Química cuántica
La química cuántica es una parte de la química, donde se utiliza la mecánica cuántica y la teoría de los campos, para aplicarlos en problemas químicos. Está rama de la química es básicamente teórica y utiliza las matemáticas para describir el comportamiento de la materia, molecularmente hablando. Uno de los usos de la química cuántica es el estudio de los átomos y las moléculas, de su comportamiento, así como de las propiedades y reactividad química, etc.
Además, la química cuántica también se utiliza para entender y predecir el comportamiento de las reacciones químicas. Esto se logra a través de la teoría de la reactividad química, que se basa en los principios de la mecánica cuántica. Esta teoría permite a los químicos predecir cómo se comportarán las moléculas en una reacción química, lo que puede ser útil en la creación de nuevos compuestos y medicamentos.
El estudio de esta parte de la ciencia, tiene gran relación con otros campos científicos como son la física molecular y atómica, fisicoquímica, etc., esto ha hecho que las aportaciones a este campo hayan llegado tanto de químicos, como físicos.
El primer cálculo de química cuántica fue llevado a cabo por los alemanes Walter Heitler, y Fritz London, y posteriormente mejorado por John C.Slater y Linus Pauling, y recibiendo el nombre de método de enlace de valencia (o HLSP, en recuerdo a sus autores), en el cual se tratan las interacciones entre parejas de átomos.
El alemán Friedrich Hund y el norteamericano Robert S. Mulliken, realizaron un método alternativo, conocido como Hund-Mulliken o de orbitales moleculares, en el cual los electrones se definían como funciones matemáticas que estaban deslocalizadas por las moléculas. Este método se ha comprobado que es más eficaz para predecir propiedades que el método de enlace de valencia no puede predecir.
La química cuántica también ha permitido el desarrollo de nuevas tecnologías y técnicas de investigación. Por ejemplo, la espectroscopia, que se basa en la interacción de la luz con la materia, se ha beneficiado enormemente de la química cuántica. Los químicos cuánticos han desarrollado modelos matemáticos que pueden predecir cómo una molécula absorberá o emitirá luz, lo que ha permitido a los científicos identificar y analizar moléculas con una precisión sin precedentes.
La teoría cuántica, ha permitido explicar porqué un átomo de oxígeno se combina con dos de hidrógeno para formar agua, ¿cómo lo hace?
En el siglo XIX, se sabía que los elementos se combinaban siguiendo reglas bastante básicas, describiéndose a través de la definición de valencia. Por ejemplo, la valencia del oxígeno es -2, por esto, tiende a combinarse con ciertos elementos con valencias +2 o +1, como pueden ser, el calcio o el Litio. Mendeleiev, agrupó en la tabla periódica, a los metales, los cuales tienen valencia positiva, y a la izquierda los no metales.
No se conseguía dar explicación a nada de esto, y mucho menos a los elementos con múltiples valencias. La teoría planetaria del átomo, y el modelo de Bohr, dieron un avance, pero aún faltaba una teoría que satisficiera todas las preguntas sin respuesta.
La Mecánica Cuántica, ha conseguido resolver completamente el problema.
Usaremos el caso del agua como ejemplo explicativo:
Cogemos un núcleo de hidrógeno, y solucionamos la ecuación de Schrödinger por el sistema de electrón-protón. Nos encontramos con la cantidad mínima de energía que el átomo puede tener, la energía fundamental, -Eh= 13.6 eV. Cogemos ahora el núcleo del oxígeno, del cual sabemos su carga, que es +8, añadimos así 8 electrones para conseguir la neutralidad y poder calcular la energía de estado fundamental del oxígeno, en este caso, Eo. Este calculo no es nada fácil, y no se puede hacer a mano, se necesita de un ordenador con un programa adecuado para ello.
Ahora, hacemos lo mismo con un núcleo de oxígeno, dos de hidrógeno y 10 electrones. Partiendo de cualquier posición, resolvemos la ecuación de Schrödinger como en el caso anterior, y nos encontramos con los orbitales moleculares, y la energía específica para dicha configuración. Después, cambiamos de configuración (eligiéndola a partir de un logaritmo adaptado), repetimos los cálculos, y nos encontraremos con una nueva energía, más alta o más baja. Seguiremos repitiendo este proceso hasta encontrar la configuración de energía mínima, y así encontraremos la configuración de equilibrio.
En un caso específico, encontramos que poniendo los núcleos de hidrógeno y oxígeno separados una distancia de alrededor de 1 Angstrom, éstos al formar un ángulo de 109º, la energía será mínima, o lo que sería lo mismo, un sistema de dos átomos de H y uno de oxígeno se encuentra energéticamente favorable combinándose para formar una molécula, de hecho todos los sistemas intentan minimizar su energía. Esto explica la combinación O + 2H → H2O espontáneamente, siendo así la energía : Eo + 2Eh – Ea
Igualmente se hace por el cálculo de la propiedad macroscópica, a partir del conocimiento de los átomos constituyentes.
Esta es una de las partes principales de la teoría química y de la física de los estados condensados. El premio Nobel de química en el año 1998, fue concedido a dos científicos que habían trabajado sobre esta parte de la química. Se trataba de Pople y Kohn, que habían desarrollado programas para calcular las propiedades de las moléculas y la Teoría de la densidad funcional, respectivamente, lo que ha permitido poder seguir realizando cálculos también en sistemas sólidos y líquidos.
La química cuántica también ha jugado un papel importante en el desarrollo de la nanotecnología. Los principios de la mecánica cuántica son fundamentales para entender el comportamiento de las partículas a escala nanométrica, y los químicos cuánticos han sido fundamentales en el diseño y la creación de nuevos materiales y dispositivos a esta escala.
