كيمياء نظرية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

الكيمياء النظرية فرع واسع متعدد الجوانب من فروع الكيمياء يمكن تمييزه عامة باستخدم الفيزياء و الرياضيات و الحاسب لفهم كل جوانب الكيمياء، كخواص الجزيئات و المواد و تفاعلاتها، أو لمحاكاة الظواهر الجزيئية، أو للتنبؤ بخواص جزيئات أو أطوار جديدة للمادة [1].

بصفة عامة، يمكن تمييز اتجاهين فى الكيمياء النظرية: الاتجاه الأول هو استخدام الحاسب لحل المعادلات المعقدة التى تحكم السلوك الجزيئى، بما يساعد على نمذجة أو محاكاة الجزيئات و خواصها (الكيمياء الحسابية - computational chemistry) . أما الاتجاه الثانى فهو تطوير "نظريات تحليلية" جديدة، و هو مرتبط باشتقاق المعادلات الأساسية - التى تستخدم فى النمذجة أو المحاكاة - من ميكانيكا الكم أو من الميكانيكا الكلاسيكية.

تشكل الكيمياء الكمومية و الميكانيكا الإحصائية قسمين أساسيين من الكيمياء النظرية.

يوجد خلط كبير فى تحديد مساحات التلاقى و التباين بين مجالات الكيمياء النظرية و الكيمياء الحسابية و النمذجة الجزيئية. الكثير من الباحثين فى الواقع يستخدمون المصطلحات الثلاثة و يتنقلون بينها ببساطة للإشارة لأوجه مختلفة من عملهم حسب السياق [2]. على الرغم من هذا الخلط، فعلى الأقل مصطلح الكيمياء النظرية يعتبر مرادفا لميكانيكا الكم و تطبيقاتها فى الكيمياء ، و هذا يظهر جليا عند الرجوع مثلا للمحتوى العلمى لمؤتمرات الكيمياء النظرية و المراجع المتخصصة فى المجال [1][2][3].

فروع الكيمياء النظرية[عدل]

نظرية التركيب الالكترونى (electronic structure theory)

يختص هذا الفرع من الكيمياء النظرية بدراسة التركيب الالكترونى للمواد، أى حساب الدالات الموجية (wave functions) للحالات الالكترونية المختلفة (electronic states) لأى نظام كيميائى، بما يفتح الباب لحساب مستويات الطاقة الالكترونية و الاهتزازية و الدورانية، و حساب اشكال و هندسة الجزيئات سواء فى حالاتها المستقرة أو المثارة (excited)، و كذلك حساب التفاعلات بين هذه الحالات الالكترونية و الإشعاع الكهرومغناطيسي, و بالتالى، دراسة التحليل الطيفى.

بما أن الحل الكامل لمعادلة شرودنجر هو عمليا مستحيل، فقد طور النظريون على مر العقود الماضية عددا من النماذج الحسابية لحساب دالة موجية للمواد بطرق تقريبية. يمكن ترتيب هذه الطرق من حيث الدقة و التكلفة الحسابية بطريقة هرمية، ابتداء من طريقة هارترى-فوك (Hartree-Fock) فى أسفل الهرم (أقل دقة، أقل تكلفة)، و مرورا بسلسلة من الطرق ذات الدقة الأعلى (التى تعتمد جميعا على طريقة هارترى-فوك) مثل: تآثر التوزيعات الالكترونية (configuration interaction) و الكتلة المترابطة (coupled cluster) و التى تعد أدق نموذج متاح حاليا لحساب التركيب الالكترونى حيث تمكن من حسابات مبهرة الدقة، و إن كانت تكلفتها الحسابية عالية جدا بما يعنى أنه طبقا لأقوى أجهزة حاسب متوافرة الآن، ممكن فقط تطبيقها على أنظمة كيميائية تحتوى على عدد محدود من الذرات (عشرات بحد أقصى).

