Кванттық химияның даму тарихы. кванттық химиядағы есептеу әдістері. нанотехнология

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Әл Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті

Химия және химиялық технологиялар факултеті

Тақырыбы : Кванттық химияның даму тарихы. Кванттық химиядағы есептеу әдістері. Нанотехнология.

Орындаған : Әбірхан Феруза

Әсілбек Нұржамал

Болатқызы Теңге

Алматы 2012 ж

Жоспар :

I. Кіріспе

1) Кванттық химия туралы түсінік

II. Негізгі бөлім

1) Кванттық химияның пайда болуы(компьтерге дейінгі мерзім)

2) Кванттық химияның дамуы(компьтер ғасыры)

3) Кванттық химияда қолданылатын есептеу әдістер

4) Кванттық химия жемісі (нанотехнология)

III. Қорытынды

Кванттық химия - химиялық қосылыстардың құрылысы мен қасиеттері кванттық механика түсініктері мен әдістері тұрғысынан қарастырылатын теориялық химияның бөлімі. Квант “quantum” - латын сөзі, мөлшер, бөлшек дегенді білдіреді . Кванттық химия молекулалар мен қатты денелердегі химиялық байланысыты, қосылыстардың табиғатын, валенттілікті, молекуланың электрондық құрылысқа тәуелді қасиеттерін ( энергия шығару және сіңіру заңдылықтары, магниттік қасиеттері, кеңістіктегі құрылысы ) және химиялық активтілігін қарастырады. Кванттық химия ғылымы кванттық механикаға негізделеді. Кванттық химияда кванттық механиканың қалыптасуы, оның математикалық аппараты, модельді есептері және кванттық химияның негізгі жуықтаулары қарастырылады.
Кванттық химия көптеген ғылыми мәселерді жетістікпен шешіп отырады .

Кванттық химияны өздігінен оқып үйренуде жоғарғы математиканы (дифференциалдық есептеу, толық және жеке дифференциалдар, интегралдық есептеу: анықталған және анықталмаған интегралдар), физиканы (газдардың молекулалы -кинетикалық теориясы, масса мен энергияның сақталу заңы, таралу заңдары және қозғалыс түрлері) т. б. терең білу керек.
Кванттық химияның қәзіргі мәселелерін шешуде компьютерлік химиялық программалардың қолданылуы көрсетіледі. Кванттық химия көптеген ғылыми мәселелерді жетістікпен шешіп береді.

Спектроскопиялық талдау көмегімен заттардың құрылысы химиялық реакциялардың жүру механизмі анықталады солардың ішінде биологиялық және биологиялық активті заттар олардағы атомдар мен электрондардың құрылысы, жаңа келешегі жоғары материалдар мысалы асқын өткізгіштер, элементарлы көміртектің пішіндері, ауыспалы металдардың комплекстері, әр түрлі кристалдық және молекулалық құрылыстағы иондар мен атомдардың динамикалық қасиеттері зерттеледі.

Бүгінгі таңда кванттық химия заттың атомдық және электрондық құрылымын зерттейтін ең арзан қол жеттімді және әмбебап әдіс болып табылады .

Кванттық химия шамамен XX- ғасырдың 20 -жылдарында өмірге келді.

Оның қалыптасуы кванттық механикамен қатар жүрді деп айта аламыз . Өте қызық мәлімет болып GAMESS немесе Gaussian деген алгоритмді бағдарламалардың өте аз уақыт аралығында 10 жыл ішінде жасалынуы . Осыншалықты жылдам даму келесі жағдаймен байланысты . Біріншіден, ол кездегі үлкен тәжіребелік материалдарға нақты жауап болмады : неге сутегі атомы екі атомнан тұрады, неге су молекуласы үшбұрышты формада, ал көміртегі оксидінің үш атомы да бір қатарда жатады, неге кейбір заттар өткізгіш, басқалары и ажыратқыштар . Ол кезде химиялық құбылыстардың кең көлемін түсіндіретін бірде бір теория болмаған .

Екіншіден, физикамен бірге химия математика элементтерін қолдана отырып нақты ғылымға айнала бастады. Енді осы жетістіктерді қысқаша айтып өтсек .

Зеттеулердің алды жылы Вернер Гейзенбергтің жұмысы болды . Ғалым гелий атомына квантомеханикалық есептеу жүргізіп, оның екі әртүрлі жағдайларда өмір сүре алу қабілетін былай түсіндіреді : екі жүйе пара және ортогелийдің арасындағы айырмашылық паратермді жүйеде симметриялы . ал ортотермдіде симметриялы емес толқындық функция шешімі болады . Сөйтіп квантомеханикалық резонанс деген ұғым енгізілді .

