प्रमात्रा रसायनिकी

क्वांटम रसायन विज्ञान, जिसे आणविक क्वांटम यांत्रिकी भी कहा जाता है, रासायनिक प्रणालियों के लिए क्वांटम यांत्रिकी के अनुप्रयोग पर केंद्रित भौतिक रसायन विज्ञान की एक शाखा है, विशेष रूप से अणु, सामग्री और समाधानों के भौतिक और रासायनिक गुणों में इलेक्ट्रॉनिक योगदान की क्वांटम-यांत्रिक गणना की ओर। परमाणु स्तर। इन गणनाओं में व्यवस्थित रूप से लागू किए गए सन्निकटन शामिल हैं, जिनका उद्देश्य गणनाओं को कम्प्यूटेशनल रूप से व्यवहार्य बनाने के साथ-साथ गणना किए गए तरंग क्रिया के साथ-साथ संरचनाओं, स्पेक्ट्रा और थर्मोडायनामिक गुणों जैसे अवलोकन योग्य गुणों के बारे में अधिक से अधिक जानकारी प्राप्त करना है। क्वांटम रसायन विज्ञान आणविक गतिशीलता और रासायनिक कैनेटीक्स पर क्वांटम प्रभावों की गणना से भी संबंधित है।

रसायनज्ञ स्पेक्ट्रोस्कोपी पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं जिसके माध्यम से आणविक पैमाने पर ऊर्जा के परिमाणीकरण (भौतिकी) के बारे में जानकारी प्राप्त की जा सकती है। सामान्य विधियाँ इन्फ्रा-रेड (IR) स्पेक्ट्रोस्कोपी, परमाणु चुंबकीय अनुनाद (NMR) स्पेक्ट्रोस्कोपी और स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी हैं। क्वांटम रसायन शास्त्र स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा के साथ-साथ अन्य प्रयोगात्मक डेटा की भविष्यवाणी और सत्यापन के लिए भी लागू किया जा सकता है।

कई क्वांटम रसायन विज्ञान के अध्ययन इलेक्ट्रॉनिक निम्नतम अवस्था और व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं की उत्साहित स्थिति के साथ-साथ रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान होने वाले प्रतिक्रिया मार्गों और संक्रमण राज्यों के अध्ययन पर केंद्रित हैं। स्पेक्ट्रोस्कोपिक गुणों का भी अनुमान लगाया जा सकता है। आमतौर पर, इस तरह के अध्ययन मानते हैं कि इलेक्ट्रॉनिक तरंग फ़ंक्शन परमाणु स्थितियों (यानी, बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन) द्वारा एडिएबैटिक रूप से परिचालित होता है। अर्ध-अनुभवजन्य क्वांटम रसायन पद्धति सहित विभिन्न प्रकार के दृष्टिकोणों का उपयोग किया जाता है |

श्रोडिंगर समीकरण के कम्प्यूटेशनल समाधान के विकास के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक संरचना और आणविक गतिकी को समझना क्वांटम रसायन विज्ञान का एक केंद्रीय लक्ष्य है। क्षेत्र में प्रगति कई चुनौतियों पर काबू पाने पर निर्भर करती है, जिसमें छोटे आणविक प्रणालियों के लिए परिणामों की सटीकता बढ़ाने की आवश्यकता और बड़े अणुओं के आकार को भी बढ़ाना शामिल है, जो वास्तविक रूप से संगणना के अधीन हो सकते हैं, जो स्केलिंग विचारों द्वारा सीमित है - गणना समय परमाणुओं की संख्या की शक्ति के रूप में बढ़ता है।

