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이론화학

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목차

1. 개요

이론화학은 화학 및 물리화학적 문제를 해결하기 위해 이론적 방법과 계산적 방법을 사용하는 학문 분야이다. 양자역학, 양자화학, 통계역학, 계산화학, 분자 모델링, 분자 동역학, 수학 화학, 화학 반응 속도론, 화학 정보학, 화학 공학, 화학 열역학, 통계 역학 등을 포함한 다양한 분야를 다룬다. 이론화학은 원자 및 분자 물리학, 물리화학, 화학물리학, 다체계 이론 등 다양한 응용 분야를 가지며, 생화학, 응축 물질 물리학, 나노 기술, 분자 생물학 등 다른 분야에도 적용된다. 고등학교 화학에서는 물질의 구조, 물질의 상태, 물질의 반응을 다루는 분야로 분류되기도 한다.

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    계산화학은 컴퓨터를 활용하여 분자 및 물질의 성질을 연구하는 학문으로, 양자화학, 분자역학, 밀도범함수이론 등의 방법론을 통해 다양한 분야에 응용되며 데이터베이스를 통한 정보 공유를 촉진한다.
이론화학
일반 정보
'분자 모델'
학문 분야물리화학의 한 분야
연구 대상화학적 현상
연구 방법양자역학
통계역학
고전역학
관련 학문이론물리학
계산화학
수학
컴퓨터 과학
세부 분야양자 화학
분광학
통계 열역학
화학 반응 동역학
응축 물질 이론
전산 화학
이론화학의 세부 분야
이론화학의 세부 분야전자구조론
분자동역학
통계역학
반응역학
응축상 이론

2. 이론화학의 발전 과정

이론화학은 화학의 모든 분야에 공통적인 원리와 개념을 통합한다. 이론화학의 틀 안에서 화학 법칙, 원리 및 규칙을 체계화하고, 정제하며, 상세화하고, 계층 구조를 구성한다. 이론화학에서 중심적인 위치를 차지하는 것은 분자계의 구조와 성질의 상호 연관성에 대한 이론이다. 이론화학은 수학적 및 물리적 방법을 사용하여 화학계의 구조와 역학을 설명하고, 열역학적 및 동역학적 성질을 상호 연관짓고, 이해하며, 예측한다. 가장 일반적인 의미에서, 이는 이론물리학의 방법으로 화학 현상을 설명하는 것이다. 이론물리학과는 대조적으로, 화학계의 높은 복잡성과 관련하여 이론화학은 근사적인 수학적 방법 외에도 종종 반경험적 및 경험적 방법을 사용한다.

2. 1. 초기 발전

물질 내의 원자와 전자는 양자역학을 따른다.[4][9][10] 따라서 이론화학에서 물질을 다루는 데 기본이 되는 것은 슈뢰딩거 방정식이다.[11] 또한, 많은 분자나 원자, 전자를 다루는 경우에는 통계역학에 기반한 처리가 필요하다.[12] 이러한 계산에는 많은 수치 계산이 필요하므로 이론화학은 계산화학 또는 전산화학과 밀접한 관련이 있다.[13][14][15][16]

2. 2. 현대 이론화학

최근 몇 년 동안, 이론화학은 주로 양자화학, 즉 양자역학을 화학 문제에 적용하는 것으로 구성되어 왔다. 다른 주요 구성 요소에는 분자 동역학, 통계 열역학, 전해질 용액, 반응 네트워크, 중합, 촉매, 분자 자기, 분광학 이론이 포함된다.

현대 이론화학은 대략적으로 화학 구조 연구와 화학 동역학 연구로 나눌 수 있다.

