Современное состояние и перспективы развития квантовой химии

Квантовая химия формировалась одновременно с квантовой механикой, хотя предпосылки для описания химических свойств на основе описания структуры атомов и молекул были сделаны раньше:
1857 – Теория валентности Кекуле (одна из первых теорий, связывающих структуру вещества с химическими свойствами): атомы связываются в молекулы в соответствии с строго определенными соотношениями, что определяет свойства вещества.
1861 – Теория Бутлерова о строении органических веществ: свойства органических соединений определяются не только количеством атомов данного типа, но и способом соединения атомов (химическим строением).
1874 – Идея Вант-Гоффа: молекула – пространственная структура соединенных атомов 1916 – Теория октетов Льюиса (Гилберт Ньютон Льюис, амер.) – хим. связь образуется за счет образования заполненных октетов в парах атомов, т.е. парой электронов, а не положительных и отрицательных атомах, как считалось ранее. Другие открытия Льюиса - фотолиз, тяжелая вода, теория кислот и оснований, гипотеза о существовании комплекса (O2)2.
Квантовая химия за последние 15– 20 лет стала главным теоретическим фундаментом современной химии. Многие более ранние идеи и методы квантовой химии получили за эти годы серьезное обоснование, возникло много новых подходов, результаты квантово-химических расчетов стали широко использоваться при решении конкретных научных и прикладных задач химии.
В настоящее время квантово-химическими методами возможно определение большинства физико-химических свойств вещества:
- структурные параметры молекул (длины связи, валентные углы)
- электронные параметры молекул (потенциалы ионизации, сродство к электрону, дипольные моменты)
- энергетические и термодинамические параметры веществ и реакций, относительные энергии изомеров и конформеров
- константы скорости реакций
- спектральные параметры (оптические, УФ и ИК спектры, спектры ЯМР и ЭПР)

13. Левин А.А. Введение в квантовую химию твердого тела. – М.: Химия, 1974.240 с.

14. Александрова Г.Ю., Мовсум-заде Н.Ч., Махмутова Р.И. Математическое оформление квантово-химических расчетов // История науки и техники. 2011. (Спецвыпуск № 2). № 8. С. 14–21.

15. Koch W., Holthausen M. C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory.2-ed. Wiley, 2001. Р. 293.

16. Боженко К.В. Основы квантовой химии. – М.: РУДН, 2010. 124 с.

17. Губанов В.А., Жуков В.П., Литинский А.О. Полуэмпирические методы молекулярных орбиталей в квантовой химии. – М.: Наука, 1976. 219 с.

18. Хигаси К., Баба Х., Рембаум А. Квантовая органическая химия: Пер. с англ. – М.: Мир, 1967. 380 с.

19. Strategies and Applications in Quantum Chemistry. From Molecular Astrophysics to Molecular Engineering. Edited by Y.Ellinger, M. Defranceschi Kluwer, 2002. Р. 461.

20. Koch W., Holthausen M.C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. 2-ed. Wiley, 2001. Р. 293.

21.
...

Достижения квантовой химии
Квантовая химия за последние 15– 20 лет стала главным теоретическим фундаментом современной химии. Многие более ранние идеи и методы квантовой химии получили за эти годы серьезное обоснование, возникло много новых подходов, результаты квантово-химических расчетов стали широко использоваться при решении конкретных научных и прикладных задач химии.
Квантовая химия – это раздел науки, возникший из слияния квантово- механических и химических подходов и немыслимый без этих обеих сторон теоретического изучения конкретных проблем строения, эволюции и динамики химических соединений, проблем расчета, анализа и предсказания свойств соединений в различных состояниях.
...

• Широта интересов
Школа теоретиков, сложившаяся в Ленинградском государственном университете под руководством В.А. Фока, всегда занималась изучением атомных и молекулярных проблем, в частности расчетами электронной структуры, оптических переходов, электрических, магнитных и других свойств атомов и молекул. Из этой школы вышли многие хорошо известные во всем мире ученые, такие как М.Г. Веселов, М.И. Петрашень, Ю.Н. Демков, А.А. Киселев, Т.К. Ребане, А.В. Тулуб и многие другие, активно работающие и сегодня не только в Санкт-Петербурге, но и в других городах России и СНГ. В Москве предпосылки для создания школы квантовой химии появились в 1931 году, когда в Физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова профессор Ивановского политехнического института Я.К. Сыркин основал лабораторию строения вещества и спектроскопии. В 1934 году по рекомендации выдающегося физика Ю.Б. Румера в Москву приехал молодой немецкий ученый Г.
...

• Развитие
Слабое развитие вычислительной техники, необходимой для решения весьма сложных расчетных задач, всегда выступало определенным тормозом для развития квантовой химии в нашей стране, что привело к несколько гипертрофированному (существующему в какой-то мере и по сей день) увлечению полуэмпирическими методами квантовой химии. Эти методы, каждый из которых имеет вполне ограниченную область применимости, требуют достаточно осторожного с ними обращения, что не всегда осознается работающими с ними химиками. Потеря многих специалистов высочайшего класса, уехавших в другие страны, и постоянная потеря молодых специалистов, получающих здесь университетское образование в области квантовой химии и уезжающих для дальнейшей учебы и работы за рубеж, также не способствует активному развитию квантовой химии в России, что приводит к снижению объема и отчасти общего уровня работ.
...

Современные возможности методов квантовой химии
Вычислительные методы квантовой химии можно разделить на три класса:
• неэмпирические,
• полуэмпирические
• метод функционала плотности.
Неэмпирические методы часто обозначают термином abinitio, что означает «с самого начала». В таких расчетах не используют параметры, извлеченные из экспериментальных данных.
В полуэмпирических методах в уравнения включены параметры, прямо заимствованные из эксперимента или подобранные таким образом, чтобы расчет некоторого набора реперных соединений наилучшим образом воспроизводил экспериментальные данные по свойствам этих соединений.
Метод функционала плотности занимает промежуточное положение, так как использует ряд параметров, аппроксимирующих результаты теоретических расчетов свойств электронного газа.
...

Квантовая химия сегодня
Квантовая химия с большим трудом пробивала себе дорогу в лаборатории химиков-экспериментаторов. Её долго воспринимали весьма скептически, поскольку расчёты, произведённые на основе квантово-химических формул, не сходились порой с результатами классических расчётов. Это легко объяснимо – ведь основа всех вычислений в квантовой механике – уравнение Шредингера –может быть решено строго лишь для систем, состоящих из одной или двух частиц – уже молекула водорода являет собой неразрешимую задачу. Поэтому для квантово-химических расчётов применяются определённые допущения, упрощающие задачу, но не искажающие общей картины. Со временем квантово-химические методы вошли в повседневную практику современных химических изысканий. Толчком послужила компьютеризация исследований.
...

Заключение
Представленный в реферате материал дает возможность ознакомиться с прошлым и настоящим квантовой химии, а также с достижениями и методами современной квантовой химии.
В итоге получил фундаментальные знания и ответы на такие важные вопросы как: «Для чего нужна квантовая химия?», «Что она дает для химии?», «Что является предметом изучения квантовой химии?». Ознакомился с историей развития и перспективами квантовой химии.
Получил опыт в исследовательской и творческой деятельности.