Теоретическая химия

Теоретическая химия - учение о строении веществ, их свойствах и превращениях при химических реакциях, объединяющее и систематизирующие принципы и представления, общие для всех разделов химии. В качестве главных подразделов Т. х. выступают квантовая химия, теоретические составляющие физической химии, классическая теория химического строения, математическая химия и молекулярная динамика.

Химия, будучи в основном экспериметальной наукой, всегда стремилась иметь не только эмпирические правила и закономерности, но и некоторую общую теоретическую основу, позволяющую с единых позиций объяснять и предсказывать результаты экспериментов и поведение химических систем в тех или иных условиях. При этом химики всегда стремились достичь понимания химических явлений на том уровне и на том языке, который позволяет связать эти явления со строением соответствующих химических соединений. Именно по этой причине появление квантовой механики вызвало быстрое развитие и теоретической химии как таковой, поскольку она явно рассматривала как строение молекул, так и их поведение при тех или иных воздействиях, в том числе при химических реакциях.

Современная квантовая химия изучает на молекулярном уровне электронное и геометрическое строение химических соединений в различных состояниях, динамику химических превращений в элементарных актах химических реакций, проявления особенностей химического строения веществ в их свойствах и при их превращениях, а также влияние химического строения на биологические свойства соедиений. Её математический аппарат базируется на широко развитых методах решения временного и стационарного уравнения Шрёдингера для систем многих частиц.

При переходе к описанию свойств макроскопических тел вводятся представления статистичекой физики и теоретических разделов физической химии, в частности, в виде феноменологических теорий химической термодинамики и химической кинетики. Эти теории позволяют не только дать основу для количественного описания свойств и превращений веществ, но и учесть влияние внешних условий на характер этих превращений.

Весьма важным разделом Т. х. является классическая теория химического строения, в том числе молекулярное моделирование, поскольку формулируемые в этом разделе закономерности строения и поведения химических веществ в различных условиях дают общую систему знаний о веществе, его строении и превращениях, не прибегая к представлениям квантовой механики. В то же время понимание принципов и закономерностей этой составляющей теоретических представлений современной химии существенно как для квантовой, так и для физической химии. Представления классической теории пронизывают все теории о строении химических соединений, в том числе и достаточно строгих построений квантовой теории, хотя подчас и в неявном виде.

Математическая химия для решения химических задач использует аппарат таких разделов математики, как теория графов, теория перечислений и комбинаторный анализ, теория групп и ряд других. Основу для применения этого аппарата составляют закономерности, установленные экспериментально для для свойств и превращений химических соединений. Так, формальная химическая кинетика базируется на математическом аппарате решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, анализ закономерностей «структура – свойство» во многом опирается на теорию графов и т. п. 

Существенный вклад в становление Т.х. внесло развитие вычислительной техники, позволившей получать надежные количественные результаты на молекулярном уровне. В частности, примерно за последние 2 десятилетия теоретическая химия претерпела значительные изменения, связанные не столько с какими-либо существенными изменениями исходных теоретических посылок, сколько с изменением её вычислительных возможностей при получении надежных расчетных результатов и интерпретации на их основе конкретных экспериментальных результатов. Именно в этом направлении теоретическая химия заметно приблизилась к решению прикладных проблем, причем такому решению, при котором она дает не только достоверное объяснение, но и уверенное предсказание качественного и количественного поведения химических систем. Другими словами, Т. х. в существенной степени приблизилась к состоянию экспериментальной техники высокого уровня, используемой для изучения строения и свойств химических соединений. Без оценочного предварительного квантовохимического расчета практически не обходится большинство синтетических работ во многих разделах современной химии.

Рекомендуемая литература

1. Степанов Н. Ф. Квантовая механика и квантовая химия. М. «Мир», 2001

2. Корольков Д. В. Теоретическая химия. Том 1. Общие принципы и концепции. М.: Академкнига, 2007.

3. Цирельсон В. Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела. М.: « Бином», 2010

4. Хаускрофт К., Констебл Э. Современный курс общей химии. М.: «Мир», 2002 

5. Современная неорганическая химия

6. Молекулярная механика