इतिहास

कुछ लोग क्वांटम रसायन विज्ञान के जन्म को श्रोडिंगर समीकरण की खोज और 1926 में हाइड्रोजन परमाणु में इसके अनुप्रयोग के रूप में देखते हैं। हालाँकि, वाल्टर हिटलर (1904-1981) और फ्रिट्ज लंदन के 1927 के लेख को अक्सर क्वांटम रसायन विज्ञान के इतिहास में पहले मील के पत्थर के रूप में पहचाना जाता है। यह डायटोमिक हाइड्रोजन अणु के लिए क्वांटम यांत्रिकी का पहला अनुप्रयोग है, और इस प्रकार रासायनिक बंधन की घटना है। बाद के वर्षों में रॉबर्ट एस. मुल्लिकेन, मैक्स बोर्न, जे. रॉबर्ट ओपेनहाइमर, लिनुस पॉलिंग, एरिच ह्युकेल, डगलस हार्ट्री, व्लादिमीर फॉक जैसे कुछ लोगों ने काफी प्रगति की। क्वांटम रसायन विज्ञान का इतिहास माइकल फैराडे द्वारा कैथोड किरणों की 1838 की खोज, गुस्ताव किरचॉफ द्वारा श्याम पिंडों से उत्पन्न विकिरण समस्या के 1859 के बयान, लुडविग बोल्ट्जमैन द्वारा 1877 के सुझाव से भी जाना जाता है कि एक भौतिक प्रणाली की ऊर्जा अवस्था असतत हो सकती है, और मैक्स प्लैंक द्वारा 1900 क्वांटम परिकल्पना कि किसी भी ऊर्जा विकिरण परमाणु प्रणाली को सैद्धांतिक रूप से असतत ऊर्जा तत्वों की संख्या में विभाजित किया जा सकता है ε जैसे कि इनमें से प्रत्येक ऊर्जा तत्व आवृत्ति ν के समानुपाती होता है जिसके साथ वे प्रत्येक व्यक्तिगत रूप से ऊर्जा और एक संख्यात्मक मूल्य विकीर्ण करते हैं प्लांक नियतांक कहते हैं। फिर, 1905 में, प्रकाश विद्युत प्रभाव (1839) की व्याख्या करने के लिए, यानी, कुछ सामग्रियों पर चमकने वाला प्रकाश सामग्री से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए कार्य कर सकता है, अल्बर्ट आइंस्टीन ने प्लैंक की क्वांटम परिकल्पना के आधार पर पोस्ट किया, कि प्रकाश में व्यक्तिगत क्वांटम कण होते हैं, जिसे बाद में फोटॉन (1926) कहा जाने लगा। आने वाले वर्षों में, इस सैद्धांतिक आधार को धीरे-धीरे रासायनिक संरचना, प्रतिक्रियाशीलता और बंधन पर लागू किया जाने लगा। संभवतः इस क्षेत्र में सबसे बड़ा योगदान लिनस पॉलिंग का था।

इलेक्ट्रॉनिक संरचना

Main article: Electronic structure

क्वांटम रासायनिक समस्या को हल करने में पहला कदम आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक आणविक हैमिल्टनियन के साथ श्रोडिंगर समीकरण (या सापेक्षतावादी क्वांटम रसायन विज्ञान में डायराक समीकरण) को हल करना है। इसे अणु की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का निर्धारण कहा जाता है। यह कहा जा सकता है कि अणु या क्रिस्टल की इलेक्ट्रॉनिक संरचना अनिवार्य रूप से इसके रासायनिक गुणों को दर्शाती है। श्रोडिंगर समीकरण के लिए एक सटीक समाधान केवल हाइड्रोजन परमाणु के लिए प्राप्त किया जा सकता है (हालांकि डाइहाइड्रोजन धनायन की बाध्य राज्य ऊर्जाओं के लिए सटीक समाधान लैम्बर्ट डब्ल्यू फ़ंक्शन # सामान्यीकरण के संदर्भ में पहचाने गए हैं)। चूंकि अन्य सभी परमाणु, या आणविक प्रणालियों में तीन या अधिक कणों की गति शामिल होती है, उनके श्रोडिंगर समीकरणों को सटीक रूप से हल नहीं किया जा सकता है और इसलिए अनुमानित समाधानों की तलाश की जानी चाहिए।

वैलेंस बॉन्ड

Main article: Valence bond theory

यद्यपि क्वांटम रसायन विज्ञान का गणितीय आधार 1926 में इरविन श्रोडिंगर | श्रोडिंगर द्वारा रखा गया था, यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि क्वांटम रसायन विज्ञान में पहली सच्ची गणना जर्मन भौतिकविदों वाल्टर हेटलर और फ्रिट्ज लंदन द्वारा हाइड्रोजन (एच₂) 1927 में अणु। हेटलर और लंदन की विधि को अमेरिकी सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी जॉन सी. स्लेटर और अमेरिकी सैद्धांतिक रसायनज्ञ लिनुस पॉलिंग ने वैलेंस-बॉन्ड (वीबी) [या हेटलर-लंदन-स्लेटर-पॉलिंग (एचएलएसपी)] विधि बनने के लिए विस्तारित किया था। इस पद्धति में, ध्यान मुख्य रूप से परमाणुओं के बीच जोड़ीदार अंतःक्रियाओं के लिए समर्पित है, और इसलिए यह विधि शास्त्रीय रसायनज्ञों के रासायनिक बंधन के चित्र के साथ निकटता से संबंधित है। यह इस बात पर ध्यान केंद्रित करता है कि एक परमाणु के परमाणु ऑर्बिटल्स एक अणु के बनने पर अलग-अलग रासायनिक बांड देने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसमें कक्षीय संकरण और अनुनाद (रसायन विज्ञान) की दो प्रमुख अवधारणाओं को शामिल किया गया है।

