Mostrar código-fonte de Química quântica

{{Mais notas|data=outubro de 2019}}
'''Química quântica''' é a teoria avançada igualada a [[química teórica]], no qual aplicam-se ferramentas da [[mecânica quântica]] e [[teoria quântica de campos]] para abordar problemas em [[química]]. Visa descrever, explicar e prever o comportamento de [[sistema]]s [[Físico-química|físico-químicos]] microscópicos, com base no comportamento [[elétron|eletrônico]] de [[átomo]]s, [[molécula]]s [[íons]] e [[cristal|redes cristalinas]], como as relacionadas com sua [[reatividade]]. Este campo científico situa-se na fronteira entre a [[química]] e a [[física]], e significativas contribuições tem sido feitas por cientistas de ambos os campos. Ela tem uma forte e ativa sobreposição com os campos da [[física atômica]] e [[física molecular]], assim como com a [[físico-química]].

==Limitações==
A química quântica descreve o comportamento fundamental da [[matéria]] na escala [[molécula|molecular]].<ref>[http://cmm.cit.nih.gov/modeling/guide_documents/quantum_mechanics_document.html "Quantum Chemistry"] {{Wayback|url=http://cmm.cit.nih.gov/modeling/guide_documents/quantum_mechanics_document.html |date=20070310201939 }}. ''The NIH Guide to Molecular Modeling''. [[National Institutes of Health]].</ref> Ou seja, a princípio, permite descrever todos os sistemas químicos usando-se esta teoria. Na prática, somente os mais simples sistemas químicos podem realisticamente ser investigados em termos [[mecânica quântica|mecânico quânticos]], dada a imensa elaboração necessária do formalismo matemático para se analisar sistemas mais complexos, e aproximações devem ser feitas para propósitos mais prático (''e.g.'', métodos [[Método de Hartree-Fock|Hartree-Fock]], [[Método pós-Hartree-Fock|pós Hartree-Fock]] ou [[teoria do funcional da densidade]], ver [[química computacional]] para mais detalhes).

Não obstante, com o excepcional progresso das técnicas computacionais, se pode tomar para estudo sistemas cada vez mais complicados, graças a uma fartura de métodos computacionais.No aspecto puramente computacional, um exemplo disso é o [[Método de Monte Carlo]] para cálculo das integrais resultantes dos modelos teóricos. Outro tópico importante é a técnica das [[Teoria das perturbações|perturbações]], onde o sistema a ser analisado é aproximado por outro mais simples, do qual o primeiro é considerado uma perturbação.

Dado que uma compreensão detalhada de [[mecânica quântica]] não é necessária para a maior parte da química, como as implicações importantes da teoria (principalmente a [[Orbital atômico|aproximação orbital]]) pode ser entendida e aplicada em termos mais simples.

==Fundamentos==
Em mecânica quântica o [[Hamiltoniano (mecânica quântica)|Hamiltoniano]], ou o estado físico, de uma partícula pode ser expresso como a soma de dois operadores, um correspondendo a [[energia cinética]] e outro a [[energia potencial]]. O Hamiltoniano na [[Equação de Schrödinger|equação de onda de Schrödinger]] usada na química quântica não contém termos para o [[spin]] do elétron.

Soluções da equação de Schrödinger para o átomo de hidrogênio resulta a forma da função de onda para [[Orbital atômico|orbitais atômicos]], e a energia relativa dos vários orbitais. A aproximação orbital pode ser usada para entender-se os outros átomos ''e.g.'' [[hélio]], [[lítio]] e [[carbono]].

