kvantekemi

Kvantekemi, område af kemien, som beskæftiger sig med anvendelsen af kvantemekanikken på problemer af kemisk interesse. Kvantekemien omfatter emner som molekylers elektronstruktur, beskrivelse af kemisk reaktivitet, molekylers relative stabilitet (molecular modelling) og beregninger af elektriske og magnetiske egenskaber ved molekyler. Fælles for alle disse egenskaber er, at de bestemmes af molekylernes elektroner, og kvantekemiens fundamentale opgave er derfor at forklare og forudsige observerbare egenskaber hos molekylerne ud fra elektroniske forhold. De fleste af egenskaberne afhænger af forhold i det enkelte molekyle snarere end i en samling af molekyler, hvorfor kvantekemikeren koncentrerer sig om at beskrive elektronstrukturen af enkeltmolekyler. Betegnelsen kvantekemi anvendes ofte, men ikke korrekt, synonymt med teoretisk kemi. Den teoretiske kemi omfatter foruden kvantekemien også andre teoretiske aktiviteter, herunder statistisk termodynamik, som anvender klassisk mekaniske metoder til beskrivelse af makroskopiske samlinger af molekyler.

Da det ikke er muligt at give en eksakt beskrivelse af de elektroniske forhold i molekyler, består kvantekemien i høj grad i at udvikle stedse bedre approksimationer til den eksakte løsning samt at anvende disse elektronstrukturmodeller til at beregne molekylære egenskaber. Der er således både metodeudviklings- og beregningsmæssige aspekter af faget. De førstnævnte kræver matematiske og fysiske færdigheder, de sidste numerisk, datalogisk og kemisk indsigt.

I de senere år har kvantekemikere udviklet store programsystemer baseret på de nyeste elektronstrukturmodeller, der kan bruges som et værktøj til at løse problemer af kemisk og fysisk interesse. Dette har bidraget til, at beregningskemi (computational chemistry) er blevet et voksende selvstændigt forskningsfelt.

Faget kvantekemi opstod naturligt ganske kort tid efter kvantemekanikkens opdagelse. Den første beskrivelse af et molekyles elektronstruktur ved hjælp af den nye mekanik blev foretaget i 1927 af Øyvind Burreau (1896-1979) under Niels Bohrs vejledning. De metoder, de anvendte til at løse det specifikke problem (elektronstrukturen af H₂⁺-molekylionen), var imidlertid for specielle til at kunne generaliseres til andre molekyler, så selvom 1927 internationalt set regnes for kvantekemiens fødselsår, er det W. Heitlers og F. Londons beskrivelse af elektronstrukturen af H₂ samme år, der normalt angives som det første kvantekemiske arbejde. Dette skyldes, at deres metode blev videreudviklet til den såkaldte valensbindingsmetode, som er en af de mest udbredte elektronstrukturmodeller (se kemisk binding).

På trods af Burreaus tidlige arbejde varede det ret længe, inden kvantekemien vandt fodfæste i det danske kemiske miljø. Det var først med C.J. Ballhausen, som i 1959 blev professor i fysisk kemi ved Københavns Universitet, at der opstod en egentlig dansk forskning inden for kvantekemien. Derefter gik det imidlertid stærkt, og på få år fik alle danske universiteter en undervisnings- og forskningsindsats på området, og Danmark må for øjeblikket anses for at være et af de lande, hvor der i international sammenhæng er en betydelig aktivitet inden for kvantekemien.