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Theoretische Chemie: Was kann Theoretische Chemie?

Theoretische Chemie: Beispiele

Bei einer theoretischen Beschreibung von Problemen aus der Welt der Moleküle sollten wir ein geeignetes "molekulares Modell" und eine theoretische Methode wählen, die geeignet ist, das Problem hinreichend sorgfältig zu beschreiben.

Beim Experiment im Reagenzglas haben wir es beispielsweise mit chemischen Reaktionen von etwa 1020 Molekülen der Verbindung (das ist weniger als 1 mmol) in 1023 Lösungsmittelmolekülen bei einer gewählten Temperatur, einem Druck und den Randbedingungen (Umgebung, Reaktionsgefäßwand und ggf. einem Katalysator oder der Einfluss von äußeren Feldern und Strahlung) zu tun, die man oft vernachlässigt.

Im Rahmen einer quantenchemischen Berechnung wird häufig lediglich ein einzelnes Molekül (im Vakuum, am absoluten Nullpunkt bei T = 0 K) betrachtet.

Die verschiedenen Methoden der Theoretischen Chemie unterscheiden sich in den darin enthaltenen Näherungen und ggf. vorgenommenen Parametrisierungen. Nach einer groben Einteilung gibt es folgende Näherungsstufen:

  • empirische Verfahren (z.B. Kraftfelder für eine Molekül-Mechanik, Methoden des Elektronegativitäts-Ausgleichs, u.a.)
  • semi-empirische Verfahren (Allvalenz-Elektronen-SCF-MO-Verfahren, wie CNDO, MNDO, ZINDO u.a.)
  • Ab-initio Verfahren (Hartree-Fock- und DFT-Verfahren)
  • Post-Hartree-Fock-Verfahren (CI-, MP2-, MP4-, CCSD(T)-, CASSCF- u.a. Verfahren)

In den Verfahren der Molekül-Mechanik ist ein Molekül aus Atomen und den Bindungen zwischen diesen zusammengesetzt; ein Kraftfeld beschreibt die Kräfte zwischen den Atomen entlang der Bindungen und gegebenenfalls auch paarweise Wechselwirkungen zwischen nicht-gebundenen Atomen. Im Rahmen einer Struktur-Optimierung wird so eine zu der Start-Struktur gehörige Gleichgewichts-Struktur erhalten.

Bei einer quantenmechanischen Beschreibung hingegen wird das Molekül aus Atomkernen und Elektronen bestehend betrachtet. Die Elektronen können sich in den an den Atomen zentrierten Basisfunktionen in der energetisch günstigsten Weise anordnen, diese elektronische Struktur geht im Rahmen einer Struktur-Optimierung mit einer geometrischen Gleichgewichts-Struktur einher.

Da eine quantenchemische Beschreibung im Gegensatz zur Molekül-Mechanik die Bindungsstruktur nicht konservierend beibehält, sind die Ergebnisse frei von solchen Annahmen. Quantenchemisch sind deshalb auch Strukturen mit nicht-klassischen Bindungsverhältnissen (z.B. Strukturen von Transition-States und bei zwischen-molekularen Wechselwirkungen) zu beschreiben.

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