Теоретическая химия объединяет принципы и понятия, общие для всех разделов химии. В рамках теоретической химии происходит систематизация химических законов, принципов и правил, их уточнение и детализация, построение иерархии. Центральное место в теоретической химии занимает учение о взаимосвязи структуры и свойств молекулярных систем. Она использует математические и физические методы для объяснения структур и динамики химических систем, для соотнесения, понимания и прогнозирования их термодинамических и кинетических свойств. В самом общем смысле — это объяснение химических явлений методами теоретической физики . В отличие от теоретической физики, в связи с большой сложностью химических систем, теоретическая химия, помимо приближенных математических методов, часто использует полуэмпирические и эмпирические методы.
Современную теоретическую химию можно грубо разделить на изучение химической структуры и изучение химической динамики. Первая включает в себя изучение: электронной структуры, поверхностей потенциальной энергии и силовых полей; колебательно-вращательного движения; равновесных свойств конденсированных фазовых систем и макромолекул. Химическая динамика включает в себя: бимолекулярную кинетику и теорию столкновений реакций и переноса энергии; теорию мономолекулярной скорости и метастабильные состояния; конденсированные фазы и макромолекулярные аспекты динамики.
Применение квантовой механики или фундаментальных взаимодействий к химическим и физико-химическим проблемам. Спектроскопические и магнитные свойства относятся к наиболее часто моделируемым.
Применение научных вычислений к химии, включая схемы аппроксимации, такие как Хартри-Фока , пост-Хартри-Фока , теорию функционала плотности , полуэмпирические методы (такие как PM3 ) или методы силового поля . Молекулярная форма является наиболее часто предсказываемым свойством. Компьютеры также могут предсказывать колебательные спектры и вибронную связь, а также получать и преобразовывать Фурье инфракрасные данные в частотную информацию. Сравнение с предсказанными колебаниями подтверждает предсказанную форму.
Применение классической механики для моделирования движения ядер ансамбля атомов и молекул. Перегруппировка молекул внутри ансамбля контролируется силами Ван-дер-Ваальса и стимулируется температурой.
Обсуждение и прогнозирование молекулярной структуры с использованием математических методов без обязательного обращения к квантовой механике. Топология — это раздел математики, который позволяет исследователям прогнозировать свойства гибких тел конечного размера, таких как кластеры .
Изучение взаимосвязи между теплом, работой и энергией в химических реакциях и процессах с упором на энтропию , энтальпию и свободную энергию Гиббса для понимания спонтанности и равновесия реакции.
Применение статистической механики для прогнозирования и объяснения термодинамических свойств химических систем, связывающее молекулярное поведение с макроскопическими свойствами.
Тесно связанные дисциплины
Исторически основными областями применения теоретической химии были следующие направления исследований:
Атомная физика : дисциплина, изучающая электроны и атомные ядра.
Молекулярная физика : дисциплина об электронах, окружающих молекулярные ядра, и о движении ядер. Этот термин обычно относится к изучению молекул, состоящих из нескольких атомов в газовой фазе. Но некоторые считают, что молекулярная физика также изучает объемные свойства химических веществ в терминах молекул.
Физическая химия и химическая физика : химия, изучаемая с помощью физических методов, таких как лазерная техника, сканирующий туннельный микроскоп и т. д. Формальное различие между этими двумя областями заключается в том, что физическая химия является разделом химии, а химическая физика — разделом физики. На практике это различие довольно расплывчато.
Аттила Сабо и Нил С. Остлунд, Современная квантовая химия: Введение в передовую теорию электронной структуры , Dover Publications; Новое издание (1996) ISBN 0-486-69186-1 , ISBN 978-0-486-69186-2
Роберт Г. Парр и Вэйтао Янг, Теория функционала плотности атомов и молекул , Oxford Science Publications; впервые опубликовано в 1989 г.; ISBN 0-19-504279-4 , ISBN 0-19-509276-7
DJ Tannor, V. Kazakov и V. Orlov, Управление фотохимическим ветвлением: новые процедуры поиска оптимальных импульсов и глобальных верхних границ, в книге «Квантовая молекулярная динамика, зависящая от времени», J. Broeckhove и L. Lathouwers, ред., 347-360 (Plenum, 1992)
