సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం
సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం (Theoretical chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రంలో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. రసాయనాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో వివరించడానికి ఇది గణితం మరియు భౌతిక శాస్త్రం యొక్క నియమాలను ఉపయోగిస్తుంది. సాధారణంగా రసాయన శాస్త్రవేత్తలు ప్రయోగశాలలో ట్యూబులతో ప్రయోగాలు చేస్తారు, కానీ సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రవేత్తలు మాత్రం గణిత సూత్రాలు మరియు కంప్యూటర్ల సహాయంతో రసాయన చర్యలను అర్థం చేసుకుంటారు. వీరు అణువుల మధ్య బంధాలు (chemical bonding) ఎలా ఏర్పడతాయి, పరమాణువులు ఎలా కదులుతాయి వంటి విషయాలను పరిశోధిస్తారు.[1]
మిగిలిన రసాయన శాస్త్రవేత్తలు కనుగొన్న కొత్త విషయాలను వివరించడానికి ఈ శాస్త్రం అవసరమైన "పరికరాలను" అందిస్తుంది. ఉదాహరణకు, కొన్ని అణువులు ఎందుకు స్థిరంగా ఉంటాయి, మరికొన్ని ఎందుకు వేగంగా స్పందిస్తాయి అనే విషయాలను ఇది వివరిస్తుంది. అందుకే దీనిని తరచుగా "సైద్ధాంతిక భౌతిక శాస్త్రం ఉపయోగించి చెప్పే రసాయన శాస్త్ర వివరణ" అని పిలుస్తారు.
అవలోకనం
[మార్చు]సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం రసాయన శాస్త్రంలోని అన్ని విభాగాలను ఒకచోట చేరుస్తుంది. ఇది ప్రతి రసాయన వ్యవస్థకు వర్తించే సామాన్య నియమాలను వెతుకుతుంది. ఒక అణువు యొక్క నిర్మాణం (అది ఎలా కనిపిస్తుంది) మరియు దాని లక్షణాలు (అది ఎలా పనిచేస్తుంది) మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని చదవడం ఈ శాస్త్రంలో అతి ముఖ్యమైన అంశం.[2]
రసాయన వ్యవస్థలు చాలా పెద్దవి మరియు సంక్లిష్టంగా ఉండటం వల్ల, ప్రతి విషయాన్ని ఖచ్చితంగా లెక్కించడం కష్టం. అందువల్ల, సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రవేత్తలు ఈ క్రింది పద్ధతులను ఉపయోగిస్తారు:
గణిత పద్ధతులు (Mathematical methods): సమస్యలను పరిష్కరించడానికి కేవలం గణితాన్ని ఉపయోగించడం.
అనుభవపూర్వక పద్ధతులు (Empirical methods): గణిత లెక్కలు బాగా పనిచేయడానికి నిజమైన ప్రయోగాల నుండి వచ్చిన సమాచారాన్ని వాడటం.
కంప్యూటేషనల్ పద్ధతులు (Computational methods): అణువుల ప్రవర్తనను పరిశీలించడానికి శక్తివంతమైన కంప్యూటర్లను ఉపయోగించడం.