=== Postulados da [[Mecânica quântica|Mecânica Quântica]] ===
Existem cinco postulados referentes a [[Mecânica quântica|Mecânica Quântica]], os quais servem de base para a resolução de problemas em Química Quântica. A [[Mecânica quântica|Mecânica Quântica]] estuda a matéria a partir da dualidade onda-partícula, e entende que uma partícula se distribui no espaço como onda, ao invés de se deslocar no espaço com trajetória definida. Nela o caráter determinístico da trajetória é substituído por um caráter probabilístico da função de onda. <ref>{{citar livro|título=ATKINS Físico-Química|ultimo=ATKINS|primeiro=Peter William|ultimo2=DE PAULA|primeiro2=Julio|editora=LTC|ano=2017|páginas=512|isbn=8521634625}}</ref>

==== 1 - A função de onda e suas informações: ====
O estado de um sistema é descrito por uma função Ψ das coordenadas espaciais e do tempo. Em outras palavras, este postulado vai nos dizer que todas as informações do sistema, poderão ser determinadas na função de onda. Esta função deve ser uniforme, contínua e de derivadas contínuas (como mostra a imagem a seguir) sendo assim será possível elevar a função ao quadrado e a integrar, nos dando um valor real.
[[Ficheiro:Gráfico da função densidade de probabilidade.png|nenhum|miniaturadaimagem|Gráfico da função densidade de probabilidade - uniforme, contínua e que pode se obter derivadas contínuas]]

==== 2 - Os Operadores ====
Um operador indica as operações matemáticas que devem ser realizadas sobre uma função. Para qualquer observável físico vai existir um operador, linear e Hermitiano. Os [[operadores Hermitianos]] possuem dois teoremas, os quais afirmam que os [[Autovalores e autovetores|autovalores]] de um operador são reais e as autofunções de um operador são ortogonais. Encontramos estes operadores escrevendo a expressão clássica para o observável em termos das coordenadas de posição e componentes do momento linear, passando para os seguintes temos:
[[Ficheiro:Operadores da Posição e do Momento.svg|nenhum|miniaturadaimagem|'''Operadores da Posição e do Momento''']]

==== 3 - Os valores dos Observáveis Físicos ====
Os valores que se obtém ao medir uma propriedade de um sistema, são [[Autovalores e autovetores|autovalores]] do operador. Seja A uma matriz quadrada n x n. Um [[Autovalores e autovetores|autovalor]] de A é um vetor, não nulo, v, tal que: Av = λv para algum escalar λ. O escalar de λ é chamado de [[Autovalores e autovetores|autovalor]], isto é, quando existe uma solução não trivial v de Av = λv. Já o vetor v é chamado de [[Autovalores e autovetores|autovetor]] associado ao [[Autovalores e autovetores|autovalor]] λ. 

==== 4- Valor Médio ====
Partindo do ponto que a função da onda (Ψ), esteja normalizada o valor médio de um observável físico no tempo, será a Integral da função conjugada, o operador e a função da onda:
[[Ficheiro:Expressão do valor médio.svg|nenhum|miniaturadaimagem|'''Representação do valor médio''']]

==== 5 - Evolução Temporal ====
Para representar um sistema, em [[mecânica quântica]], e sua evolução no tempo é utilizada a [[equação de Schrödinger]] dependente do tempo:
[[Ficheiro:SchrodingerEquation.svg|nenhum|miniaturadaimagem|Equação de Schrödinger dependente do tempo]]

==História==
{{AP|[[História da mecânica quântica]]}}

A '''história da mecânica quântica''' essencialmente inicia com a descoberta em 1838 dos [[Raio catódico|raios catódicos]] por [[Michael Faraday]], o estabelecimento em 1859 do problema da [[Irradiação térmica|radiação de corpo negro]] apresentado por [[Gustav Kirchhoff]], a sugestão em 1877 por [[Ludwig Boltzmann]] que os estados de [[energia]] de um sistema físico poderiam ser discretos, e a hipótese quântica (da existência do ''quantum'')) de [[Max Planck]] que qualquer energia radiante de origem atômica poderia teoricamente ser dividida em um número de elementos discretos de energia ''ε'' tais que cada um destes elementos de energia é proporcional à [[frequência]] ''ν'' com a qual cada um deles individualmente irradia energia, como definido pela seguinte equação:

:<math> \epsilon = h \nu \, </math>

onde ''h'' é um valor numérico chamado [[constante de Planck]]. Então, em 1905, para explicar o [[efeito fotoelétrico]] (1839), ''i.e.'', que a luz que ilumina certos materiais pode agir ejetando elétrons deste material, [[Albert Einstein]] postulou, baseado na hipótese do quantum de Planck, que a [[luz]] em si consistia de partículas quântica, as quais posteriormente vieram a ser chamadas [[fóton]]s (1926).  Nos anos seguintes, esta base teórica lentamente começou a ser aplicada às estruturas químicas, reatividade, e ligações.