구분세부 연구 분야
화학 구조 연구전자 구조, 퍼텐셜 에너지 표면 및 힘장, 진동-회전 운동, 응축상계와 거대분자의 평형 특성
화학 동역학 연구이분자 반응속도론 및 반응과 에너지 전달의 충돌 이론, 단분자 속도론 및 준안정 상태, 응축상 및 거대분자 역학



물질 내의 원자와 전자는 양자역학을 따른다.[4][9][10] 따라서 이론화학에서 물질을 다루는 데 기본이 되는 것은 슈뢰딩거 방정식이다.[11] 또한, 많은 분자나 원자, 전자를 다루는 경우에는 통계역학에 기반한 처리가 필요하다.[12] 이러한 계산에는 많은 수치 계산이 필요하므로 이론화학은 계산화학 또는 전산화학과 밀접한 관련이 있다.[13][14][15][16]

3. 이론화학의 주요 분야

물질 안의 원자와 전자는 양자역학 법칙을 따르기 때문에 이론화학에서는 슈뢰딩거 방정식이 기본이 된다. 많은 분자와 원자, 전자를 다룰 때는 통계역학에 기초해야 하며, 이러한 방법에는 많은 계산이 필요하므로 이론화학은 계산화학과 밀접하게 관련되어 있다.

이론화학의 주요 분야는 다음과 같다:

분야설명
양자화학양자역학을 화학 및 물리화학적 문제에 적용하는 분야이다.
계산화학과학적 계산을 화학에 적용하는 분야이다.
분자 모델링양자역학을 참조하지 않고 분자 구조를 모델링하는 방법이다.
분자 동역학고전역학을 적용하여 원자와 분자 집합체의 핵 운동을 시뮬레이션하는 방법이다.
분자 역학분자 내 및 분자 간 상호작용 퍼텐셜 에너지 곡면을 퍼텐셜을 통해 모델링하는 방법이다.
수학 화학양자역학을 참조하지 않고 수학적 방법을 사용하여 분자 구조를 논의하고 예측하는 분야이다.
화학 반응 속도론반응성 화학 물질, 활성화 복합체 및 해당 미분 방정식과 관련된 동역학계에 대한 이론적 연구이다.
화학 정보학컴퓨터 및 정보 기술을 적용하여 화학 분야의 문제를 해결하는 분야이다.
화학 공학산업 공정에 화학을 적용하여 연구 개발을 수행하는 분야이다.
화학 열역학화학 반응 및 공정에서 열, 일 및 에너지의 관계를 연구하는 분야이다.
통계 역학화학 시스템의 열역학적 특성을 예측하고 설명하기 위해 통계 역학을 적용하는 분야이다.



역사적으로 이론화학은 원자물리학, 분자물리학, 물리화학 및 화학물리학, 다체계이론과 같은 연구 분야에 주로 응용되었다. 최근에는 밀도범함수이론 및 분자역학과 같은 방법들의 발전으로 생화학, 응축물질물리학, 나노기술, 분자생물학 등 다양한 분야로 응용 범위가 확장되고 있다.

3. 1. 양자화학

물질 내의 원자와 전자는 양자역학을 따른다.[4][9][10] 따라서 이론화학에서 물질을 다루는 데 기본이 되는 것은 슈뢰딩거 방정식이다.[11] 양자화학은 양자역학 또는 기본 상호작용을 화학 및 물리화학적 문제에 적용하는 분야이다. 분광학적 및 자기적 특성이 가장 자주 모델링되는 특성 중 하나이다.

3. 2. 계산화학

물질 안의 원자와 전자는 양자역학 법칙을 따른다.[4][9][10] 그 때문에, 이론화학에서 물질을 취급하는 데에 기본이 되는 것은 슈뢰딩거 방정식이다.[11] 또한, 많은 분자와 원자, 전자를 취급하는 경우에는 통계역학에 기초하여야 할 필요성이 있다.[12] 이들 방법에는 많은 계산이 필요하므로, 이론화학은 계산화학과 밀접한 관련이 있다.[13][14][15][16]

계산화학은 과학적 계산을 화학에 적용하는 분야로, 하트리-포크 방법, 하트리-포크 이후 방법, 밀도범함수이론, 반경험적 방법(예: PM3) 또는 힘장 방법과 같은 근사법을 포함한다. 분자 모양이 가장 자주 예측되는 특성이다. 컴퓨터는 진동 스펙트럼과 전자-진동 결합을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 적외선 데이터를 획득하고 푸리에 변환하여 주파수 정보로 변환할 수도 있다. 예측된 진동과의 비교는 예측된 모양을 뒷받침한다.

