博文

【化学知识普及】量子化学——Quantum Chemistry

已有 15589 次阅读 2007-10-18 11:50 |个人分类:催化资源收藏

量子化学
quantum chemistry

   应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的物理化学分支学科。1927年W.H.海特勒和F.W.伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能约为实验值的2／3。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。建立和发展三种化学键理论以及分子间相互作用（包括分子间作用力和氢键）的有关理论。在三种化学键理论中，价键理论由L.C.鲍林在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图像与经典原子价理论接近，已为化学家所接受。分子轨道理论是原子轨道理论对分子的自然推广，是一种以单电子近似为基础的化学键理论，由于分子轨道理论计算较简便，又得到光电子能谱实验的支持，因而该理论在化学键理论中占主要地位。配位场理论是说明和解释配位化合物的结构和性能的化学键理论。在化学键理论基础上建立和发展量子化学计算方法，其中有严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法以及价键法等，计算量子化学的发展加速了量子化学向其他学科的渗透。
   量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。量子化学可分基础研究和应用研究两大类。基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。应用研究是利用量子化学方法处理化学问题，用量子化学的结果解释化学现象。
   量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学和分子反应动力学的量子理论等。三种化学键理论与结构化学和合成化学的发展紧密相联、互相促进。其他化学分支学科也已使用量子化学的概念、方法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用的成功结果。

另外一份关于量子化学的基本介绍

量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。

1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。

量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末，为创建时期。其主要标志是三种化学键理论的建立和发展，分子间相互作用的量子化学研究。在三种化学键理论中，价键理论是由鲍林在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图象与经典原子价理论接近，为化学家所普遍接受。

分子轨道理论是在1928年由马利肯等首先提出，1931年休克尔提出的简单分子轨道理论，对早期处理共轭分子体系起重要作用。分子轨道理论计算较简便，又得到光电子能谱实验的支持，使它在化学键理论中占主导地位。

配位场理论由贝特等在1929年提出，最先用于讨论过渡金属离子在晶体场中的能级分裂，后来又与分子轨道理论结合，发展成为现代的配位场理论。

第二个阶段是20世纪60年代以后。主要标志是量子化学计算方法的研究，其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了计算精度。

1928～1930年，许莱拉斯计算氦原子，1933年詹姆斯和库利奇计算氢分子，得到了接近实验值的结果。70年代又对它们进行更精确的计算，得到了与实验值几乎完全相同的结果。计算量子化学的发展，使定量的计算扩大到原子数较多的分子，并加速了量子化学向其他学科的渗透。

量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能，及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。应用研究是利用量子化学方法处理化学问题，用量子化学的结果解释化学现象。

量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘学科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。

三种化学键理论建立较早，至今仍在不断发展、丰富和提高，它与结构化学和合成化学的发展紧密相联、互相促进。合成化学的研究提供了新型化合物的类型，丰富了化学键理论的内容；同时，化学键理论也指导和预言一些可能的新化合物的合成；结构化学的测定则是理论和实验联系的桥梁。

其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方法和结论。例如分子轨道的概念已得到普遍应用。绝对反应速率理论和分子轨道对称守恒原理，都是量子化学应用到化学反应动力学所取得的成就。

今后，量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发挥更大的作用，如催化与表面化学、原子簇化学、分子动态学、生物与药物大分子化学等方面。

网络资源

量子化学网

http://www.quantumchemistry.net/Index.html

量子论坛

http://162.105.22.221/cgi-bin/leoboard.cgi

量子化学软件中文网
http://new.quantumchemistry.net/externaluser/zork/Index.htm

厦门大学理论化学研究中心(Center for Theoretical Chemistry)
http://ctc.xmu.edu.cn/

河北师范大学计算量子化学研究所
http://202.206.100.3/xi/hxxy/qc/index.htm

计算量子化学

该研究方向主要研究量子化学的理论计算方法及其在有机化学、化学动力学、生物化学、药物化学、材料化学等多学科理论研究的应用，是一门量子化学、计算数学、计算机技术和化学的各分支学科综合交叉的新学科。在这一方向的研究，一方面会推动量子化学学科的发展，另一方面也会推动其他相关学科理论的发展。在这一研究方向的工作中编制、移置和改编了30多种量子化学计算机程序，并在国内100多所高等院校和科研单位推广，同时还进行了国际交流。在这一方向的研究中，曾在氢键本质、金属络合物的催化活性、药物分子的毒性、有机分子的空间拥挤结构的稳定性、星际分子的振动及转动光谱、小分子激发态的势能面、稀土离子显色剂的结构和络合机制、放射性同位素的标记位置、UPS谱的理论解析等方面的研究均有有开创性的，并得到了国内外专家学者肯定的工作。近年来，和中科院化学所王殿勋教授合作，在小分子瞬变种的紫外光电子能谱解析的理论研究方面也取得了重大进展。和日本京都大学Nakatsuji教授合作，在研究激发态及其构型优化方面做出新的探讨。和中科院山西煤化所李永旺教授合作在金属表面催化方面的理论研究中取得了新进展。同时，在小分子反应途径和反应机理方面也作了一定的工作。这些方面的计算量子化学研究，对于促进有关实验研究和激发态理论、表面催化理论研究有很大作用的。