==Estrutura eletrônica==
[[Ficheiro:Butadien4.jpg|miniaturadaimagem|Anti-orbital π-Orbital do Butadieno]]
O primeiro passo em resolver-se um problema em química quântica é normalmente resolvendo-se a [[equação de Schrödinger]] (ou [[equação de Dirac]] em [[química quântica relativística]]) com o [[Hamiltoniano molecular]]. Isto é chamado "determinar-se a '''estrutura eletrônica'''" da molécula. Disto pode-se afirmar que a estrutura eletrônica de uma molécula ou cristal implica essencialmente em suas propriedades químicas. Uma solução exata para a equação de Schrödinger pode somente ser obtida para o átomo de hidrogênio.  Já que todos os outros sistemas atômicos, ou moleculares, envolvem os movimentos de três ou mais "partículas", suas equações de Schrödinger não podem ser resolvidas exatamente e então soluções aproximadas devem ser procuradas.

===Modelo de onda===
A fundação da mecânica quântica e da física quântica é o '''modelo de onda''', no qual o átomo é um pequeno, denso, [[Núcleo atómico|núcleo]] positivamente carregado circundado por elétrons. Diferentemente do anterior [[Átomo de Bohr|modelo de Bohr]] do átomo, entretanto, o modelo de onda descreve os elétrons como "[[Orbital atômico|nuvens]]" movendo-se em [[Orbital molecular|orbitais]], e suas posições são representadas por [[Amplitude de probabilidade|distribuições de probabilidade]] mais que por pontos discretos. A força deste modelo reside em seu [[poder de predição]]. Especificamente, ele prediz o padrão de elementos quimicamente similares encontrados na [[tabela periódica]]. O modelo de onda é assim nomeado porque elétrons exibem propriedades tradicionalmente associadas com ondas (tais como [[interferência]]). Ver [[Dualidade onda-corpúsculo|dualidade onda-partícula]].

===Ligação de valência===
:{{AP|[[Teoria da ligação de valência]]}}

Embora as bases matemáticas da física quântica tenham sido previstas por [[Erwin Schrödinger|Schrödinger]] em 1926, é geralmente aceito que os primeiros cálculos verdadeiros em física quântica foram os dos físicos [[Alemanha|alemães]] [[Walter Heitler]] e [[Fritz London]] sobre a molécula do hidrogênio (H<sub>2</sub>) em 1927. O método de Heitler e London foi estendido pelo físico teórico [[John C. Slater]] e pelo químico teórico [[Linus Pauling]], [[EUA|estadunidenses]], tornando-se o método de ''ligação de valência'', em [[língua inglesa|inglês]] '''''Valence-Bond'' (VB)''' [ou método '''Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP)''']. Neste método, atenção é primeiramente direcionada às interações de pares entre átomos, e este método, portanto, correlaciona-se estreitamente com esboços químicos clássicos de [[Ligação química|ligações]].

===Orbital molecular===
:{{AP|[[Teoria dos orbitais moleculares]]}}

Uma abordagem foi desenvolvida em 1929 por [[Friedrich Hund]] e [[Robert S. Mulliken]], na qual [[elétron]]s são descritos por funções matemáticas distribuídas ao longo de uma [[molécula]] inteira. A abordagem '''Hund-Mulliken''' ou '''método do molecular orbital (MO)''' (do inglês ''molecular orbital'' é menos intuitiva para químicos, mas mostrou-se capaz de predizer [[Espectroscopia|propriedades espectroscópicas]] melhor que o método VB. Esta abordagem  é a base conceitual dos método '''[[Método de Hartree-Fock|Hartree-Fock]]''' e posteriormente [[Método pós-Hartree-Fock|pós-Hartree-Fock]].