ఆధునిక కాలంలో, సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం ఎక్కువగా క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం మీద ఆధారపడి ఉంది. అంటే రసాయన శాస్త్ర సమస్యలను పరిష్కరించడానికి క్వాంటం మెకానిక్స్ సూత్రాలను వాడటం అన్నమాట. అలాగే, ఇందులో గణాంక ఉష్ణగతిక శాస్త్రం కూడా ఒక భాగం. లక్షలాది అణువుల కదలికల వల్ల మనకు వేడి మరియు పీడనం వంటివి ఎలా కలుగుతాయో ఇది వివరిస్తుంది.[3]
ప్రధాన విభాగాలు
[మార్చు]సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం చాలా విస్తృతమైనది. ఇది అధ్యయనం చేసే అంశాలను బట్టి పలు చిన్న విభాగాలుగా విభజించబడింది:
క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం (Quantum Chemistry)
[మార్చు]ఇది రసాయన శాస్త్రంలో క్వాంటం మెకానిక్స్ అన్వయం. పరమాణు కేంద్రకం చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్లు ఎలా తిరుగుతాయో ఇది చూస్తుంది. ఒక అణువుకు ఉండే అయస్కాంత మరియు విద్యుత్ లక్షణాలను అంచనా వేయడానికి ఇది శాస్త్రవేత్తలకు సహాయపడుతుంది.[4]
కంప్యూటేషనల్ కెమిస్ట్రీ (Computational Chemistry)
[మార్చు]ఈ విభాగం రసాయన సమస్యలను పరిష్కరించడానికి సాఫ్ట్వేర్ మరియు అల్గారిథమ్లను ఉపయోగిస్తుంది. ఒక శాస్త్రవేత్త ప్రయోగశాలలో అణువును తయారు చేయకముందే అది ఏ ఆకారంలో ఉంటుందో ఇది చెప్పగలదు. కొత్త మందుల తయారీలో (drug design) ఇది చాలా ఉపయోగపడుతుంది, ఎందుకంటే ఇది సమయాన్ని మరియు డబ్బును ఆదా చేస్తుంది.[5]
మాలిక్యులర్ డైనమిక్స్ (Molecular Dynamics)
[మార్చు]పరమాణువులు కాలక్రమేణా ఎలా కదులుతాయో చూడటానికి ఇది న్యూటన్ నియమాల వంటి క్లాసికల్ మెకానిక్స్ నియమాలను ఉపయోగిస్తుంది. ఇది ఒక అణువు ఎలా కంపిస్తుంది లేదా ఇతర అణువులను ఎలా ఢీకొంటుంది అని చూపించే ఒక "సినిమా" లాంటిది.
మాలిక్యులర్ మెకానిక్స్ (Molecular Mechanics)
[మార్చు]ఈ పద్ధతిలో అణువులను బంతులు (పరమాణువులు) మరియు స్ప్రింగ్ల (బంధాలు) తో తయారైనట్లుగా ఊహిస్తారు. అణువు యొక్క ఆకారాన్ని లెక్కించడానికి సరళమైన భౌతిక శాస్త్రాన్ని ఉపయోగిస్తారు. ఇది క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం కంటే చాలా వేగంగా లెక్కలు చేస్తుంది కానీ అంత వివరంగా ఉండదు.[6]
కెమికల్ కైనటిక్స్ (రసాయన గతిశాస్త్రం)
[మార్చు]రసాయన చర్యలు ఎంత వేగంగా జరుగుతాయో ఇది అధ్యయనం చేస్తుంది. అణువులు ఒక రూపం నుండి మరో రూపానికి మారడానికి ఎన్ని అడుగులు లేదా దశలు తీసుకుంటాయో అంచనా వేయడానికి సైద్ధాంతిక శాస్త్రవేత్తలు డిఫరెన్షియల్ ఈక్వేషన్లను ఉపయోగిస్తారు.
కెమిన్ఫర్మేటిక్స్ (Cheminformatics)
[మార్చు]పెద్ద మొత్తంలో ఉండే రసాయన సమాచారాన్ని నిర్వహించడానికి ఇది కంప్యూటర్ సైన్స్ను ఉపయోగిస్తుంది. కొత్త పదార్థాల కోసం వెతకడానికి లేదా రసాయనాలు మనుషులకు ఎంతవరకు విషపూరితమో తెలుసుకోవడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు.
| విభాగం | ప్రధాన పరికరం | ముఖ్య ఉద్దేశ్యం |
|---|---|---|
| క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం | ష్రోడింజర్ సమీకరణం | ఎలక్ట్రాన్లు మరియు బంధాలను అర్థం చేసుకోవడం |
| మాలిక్యులర్ డైనమిక్స్ | న్యూటన్ సమీకరణాలు | అణువులు ఎలా కదులుతాయో గమనించడం |
| కెమిన్ఫర్మేటిక్స్ | డేటాబేస్ మరియు AI | భారీ సమాచారాన్ని విశ్లేషించడం |
| కెమికల్ ఇంజనీరింగ్ | ఉష్ణ మరియు ద్రవ్యరాశి బదిలీ | ఫ్యాక్టరీల కోసం రసాయన చర్యలను పెంచడం |
సంబంధిత శాస్త్రాలు
[మార్చు]సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం ఇతర విజ్ఞాన విభాగాలకు చాలా దగ్గరగా ఉంటుంది:
అటామిక్ ఫిజిక్స్: ఒకే ఒక పరమాణువు యొక్క భాగాలను చదువుతుంది.
