Química cuántica

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La química cuántica es una rama de la química teórica donde se aplica la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos. Describe matemáticamente el comportamiento fundamental de la materia a escala molecular. Una aplicación de la química cuántica es el estudio del comportamiento de átomos y moléculas, en cuanto a sus propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y mecánicas, y también su reactividad química, sus propiedades redox, etcétera, pero también se estudian materiales tanto sólidos extendidos como superficies.[1][2]

El estudio de la química cuántica tiene una fuerte y activa relación con algunos campos científicos como la física molecular, la física atómica y la fisicoquímica, y las contribuciones al respecto provienen tanto de físicos como de químicos. Frecuentemente se considera como el primer cálculo de química cuántica el llevado a cabo por los científicos alemanes Walter Heitler y Fritz London (aunque a Heitler y a London se les suele considerar físicos). El método de Heitler y London fue perfeccionado por los químicos estadounidenses John C. Slater y Linus Pauling, para convertirse en la teoría del enlace de valencia (también llamada teoría Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP)).[1]​ En este método, se presta atención particularmente a las interacciones entre pares de átomos, y por tanto se relaciona mucho con los esquemas clásicos de enlaces entre átomos.[3]

Friedrich Hund y Robert S. Mulliken desarrollaron un método alternativo, la teoría de los orbitales moleculares, en la que los electrones se describían mediante funciones matemáticas deslocalizadas por toda la molécula. El método de Hund-Mulliken (o de orbitales moleculares) es menos intuitivo para los químicos; sin embargo, al haberse comprobado que es más potente a la hora de predecir propiedades que el método de enlace de valencia, es virtualmente el único usado en los últimos años.[cita requerida]

Áreas de interés[editar]

Algunos subtemas de interés en la química cuántica son:

Dinámica química[editar]

Un paso más puede consistir en resolver la ecuación de Schrödinger con el Hamiltoniano molecular total para estudiar el movimiento de las moléculas. La solución directa de la ecuación de Schrödinger se denomina dinámica molecular cuántica, dentro de la aproximación semiclásica dinámica molecular semiclásica, y dentro del marco de la mecánica clásica dinámica molecular (MD). También son posibles las aproximaciones estadísticas, utilizando, por ejemplo, el método de Montecarlo, y la dinámica cuántica-clásica mixta.[4]

Dinámica química adiabática[editar]

En la dinámica adiabática, las interacciones interatómicas están representadas por escalar potencials llamados superficie de energía potencials. Esta es la aproximación Born-Oppenheimer introducida por Born y Oppenheimer en 1927. Las aplicaciones pioneras de ésta en química fueron realizadas por Rice y Ramsperger en 1927 y Kassel en 1928, y generalizadas en la teoría RRKM en 1952 por Marcus que tuvo en cuenta la teoría de estados de transición desarrollada por Eyring en 1935. Estos métodos permiten realizar estimaciones sencillas de las velocidades de reacción unimoleculares a partir de unas pocas características de la superficie potencial.[5]

Dinámica química no adiabática[editar]

La dinámica no adiabática consiste en tomar la interacción entre varias superficies de energía potencial acopladas (correspondientes a diferentes estados cuánticos de la molécula). Los términos de acoplamiento se denominan acoplamientos vibrónicos. El trabajo pionero en este campo fue realizado por Stueckelberg, Landau, y Zener en la década de 1930, en su trabajo sobre lo que ahora se conoce como la transición Landau-Zener.[5]​ Su fórmula permite calcular la probabilidad de transición entre dos curvas de potencial no adiabático en la vecindad de un cruce evitado. Las reacciones de espín prohibido son un tipo de reacciones no adiabáticas en las que se produce al menos un cambio de estado de espín cuando se pasa de reactante a producto.

Químicos cuánticos[editar]

La comunidad de científicos que ha hecho grandes aportaciones a la química cuántica incluye a:

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. a b Atkins, P.W.; Friedman, R. (2008). Quanta, Matter and Change: A Molecular Approach to Physical Change. ISBN 978-0-7167-6117-4.
  2. Pullman, Bernard; Pullman, Alberte (1963). Quantum Biochemistry. New York and London: Academic Press. ISBN 90-277-1830-X
  3. Pauling, L.; Wilson, E. B. (1963) [1935]. Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry. Dover Publications. ISBN 0-486-64871-0.
  4. Levine, I. (2008). Physical Chemistry (6th ed.). McGraw–Hill Science. ISBN 978-0-07-253862-5.
  5. a b Gavroglu, Kostas; Ana Simões: Neither Physics nor Chemistry: A History of Quantum Chemistry, MIT Press, 2011, ISBN 0-262-01618-4

Enlaces externos[editar]