===Teoria do funcional da densidade===
:{{AP|[[Teoria do funcional da densidade]]}}

O '''[[Gás em uma caixa|modelo de Thomas-Fermi]]''' foi desenvolvido independentemente por [[Llewellyn Thomas|Thomas]] e [[Enrico Fermi|Fermi]] em 1927. Esta foi a primeira tentativa de descrever sistemas de muitos elétrons com base na [[densidade eletrônica]] em vez de [[Função de onda|funções de onda]], apesar de não ter sido muito bem sucedida no tratamento de moléculas inteiras. O método forneceu a base para o que agora é conhecido como '''teoria do funcional da densidade'''. Embora este método seja menos desenvolvido do que métodos pós-Hartree-Fock, seus baixos requerimentos [[computacionais]] lhe permitiram resolver [[molécula|moléculas poliatômicas]] maiores e portanto [[macromolécula]]s, o que o tem feito ser o método mais usado em [[química computacional]] na atualidade.

== Dinâmica química ==
Um passo posterior pode consistir da solução da [[equação de Schrödinger]] com o [[Hamiltoniano molecular]] total de maneira a estudar-se o movimento de moléculas. A solução direta da equação de Schrödinger é chamada ''dinâmica molecular quântica'', dentro da qual a aproximação [[semiclássica]] ''dinâmica molecular semiclássica'', e dentro da estrutura da [[mecânica clássica]] a [[dinâmica molecular]] (MD, do inglês ''molecular dynamics''). Abordagens estatísticas, usando por exemplo o [[método de Monte Carlo]], são também possíveis.

===Dinâmica química adiabática===
:{{AP|[[hamiltoniano molecular|Formalismo adiabático]] ou [[aproximação de Born-Oppenheimer]]}}

Em '''dinâmica adiabática''', interações interatômicas são representadas por [[potencial escalar|potenciais escalares]] chamados superfícies de energia potencial. Isto é a [[aproximação de Born-Oppenheimer]] introduzida por [[Max Born|Born]] e [[Robert Oppenheimer|Oppenheimer]] em 1927. Aplicações pioneiras disto em química foram realizadas por [[Oscar Knefler Rice|Rice]] e [[Herman Carl Ramsperger|Ramsperger]] em 1927 e [[Louis Stevenson Kassel|Kassel]] em 1928, e generalizada na [[teoria RRKM]] em 1952 por [[Rudolph A. Marcus|Marcus]] que tomou a teoria do [[estado de transição]] desenvolvido por [[Henry Eyring|Eyring]] em 1935 reservadamente. Estes métodos permitem estimativas simples de [[Taxa de reação|taxas de reações]] unimoleculares de poucas características da superfície potencial.

===Dinâmica química não-adiabática===
:{{AP|[[Acoplamento vibrónico]]}}

'''Dinâmica não-adiabática''' consiste de tomar-se a interação entre diversas superfícies de energia potencial (correspondente a diferentes [[Estado quântico|estados quânticos]] eletrônicos da molécula). Os termos de acoplamento são chamados '''acoplamentos vibrônicos'''. O trabalho pioneiro neste campo foi feito por [[Ernst Stueckelberg|Stueckelberg]], [[Lev Davidovich Landau|Landau]], e [[Clarence Zener|Zener]] nos anos 1930, neste trabalho no que é hoje conhecido como [[Fórmula de Landau-Zener|transição de Landau-Zener]]. Sua fórmula permite estabelecer a probabilidade de transição entre duas curvas potenciais [[Diabático|diabáticas]] na vizinhança de um [[cruzamento evitado]] a ser calculado.

