¿Qué es la Química Cuántica y para qué sirve?
La química cuántica es un campo de la química teórica que utiliza principios de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos. Su objetivo es modelar matemáticamente el comportamiento básico de la materia a nivel molecular. Esta disciplina se aplica en el análisis de átomos y moléculas, explorando sus características ópticas, eléctricas, magnéticas y mecánicas, así como su reactividad química y propiedades redox, entre otros aspectos. Además, la química cuántica también investiga materiales sólidos y superficies.
Introducción
La química cuántica está estrechamente conectada con áreas científicas como la física molecular, la física atómica y la fisicoquímica. Tanto físicos como químicos han hecho importantes contribuciones en este campo. Se considera que el primer cálculo de química cuántica fue realizado por los científicos alemanes Walter Heitler y Fritz London, aunque generalmente se les clasifica como físicos.
El trabajo de Heitler y London fue refinado por los químicos estadounidenses John C. Slater y Linus Pauling, dando lugar a la teoría del enlace de valencia, también conocida como teoría Heitler-London-Slater-Pauling (HLSP). Este enfoque se centra en las interacciones entre pares de átomos y guarda una estrecha relación con los conceptos clásicos de enlaces atómicos.
Friedrich Hund y Robert S. Mulliken crearon una teoría diferente, conocida como la teoría de los orbitales moleculares. En este método, los electrones son descritos mediante funciones matemáticas que se extienden por toda la molécula, en lugar de estar localizados en pares de átomos. Aunque este enfoque de Hund-Mulliken (o de orbitales moleculares) es menos intuitivo para muchos químicos, se ha demostrado que es más eficaz para predecir propiedades moleculares que la teoría del enlace de valencia. Por esta razón, ha sido el método preferido en los últimos años.
¿Qué estudia la química cuántica?
La química cuántica se centra en explorar la relación entre la mecánica cuántica y los principios de la química teórica y orgánica, utilizando teoremas y modelos matemáticos para prever el comportamiento y la estructura molecular de la materia.
Desde una perspectiva sencilla, la química cuántica se dedica a estudiar sistemas a pequeña escala, donde la mecánica clásica no es aplicable, enfocándose en cómo la mecánica cuántica describe estos sistemas.
Para entender el alcance de la química cuántica, es importante destacar que se requiere una formación académica de cinco años en química, seguida de una especialización en química cuántica. Esta disciplina, que pertenece a la rama teórica de la ciencia, abarca tanto la investigación como la enseñanza, permitiendo a los especialistas trabajar en universidades y centros de investigación.
La química cuántica, en su forma más fundamental, está íntimamente conectada con campos como la química física, la física molecular, la física atómica y la física mecánica, y emplea fórmulas matemáticas complejas. Estas disciplinas combinan el estudio de aspectos abstractos y complejos, siendo esenciales tanto para la química como para la física.
Objetivos de la química cuántica
La química cuántica aplicada a la biología, o "química cuántica de la vida", se enfoca en desarrollar y aplicar métodos de química cuántica y simulación molecular para entender sistemas biológicos. Este campo estudia la estructura molecular, la reactividad, la estabilidad, los mecanismos de reacción, la selectividad y la espectroscopia molecular de compuestos biológicos.
Mediante métodos de simulación molecular, se investigan fenómenos macroscópicos basados en las interacciones moleculares. Esto permite determinar propiedades estructurales, termodinámicas y de transporte de los sistemas estudiados, las cuales dependen de variables como la presión y la temperatura. Estos estudios son fundamentales para comprender procesos biológicos a nivel molecular y para el desarrollo de nuevos fármacos y terapias.
