計算化学とは

計算化学は、数学とコンピューターを利用して化学問題を解決します。 コンピューターソフトウェアを利用することで、化学者は実験結果をシミュレートし、物質の特性を見つけることができます。 計算化学の分野は、分子、原子、ナノ粒子の性質が小さいために見つけるのが困難または費用がかかるものを探索するのに役立ちます。 分野の多くは、数学を使用して原子と分子をモデル化するシュレディンガー方程式に基づいています。 非経験的、半経験的、および分子力学は、分子構造の分析によく使用される計算化学の方法です。

計算化学プロセスは、電子構造理論などの理論を見ることから始まります。 これは、分子内の電子の動きを決定するのに役立ちます。 この時点で、数式を使用して、計算に基づいて基底系を決定できます。 この情報をコンピューターソフトウェアに入力して、波動関数などを記述することができます。これを使用して、分子の他の物理的特性のモデルを作成できます。 化学者は、分子の軌道のモデルを見て、実験構造の予測を開始し、分子のエネルギーを調べることができます。

ab initioを使用すると、化学者は物質の物理的特性を調べ、シュレディンガー方程式を使用して分子の物理的特性を調べることができます。 これには、分子のジオメトリ、双極子モーメント、反応のエネルギーなどが含まれます。 振動周波数、反応速度、および自由エネルギーも、ab initioを使用して見つけることができます。 これらの物理的特性を解決するのは非常に難しいため、計算化学者は、物理的特性を見つけて正確であるようにそれらを十分に単純化する必要があります。

分子力学は、生化学実験およびアプリケーションで使用される計算化学の方法です。 この方法は、酵素などの大きな構造に使用でき、従来の物理学に依存していますが、物質の電子特性を計算することはできません。 計算化学の分野は、技術が進歩し、新しい理論が開発されるにつれて絶えず変化しています。

これらの技術により、化学者は、サイズが非常に小さいため、他の方法では見ることがほぼ不可能な構造を調べることができます。 原子よりも小さいナノ粒子は、電子機器、爆発物、医療などの用途で使用するためにモデル化できます。 計算化学の多くは既知の特性のモデリングに基づいているため、これらの実験にはエラーの余地があります。 これが、計算化学で働くために化学と研究の高度な訓練と知識が必要な理由です。