede decir que la estructura electrónica de una molécula o cristal implica esencialmente sus propiedades químicas. Una solución exacta para la ecuación de Schrödinger solo se puede obtener para el átomo de hidrógeno (aunque se han identificado soluciones exactas para las energías de estado ligado del ion molecular de hidrógeno en términos de la función W de Lambert generalizada). Dado que todos los demás sistemas atómicos o moleculares implican los movimientos de tres o más "partículas", sus ecuaciones de Schrödinger no se pueden resolver con exactitud y, por lo tanto, se deben buscar soluciones aproximadas.
