الكيمياء النظرية

الكيمياء النظرية هي فرع من فروع الكيمياء يقوم بتطوير تعميمات نظرية تشكل جزءًا من الترسانة النظرية للكيمياء الحديثة: على سبيل المثال، مفاهيم الترابط الكيميائي ، والتفاعل الكيميائي ، والتكافؤ ، وسطح طاقة الوضع ، والمدارات الجزيئية ، والتفاعلات المدارية، وتنشيط الجزيء.

يجمع علم الكيمياء النظرية بين المبادئ والمفاهيم المشتركة بين جميع فروع الكيمياء. وفي إطاره، يتم تنظيم القوانين والمبادئ والقواعد الكيميائية، وتطويرها وتفصيلها، وبناء تسلسل هرمي لها. ويحتل مبدأ ترابط بنية وخصائص الأنظمة الجزيئية مكانة مركزية في الكيمياء النظرية. ويستخدم هذا العلم الأساليب الرياضية والفيزيائية لشرح بنى وديناميكيات الأنظمة الكيميائية، وربط خصائصها الديناميكية الحرارية والحركية وفهمها والتنبؤ بها. وبمعنى أعم، هو تفسير للظواهر الكيميائية باستخدام أساليب الفيزياء النظرية . وعلى النقيض من الفيزياء النظرية، ونظرًا للتعقيد الشديد للأنظمة الكيميائية، غالبًا ما يستخدم علم الكيمياء النظرية، بالإضافة إلى الأساليب الرياضية التقريبية، أساليب شبه تجريبية وتجريبية.

في السنوات الأخيرة، انصبّ التركيز بشكل أساسي على الكيمياء الكمومية ، أي تطبيق ميكانيكا الكم على مسائل الكيمياء. وتشمل المكونات الرئيسية الأخرى الديناميكا الجزيئية ، والديناميكا الحرارية الإحصائية ، ونظريات محاليل الإلكتروليت ، وشبكات التفاعلات ، والبلمرة ، والحفز ، والمغناطيسية الجزيئية ، والتحليل الطيفي .

يمكن تقسيم الكيمياء النظرية الحديثة تقريبًا إلى قسمين: دراسة البنية الكيميائية ودراسة الديناميكا الكيميائية. يشمل القسم الأول دراساتٍ مثل: البنية الإلكترونية، وأسطح طاقة الوضع، ومجالات القوى؛ والحركة الاهتزازية الدورانية؛ وخصائص التوازن لأنظمة الطور المكثف والجزيئات الكبيرة. أما الديناميكا الكيميائية فتشمل: حركية الجزيئات الثنائية ونظرية تصادم التفاعلات وانتقال الطاقة؛ ونظرية معدل التفاعل أحادي الجزيء والحالات شبه المستقرة؛ وجوانب الديناميكا في الطور المكثف والجزيئات الكبيرة.

الكيمياء الكمية

The application of quantum mechanics or fundamental interactions to chemical and physico-chemical problems. Spectroscopic and magnetic properties are between the most frequently modelled.

Computational chemistry

The application of scientific computing to chemistry, involving approximation schemes such as Hartree–Fock, post-Hartree–Fock, density functional theory, semiempirical methods (such as PM3) or force field methods. Molecular shape is the most frequently predicted property. Computers can also predict vibrational spectra and vibronic coupling, but also acquire and Fourier transform Infra-red Data into frequency information. The comparison with predicted vibrations supports the predicted shape.

Molecular modelling

Methods for modelling molecular structures without necessarily referring to quantum mechanics. Examples are molecular docking, protein-protein docking, drug design, combinatorial chemistry. The fitting of shape and electric potential are the driving factor in this graphical approach.

Molecular dynamics

Application of classical mechanics for simulating the movement of the nuclei of an assembly of atoms and molecules. The rearrangement of molecules within an ensemble is controlled by Van der Waals forces and promoted by temperature.

Molecular mechanics

Modeling of the intra- and inter-molecular interaction potential energy surfaces via potentials. The latter are usually parameterized from ab initio calculations.

