كيمياء نظرية
الكيمياء النظرية Theoretical chemistry، هي فرع واسع متعدد الجوانب من فروع الكيمياء. يمكن تمييزه عامة باستخدم الفيزياء والرياضيات والحاسوب لفهم جميع جوانب الكيمياء: كخواص المواد وخواص العناصر والجزيئات وتفاعلاتها، أولمحاكاة الظواهر الجزيئية، أوللتنبؤ بخواص جزيئات أوأطوار جديدة للمادة.
نظرة عامة
بصفة عامة، يمكن تمييز اتجاهين في الكيمياء النظرية: الاتجاه الأول هواستخدام الحاسب لحل المعادلات المعقدة التي تحكم السلوك الجزيئى، بما يساعد على نمذجة أومحاكاة الجزيئات وخواصها (الكيمياء الحسابية). أما الاتجاه الثاني فهوتطوير "نظريات تحليلية" جديدة، وهومرتبط بصياغة معادلات تصف سلوك المواد أوالأنظمة الكيميائية - مثل معدلات التفاعلات الكيميائية، أوالخواص الطيفية، وهي طرق قد تستخدم الميكانيكا الكلاسيكية أوميكانيكا الكم.
تشكل الكيمياء الكمومية والميكانيكا الإحصائية قسمين أساسيين من الكيمياء النظرية.
يوجد خلط كبير في تحديد مساحات التلاقى والتباين بين مجالات الكيمياء النظرية والكيمياء الحسابية والنمذجة الجزيئية. الكثير من الباحثين في الواقع يستخدمون المصطلحات الثلاثة ويتنقلون بينها ببساطة للإشارة لأوجه مختلفة من عملهم حسب السياق . وفي عصرنا اليوم أصبحت الكيمياء النظرية مرتبطة ارتباطا شديداً بميكانيكا الكم وتطبيقاتها في الكيمياء، إذ حتى التفاعل الكيميائي يتم بين جزيئات صغيرة يمكن وصفها من خلال الظواهر الكمومية، وهذا يظهر جليا عند الرجوع مثلا للمحتوى الفهمى لمؤتمرات الكيمياء النظرية والمراجع المتخصصة في المجال . لهذا، فالتوجه العام هواستخدام مصطلح "الكيمياء النظرية" كمرادف لتطبيقات ميكانيكا الكم في الكيمياء، في حين تستخدم مصطلحات الكيمياء الحسابية والنمذجة الجزيئية في سياق أوسع.
فروع الكيمياء النظرية
- نظرية البنية الإلكترونية في كيمياء الكم
- دراسة الهجريب الإلكترونى للمواد، أي حساب الدالات الموجية للحالات الالكترونية المتنوعة لأى نظام كيميائى، بما يفتح الباب لحساب مستويات الطاقة الالكترونية والاهتزازية والدورانية سواء في حالاتها المستقرة أوالمثارة. وكذلك حساب التفاعلات بين هذه الحالات الالكترونية المتنوعة للذرات، وحساب الأشعة الكهرومغناطيسية التي تمتصها أوتصدرها الذرات والجزيئات، وبالتالى، دراسة التحليل الطيفي. إذ حتى طيف المركب الكيميائى هوبمثابة "بصمة أصبع" عن خواصه وبنيته.
تاريخيا، كانت دراسة أطياف العناصر وعلى الأخص طيف الهيدروجين عاملا أساسيا في استنتاج نظرية الكم في الفيزياء والتي نجحت في وصف الهجريب الالكترونى للهيدروجين (وبصفة عامة لكل الذرات) ومن ثم طيفه بالكامل وبدقة تامة - حيث لم تفلح الميكانيكا الكلاسيكية في ذلك - وانفتح مجالا جديدا لتفسير الطبيعة حولنا.
بما حتى الحل الرياضي الكامل لمعادلة شرودنجر هوعمليا محال لصعوبته البالغة، فقد طور النظريون على مر العقود الماضية عددا من النماذج الحسابية لحساب دالة موجية للمواد بطرق تقريبية. يمكن ترتيب هذه الطرق من حيث الدقة والتكلفة الحسابية بطريقة هرمية، ابتداء من طريقة هارترى-فوك في أسفل الهرم (أقل دقة، أقل تكلفة)، ومرورا بسلسلة من الطرق ذات الدقة الأعلى (التي تعتمد جميعا على طريقة هارترى-فوك كبداية لها) مثل: تآثر التوزيعات الالكترونية (configuration interaction) والكتلة المترابطة (coupled cluster) والتي تعد أدق نموذج متاح حاليا لحساب الهجريب الالكترونى حيث تمكن من حسابات بالغة الدقة، إلا حتى تكلفتها الحسابية عالية جدا بما يعنى حاليا حتى حتى مع استخدام أقوى أجهزة حواسب متاحة، فإن تطبيقها يقتصر فقط على أنظمة كيميائية تحتوى على عدد محدود من الذرات (عشرات بحد أقصى).
من أنشط المجالات البحثية الآن في الكيمياء النظرية هوالعمل على تطوير خوارزميات جديدة أكثر كفاءة وسرعة لحساب الهجريب الإلكترونى. مع التطور المستمر في هذه الخوارزميات، وكذلك مع التطور المستمر في سرعة الحاسب وفي الذاكرة المتاحة، هناك دوما ازدياد في عدد الإلكترونات (وبالتالى الذرات والجزيئات) التي يمكن حساب دالة موجية لها باستخدام الطرق المتنوعة التي ذكرت هنا..