आणविक कक्षीय

butadiene का एक प्रति-बंधन आणविक कक्षीय

Main article: Molecular orbital theory

फ्रेडरिक डॉग और रॉबर्ट एस. मुल्लिकेन द्वारा 1929 में एक वैकल्पिक दृष्टिकोण विकसित किया गया था, जिसमें इलेक्ट्रॉनों का वर्णन गणितीय कार्यों द्वारा किया जाता है जो एक पूरे अणु पर डेलोकलाइज़ किए जाते हैं। हंड-मुल्लिकेन दृष्टिकोण या आणविक कक्षीय (एमओ) विधि रसायनज्ञों के लिए कम सहज है, लेकिन वीबी विधि से बेहतर स्पेक्ट्रोस्कोपी की भविष्यवाणी करने में सक्षम हो गई है। यह दृष्टिकोण हार्ट्री-फॉक पद्धति का वैचारिक आधार है और आगे हार्ट्री-फॉक विधियों के बाद है।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत

Main article: Density functional theory

एक बॉक्स में गैस | थॉमस-फर्मी मॉडल को 1927 में एल. एच. थॉमस और एनरिको फर्मी द्वारा स्वतंत्र रूप से विकसित किया गया था। यह तरंग कार्यों के बजाय इलेक्ट्रॉनिक घनत्व के आधार पर कई-इलेक्ट्रॉन प्रणालियों का वर्णन करने का पहला प्रयास था, हालांकि यह बहुत सफल नहीं था। पूरे अणुओं के उपचार में। विधि ने उस आधार को प्रदान किया जिसे अब घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) के रूप में जाना जाता है। आधुनिक दिन डीएफटी कोह्न-शाम समीकरण | कोह्न-शाम विधि का उपयोग करता है, जहां कार्यात्मक घनत्व को चार शब्दों में विभाजित किया जाता है; कोहन-शाम गतिज ऊर्जा, एक बाहरी क्षमता, विनिमय और सहसंबंध ऊर्जा। डीएफटी के विकास पर फोकस का एक बड़ा हिस्सा एक्सचेंज और सहसंबंध शर्तों में सुधार पर है। हालांकि यह विधि पोस्ट हार्ट्री-फॉक विधियों की तुलना में कम विकसित है, इसकी काफी कम कम्प्यूटेशनल आवश्यकताएं (स्केलिंग आमतौर पर एन से भी बदतर नहीं है)³ n आधार कार्यों के संबंध में, शुद्ध कार्यात्मकों के लिए) इसे बड़े बहुपरमाणुक अणुओं और यहां तक ​​कि मैक्रो मोलेक्यूल से निपटने की अनुमति देता है। मोलर-प्लेसेट गड़बड़ी सिद्धांत और युग्मित क्लस्टर | सीसीएसडी (टी) (पोस्ट-हार्ट्री-फॉक विधियों) के लिए यह कम्प्यूटेशनल सामर्थ्य और अक्सर तुलनीय सटीकता ने इसे कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान में सबसे लोकप्रिय तरीकों में से एक बना दिया है।