В 1927 жылы Вальтер Гейтлер және Фриц Лондон химиялық байланыстың кваттық механикалық теориясын өңдеуге кірісті . Алғашқы есептеулердің өзінде ақ сутегі молекуласы мынаны көрсетті :

Ковалентті байланыс екі электонның антипараллелді спиндерінің, яғни екі антипараллелді спині бар электрондардың екі атомның ядросының өрісіне келуі, электрондардың өз ядросында болғаннан гөрі энергетикалық тиімді .

Ковалентті байланыс түзілгенде әрекеттесуші атомдар арасында электрондық тығыздық артады да, соның нәтижесінде жүйедегі энергия мен оның тұрақтылығы кемиді .

Ковалентті байланыста электрондық бұлттармен максималды қаббаттасуы әрекеттесуші атомдардың жағына қарай ығысқан .

Сөйтіп, неміс ғалымдары В. Гайтлер мен Ф. Лондон ( 1927 ) сутек молекулалары үлгісімен ковалентті байланыстың кванттық механикалық интерпретациясын ұсынды.

Молекулалық теңдеулерді Хартри - Фок теориясы деңгейінде шешудің өзі көптеген қиыншылықтармен сипатталатындықтан, әр түрлі зерттеушілер қосымша жуықтауларға негізделген есептеу әдістерін ойлап тапты. Бұлардың кейбіреулері базистік функциялардың сызықты комбинациясы түрінде құрылған бір электронды молекулалық орбитальдарға негізделген толық энергияны жүйелі зерттеуге арналған теңдеулерді қамтиды. Есептеу барысында базистік функцияларда болымсыз аз шамалармен сипатталатын интегралдар типтері табылып, олар ұдайы есептеу жолынан тысқары қалдырылып отырылады. Мысалы, молекулалық орбитальдар арқылы жазылған молекуланың электрондық энергиясы келесі түрде көрсетіледі :

Е = ∑ (ψ _i │h│ ψ _i ) + ∑ ∑ ((ψ _i ψ _j │1/r ₁₂ │ ψ _i ψ _j ) - (ψ _i ψ _j │1/r ₁₂ │ ψ _j ψ _i ) δ m _si m _sj )

Мұндағы Н операторының құрамында 1 электронды мүшелер қамтылады; M - бос емес орбитальдар саны. Егер молекулалық орбитальдар ретінде базистік X _p функцияларының сызықты комбинациялары

ψ _i = ∑ _ϻ cX

пайдаланылады.

Бұдан базистік функциялар саны n болса, онда бұл базистік функциялардағы 2 электронды интегралдар саны n ⁴ болатыны түсінікті. Осындай интегралдардың көбі бір - біріне тең болғанымен, әр түрлі мәнді интегралдар саны n ⁴ /4 шамасынан бәрібір асып түседі. Жүйенің жоғарғы симметриялық қасиеттерін пайдаланғанның өзінде интегралдар санын n ⁴ /10 шамасына дейін ғана кеміте аламыз. Жалпы жағдайда өрнектерге енген атомдарда центрленген базистік функциялар бойынша алынғын 2 электронды интеграл ең көп дегенде 4 түрлі базистік функцияны қамтуы мүмкін, ал бұл функциялар саны 1-ден 4-ке дейін өзгере алатын әр түрлі центрлерге қатысты болады. Жоғарыдағы теңдеулерде бірнеше электронға қатысты функциялар X _ϻ және X _λ ал 2-ші электронға қатысты функциялар X _υ және X _σ арқылы белгіленген. Егер ϻ мен λ бір - біріне сай келмесе, онда бірінші электрон 1 не 2 әр түрлі атомдық центрге жататын екі базистік функция арасында таралған деп ұйғарылады. Осындай жағдайлар 2-электронды сипаттайтын X _υ және X _λ функциялар үшін де орындалуға тиіс. Егер центрлері әр түрлі болса, онда мұндай таралуды сипаттау үшін кванттық химияда дифференциалдық тоғысу және екі атомдық дифференциялдық тоғысу деген терминдер жиі қолданылады.

Р. Парраның ұсынысы бойынша жаңағыдай фактілерді талдау есептеулер барысында көптеген интегралдарды ескермей, тысқары қалдыруға мүмкіндік береді. Мысалы, Липскомб ұсынған ЧУДДП жуықтау тәсілі тұп - тура аталған ұсынысқа негізделген. Тоғысудың ескерілу - ескерілмеу дәрежесіне негізделген кеңінен тараған жуықтауларды атайтын болсақ, бұлардың қатарына ең бірінші Попл ұсынған ППДП, ЧПДП, Дьюр ұсынған МЧПДП жуықтаулары жатады.