من النظريات التى لاقت رواجا مؤخرا فى نظرية التركيب الالكترونى، حيث تعطى نتائج مقبولة الدقة و بتكلفة حسابية معقولة، هى نظرية الكثافة الوظيفية (DFT, Density Functional Theory) و هى تمثل توجها مختلفا عن التراتبية القائمة على طريقة هارتى فوك و التى تقوم على حساب دالة موجية. حاليا، هذه الطريقة هى الانسب للحسابات على الأنظمة الكيميائية الضخمة (مئات الآلاف من الذرات)

الميكانيكا الإحصائية (statistical mechanics)

أى عينة كيميائية ترى بالعين المجردة هى فى الحقيقة تتكون من عدد ضخم جدا من الجزيئات و الذرات. منطقيا، خواص هذه الذرات أو الجزيئات هى التى تحدد فى النهاية الخواص الكيميائية للعينة. توفر الميكانيكا الحسابية الإطار النظرى الذى يمكن من حساب خواص التجمعات الضخمة من الجزيئات بما يمكن من فهم الأنظمة الكيميائية التى تتكون من الملايين و المليارات من هذه الوحدات البنيوية، عن طريق فهم خواص هذه الوحدات البنائية.

ظاهريا، قد تبدو هذه مهمة مستحيلة، فكيف يمكن تقدير خواص عدد ضخم جدا من الجزيئات؟ (عدد أفوجادرو الموجود فى مول واحد من المادة هو تقريبا ستمائة ألف مليار مليار جزيئ لكل مول، رقم فلكى). لكن فى الحقيقة، يمكن إثبات أن المتوسطات الحسابية فى النهاية لخواص هذا العدد المهول هى التى تحكم الخواص النهائية للمجموعة كلها. الميكانيكا الإحصائية توفر طرق لحساب هذه المتوسطات بناء على خواص عدد قليل من الجزيئات، و كذلك توفر إطارا نظريا لربطها بالخواص المختلفة التى نستطيع ملاحظتها و قياسها فى المعمل.

الحركية الكيميائية (chemical dynamics)

هذا الفرع يهتم بحساب حركة الذرات و الجزيئات و معدلات تصادمها مع بعض. هذه التصادمات تؤدى لتناقل الطاقة الحركية و الاهتزازية و الدورانية فيما بينها، بما قد يؤدى لحدوث تفاعلات كيميائية، او توصيل للطاقة من مكان لآخر. جزء رئيس من هذا المجال هو حساب معدلات التفاعلات الكيميائية و العوامل التى تؤثر فيها و تغيرها.

الكيمياء الحسابية (computational chemistry)

هذا المجال يضم أى تطبيق لأى فرع من الفروع السابقة من الكيمياء النظرية يتضمن حسابات باستخدام برامج الحاسب. تاريخيا، أغلب تطبيقات الكيمياء الحسابية كانت تكتب بإحدى لغتى البرجمة فورتران أو سى. مؤخرا ظهرت بعض البرامج البسيطة المكتوبة بلغة البايثون، أو الجافا، لكن حتى هذه اللحظة تظل الفورتران و السى (و تطوراتها مثل سي++) هما اللغتان المفضلتان عند أغلب الكيميائيين النظريين (أو العلماء النظريين بصفة عامة) لأسباب عدة، من بينها لا شك سرعة البرامج المكتوبة بهاتين اللغتين بالإضافة لمستوى المرونة و التحكم اللذان تتيحهما هاتان اللغتان، و تراكم - على مر أكثر من خمسين عاما - عدد ضخم من البرامج و المكتبات البرمجية التى يمكن البناء عليها.

مراجع[عدل]

ٍ

  1. ^ أ ب Jack Simons, An Introduction to Theoretical Chemistry, Cambridge University Press, 2003.
  2. ^ أ ب A. R. Leach, Molecular modelling: principles and applications, 2 edition, Pearson Education, 2001
  3. ^ J. Simons and J. Nichols, Quantum Mechanics in Chemistry, Oxford University Press, USA, 1997
Nuvola apps edu science.svg هذه بذرة مقالة عن الكيمياء تحتاج للنمو والتحسين، فساهم في إثرائها بالمشاركة في تحريرها.