Quantenchemie
Die Quantenchemie ist die Anwendung der Quantenmechanik auf chemische Problemstellungen, z. B. die Beschreibung der elektronischen Struktur von Atomen und Molekülen und die Auswirkungen auf ihre Reaktionsfähigkeit und somit ein Teilgebiet der Theoretischen Chemie. (Quantenmechanische Untersuchungen an Atomen werden als Grenzlinie zwischen Chemie und Physik angesehen und nicht zwingend der Quantenchemie zugeordnet.) Die Grundlage für die meisten quantenchemischen Methoden ist die Schrödingergleichung. Da diese jedoch selbst innerhalb der Born-Oppenheimer-Näherung nur für sehr einfache Systeme lösbar ist, müssen weitere Näherungen eingeführt werden.
Als eines der ersten wurde das Wasserstoff-Molekül quantenchemisch untersucht und berechnet, und zwar 1927 von den deutschen Wissenschaftlern Walter Heitler und Fritz London. Die von ihnen entwickelte Methode wurde von den amerikanischen Chemikern John C. Slater und Linus Pauling zur Valence-Bond (VB)- oder Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP)-Methode erweitert. In ihr wird der Fokus auf die Betrachtung der paarweisen Wechselwirkung zwischen Atomen gelegt, sie passt somit gut zur klassischen Betrachtung der chemischen Bindung.
Eine alternative Annäherung an die Natur der chemischen Bindung wurde von Friedrich Hund und Robert S. Mulliken entwickelt, die Elektronen als delokalisiert in Form mathematischer Funktionen beschreibt. Die als Hund-Mulliken- oder verbreiteter als Molecular Orbital (MO)-Methode bezeichnete Beschreibung ist für den klassischen Chemiker weniger intuitiv und trotzdem inzwischen bei weitem gebräuchlicher.
Mit beiden Ansätzen sind über mathematische Näherungsverfahren Vorhersagen über stoffliche Eigenschaften möglich.
Die Anwendbarkeit der Quantenchemie in Form von Computerberechnungen findet sich unter Computerchemie.
Einige weiterführende Thematiken sind:
- die Hartree-Fock-Methode (SCF-Verfahren (SCF: self-consistent field))
- post-HF Methoden (z. B. Configuration Interaction, Coupled-Cluster)
- die Dichtefunktionaltheorie
- Semiempirische Methoden
- Car-Parrinello-Methode
Folgende Personen waren bzw. sind für die Entwicklung der Quantenchemie von Bedeutung:
- Erich Hückel
- Hans Hellmann
- Rudolph Pariser
- Robert G. Parr
- John Pople
- Henry Eyring (Eyring-Theorie)
- Michele Parrinello
- Reinhart Ahlrichs
- Werner Kutzelnigg
Literatur
- Kostas Gavroglu, Ana Simões: Neither Physics nor Chemistry. A History of Quantum Chemistry. MIT Press, 2011, ISBN 0-262-01618-4
- F. Jensen: Introduction to Computational Chemistry. John Wiley & Sons, Chichester 1999, ISBN 978-0-471-98425-2.
- Attila Szabo, Neil S. Ostlund: Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover Publications Inc., 1996, ISBN 978-0486691862
Weblinks
- QMC@home BOINC-Projekt (Verteiltes Rechnen) der Uni Münster zur Quanten-Monte-Carlo-Methode