Mathematical chemistry

Discussion and prediction of the molecular structure using mathematical methods without necessarily referring to quantum mechanics. Topology is a branch of mathematics that allows researchers to predict properties of flexible finite size bodies like clusters.

Chemical kinetics

Theoretical study of the dynamical systems associated to reactive chemicals, the activated complex and their corresponding differential equations.

Cheminformatics (also known as chemoinformatics)

The use of computer and informational techniques, applied to crop information to solve problems in the field of chemistry.

Chemical engineering

The application of chemistry to industrial processes to conduct research and development. This allows for development and improvement of new and existing products and manufacturing processes.

Chemical thermodynamics

دراسة العلاقة بين الحرارة والشغل والطاقة في التفاعلات والعمليات الكيميائية، مع التركيز على الإنتروبيا والإنثالبي وطاقة جيبس ​​الحرة لفهم تلقائية التفاعل والتوازن.

الميكانيكا الإحصائية

تطبيق الميكانيكا الإحصائية للتنبؤ بالخصائص الديناميكية الحرارية للأنظمة الكيميائية وشرحها، وربط السلوك الجزيئي بالخصائص العيانية.

تاريخياً، كان المجال الرئيسي لتطبيق الكيمياء النظرية في مجالات البحث التالية:

• الفيزياء الذرية : التخصص الذي يتعامل مع الإلكترونات ونوى الذرات.
• الفيزياء الجزيئية : هي علم يدرس الإلكترونات المحيطة بنوى الجزيئات وحركة هذه النوى. يشير هذا المصطلح عادةً إلى دراسة الجزيئات المكونة من عدد قليل من الذرات في الحالة الغازية. لكن يرى البعض أن الفيزياء الجزيئية تشمل أيضاً دراسة الخصائص الكلية للمواد الكيميائية من منظور الجزيئات.
• الكيمياء الفيزيائية والفيزياء الكيميائية : تُدرس الكيمياء باستخدام أساليب فيزيائية مثل تقنيات الليزر ، والمجهر النفقي الماسح ، وغيرها. يتمثل التمييز الرسمي بين المجالين في أن الكيمياء الفيزيائية فرع من فروع الكيمياء، بينما الفيزياء الكيميائية فرع من فروع الفيزياء. لكن عمليًا، هذا التمييز غير واضح تمامًا.
• نظرية الأجسام المتعددة : هي فرع من فروع الفيزياء يدرس التأثيرات التي تظهر في الأنظمة ذات العدد الكبير من المكونات. وهي تستند إلى فيزياء الكم - وخاصةً صيغة التكميم الثاني - والديناميكا الكهربائية الكمية .

ومن ثم، برزت الكيمياء النظرية كفرع من فروع البحث العلمي. ومع ظهور نظرية الكثافة الوظيفية وغيرها من الأساليب مثل الميكانيكا الجزيئية ، اتسع نطاق تطبيقها ليشمل الأنظمة الكيميائية ذات الصلة بمجالات أخرى من الكيمياء والفيزياء، بما في ذلك الكيمياء الحيوية ، وفيزياء المادة المكثفة ، وتقنية النانو ، وعلم الأحياء الجزيئي .

• قائمة بالمسائل غير المحلولة في الكيمياء

• أتيلا سزابو ونيل س. أوستلوند، الكيمياء الكمية الحديثة: مقدمة في نظرية البنية الإلكترونية المتقدمة ، منشورات دوفر؛ طبعة جديدة (1996) ISBN 0-486-69186-1، ISBN 978-0-486-69186-2
• روبرت ج. بار وويتاو يانغ، نظرية الكثافة الوظيفية للذرات والجزيئات ، منشورات أكسفورد للعلوم؛ نُشر لأول مرة عام 1989؛ رقم ISBN 0-19-504279-4، ISBN 0-19-509276-7
• DJ Tannor, V. Kazakov and V. Orlov, Control of Photochemical Branching: Novel Procedures for Find the Optimal Pulses and Global Upper Bounds, in Time Dependent Quantum Molecular Dynamics, J. Broeckhove and L. Lathouwers, eds., 347–360 (Plenum, 1992)