物理化学的工具与方法

计算化学(computational chemistry)

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建筑师在浇筑任何混凝土之前,先在软件里测试桥梁设计,看它会在哪里弯曲或断裂。计算化学让化学家对分子做同样的事:在计算机里把分子搭建起来,在还没碰到烧瓶之前就预测它会如何表现。这场「实验」是机器上的数字,而不是台面上的液体。

更准确地说,计算化学把物理定律——主要是量子力学和统计力学——化为计算机可以求解的方程,用来预测分子的结构、能量和反应。它既包括近似求解电子结构的方法(以得到键长、能量和光谱),也包括模拟众多原子如何随时间运动的方法。它是被化成可计算形式的理论。

为什么重要:它可以探索那些太危险、太昂贵或寿命太短而无法制造的分子,并解释为什么测得的结果是那个样子。一个提醒:每种方法都建立在近似之上,答案的可信程度只取决于模型和输入。好的计算化学会拿自己的预测去对照实验,而不是把计算机的输出当作自动成立的真理。

在合成一种候选染料之前,化学家先做一次计算,预测这个分子应当吸收哪些波长的光。算出的颜色是蓝绿色;后来真正合成出来的分子,吸收的位置几乎正好在那里——既验证了设计,又省下了实验台前的好几个月。

一个分子可以在「计算机里」先行测试,然后才真正被制造出来。

计算化学是一个统称;密度泛函理论、分子动力学和蒙特卡罗模拟是其下的具体工具。把它们混为一谈很常见——它们回答的是不同的问题(分别是电子结构、随时间的运动,以及统计平均),而且常常彼此结合。

又称
计算化学計算化學