మాలిక్యులర్ ఫిజిక్స్ (అణు భౌతిక శాస్త్రం): చిన్న అణువుల సమూహాల భౌతిక శాస్త్రాన్ని చదువుతుంది.
ఫిజికల్ కెమిస్ట్రీ (భౌతిక రసాయన శాస్త్రం): రసాయన శాస్త్రాన్ని చదవడానికి లేజర్లు వంటి భౌతిక పరికరాలను ఉపయోగిస్తుంది.
బయోకెమిస్ట్రీ (జీవ రసాయన శాస్త్రం): ప్రోటీన్లు ఎలా మడతపడతాయి మరియు DNA ఎలా పనిచేస్తుందో వివరించడానికి సైద్ధాంతిక రసాయన శాస్త్రం సహాయపడుతుంది.
ముఖ్యమైన భావనలు
[మార్చు]పొటెన్షియల్ ఎనర్జీ సర్ఫేస్ (Potential energy surface): అణువులు కదులుతున్నప్పుడు వాటి శక్తిని చూపే ఒక మ్యాప్. అణువులు ఎప్పుడూ తక్కువ శక్తి ఉన్న చోట ("లోయ" వంటి ప్రదేశం) ఉండాలని కోరుకుంటాయి.
మాలిక్యులర్ ఆర్బిటాల్స్ (Molecular orbitals): అణువులో ఎలక్ట్రాన్లు ఎక్కడ ఉండే అవకాశం ఉందో చూపే ప్రాంతాలు.[7]
డెన్సిటీ ఫంక్షనల్ థియరీ (DFT): కంప్యూటర్లు ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్లు ఉన్న వ్యవస్థల లక్షణాలను లెక్కించడానికి ఉపయోగించే అత్యంత ప్రజాదరణ పొందిన పద్ధతి.[8]
స్టాటిస్టికల్ మెకానిక్స్ (Statistical Mechanics): సూక్ష్మ అణువుల ప్రవర్తన ఆధారంగా పెద్ద పదార్థాల ధర్మాలను వివరించే విధానం.[9]
ఇవి కూడా చూడండి
[మార్చు]మూలాలు
[మార్చు]- ↑ Piela, Lucjan (2020). Ideas of Quantum Chemistry. Elsevier. ISBN 978-0-444-64225-7.
- ↑ Cramer, Christopher J. (2004). Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models. Wiley. ISBN 978-0-470-09182-1.
- ↑ McQuarrie, Donald A. (2007). Quantum Chemistry. University Science Books. ISBN 978-1-891389-50-4.
- ↑ Levine, Ira N. (2013). Quantum Chemistry. Pearson. ISBN 978-0-321-80325-2.
- ↑ Jensen, Frank (2017). Introduction to Computational Chemistry. Wiley. ISBN 978-1-118-82599-0.
- ↑ Schlick, Tamar (2010). Molecular Modeling and Simulation. Springer. ISBN 978-1-4419-6350-5.
- ↑ Atkins, Peter; Friedman, Ronald (2011). Molecular Quantum Mechanics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-954142-3.
- ↑ Parr, Robert G.; Yang, Weitao (1989). Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-509276-9.
- ↑ McQuarrie, Donald A. (2000). Statistical Mechanics. University Science Books. ISBN 978-1-891389-15-3.
గ్రంథ సూచిక
[మార్చు]Szabo, Attila and Ostlund, Neil S., Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover Publications (1996) ISBN 0-486-69186-1.
Leach, Andrew R., Molecular Modelling: Principles and Applications, Pearson Education (2001) ISBN 978-0-582-38210-7.
Young, David C., Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real World Problems, Wiley-Interscience (2001) ISBN 978-0-471-33368-5.
Hinchliffe, Alan, Molecular Modelling for Beginners, Wiley (2008) ISBN 978-0-470-51314-9.
