ÖTVEN ÉVES A KVANTUMKÉMIA

Török Ferenc
ELTE Általános és Szervetlen Kémiai Tanszék

A kvantumkémia a kvantummechanika törvényeit a kémia területén alkalmazza. Általánosan elfogadott, hogy a kvantumkémia 1927-ben született, amikor Heitler és London cikke [1] megjelent a H₂ molekuláról. Ebben a közleményben jó közelítésben sikerült leírni a molekulát összetartó kovalens kötést. Az 1927 óta eltelt ötven év kvantumkémiai eredményeit szeretnénk áttekinteni és megkíséreljük értékelni a kvantumkémia jelentőségét a vegyészetben.

A kvantummechanika kémiai alkalmazásától már a kezdetben sokat vártak. A kvantummechanika alapjait 1926-ban dolgozták ki, és Dirac már 1929-ben kijelenti [2]: „Az új törvényekkel a fizikának egy jelentős része matematikailag helyesen írható le, és a kémia teljes egészében értelmezhető.”

A kvantumkémia fejlődésében általában három szakaszt szoktak megkülönböztetni. Az első az 1926-1930 közti gyors fejlődés szakasza, amikor az alapelveket dolgozták ki. A második 1930-tól az elektronikus számítógépek megjelenéséig számítható, míg a harmadik a számítógépek megjelenése utáni időszak.

Nyilvánvaló, hogy a vegyészek legfontosabb feladata a társadalomnak hasznos anyagok, mint festékek, textíliák, műanyagok, gyógyszerek, növényvédőszerek, stb. előállítása. A szintetizáló vegyészek vannak a kémia első vonalában, őket segíti számos tudományág, őket kell segítenie a kvantumkémiának is. Világos, hogy a kvantumkémia első szakaszának nem volt jelentős befolyása a kémiára. A gyakorló kémikust nem segítette, hogy kiderült az elektron hullámtermészete. Sőt, az atomok elektronszerkezetére vonatkozó korai eredményeket, amelyeket D. R. Hartree híres könyvében [3] foglalt össze, a vegyészek nem tudták felhasználni.

A kémikusok számára Paulingnak 1938-ban megjelent „The Nature of Chemical Bond” című munkája volt az első nagy jelentőségű segítség a kvantumkémia részéről. Ebben a könyvben foglalta össze a szerző azokat a kvalitatív eredményeket, új fogalmakat, amelyeket a kvantumkémiából sikerült levezetni. Itt olyan fontos fogalmakról olvashatunk, mint az elektronegativitás, a kötések parciális ionos jellege, az atompályák átfedése, a hibridizáció, a rezonancia, az empirikusan állandónak bizonyuló kötéshosszak, a hidrogénkötés. Mindezek már jelentősen segítették a gyakorló vegyészt a jelenségek mélyebb értelmezésében, rendszerezésében.

Hangsúlyoznunk kell, hogy már ebben az időben is a szintetizáló vegyészek csupán kémiai módszerek segítségével a kémiai reakciók mechanizmusáról olyan finom részleteket tudtak meg, amelyek kvantumkémiai értelmezése, de különösen megjóslása, még a mai kvantumkémiai lehetőségek birtokában is szinte reménytelennek tűnnek.

A kvantumkémia iránti érdeklődést a spektroszkópiai módszerek elterjedése keltette fel. A korszerű szerkezetvizsgáló módszerek: látható, ultraibolya, infravörös, mágneses magrezonancia, elektronspin rezonancia spektroszkópia és a különféle diffrakciós módszerek a gyakorló kémikusnak igen nagy segítséget nyújtanak. Ezekkel a módszerekkel nyerhető kísérleti eredmények értékeléséhez kvantumkémiai ismeretek szükségesek. Ugyanakkor ezeknek a kísérleti módszereknek segítségével sokkal pontosabb, részletesebb képet kapunk az anyagszerkezetről. Világossá vált, hogy az egyetemeken régebben oktatott elektronszerkezettel foglalkozó tananyag pontatlan, sőt sok esetben kifejezetten hibás. A korszerű szerves, szervetlen kémiai tankönyvek az új eredményeket figyelembe veszik, ezek azonban bizonyos kvantumkémiai ismeretek nélkül egyáltalán nem érthetők meg. Ezért a hatvanas években a világ legkülönbözőbb egyetemein bevezették a kvantumkémia oktatását. Ezt követően számosan foglalkoztak azzal, hogy milyen mértékben és hogyan kellene az új eredményeket a középfokú oktatásban is figyelembe venni.