3. 3. 분자 모델링

분자 모델링은 꼭 양자 역학을 참조하지 않고도 분자 구조를 모델링하는 여러 방법을 포괄한다. 분자 도킹, 단백질-단백질 도킹, 신약 개발, 조합 화학 등이 여기에 속한다. 이러한 그래픽적 접근 방식에서는 분자 모양과 전기적 전위의 적합성이 핵심적인 요소로 작용한다.[1]

3. 4. 분자 동역학

원자와 분자 집합체의 핵 운동을 시뮬레이션하기 위해 고전역학을 적용하는 방법이다. 앙상블 내에서 분자의 재배열은 반데르발스 힘에 의해 제어되고 온도에 의해 촉진된다.[1]

3. 5. 수학 화학

수학적 방법을 사용하여 분자 구조를 논의하고 예측하는 분야이다. 반드시 양자역학을 참조하지는 않는다. 위상수학은 연구자들이 클러스터와 같이 유연한 유한 크기의 물체의 특성을 예측할 수 있도록 하는 수학의 한 분야이다.

3. 6. 화학 반응 속도론

화학 반응 속도론은 반응성 화학 물질, 활성화 복합체 및 해당 미분 방정식과 관련된 동역학계에 대한 이론적 연구이다.

3. 7. 화학 정보학

'''화학 정보학'''(또는 '''케모인포매틱스''')은 컴퓨터 및 정보 기술을 적용하여 화학 분야의 문제를 해결하는 분야이다.

3. 8. 통계 역학

물질 안의 원자와 전자는 양자역학을 따른다.[4][9][10] 따라서 이론화학에서 물질을 다루는 데 기본이 되는 것은 슈뢰딩거 방정식이다.[11] 또한, 많은 분자와 원자, 전자를 다루는 경우에는 통계역학에 기반한 처리가 필요하다.[12] 이러한 계산에는 많은 수치 계산이 필요하므로 이론화학은 계산화학 또는 전산화학과 밀접한 관련이 있다.[13][14][15][16]

4. 이론화학의 응용 분야

이론화학은 역사적으로 원자물리학, 분자물리학, 물리화학 및 화학물리학, 다체계이론 등의 분야에 주로 응용되어 왔다.


  • 원자물리학: 전자와 원자핵을 다룬다.
  • 분자물리학: 분자핵 주변의 전자와 핵의 움직임을 다룬다.
  • 물리화학 및 화학물리학: 레이저 기술, 주사터널링현미경 등의 물리적 방법을 통해 연구되는 화학이다.
  • 다체계이론: 많은 구성 요소를 가진 시스템에서 나타나는 효과를 연구하며, 양자역학과 양자전기역학을 기반으로 한다.


최근에는 밀도범함수이론, 분자역학과 같은 방법들의 발전으로 생화학, 응축물질물리학, 나노기술, 분자생물학 등 다양한 분야로 응용 범위가 확장되고 있다.

4. 1. 원자 및 분자 물리학

이론물리학의 방법으로 화학 현상을 설명하는 이론화학은, 수학적 및 물리적 방법을 사용하여 화학계의 구조와 역학을 설명하고 열역학적 및 동역학적 성질을 상호 연관짓고, 이해하고, 예측한다. 화학계의 높은 복잡성과 관련하여 이론화학은 근사적인 수학적 방법 외에도 종종 반경험적 및 경험적 방법을 사용한다.

최근 이론화학은 주로 양자화학, 즉 양자역학을 화학 문제에 적용하는 것으로 구성되어 왔다. 다른 주요 구성 요소에는 분자 동역학, 통계 열역학, 전해질 용액, 반응 네트워크, 중합, 촉매, 분자 자기 및 분광학 이론이 포함된다.

