La química computacional se usa para modelar la energética y la estructura de átomos y moléculas en química. Este artículo ofrece una descripción general de las diversas técnicas computacionales que se usan en química.

Pasos

  1. 1 La química computacional es una rama de la química que se ocupa de los cálculos matemáticos que conducen finalmente a la determinación de la energía y la geometría de compuestos químicos particulares de interés para el químico. En su mayor parte, la información interesante que busca un químico son las energías electrónicas de los átomos y las moléculas. El cálculo también puede predecir si el compuesto es lo suficientemente estable como para existir.
  2. 2 Los electrones más importantes en el átomo o la molécula son aquellos que se encuentran en la capa superior electrónica o en el lenguaje de los orbitales, los orbitales moleculares más ocupados (HOMO) y desocupados (LUMO). Estos orbitales son responsables de las características químicas de las moléculas, es decir, si van a reaccionar con otras moléculas o no y por qué simetría.
  3. 3 Los cálculos químicos sobre compuestos orgánicos son parte del esquema de química computacional. Son difíciles de calcular con precisión debido a la participación de muchos átomos en su estructura molecular. Sin embargo, los compuestos orgánicos que tienen un número pequeño de átomos son relativamente fáciles de calcular debido al bajo conteo de electrones en ellos.
  4. 4 La reactividad de los compuestos químicos se rige por el orbital HOMO y el LUMO o los orbitales moleculares de la frontera. En particular, la interacción entre el LUMO de un compuesto y el HOMO del otro reactivo es importante. La diferencia en energía entre estos dos orbitales, así como la coincidencia de la simetría dictará si habrá una reacción entre estos dos compuestos. Por lo tanto, es importante realizar cálculos sobre la energía de estos orbitales y no sobre los orbitales del núcleo interno para verificar si habrá una reacción entre estas dos moléculas o no.
  5. 5 La ecuación básica que se usa para determinar la energía de los compuestos químicos es la ecuación de Schroedinger. Esta ecuación no es relativista y no tiene en cuenta los efectos relativistas como el fenómeno del giro. La variante mecánica cuántica de esta ecuación que implica efectos relativistas en átomos y moléculas se denomina ecuación de Dirac.
  6. 6 La ecuación de Schroedinger es una ecuación diferencial lineal que se puede resolver matemáticamente de manera exacta solo para sistemas simples como la partícula en una caja y la energía del átomo de hidrógeno. Para los sistemas atómicos, solo se resuelve para el átomo de hidrógeno de manera exacta. En este caso, también la solución implica formidables ecuaciones matemáticas que implican laplacian en coordenadas esféricas. Además, implica también ecuaciones diferenciales que no son fáciles de resolver para el químico practicante.
  7. 7 Para átomos que no sean hidrógeno, las soluciones de la ecuación de Schroedinger no pueden obtenerse matemáticamente de manera precisa debido a la presencia en el Hamiltoniano de la ecuación de Schroedinger de un término de energía potencial que hace que la solución analítica de la ecuación de Schroedinger sea imposible. Por esta razón, se hicieron muchos esfuerzos para superar esta dificultad derivando varios métodos de aproximación que se llaman métodos perturbativos. Implican resolver el término de energía de la perturbación en sí y luego agregarlo a la energía general del hamiltoniano imperturbable.
  8. 8 La mayoría de los cálculos en química involucran este tipo de teoría de perturbación. Esto es especialmente importante para muchos átomos de electrones y moléculas. En muchos átomos de electrones hay dos perturbaciones principales que impiden resolver la ecuación de Schroedinger de manera exacta. Estos son: la correlación entre los electrones o las fuerzas de repulsión entre los diversos electrones que agregan un término al hamiltoniano que hace que las matemáticas sean imposibles de resolver. Esta correlación electrónica se manifiesta no solo en muchos átomos de electrones sino también en todas las moléculas.
  9. 9 La otra parte del hamiltoniano que es difícil de resolver exactamente se debe al acoplamiento espín-órbita, que es un efecto relativista. Se origina debido al movimiento relativo del núcleo alrededor del electrón mismo. El movimiento del núcleo alrededor del electrón genera un campo magnético que puede interactuar con el giro y el momento magnético angular del electrón, lo que da lugar a un término adicional en el hamiltoniano atómico que impide una solución precisa de la ecuación de Schroedinger.
  10. 10 En la década de 1990, el método de cálculo más conocido para el químico fue el método Hartree-Fock o el campo autoconsistente. Hoy en día existen muchos métodos perturbativos como el método Muller -plesset que incluye la correlación entre electrones en el hamiltoniano. Además, un método popular que se utiliza cada vez más en química computacional es la teoría de densidad funcional que tiene la ventaja de consumir menos tiempo que los otros métodos. Los métodos computacionales adicionales especialmente útiles para los cálculos del estado de transición incluyen los métodos de agrupamiento acoplado. para cálculos termodinámicos, un método muy eficiente es el método semiempírico, especialmente el método PM3.