Kuantum kimyası

Kuantum mekaniğinin atom ve moleküllere uygulanması ile ilgilenen Kimya altdalıdır. Temel bir dal, yani saf Kimya olan Kuantum Mekaniği'nin bir uygulaması olduğundan uygulamalı Kimya dalı olarak değerlendirilebilir. Kuantum Kimyası'nda Schrödinger, Dirac, vb dalga denklemlerinin çözümüyle ilgilenilir. Ancak genellikle en çok tercih edilen, EM alan yokluğunda, spinsiz ve rölativistik olmayan Schrödinger denkleminin çözümüdür. Tek elektronlu sistemler dışında Schrödinger denklemi analitik olarak çözülemediğinden, çok elektronlu sistemler için nümerik çözümler yapılır. Kuantum Kimyası'nda bu nümerik çözümleri yapmak üzere çeşitli yöntemler vardır. Bunlar;

• Sıfırdan teorik yöntemler (Ab initio yöntemleri)
• Yarı-ampirik yöntemler
• Yoğunluk fonksiyoneli yöntemleri

Bu yöntemlere örnek verecek olursak;

• Sıfırdan teorik yöntemler: HF, CI, CC, MPN, vb.
• Yarı-ampirik yöntemler: AM1, PM3, SAM1, PM5, PDDG/PM3, RM1, PM6, vb.
• Yoğunluk fonksiyoneli yöntemleri: LDA, GGA, vb.

Bu yöntemlerle Schrödinger dalga denklemi, iterasyon tekniğiyle art arda defalarca kez çözülür; ardışık iki iterasyon sonucu arasında önemsiz nitelikte küçük bir fark kalana kadar süreç devam ettirilir. Iterasyon bittiğinde artık sonuç "kendi içinde tutarlıdır (self consistent)" denir. Bu hesaplamalar ticari paket yazılımlar tarafından gerçekleştirilir. Bu yazılımlar hesapları yapmak üzere oluşturulmuş özel kodlardır ve FORTRAN programlama dili ile yazılmıştır. GAUSSIAN 21 Temmuz 2005 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., MOLPRO , SPARTAN , MOLCAS , vb. programlar bunlara örnektir. Ab initio yöntemleri hiçbir yaklaşımın yapılmadığı full hamiltoniyeni kulllanır ve hiçbir denel veri kullanmaz. Bu nedenle sıfırdan teorik yöntemler denilmiştir. Yarı-ampirik yöntemler hamiltoniyene yaklaştırımlar yapabilir, iki elektron integrallerine ihmaller uygulayarak integrallerde sayıca azalma ve basitleştirme sağlar. Bu nedenle ab initio hesaplamalarına oranla yarı-ampirik hesaplamalar çok daha kısa sürmektedir. Ancak sonuçlar ab initio sonuçları yanında hassas değildir. Bu nedenle orbital enerjileri yerine çıktı olarak toplam enerji ya da entalpi değerleri verir. Ab initio yöntemleri hassastır; ancak sistem büyüdükçe hesaplar zorlaşır, bilgisayar kaynakları yetersiz kalır ve bu durumda yarı-ampirik yöntemlere başvurulması kaçınılmazdır. Ab initio yöntemleri genelde 100 atomlu sistemlere kadar uygulanabilirken, yarı-ampirik yöntemler 1000 atomlu bileşiklere kadar uygulanabilir. Ayrıca yarı-ampirik yöntemler denel veriler kullandığı için ab initio yöntemlerinde Schrödinger denklemi nedeniyle ihmal edilen rölativistik enerjiyi de içerir; bu nedenle ağır metal bileşiklerine uygulanabilen yöntemlerdir. Özellikle periyodik çizelgenin 3. periyodundan itibaren atomlarda rölativistik enerji, korelasyon enerjisinden daha büyüktür ve mutlaka hesaplanmalıdır. Örneğin atom numarası yalnızca 19 olan K (potasyum) atomunun rölativistik enerjisi, korelasyon enerjisinin yaklaşık iki katıdır. Kuantum kimyası'nda rölativistik katkılar Breit denklemi ya da Dirac denklemi kullanılarak yapılmaktadır. Bu, özel olarak "Rölativistik Kuantum Kimyası" olarak bilinir. Kuantum Kimyası'nın anorganik ve organik bileşiklere uygulanması ile Anorganik kimya ve Organik kimya türetilebilir. Kuantum kimyası'ndan elde edilen teorik sonuçlar, kimyasal kinetik, termodinamik, vb pek çok alanda kullanılır. Özellikle yeni sentezlenmiş ya da deneysel incelemesi çok pahalı olan moleküller için kuramsal hesaplamalar oldukça önemlidir.

Kaynaklar

• Quantum Chemistry, F. Pilar, Dover.