현대 이론화학은 화학 구조 연구와 화학 동역학 연구로 나눌 수 있다.

  • 화학 구조 연구는 전자 구조, 퍼텐셜 에너지 표면 및 힘장, 진동-회전 운동, 응축상계와 거대분자의 평형 특성 등을 포함한다.
  • 화학 동역학에는 이분자 반응속도론 및 반응과 에너지 전달의 충돌 이론, 단분자 속도론 및 준안정 상태, 응축상 및 거대분자 역학 등을 포함한다.


역사적으로 이론화학의 주요 응용 분야는 다음과 같다.

  • 원자물리학: 전자와 원자핵을 다루는 학문.
  • 분자물리학: 분자핵 주변의 전자와 핵의 움직임을 다루는 학문. 일반적으로 기체 상태의 소수 원자로 이루어진 분자의 연구를 의미하지만, 분자 관점에서 화학 물질의 벌크 특성 연구라고도 한다.
  • 물리화학 및 화학물리학: 레이저 기술, 주사터널링현미경 등의 물리적 방법을 통해 연구되는 화학. 두 분야의 공식적인 차이점은 물리화학은 화학의 한 분야인 반면 화학물리학은 물리학의 한 분야라는 것이지만, 실제로 이러한 구분은 매우 모호하다.
  • 다체계이론: 많은 구성 요소를 가진 시스템에서 나타나는 효과를 연구하는 학문. 양자역학 – 주로 제2양자화 형식 – 및 양자전기역학을 기반으로 한다.

4. 2. 물리화학 및 화학물리학

이론화학은 이론물리학의 방법으로 화학 현상을 설명하지만, 화학계의 복잡성 때문에 근사적인 수학적 방법 외에도 반경험적 및 경험적 방법을 사용한다. 물리화학 및 화학물리학은 레이저 기술, 주사터널링현미경 등의 물리적 방법을 통해 화학을 연구한다. 공식적으로 물리화학은 화학의 한 분야이고, 화학물리학은 물리학의 한 분야이지만, 실제로는 구분이 모호하다.[4][9][10] 이론화학에서 물질을 다룰 때 기본이 되는 것은 슈뢰딩거 방정식이며,[11] 많은 분자나 원자, 전자를 다루는 경우에는 통계역학에 기반한 처리가 필요하다.[12] 이러한 계산에는 많은 수치 계산이 필요하므로 계산화학 또는 전산화학과 밀접한 관련이 있다.[13][14][15][16]

4. 3. 다체계 이론

이론화학은 분자계의 구조와 성질 간 상호연관성을 다루는 이론을 중심으로, 수학적 및 물리적 방법을 사용하여 화학계의 구조와 역학을 설명하고 열역학적 및 동역학적 성질을 연결, 이해, 예측한다. 이는 이론물리학의 방법으로 화학 현상을 설명하는 것이지만, 화학계의 복잡성 때문에 근사적인 수학적 방법 외에도 반경험적 및 경험적 방법을 사용한다.

현대 이론화학은 크게 화학 구조 연구와 화학 동역학 연구로 나뉜다. 구조 연구는 전자 구조, 퍼텐셜 에너지 표면 및 힘장, 진동-회전 운동, 응축상계와 거대분자의 평형 특성 등을 포함한다. 화학 동역학은 이분자 반응속도론, 반응과 에너지 전달의 충돌 이론, 단분자 속도론 및 준안정 상태, 응축상 및 거대분자 역학 등을 다룬다.

역사적으로 이론화학의 주요 응용 분야는 다음과 같다.

  • 원자물리학: 전자와 원자핵을 다루는 학문.
  • 분자물리학: 분자핵 주변의 전자와 핵의 움직임을 다루는 학문.
  • 물리화학 및 화학물리학: 레이저 기술, 주사터널링현미경 등의 물리적 방법을 통해 연구되는 화학.
  • 다체계이론: 많은 구성 요소를 가진 시스템에서 나타나는 효과를 연구하는 학문.


