Theoretische Chemie
Die Theoretische Chemie versucht, Daten aus chemischen Experimenten zu erklären. Sie verwendet Mathematik und Computer. Die theoretische Chemie sagt voraus, was passiert, wenn sich Atome zu Molekülen verbinden. Sie sagt auch chemische Eigenschaften (Merkmale) von Molekülen voraus. Ein wichtiger Teil der theoretischen Chemie ist die Quantenchemie. Sie verwendet die Quantenmechanik, um die Valenz (die Anzahl der Bindungen, die von einem Atom eines Elements gebildet werden) zu verstehen. Weitere wichtige Teile sind Molekulardynamik, statistische Thermodynamik und Theorien zu Elektrolytlösungen, Reaktionsnetzwerken, Polymerisation und Katalyse.
Übersicht
Theoretische Chemiker verwenden eine breite Palette von Werkzeugen. Zu diesen Werkzeugen gehören analytische Modelle (z.B. LCAO-MOs zur Annäherung an das Verhalten von Elektronen in Molekülen) sowie rechnerische und numerische Simulationen.
Theoretiker in der Chemie erstellen theoretische Modelle. Dann finden sie Dinge, die experimentelle Chemiker anhand dieser Modelle messen können. Dies hilft den Chemikern bei der Suche nach Daten, die beweisen können, dass ein Modell nicht wahr ist. Die Daten helfen bei der Auswahl zwischen mehreren verschiedenen oder entgegengesetzten Modellen.
Theoretiker versuchen auch, Modelle zu generieren oder zu modifizieren, um neue Daten anzupassen. Wenn die Daten nicht in das Modell passen können, versuchen Chemiker, die kleinste Änderung am Modell vorzunehmen, um die Daten anzupassen. In einigen Fällen werfen Chemiker ein Modell weg, wenn viele Daten mit der Zeit nicht passen.
Die theoretische Chemie nutzt die Physik, um chemische Beobachtungen zu erklären oder vorherzusagen. In den letzten Jahren ging es vor allem um die Quantenchemie (die Anwendung der Quantenmechanik auf Probleme der Chemie). Die Hauptteile der theoretischen Chemie sind elektronische Struktur, Dynamik und statistische Mechanik.
Alle diese Bereiche werden bei der Vorhersage chemischer Reaktivitäten genutzt. Andere, weniger zentrale Forschungsgebiete umfassen die mathematische Beschreibung der Massenchemie in verschiedenen Phasen. Theoretische Chemiker wollen die chemische Kinetik (den Weg, auf dem sich Moleküle verbinden) erklären.
Wissenschaftler bezeichnen einen Großteil dieser Arbeit als "computergestützte Chemie". Die rechnergestützte Chemie verwendet normalerweise die theoretische Chemie, um an industriellen und praktischen Problemen zu arbeiten. Beispiele für computergestützte Chemie sind Projekte zur Approximation chemischer Messungen wie bestimmte Arten von Post-Hartree-Fock, Dichtefunktionaltheorie, semiempirische Methoden (wie PM3) oder Kraftfeldmethoden. Einige chemische Theoretiker verwenden die statistische Mechanik, um eine Verbindung zwischen den mikroskopischen Phänomenen der Quantenwelt und den makroskopischen Volumeneigenschaften von Systemen herzustellen.
Hauptbereiche der theoretischen Chemie
Quantenchemie
Die Anwendung der Quantenmechanik in der Chemie
Die Anwendung von Computercodes in der Chemie
Molekulare Modellierung
Methoden zur Modellierung molekularer Strukturen, ohne notwendigerweise auf die Quantenmechanik Bezug zu nehmen. Beispiele sind molekulares Andocken, Protein-Protein-Andocken, Wirkstoffdesign, kombinatorische Chemie.
Molekulare Dynamik
Anwendung der klassischen Mechanik zur Simulation der Bewegung der Kerne einer Anordnung von Atomen und Molekülen.
Molekulare Mechanik
Modellierung der intra- und intermolekularen Wechselwirkungspotentialenergieflächen über eine Summe von Wechselwirkungskräften.
Mathematische Chemie
Diskussion und Vorhersage der Molekularstruktur mit mathematischen Methoden, ohne notwendigerweise auf die Quantenmechanik zurückzugreifen.
Theoretische chemische Kinetik
Theoretische Untersuchung der mit reaktiven Chemikalien verbundenen dynamischen Systeme und der entsprechenden Differentialgleichungen.
Cheminformatik (auch bekannt als Chemoinformatik)
Der Einsatz von Computer- und Informationstechniken, angewandt auf eine Reihe von Problemen auf dem Gebiet der Chemie.
Verwandte Seiten
Historisch gesehen verwenden Forscher die theoretische Chemie zum Studium:
- Atomphysik: Elektronen und Atomkerne.
- Molekülphysik: die Elektronen, die die Molekülkerne umgeben, und die Bewegung der Kerne. Dieser Begriff bezieht sich in der Regel auf die Untersuchung von Molekülen, die aus einigen wenigen Atomen in der Gasphase bestehen. Einige sind jedoch der Ansicht, dass die Molekularphysik auch die Untersuchung der Volumeneigenschaften von Chemikalien in Form von Molekülen ist.
- Physikalische Chemie und chemische Physik: Anwendung physikalischer Methoden wie Lasertechniken, Rastertunnelmikroskop, etc. Der formale Unterschied zwischen beiden Bereichen besteht darin, dass die physikalische Chemie ein Zweig der Chemie ist, während die chemische Physik ein Zweig der Physik ist. Dies ist kein klarer Unterschied.
- Vielkörpertheorie: die Effekte, die in Systemen mit einer großen Anzahl von Konstituenten auftreten. Sie basiert auf der Quantenphysik - meist dem Formalismus der zweiten Quantisierung - und der Quantenelektrodynamik.
Fragen und Antworten
F: Was ist theoretische Chemie?
A: Die theoretische Chemie ist ein Wissenschaftszweig, der sich der Mathematik und der rechnerischen Analyse bedient, um Daten aus chemischen Experimenten zu erklären, um vorherzusagen, was passiert, wenn sich Atome zu Molekülen verbinden, und um chemische Eigenschaften von Molekülen vorherzusagen.
F: Welche Art von Analyse wird dabei verwendet?
A: Die theoretische Chemie verwendet Mathematik und rechnerische Analysen.
F: Wie hilft sie, Daten aus chemischen Experimenten zu erklären?
A: Die theoretische Chemie versucht, Daten aus chemischen Experimenten mit Hilfe von Mathematik und rechnerischer Analyse zu erklären.
F: Was kann sie über die Verbindung von Atomen zu Molekülen vorhersagen?
A: Die theoretische Chemie kann vorhersagen, was passiert, wenn sich Atome zu Molekülen verbinden.
F: Welche Art von Vorhersagen macht sie über die chemischen Eigenschaften von Molekülen?
A: Die theoretische Chemie macht Vorhersagen über die chemischen Eigenschaften (Merkmale) von Molekülen.
F: Ist die Quantenchemie ein wichtiger Teil der theoretischen Chemie?
A: Ja, die Quantenchemie ist ein wichtiger Teil der theoretischen Chemie.
