náhled|Schrödingerův model atomu
Teoretická chemie je obor chemie, který zkoumá chemické jevy pomocí matematiky, fyzikálních teorií a počítačových modelů. Využívá tedy neexperimentální metody k vysvětlení nebo předpovězení stavby chemických látek nebo chemických jevů. Řeší problémy elektronové struktury, dynamiky a statistické mechaniky. Skládá se z několika podoborů, jedním z nejdůležitějších je kvantová chemie, což je aplikace kvantové mechaniky pro vysvětlení chemických jevů. Nejnovějším oborem teoretické chemie je matematická chemie.
Teoretická chemie se soustředí především na vysvětlení a předpovídání chování atomů a molekul. Snaží se odpovědět na otázky, jak jsou uspořádány elektrony v atomech a molekulách, jak vznikají a zanikají chemické vazby, jak probíhají chemické reakce nebo jak se chovají molekuly v různých podmínkách (teplota, tlak, rozpouštědlo). Velmi důležitou oblastí teoretické chemie (především pro farmacii a medicínu) je návrh nových látek ještě před jejich experimentální přípravou.
Teoretická chemie vznikala postupně propojením chemie, fyziky a matematiky společně s obory, jako je atomová fyzika, molekulová fyzika nebo fyzikální chemie. Za počátek teoretické chemie lze považovat formulaci Schrödingerovy rovnice.
Obory teoretické chemie Kvantová chemie – využívá kvantovou mechaniku a teorii kvantového pole ke studiu jednotlivých atomů a molekul. Mezi nejčastěji modelované vlastnosti chemických látek patří spektroskopické a magnetické vlastnosti. Výpočetní chemie – využívá počítačové programy pro objasnění struktury a vlastnosti molekul. Zkoumá například rozmístění nábojové hustoty, dipóly, vibrační frekvence a další spektroskopické vlastnosti molekul. Molekulové modelování – využívá metody modelování molekulárních struktur bez využití kvantové mechaniky. Příkladem je molekulární dokování, protein-protein dokování, návrh léčiv nebo kombinatorická chemie. Molekulová dynamika – využívá počítačové simulace ke studiu pohybu atomů a molekul po přesně definovanou dobu, což umožňuje sledovat dynamický vývoj daného systému. Příkladem je zkoumání Van der Waalsových sil a vlivu teploty. Molekulární mechanika – využívá výpočetní metody k/ modelování molekulárních systémů. Zabývá se malými systémy až po velké biologické systémy nebo materiálové sestavy s mnoha tisíci až miliony atomů. Matematická chemie je oblast výzkumu zabývající se novými aplikacemi matematiky v chemii, například topologií. Zabývá se především matematickým modelováním chemických systémů a jevů. Chemická kinetika studuje rychlost chemických reakcí a faktory, které ji ovlivňují. Podává informace o reakčním mechanismu a přechodném stavu chemické reakce. Chemická termodynamika – studuje vztah mezi teplem, prací a energií v chemických reakcích a procesech. Zaměřuje se na entropii, entalpii, a Gibbsovu volnou energii pro pochopení spontánnosti a rovnováhy reakcí. Chemické inženýrství – provádí výzkum a vývoj aplikované chemie v průmyslových procesech. To umožňuje vylepšování nových i stávajících produktů a výrobních procesů. Statistická mechanika – aplikuje statistickou mechaniku k predikci a vysvětlení termodynamických vlastností chemických systémů. Zkoumá a propojuje molekulární chování a makroskopické vlastnosti chemických systémů.
Historie Moderní chemie začala přechodem od experimentů k přesnému měření a matematickému popisu látek, což umožnilo navrhnout první abstraktní modely látek a vysvětlit jejich složení.
Na počátku atomové teorie (18.–19. století) stáli:
Antoine Lavoisier formuloval zákon zachování hmotnosti (1774) John Dalton vytvořil první moderní atomovou teorii (1803) Amedeo Avogadro rozlišil atomy a molekuly, definoval relativní atomové hmotnosti prvků (1811)
náhled|191x191pixelů|Bohrův model atomu Na objevu elektronů a stavby atomu (konec 19. a začátek 20. století) se podíleli:
Joseph John Thomson objevil elektron (1897) Ernest Rutherford navrhl jaderný model atomu (1908) Niels Bohr vytvořil kvantový model atomu vodíku (1913). Jeho model byl prvním krokem k propojení chemie s kvantovou fyzikou.
Na vzniku kvantové mechaniky (20. léta 20. století), která umožnila popsat elektrony matematicky, se podíleli:
Werner Heisenberg objevil princip neurčitosti (1925) Paul Dirac podílel se na rozvoji kvantové teorie (1933) Erwin Schrödinger formuloval Schrödingerovu rovnici (1933) a stal se tak zakladatelem teoretické chemie jako samostatného oboru. Linus Pauling aplikoval kvantovou mechaniku na chemickou vazbu (1954)
Rozvoj výpočetní chemie (50.–80. léta 20. století) přinesl numerické řešení Schrödingerovy rovnice, simulaci molekul a chemických vazeb nebo modelování reakcí. V roce 1998 získali Nobelovu cenu za nové metody a objevy v kvantové chemii:
John Pople se podílel na vývoji výpočetních metod v kvantové chemii Walter Kohn vyvinul teorii funkcionálu hustoty, která umožnila vypočítat kvantově mechanickou elektronovou strukturu pomocí rovnic zahrnujících elektronovou hustotu.
Současná teoretická chemie (21. století) je spojena se superpočítači, umělou inteligencí nebo bioinformatikou. Používá se například při návrhu nových léčiv, v nanotechnologiích nebo při vesmírném výzkumu.
Odkazy Reference
Související články Atomová fyzika Molekulová fyzika Fyzikální chemie
Externí odkazy
Kategorie:Obory a disciplíny chemie