من النظريات التي لاقت رواجا مؤخرا في نظرية الهجريب الالكترونى، حيث تعطى نتائج مقبولة الدقة وبتكلفة حسابية معقولة، هي نظرية الكثافة الوظيفية (DFT, Density Functional Theory) وهي تمثل توجها مختلفا عن التراتبية القائمة على طريقة هارترى فوك والتي تقوم على حساب دالة موجية. حاليا، هذه الطريقة هي الانسب للحسابات على الأنظمة الكيميائية الضخمة (الآلاف من الذرات).
- الميكانيكا الإحصائية
أي عينة كيميائية ترى بالعين المجردة هي في الحقيقة تتكون من عدد ضخم جدا من الجزيئات والذرات. منطقيا، خواص هذه الذرات أوالجزيئات هي التي تحدد في النهاية الخواص الكيميائية للعينة. توفر الميكانيكا الحسابية الإطار النظرى الذي يمكن من حساب خواص التجمعات الضخمة من الجزيئات بما يمكن من فهم الأنظمة الكيميائية التي تتكون من الملايين والمليارات من هذه الوحدات البنيوية، عن طريق فهم خواص هذه الوحدات البنائية.
ظاهريا، قد تبدوهذه مهمة محالة، فكيف يمكن تقدير خواص عدد ضخم جدا من الجزيئات،يا ترى؟ (عدد أفوجادروالموجود في مول واحد من المادة هوتقريبا ستمائة ألف مليار مليار جزيء لكل مول، رقم فلكى). لكن في الحقيقة، يمكن إثبات حتى المتوسطات الحسابية في النهاية لخواص هذا العدد المهول هي التي تحكم الخواص النهائية للمجموعة كلها. الميكانيكا الإحصائية توفر طرقا لحساب هذه المتوسطات بناء على خواص عدد قليل من الجزيئات، وكذلك توفر إطارا نظريا لربطها بالخواص المتنوعة التي نستطيع ملاحظتها وقياسها في المعمل.
- الحركية الكيميائية
هذا الفرع يهتم بحساب حركة الذرات والجزيئات ومعدلات تصادمها مع بعض. هذه التصادمات تؤدى لتناقل الطاقة الحركية والاهتزازية والدورانية فيما بينها، بما قد يؤدى لحدوث تفاعلات كيميائية (أي ترابط بعضا منها ببعض وتكوين هجريبات كيميائية جديدة)، أوتوصيل للطاقة من مكان لآخر. جزء رئيس من هذا المجال هوحساب معدلات التفاعلات الكيميائية والعوامل التي تؤثر فيها وتغيرها.
- الكيمياء الحسابية
يقصد بهذا المصطلح بصفة عامة تطبيق برامج الحاسوب في الكيمياء. بهذا المعنى الواسع، فإن هناك تداخل بين الكيمياء الحسابية والكيمياء النظرية، بمعنى حتى جزء ضخم من الكيمياء النظرية بفروعها المتنوعة يندرج تحت بند الكيمياء الحسابية (ولكن ليس كلها بترا، مازال جزء أساسي من البحث في الكيمياء النظرية يعتمد على الورقة والقلم والعقل البشرى فقط). من المهم هنا التأكيد على حتى بعض مجالات البحث والتطبيق في الكيمياء الحسابية لا تندرج تحت مظلة الكيمياء النظرية.
تاريخيا، أغلب تطبيقات الكيمياء الحسابية كانت تخط بإحدى لغتى البرمجة فورتران أوسى. مؤخرا ظهرت بعض البرامج البسيطة المكتوبة بلغة البايثون، أولبجافا، لكن حتى هذه اللحظة تظل الفورتران والسى (وتطوراتها مثل سي++) هما اللغتان المفضلتان عند أغلب الكيميائيين النظريين لأسباب عدة، من بينها سرعة البرامج المكتوبة بهاتين اللغتين بالإضافة لمستوى المرونة والتحكم اللذان تتيحهما هاتان اللغتان، وكذلك لتوافر عدد ضخم - على مر أكثر من خمسين عاما - من البرامج والمخطات البرمجية المكتوبة بهاتين اللغتين والتي يمكن البناء عليها.
انظر أيضاً
- List of unsolved problems in chemistry
المراجع
- Attila Szabo and Neil S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover Publications; New Ed edition (1996) ISBN 0-486-69186-1, ISBN 978-0-486-69186-2
- Robert G. Parr and Weitao Yang, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford Science Publications; first published in 1989; ISBN 0-19-504279-4, ISBN 0-19-509276-7
- D. J. Tannor, V. Kazakov and V. Orlov, Control of Photochemical Branching: Novel Procedures for Finding Optimal Pulses and Global Upper Bounds, in Time Dependent Quantum Molecular Dynamics, J. Broeckhove and L. Lathouwers, eds., 347-360 (Plenum, 1992)
- ^ J. Simons, An Introduction to Theoretical Chemistry, Cambridge University Press, 2003.
- ^ A. R. Leach, Molecular modelling: principles and applications, 2 edition, Pearson Education, 2001
- ^ J. Simons and J. Nichols, Quantum Mechanics in Chemistry, Oxford University Press, USA, 1997
- ^ P. Cársky, J. Paldus and J. Pittner, Recent Progress in Coupled Cluster Methods: Theory and Applications, Springer; 2010.
