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量子化学(quantum chemistry)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。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。

简介

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。

发展

第一个阶段

量子化学(图1)

量子化学(图1)

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

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。

研究范围

量子化学(图2)

量子化学(图2)

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。

计算方法

主要分为:①分子轨道法(简称MO法,见分子轨道理论);②价键法(简称VB法,见价键理论)。以下只介绍分子轨道法,它是原子轨道对分子的推广,即在物理模型中,假定分子中的每个电子在所有原子核和电子所产生的平均势场中运动,即每个电子可由一个单电子函数(电子的坐标的函数)来表示它的运动状态,并称这个单电子函数为分子轨道,而整个分子的运动状态则由分子所有的电子的分子轨道组成(乘积的线性组合),这就是分子轨道法名称的由来。

HFR方程

分子轨道法的核心是哈特里-福克-罗特汉方程,简称HFR方程,它是以三个在分子轨道法发展过程中做出卓著贡献的人的姓命名的方程。1928年D.R.哈特里提出了一个将n个电子体系中的每一个电子都看成是在由其余的n -1个电子所提供的平均势场中运动的假设。这样对于体系中的每一个电子都得到了一个单电子方程(表示这个电子运动状态的量子力学方程),称为哈特里方程。使用自洽场迭代方式求解这个方程(见自洽场分子轨道法),就可得到体系的电子结构和性质。哈特里方程未考虑由于电子自旋而需要遵守的泡利原理。1930年,B.A.福克和J.C.斯莱特分别提出了考虑泡利原理的自洽场迭代方程,称为哈特里-福克方程。它将单电子轨函数(即分子轨道)取为自旋轨函数(即电子的空间函数与自旋函数的乘积)。泡利原理要求,体系的总电子波函数要满足反对称化要求,即对于体系的任何两个粒子的坐标的交换都使总电子波函数改变正负号,而斯莱特行列式波函数正是满足反对称化要求的波函数。将哈特里-福克方程用于计算多原子分子,会遇到计算上的困难。C.C.J.罗特汉提出将分子轨道向组成分子的原子轨道(简称AO)展开,这样的分子轨道称为原子轨道的线性组合(简称LCAO)。使用LCAO-MO,原来积分微分形式的哈特里-福克方程就变为易于求解的代数方程,称为哈特里-福克-罗特汉方程,简称HFR方程。

RHF 方程

闭壳层体系是指体系中所有的电子均按自旋相反的方式配对充满某些壳层(壳层指一个分子能级或能量相同的即简并的两个分子能级)。这种体系的特点,是可用单斯莱特行列式表示多电子波函数(分子的状态),描述这种体系的HFR方程称为限制性的HFR方程,所谓限制性,是要求每一对自旋相反的电子具有相同的空间函数。限制性的HFR方程简称RHF方程。

UHF 方程

开壳层体系是指体系中有未成对的电子(即有的壳层未充满)。描述开壳层体系的波函数一般应取斯莱特行列式的线性组合,这样,计算方案就将很复杂。然而对于开壳层体系的对应极大多重度(所谓多重度,指一个分子因总自旋角动量的不同而具有几个能量相重的状态)的状态(即自旋角动量最大的状态)来说,可以保持波函数的单斯莱特行列式形式(近似方法)。描述这类体系的最常用的方法是假设自旋向上的电子(自旋)和自旋向下的电子(β自旋)所处的分子轨道不同,即不限制自旋相反的同一对电子填入相同的分子轨道。这样得到的HFR方程称为非限制性的HFR方程,简称UHF方程。
量子化学的计算

量子化学的计算

原则上讲,有了HFR方程(不论是RHF方程或是UHF方程),就可以计算任何多原子体系的电子结构和性质真正严格的计算称之为从头计算法。RHF方程的极限能量与非相对论薛定谔方程的严格解之差称为相关能。对于某些目的,还需要考虑体系的相关能。UHF方程考虑了相关能的一小部分,更精密的作法则须取多斯莱特行列式的线性组合形式的波函数,由变分法求得这些斯莱特行列式的组合系数。这些由一个斯莱特行列式或数个斯莱特行列式按某种方式组合所描述的分子的电子结构称为组态,所以这种取多斯莱特行列式波函数的方法称为组态相互作用法(简称CI)。

应用范围

材料科学

(一)在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年,计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中,解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一,它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下,研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现,含Ca钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致,而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr,Ba 原子键级与Sr-O,Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级,由此认为,含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域,是一门前景广阔的研究课题,它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来,也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
(二) 在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构,通过量子化学计算表明,含有杂质石原子的磁矩要降低,这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明,在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是:d>f>p>s,其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说,NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心),其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论,并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高,计算机时少而广泛应用于材料科学中,并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善,同时由于电子计算机的飞速发展和普及,量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展,将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

能源研究

(一)在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步,量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子, 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径,由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性,对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义。
(二)在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点,被人们称之为“最有前途的化学电源”,被广泛应用于便携式电器等小型设备,并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
离子电池又称摇椅型电池,电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此,深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明,随着锂含量的增加,锂的离子性减少,预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法,对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究,研究表明,锂优先插入到石墨层间反应,然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展,相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

化学计算

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域,尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究,是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等,都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问,这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶;可以揭示遗传与变异的奥秘, 进而调控基因的复制与突变,使之造福于人类;可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等,可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
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