Química Cuántica: Definición, historia y ejemplos

¿Qué es la química cuántica?

La química cuántica, también conocida como química física o mecánica cuántica, es una rama de la química que aplica los principios y ecuaciones de la mecánica cuántica al estudio de las moléculas. Se centra en racionalizar y explicar el comportamiento de las partículas cuánticas dentro del átomo llamadas partículas subatómicas. Existen tres tipos de partículas subatómicas dentro de cada átomo: protones, neutrones y electrones.

La definición de química cuántica en su totalidad implica un análisis teórico de protones, neutrones y electrones, así como de la estructura electrónica y la dinámica molecular. La estructura electrónica y la dinámica molecular son temas centrales de la química cuántica. El tema de la estructura electrónica se centra en el comportamiento electrónico de los átomos y las moléculas con el fin de predecir o explicar su reactividad o propiedades químicas y físicas. Estudia los estados fundamentales, los estados excitados y los estados de transición que se producen durante las reacciones químicas. El tema de la dinámica molecular implica un análisis del movimiento físico y el espacio conformacional de los átomos y las moléculas.

Estructura electrónica

Los electrones pueden describirse como partículas u ondas. Los electrones giran alrededor del núcleo de un átomo. Pueden girar alrededor del núcleo en una de tres direcciones, una dirección x, y o z. Esta área se llama orbital. El orbital se conoce comúnmente como el espacio tridimensional alrededor de un núcleo por donde viaja un electrón. Hay cuatro tipos de orbitales, s, p, d y f. Cada uno de estos orbitales difiere en forma y en la cantidad de electrones que puede albergar. Por ejemplo, el orbital “s” (forma esférica) puede albergar hasta 2 electrones y el orbital p (forma de mancuerna) puede albergar hasta 6 electrones. La ubicación probable de un electrón (orientación orbital) y la energía se pueden determinar mediante una expresión matemática llamada función de onda (Ψ). Como resultado, los electrones se pueden describir utilizando la función de onda.

Los electrones se agrupan alrededor de un núcleo en niveles de energía, comúnmente conocidos como capas. A medida que una capa se aleja del núcleo, aumenta su tamaño, la cantidad de electrones que puede contener aumenta y las energías de los electrones de esa capa aumentan. Los orbitales (donde se pueden encontrar los electrones) se encuentran dentro de estas capas.

Estos conceptos definen la estructura electrónica. La estructura electrónica, también conocida como configuración electrónica, es la disposición de los electrones en niveles de energía alrededor del núcleo de un átomo. La información obtenida de la estructura electrónica puede ayudar a predecir la reactividad o las propiedades de un átomo o molécula, la esencia de la química cuántica. Esto explica por qué los elementos con estructuras electrónicas similares están en el mismo grupo en la tabla periódica. Están en el mismo grupo porque comparten estructuras electrónicas similares y propiedades similares.

El enlace químico es un proceso importante facilitado por los electrones. Un enlace químico se produce cuando hay una atracción entre dos o más átomos, moléculas o iones que da lugar a la formación de un compuesto químico. El enlace químico depende de la estructura electrónica y se puede explicar mediante las siguientes teorías:

• Teoría del enlace de valencia: indica que los orbitales atómicos de los átomos se combinan (o superponen) para crear enlaces químicos cuando se forma una molécula. Los enlaces se forman a partir de la superposición de las capas electrónicas de los átomos y el enlace se localiza entre los átomos, lo que es característico de los enlaces covalentes. Con esta teoría se introduce el concepto de enlaces sigma y pi, como dos tipos de superposición de superposición de extremo a extremo y superposición lateral respectivamente.
• Teoría de los orbitales moleculares: indica que los orbitales moleculares existen en toda la molécula y que estos orbitales moleculares se forman cuando los átomos se combinan. Con esta teoría, los electrones pueden estar presentes en cualquier parte de la molécula y la estructura electrónica se define por el movimiento bajo la influencia de los núcleos atómicos dentro de la molécula.
• Teoría del funcional de la densidad: es un método computacional de modelado mecánico cuántico que calcula la estructura electrónica de átomos y moléculas mediante el uso de funcionales de densidad electrónica dependientes del espacio. Es el método de estructura electrónica más utilizado.