A számítógépek megjelenése nagy lendületet adott a kvantumkémia fejlődésének. Az így adódó lehetőségekről egy másik előadás számol be, ezért itt csak a legfontosabb vonásokat szeretném kiemelni.

A kvantummechanika alapvető összefüggései lehetőséget adnak arra, hogy az atomok, molekulák minden mérhető fizikai mennyiségét kiszámíthassuk. A megoldáshoz vezető parciális differenciálegyenletek azonban olyan bonyolultak, hogy csak a közelítő megoldásaikat tudjuk megkeresni. Természetes a kérdés: Mennyire pontosak ezek a közelítő megoldások? Erre azt a megnyugtató választ tudjuk adni, hogy ismertek azok a módszerek, amelyek segítségével a pontos megoldás tetszőlégesen megközelíthető. Sajnos, ezek a pontos számítások drágák, annál többe kerülnek, minél több atommagot és elektront kell figyelembe venni. Így pontosabb számításokat szabad atomokra és molekulákra végeztek. Ez a vegyészek szempontjából aggasztó, mivel a kémiai folyamatok igen nagy része nem szabad, hanem oldatban lévő ionok, molekulák közt játszódnak le.

A polimérek kémiája a műanyagkémia és a biokémia szempontjából fontos makromolekulák miatt jelentős. Ha nagyon szabályos rendszerekről van szó, amikor azonos egységek szabályosan, végtelen sokszor ismétlődnek szabad polimérekben, a számításokat a rendszer szimmetriája egyszerűvé teszi. Sajnálatos, hogy a gyakorlatban előforduló polimérek nem ilyenek, nem szabályosak, végesek és viselkedésükben igen gyakran az oldószer nagy szerepet játszik.

A kémiai reakciók lefolyása, mechanizmusa, a katalizátorok szerepe a kémikusok központi problémája. Az eddigiekből nyilvánvaló, hogy a kvantumkémiától fontos információkat csupán a gázhalmazállapotú reaktánsok esetében várhatunk Szerencsére az ilyen típusú reakciókra kísérleti oldalról: a molekulasugár spektroszkópia segítségével igen részletes képet nyerhetünk. Az elméleti és kísérleti eredmények összevetése jelentősen fogja gyarapítani reakciókinetikai ismereteinket. Sajnos a szilárd katalizátorok jelenlétében végbemenő folyamatok értelmezésében még csak a kezdeti lépéseknél tartunk.

Ebben a bevezető előadásban igyekeztem reális képet adni a kvantumkémia jelentőségéről. Az eredmények mellett a hiányosságokra is felhívtam a figyelmet. Befejezésül E. B. Wilsont idézem, aki 1976-ban a következőket mondta [4] a kvantumkémia jövőjéről: „Bármilyen is a kvantumkémia jelenlegi fontossága, biztos, hogy a kvantumkémia fejlődése napjainkban igen gyors, és a mai teljesítőképessége a közeljövőben jelentősen megnövekszik.”

IRODALOM

[1] W. Heitler, F. London, Z. Physik 44, 455 (1927)

[2] P. A. M. Dirac, Proc. Roy. Soc. A123, 714 (1929)

[3] D. R. Hartree: The Calculation of Atomic Structures John Wiley and Sons, 1957

[4] E. B. Wilson, Pure and Appl. Chem 47, 41 0976)

________________

 
Az „Anyagfejlődés '77” című tanácskozás megnyitója Győr 1977. június.