Сонымен қатар тәжірибелік деректер еңінен пайдаланылатын қарапайым есептеу тәсілдері де кеңінен тараған. Бұл тәсілдерде электронаралық тебілу әсерлерін айқын емес түрде ескеру үшін, бір бөлшекті эффективті h _i гамильтонианы қабылданып, жүйенің толық гамильтонианы осындай бір электронды тиімді гамильтониандар қосындысы түрінде пайдаланылады: H = ∑ _I h ^e _i . мұндай жағдайлар есептеулер тек 1 электронды интегралдар мәндерін табуға келіп тіреледі. Хюккельдің молекулалық орбитальдар тәсілінің әр түрлі вариаттары тап осындай қағидаға негізделген. МОХ тәсілінің ең қарапайым варианттарында итерация әдістері тіпті қолданылмайды. Бұларды 1 электронды сикулярлық теңдеуді бір рет қана шешумен шектеледі.

Нанотехнология

$D:\220px-FlyingThroughNanotube.png$

Қазіргі таңда нанотехнологиялар үлкен сұранысқа ие болып отыр.

Нанотехнологиялардың арқасында заманауи есептеуіш машиналар мен өндірістік технологиялардың, тіпті, дәрі-дәрмектердің де өндіріліп жатқаны баршамызға құпия емес.

Нанотехнология - бұл адамның көзіне көрінбейтін майда бөлшектерді белгілі бір ретке келтіре отырып, оның ерекшеліктерін алдын-ала белгілеп беру арқылы әлдебір құрылымды қарастыруға қажетті жекелеген атомдарды ыңғайлап орналастыру. Нанометр дегеніміз бір метрді миллиардқа бөлгендегі ұсақ бөлігі (1 нанометр =10 ^-9 метр) . Нанотехнология - осындай кішігірім өлшемдермен айналысатын ғылым. 1986 жылы сол кездегі студент Эрик Дрексел «Жасампаз машина» атты футуристік эссесінде алғаш рет «молекулярлы технология» деген сөз тіркесін қолданған болатын. Эрик Дрессел фантаст-жазушы Станислав Лемнің тұжырымдамаларына өз ойындағы қиялдарды үстей отырып, «Саналы тіршілік ортасының» негізгі бейне-кескінін ойлап шығарған. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар мен технологиялар әрбір ағзаның, заттың құрамына енгізіледі де, адамзат өзін қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы суперкомпьютерге айналады. «Нанотехнология» деген сөзді өзіміздің қазақ тілінде түсіндіретін болсақ, «кішкентай өлшемді технология» дегенді білдіреді . Бұл жерде «нано» сөзі «миллиардтың бір бөлшегі» деген мағынаны береді . Қысқасы, кез келген заттың миллиардтан бір бөлшегі бастапқы тегінен ерекшеленді де, басқа физикалық қасиеттерге ие болады. Міне, осы заңдылық арқылы, яғни, материяның белгілі бір күйден екіншісіне өту кезіндегі өзгерістер арқылы өмірге, бұрын ешкімге белгісіз жаңа технология еніп жатыр. Қазіргі заманауи «сандық» технологиялармен үйлесімді жұмыс істейтін электронды құрылғылар - осы нанотехнологияның жемісі десек, қателесіп отырған жоқпыз. Бұған мысал ретінде байланыс саласындағы талшықты-оптикалық жүйелерді жатқызуға болады. Яғни, ешқандай сым-баусыз ақпараттарды бір нүктеден екінші нүктеге ауа ағынындағы талшықтарды өз еркіміз бойынша басқару арқылы оп-оңай жеткізе аламыз. Менделеев кестесіндегі көптеген химиялық элементтер нанотехнологияның әсерінен өзгерістерге ұшырап, басқа да бір қасиетке ие болып жатқаны осылайша анықталған болатын. Қысқасы, нанотехнология адамзат өміріндегі ең төңкерісті жаңалықтардың бірі болды десек, артық айтқандық емес. Ал оның бүгінгісінен болашағы әлдеқайда «жемісті».

nano2
Нанотехнология саласы енді ғана дамып келе жатқанымен, оның жемістері әскери, әуе және космонавтика салаларында баяғыдан бері қолданылып келеді. Бірақ, құпиялық жағдайға байланысты, бұл технология туралы ақпарат тек ғалымдар мен әскер басшыларына ғана белгілі болатын. Кейінгі кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру тб. ) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп жатыр.