रासायनिक गतिकी

अणुओं की गति का अध्ययन करने के लिए एक और कदम में कुल आणविक हैमिल्टनियन के साथ श्रोडिंगर समीकरण को हल करना शामिल हो सकता है। श्रोडिंगर समीकरण के प्रत्यक्ष समाधान को क्वांटम गतिकी कहा जाता है, जबकि अर्धशास्त्रीय भौतिकी सन्निकटन के भीतर इसके समाधान को अर्धशास्त्रीय गतिकी कहा जाता है। आणविक गति के विशुद्ध रूप से शास्त्रीय यांत्रिकी सिमुलेशन को आणविक गतिकी (एमडी) के रूप में संदर्भित किया जाता है। गतिशीलता के लिए एक अन्य दृष्टिकोण मिश्रित क्वांटम-शास्त्रीय गतिशीलता के रूप में जाना जाने वाला एक संकर ढांचा है; अभी तक एक और हाइब्रिड ढांचा आणविक गतिशीलता में क्वांटम सुधार जोड़ने के लिए पथ अभिन्न सूत्रीकरण सूत्रीकरण का उपयोग करता है, जिसे पथ अभिन्न आणविक गतिशीलता कहा जाता है। सांख्यिकीय दृष्टिकोण, उदाहरण के लिए शास्त्रीय और क्वांटम मोंटे कार्लो विधियों का उपयोग करना भी संभव है और विशेष रूप से राज्यों के संतुलन वितरण का वर्णन करने के लिए उपयोगी है।

रुद्धोष्म रासायनिक गतिकी

Main article: Born–Oppenheimer approximation

रुद्धोष्म गतिकी में, अंतरापरमाण्विक अन्योन्यक्रियाओं को एकल अदिश (भौतिकी) संभाव्यता द्वारा प्रदर्शित किया जाता है जिसे संभावित ऊर्जा सतह कहा जाता है। यह 1927 में मैक्स बोर्न और रॉबर्ट ओपेनहाइमर द्वारा पेश किया गया बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन है। रसायन विज्ञान में इसके अग्रणी अनुप्रयोगों को 1927 में राइस और रामस्परगर और 1928 में कासेल द्वारा प्रदर्शित किया गया था, और 1952 में रूडोल्फ ए। मार्कस द्वारा आरआरकेएम सिद्धांत में सामान्यीकृत किया गया था। 1935 में हेनरी आइरिंग (रसायनज्ञ) द्वारा विकसित संक्रमण अवस्था सिद्धांत को ध्यान में रखा। ये विधियां संभावित सतह की कुछ विशेषताओं से अनिमोल्यूलर प्रतिक्रिया दर के सरल अनुमानों को सक्षम करती हैं।

गैर-एडियाबेटिक रासायनिक गतिशीलता

Main article: Vibronic coupling

गैर-एडियाबेटिक गतिशीलता में कई युग्मित संभावित ऊर्जा सतह (अणु के विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम राज्यों के अनुरूप) के बीच बातचीत करना शामिल है। युग्मन शर्तों को वाइब्रोनिक कपलिंग कहा जाता है। इस क्षेत्र में अग्रणी काम 1930 के दशक में अर्नस्ट स्टुएकेलबर्ग, लेव डेविडोविच लैंडौ और क्लेरेंस जेनर द्वारा किया गया था, जिसे अब लैंडौ-जेनर संक्रमण के रूप में जाना जाता है। उनका सूत्र गणना करने के लिए टाले पार करने से परहेज किया के पड़ोस में दो मधुमेह संभावित घटता के बीच संक्रमण की संभावना की अनुमति देता है। स्पिन निषिद्ध प्रतिक्रियाएं | स्पिन-निषिद्ध प्रतिक्रियाएं एक प्रकार की गैर-एडियाबेटिक प्रतिक्रियाएं हैं जहां स्पिन राज्यों (डी इलेक्ट्रॉनों) में कम से कम एक परिवर्तन तब होता है जब अभिकर्मक से उत्पाद (रसायन विज्ञान) में प्रगति होती है।

यह भी देखें

• परमाणु भौतिकी
• कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान
• संघनित पदार्थ भौतिकी
• कार-पैरिनेलो आणविक गतिकी
• इलेक्ट्रॉन स्थानीयकरण समारोह
• क्वांटम आण्विक विज्ञान की अंतर्राष्ट्रीय अकादमी
• आणविक मॉडलिंग
• भौतिक रसायन
• क्वांटम केमिस्ट्री और सॉलिड-स्टेट फिजिक्स सॉफ्टवेयर की सूची
• क्यूएमसी @ होम
• जीवन के क्वांटम पहलू
• क्वांटम इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री
• सापेक्षवादी क्वांटम रसायन
• सैद्धांतिक भौतिकी
• वर्जित प्रतिक्रियाओं को स्पिन करें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

• The Sherrill Group – Notes
• ChemViz Curriculum Support Resources
• Early ideas in the history of quantum chemistry