The kimia kuantum adalah bagian dari kimia, di mana digunakan mekanika kuantum dan teori medan, untuk aplikasi di masalah kimia. Cabang kimia ini pada dasarnya teoretis dan menggunakan matematika untuk menggambarkan perilaku materi, secara molekuler. Salah satu kegunaan kimia kuantum adalah mempelajari atom dan molekul, perilakunya, serta sifat kimia dan reaktivitasnya, dll.
Kajian bagian sains ini memiliki hubungan yang sangat erat dengan bidang-bidang ilmiah lain seperti fisika molekuler dan atom, fisikokimia, dll., ini berarti kontribusi bidang ini datang dari ahli kimia dan fisikawan.
Perhitungan pertama kimia kuantum dilakukan oleh orang Jerman Walter Heitler , dan Fritz London , dan kemudian diperbaiki oleh John C. Slater dan Linus Pauling , dan menerima nama metode ikatan valensi (atau HLSP, untuk mengenang penulisnya), di mana interaksi antara pasangan atom dibahas. Friedrich Hund dari
Jerman dan Robert S. Mulliken dari Amerika Utara , melakukan metode alternatif, yang dikenal sebagai Hund-Mulliken atau orbital molekul , di mana elektron didefinisikan sebagai fungsi matematika yang terdelokalisasi oleh molekul. Metode ini telah ditemukan lebih efisien dalam memprediksi sifat-sifat yang tidak dapat diprediksi oleh metode ikatan valensi.
Teori kuantum telah memungkinkan untuk menjelaskan mengapa atom oksigen bergabung dengan dua atom hidrogen untuk membentuk air.Bagaimana melakukannya?
Pada abad ke-19, diketahui bahwa unsur-unsur digabungkan mengikuti aturan yang cukup mendasar, menggambarkan diri mereka sendiri melalui definisi valensi. Misalnya, valensi oksigen adalah -2, oleh karena itu cenderung bergabung dengan unsur-unsur tertentu dengan valensi +2 atau +1, seperti kalsium atau litium. Mendeleev, dikelompokkan dalam tabel periodik, logam, yang memiliki valensi positif, dan non-logam di sebelah kiri.
Tak satu pun dari ini bisa dijelaskan, apalagi unsur-unsur dengan valensi ganda. Teori atom planet, dan caral Bohr, memberikan terobosan, tetapi teori yang akan menjawab semua pertanyaan yang belum terjawab masih kurang.
Quantum Mechanics telah berhasil menyelesaikan masalah secara tuntas.
Kami akan menggunakan kasus air sebagai contoh penjelasan:
Kami mengambil inti hidrogen, dan kami memecahkan persamaan Schrödinger untuk sistem elektron-proton. Kami menemukan jumlah minimum energi yang dapat dimiliki atom, energi fundamental, -Eh = 13,6 eV. Kita sekarang mengambil inti oksigen, yang kita ketahui muatannya, yaitu +8, jadi kita menambahkan 8 elektron untuk mencapai netralitas dan untuk dapat menghitung energi keadaan dasar oksigen, dalam hal ini, Eo. Perhitungan ini sama sekali tidak mudah, dan tidak dapat dilakukan dengan tangan, Anda memerlukan komputer dengan program yang sesuai untuk itu.
Sekarang, kita melakukan hal yang sama dengan inti oksigen, dua hidrogen, dan 10 elektron. Mulai dari posisi mana pun, kami menyelesaikan persamaan Schrödinger seperti dalam kasus sebelumnya, dan kami menemukan orbital molekul, dan energi spesifik untuk konfigurasi tersebut. Kemudian, kami mengubah konfigurasi (memilihnya dari logaritma yang disesuaikan), kami mengulangi perhitungan, dan kami akan menemukan energi baru, lebih tinggi atau lebih rendah. Kami akan terus mengulangi proses ini sampai kami menemukan konfigurasi energi minimum, dan dengan demikian kami akan menemukan konfigurasi kesetimbangan.
Dalam kasus tertentu, kami menemukan bahwa dengan menempatkan inti hidrogen dan oksigen yang dipisahkan oleh jarak sekitar 1 Angstrom, ketika mereka membentuk sudut 109º, energi akan minimal, atau apa yang akan sama, sistem dua H atom dan salah satu oksigen secara energik menguntungkan bergabung untuk membentuk molekul, sebenarnya semua sistem mencoba meminimalkan energinya. Ini menjelaskan kombinasi O + 2H → H2O secara spontan, energinya menjadi: Eo + 2Eh – Ea Hal ini
juga dilakukan dengan menghitung sifat makroskopik, dimulai dari pengetahuan atom penyusunnya.
Ini adalah salah satu bagian utama dari teori kimia dan fisika keadaan terkondensasi. Hadiah Nobel dalam bidang kimia pada tahun 1998 diberikan kepada dua ilmuwan yang telah bekerja pada bagian kimia ini. Itu Pople dan Kohn , yang telah mengembangkan program untuk menghitung sifat-sifat molekul dan Teori Densitas Fungsional, masing-masing, yang telah memungkinkan untuk terus melakukan perhitungan juga dalam sistem padat dan cair.