이론화학은 밀도범함수이론, 분자역학과 같은 방법들의 발전으로 생화학, 응축물질물리학, 나노기술, 분자생물학 등 다양한 분야로 응용 범위가 확장되었다.

4. 4. 기타 응용 분야

역사적으로 이론화학의 주요 응용 분야는 다음과 같았다.

  • 원자물리학: 전자와 원자핵을 다루는 학문.
  • 분자물리학: 분자핵 주변의 전자와 핵의 움직임을 다루는 학문. 일반적으로 기체 상태의 소수 원자로 이루어진 분자의 연구를 의미한다. 그러나 일부는 분자물리학이 분자 관점에서 화학 물질의 벌크 특성 연구이기도 하다고 생각한다.
  • 물리화학 및 화학물리학: 레이저 기술, 주사 터널링 현미경 등의 물리적 방법을 통해 연구되는 화학. 두 분야의 공식적인 차이점은 물리화학은 화학의 한 분야인 반면 화학물리학은 물리학의 한 분야라는 것이다. 실제로 이러한 구분은 매우 모호하다.
  • 다체계 이론: 많은 구성 요소를 가진 시스템에서 나타나는 효과를 연구하는 학문. 양자역학 – 주로 제2양자화 형식 – 및 양자전기역학을 기반으로 한다.


밀도범함수이론 및 분자역학과 같은 다른 방법들의 발전과 함께 응용 범위는 생화학, 응축물질물리학, 나노기술 또는 분자생물학을 포함한 다른 화학 및 물리학 분야와 관련된 화학 시스템으로 확장되었다.

5. 고등학교 화학에서의 이론화학

학원 등에서는 고등학교 화학을 이론화학, 무기화학, 유기화학의 세 분야로 크게 분류하는 경우가 많다.[17][18][19][20] 이 경우 이론화학은 물리화학에 거의 대응하며, 물질의 구조, 물질의 상태, 물질의 반응의 세 분야로 크게 나뉜다.

5. 1. 물질의 구조

5. 2. 물질의 상태

5. 3. 물질의 반응

참조

[1] 서적 A comprehensive treatise on inorganic and theoretical chemistry Longmans, Green and Company 1923
[2] 서적 Modern theoretical chemistry Plenum 1976
[3] 서적 An introduction to theoretical chemistry Cambridge University Press 2003
[4] 서적 Chemistry, quantum mechanics and reductionism: perspectives in theoretical chemistry Springer Science & Business Media 2013
[5] 서적 実験で学ぶ化学の世界. 物質の構造と状態 丸善株式会社 1996
[6] 서적 第5版 実験化学講座 ［全31巻］ 丸善出版
[7] 서적 Experimental Chemistry Houghton Mifflin 2005-12-12
[8] 서적 Experimental Chemistry - Scholar's Choice Edition Creative Media Partners, LLC 2015-02-17
[9] 서적 Practical quantum mechanics Springer Science & Business Media 2012
[10] 서적 Quantum mechanics: fundamentals Springer Science & Business Media 2013
[11] 서적 The Schrödinger Equation Springer Science & Business Media 2012
[12] 서적 The principles of statistical mechanics Courier Corporation 1979
[13] 서적 Introduction to computational chemistry John Wiley & Sons 2017
[14] 서적 Computational chemistry: a practical guide for applying techniques to real world problems John Wiley & Sons 2004
[15] 서적 Essentials of computational chemistry: theories and models John Wiley & Sons 2013
[16] 서적 Handbook of computational chemistry Springer Science & Business Media 2012
[17] 웹사이트 NHK高校講座 | 化学基礎 https://www.nhk.or.j[...]
[18] 서적 大学入試 亀田和久の理論化学が面白いほどわかる本 中経出版
[19] 서적 橋爪のゼロから劇的！にわかる 理論化学の授業 旺文社
[20] 서적 坂田薫のスタンダード化学 理論化学編 技術評論社


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