Química teórica - Theoretical chemistry

J. van 't Hoff (1852–1911), o primeiro vencedor do Prêmio Nobel de Química , é amplamente considerado um dos químicos teóricos mais brilhantes da história.

Química teórica é o ramo da química que desenvolve generalizações teóricas que fazem parte do arsenal teórico da química moderna: por exemplo, os conceitos de ligação química, reação química, valência, superfície de energia potencial, orbitais moleculares, interações orbitais e molécula ativação.

Visão geral

A química teórica une princípios e conceitos comuns a todos os ramos da química. No quadro da química teórica, há uma sistematização das leis, princípios e regras da química, seu refinamento e detalhamento, a construção de uma hierarquia. O lugar central na química teórica é ocupado pela doutrina da interconexão da estrutura e propriedades dos sistemas moleculares. Ele usa métodos matemáticos e físicos para explicar as estruturas e dinâmicas de sistemas químicos e para correlacionar, compreender e prever suas propriedades termodinâmicas e cinéticas. No sentido mais geral, é a explicação dos fenômenos químicos por métodos da física teórica . Em contraste com a física teórica, em conexão com a alta complexidade dos sistemas químicos, a química teórica, além de métodos matemáticos aproximados, costuma usar métodos semi-empíricos e empíricos.

Nos últimos anos, consistiu principalmente em química quântica , ou seja, a aplicação da mecânica quântica a problemas de química. Outros componentes principais incluem dinâmica molecular , termodinâmica estatística e teorias de soluções eletrolíticas , redes de reação , polimerização , catálise , magnetismo molecular e espectroscopia .

A química teórica moderna pode ser aproximadamente dividida em estudo da estrutura química e estudo da dinâmica química. O primeiro inclui estudos de: estrutura eletrônica, superfícies de energia potencial e campos de força; movimento vibracional-rotacional; propriedades de equilíbrio de sistemas de fase condensada e macromoléculas. A dinâmica química inclui: cinética bimolecular e a teoria de colisão de reações e transferência de energia; teoria da taxa unimolecular e estados metaestáveis; fase condensada e aspectos macromoleculares da dinâmica.

Ramos da química teórica

Química Quântica
A aplicação da mecânica quântica ou interações fundamentais a problemas químicos e físico-químicos. As propriedades espectroscópicas e magnéticas estão entre as mais frequentemente modeladas.
Química Computacional
A aplicação da computação científica à química, envolvendo esquemas de aproximação como Hartree-Fock , pós-Hartree-Fock , teoria funcional da densidade , métodos semi-empíricos (como PM3 ) ou métodos de campo de força . A forma molecular é a propriedade prevista com mais frequência. Os computadores também podem prever espectros vibracionais e acoplamento vibrônico, mas também adquirir e transformar Fourier de dados infravermelhos em informações de frequência. A comparação com as vibrações previstas apóia a forma prevista.
Modelagem molecular
Métodos para modelar estruturas moleculares sem necessariamente fazer referência à mecânica quântica. Exemplos são docking molecular , docking proteína-proteína , design de drogas , química combinatória . O ajuste da forma e do potencial elétrico são o fator determinante nesta abordagem gráfica.
Dinâmica Molecular
Aplicação da mecânica clássica para simular o movimento dos núcleos de um conjunto de átomos e moléculas. O rearranjo das moléculas dentro de um conjunto é controlado pelas forças de Van der Waals e promovido pela temperatura.
Mecânica molecular
Modelagem das superfícies de energia potencial de interação intra e inter-molecular via potenciais. Os últimos são geralmente parametrizados a partir de cálculos ab initio.
Química matemática
Discussão e previsão da estrutura molecular usando métodos matemáticos sem necessariamente fazer referência à mecânica quântica. A topologia é um ramo da matemática que permite aos pesquisadores prever propriedades de corpos de tamanho finito flexíveis, como clusters .
Cinética química teórica
Estudo teórico dos sistemas dinâmicos associados aos produtos químicos reativos , ao complexo ativado e às respectivas equações diferenciais .
Quiminformática (também conhecida como quimioinformática )
O uso de técnicas informáticas e informacionais, aplicadas à informação de culturas para resolver problemas no campo da química:
Engenheiro químico
A aplicação da química a processos industriais para conduzir pesquisa e desenvolvimento . Isso permite o desenvolvimento e a melhoria de produtos e processos de fabricação novos e existentes .

Disciplinas intimamente relacionadas

Historicamente, o principal campo de aplicação da química teórica tem sido nos seguintes campos de pesquisa:

  • Física atômica : A disciplina que lida com elétrons e núcleos atômicos.
  • Física molecular : a disciplina dos elétrons que cercam os núcleos moleculares e do movimento dos núcleos. Este termo geralmente se refere ao estudo de moléculas feitas de alguns átomos na fase gasosa. Mas alguns consideram que a física molecular também é o estudo das propriedades dos produtos químicos em termos de moléculas.
  • Físico-química e física química : Química investigada por meio de métodos físicos como técnicas de laser , microscópio de tunelamento de varredura , etc. A distinção formal entre os dois campos é que a físico-química é um ramo da química, enquanto a física química é um ramo da física. Na prática, essa distinção é bastante vaga.
  • Teoria de muitos corpos : disciplina que estuda os efeitos que aparecem em sistemas com grande número de constituintes. É baseado na física quântica - principalmente no formalismo de segunda quantização - e na eletrodinâmica quântica .

Conseqüentemente, a química teórica surgiu como um ramo de pesquisa. Com o surgimento da teoria do funcional da densidade e outros métodos como a mecânica molecular , a gama de aplicação foi ampliada para sistemas químicos que são relevantes para outros campos da química e da física, incluindo bioquímica , física da matéria condensada , nanotecnologia ou biologia molecular .

Veja também

Bibliografia

  • Attila Szabo e Neil S. Ostlund, Química Quântica Moderna: Introdução à Teoria da Estrutura Eletrônica Avançada , Publicações de Dover; New Ed edition (1996) ISBN  0-486-69186-1 , ISBN  978-0-486-69186-2
  • Robert G. Parr e Weitao Yang, Teoria Densidade-Funcional de Átomos e Moléculas , Oxford Science Publications; publicado pela primeira vez em 1989; ISBN  0-19-504279-4 , ISBN  0-19-509276-7
  • DJ Tannor, V. Kazakov e V. Orlov, Control of Photoochemical Branching: Novel Procedures for Finding Optimal Pulses and Global Upper Bounds, in Time Dependent Quantum Molecular Dynamics, J. Broeckhove e L. Lathouwers, eds., 347-360 (Plenum , 1992)