==Química quântica e teoria quântica de campos==
A aplicação da [[teoria quântica de campos]] (QFT, do inglês ''quantum field theory'') a sistemas químicos e teorias tornou-se cada vez mais comum nas modernas ciências físicas. Um das primeiras e mais fundamentalmente explícitas aparições disto é visto na teoria do [[fotomagneton]]. Neste sistema, [[plasma]]s, os quais são onipresentes tanto em física quanto em química, são estudadas de maneira a determinar a [[Quantização (física)|quantização]] básica do [[Bóson|campo bosônico]] subjacente.  Entretanto, a teoria quântica de campos é de interesse em muitos campos em química, incluindo: [[química nuclear]], [[astroquímica]], [[sonoquímica]], e [[hidrodinâmica quântica]]. Métodos teóricos de campos tem também sido críticos no desenvolvimento ''[[ab initio]]'' da teoria de Hamiltonianos efetivos de métodos de pi-elétron semi-empíricos.

{{Referências}}

==Leitura adicional==
* Atkins, P.W. Friedman, R. (2005). ''Molecular Quantum Mechanics'' , Oxford University Press, 4th edition. ISBN 978-0199274987
* Atkins, P.W. ''Physical Chemistry'' (Oxford University Press) ISBN 0-19-879285-9
* Atkins, P.W. Friedman, R. (2008). ''Quanta, Matter and Change: A Molecular Approach to Physical Change'' , W. H. Freeman. ISBN 978-0716761174
* Bernard Pullman and Alberte Pullman. 1963. ''Quantum Biochemistry'', New York and London: Academic Press.
* Eric R. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance, Oxford University Press, 2006. Considers the extent to which chemistry and especially the periodic system has been reduced to quantum mechanics. ISBN 0-19-530573-6.
* McWeeny, R. ''Coulson's Valence'' (Oxford Science Publications) ISBN 0-19-855144-4
* Karplus M., Porter R.N. (1971). ''Atoms and Molecules. An introduction for students of physical chemistry'' , Benjamin-Cummings Publishing Company, ISBN 978-0805352184
* Landau, L.D. and Lifshitz, E.M. ''Quantum Mechanics:Non-relativistic Theory'' (Course of Theoretical Physics vol.3) (Pergamon Press)
* Levine, I. (2008). ''Physical Chemistry'' , McGraw-Hill Science, 6th edition. ISBN 978-0072538625 (Hardcover) or ISBN 978-0071276368 (Paperback)
* Pauling, L. (1954). ''General Chemistry''. Dover Publications. ISBN 0-486-65622-5.
* Pauling, L., and Wilson, E. B. ''Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry'' (Dover Publications) ISBN 0-486-64871-0
* Simon, Z. 1976. ''Quantum Biochemistry and Specific Interactions.'', Taylor & Francis; ISBN 978-0856260872 and ISBN 0-85-6260878 .

===Palestras do Prêmio Nobel por químicos quânticos===
* [http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1998/kohn-lecture.html Walter Kohn's Nobel lecture] {{en}}
* [http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1992/marcus-lecture.html Rudolph Marcus' Nobel lecture] {{en}}
* [http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1966/mulliken-lecture.html Robert Mulliken's Nobel lecture] {{en}}
* [http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1954/pauling-lecture.html Linus Pauling's Nobel lecture] {{en}}
* [http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1998/pople-lecture.html John Pople's Nobel lecture] {{en}}

==Ligações externas==
* [http://vergil.chemistry.gatech.edu/notes/index.html The Sherrill Group - Notes] {{en}}
* [http://www.shodor.org/chemviz/ ChemViz Curriculum Support Resources] {{en}}
* [http://www.quantum-chemistry-history.com/ Early ideas in the history of quantum chemistry] {{en}}
* [http://particleadventure.org/ The Particle Adventure] {{en}}

==Ver também==
* [[Física atômica]]
* [[Química computacional]]
* [[Física da matéria condensada]]
* [[Academia Internacional de Ciência Quântica Molecular]]
* [[Modelagem molecular]]
* [[Físico-química]]
* [[Programas computacionais para química quântica]]
* [[Eletroquímica quântica]]
* [[QMC@Home]]
* [[Física teórica]]

{{Química}}
{{authority control}}
[[Categoria:Mecânica quântica]]
[[Categoria:Química quântica]]