Dinámica molecular

La dinámica molecular es un método de simulación por ordenador que examina y calcula el movimiento y el equilibrio de un átomo o una molécula. La siguiente información se puede obtener de la dinámica molecular:

• Una predicción de cómo se moverá cada átomo de una proteína u otra molécula a lo largo del tiempo.
• Dinámica química adiabática, que implica reacciones sin cambio de estado electrónico (también denominadas electrónicamente adiabáticas)
• Dinámica química no adiabática, que implica reacciones con más de un estado electrónico, o un cambio en el estado electrónico, que afecta el movimiento nuclear.
• Una predicción de las respuestas a nivel atómico de una biomolécula a perturbaciones como mutación, fosforilación y protonación.
• Se pueden revelar procesos importantes como la unión de ligandos, el plegamiento de proteínas y el cambio conformacional.
• La fuerza ejercida sobre cada átomo por otros átomos en una biomolécula y el espacio conformacional (la predicción de la posición espacial de cada átomo en función del tiempo a través de las leyes de movimiento de Newton)

Ejemplos de química cuántica

La química cuántica está presente en todas partes del mundo y en la vida cotidiana. A continuación se presentan dos ejemplos de desarrollos y aplicaciones a gran escala gracias a la química cuántica:

• Computadoras y teléfonos inteligentes: estos dispositivos electrónicos basados ​​en semiconductores se construyen sobre la base de la estructura de bandas (o naturaleza ondulatoria de los electrones) de los objetos sólidos. Al examinar o estudiar la naturaleza ondulatoria de los electrones, se pueden manipular las propiedades eléctricas del silicio (un elemento utilizado para crear microchips en las computadoras), de modo que la estructura de bandas puede cambiar y la conductividad puede cambiar. Estos dispositivos han dado lugar a avances significativos en productividad, comunicación y tecnología en todo el mundo.
• Imágenes por resonancia magnética: esta herramienta de diagnóstico por imágenes ha permitido diagnosticar y tratar enfermedades graves que ponen en peligro la vida en todo el mundo. Implica la inversión de los espines de los electrones en los núcleos de hidrógeno.

¿Por qué es importante la química cuántica?

La química cuántica es un campo científico esencial por varias razones. Prácticamente toda la materia u objetos del universo están influenciados por la química cuántica. La capacidad de predecir con precisión la reactividad o las propiedades químicas y físicas de un material puede conducir a nuevos desarrollos y optimizaciones en ingeniería y ciencia. La química cuántica también puede permitir a los científicos predecir la estructura molecular y el comportamiento espectroscópico de los átomos. También permite a los científicos conceptualizar la disposición de los elementos en la tabla periódica, específicamente los elementos que comparten estructuras electrónicas y propiedades similares.

Resumen de la lección

La química cuántica es una rama de la química que se centra en racionalizar y explicar el comportamiento de partículas subatómicas como los electrones. Existen tres tipos de partículas subatómicas dentro de un átomo:

• Electrones: partículas con carga -1 que se encuentran comúnmente dentro de una órbita que gira alrededor del núcleo de un átomo.
• Protones: partículas con carga +1 que se encuentran dentro del núcleo de un átomo.
• Neutrones: partículas con carga neutra que se encuentran dentro del núcleo de un átomo.

La estructura electrónica, un tema central de la química cuántica, es la disposición orbital de los electrones en niveles de energía o capas alrededor del núcleo de un átomo. La información de la estructura electrónica puede ayudar a predecir o explicar la reactividad o las propiedades químicas y físicas de un átomo o molécula. Los electrones, descubiertos por JJ Thomson en 1897, facilitan la unión química, ya que la unión química depende de la estructura electrónica. La visión moderna sobre la estructura atómica y la unión química como resultado de la interacción de los electrones fue moldeada por un modelo y una ecuación propuestos por el físico Erwin Schrödinger. Sugirió que la ubicación exacta de un electrón nunca se puede conocer con absoluta certeza, sino que, en cambio, la ubicación probable de un electrón se puede determinar a través de una expresión matemática llamada función de onda (Ψ). Virtualmente toda la materia u objetos en el universo están influenciados por estos principios de la química cuántica. Una comprensión de la química cuántica ha llevado y seguirá llevando a nuevos desarrollos y optimizaciones en ingeniería y ciencia.