Ένα άλυτο πρόβλημα της Χημείας – Πώς σχηματίζονται τα μόρια

Τις μοριακές δομές μπορεί να τις μελετούν οι μαθητές στα σχολεία, αλλά η γνωστή εικόνα με σφαίρες και ραβδιά που αντιπροσωπεύουν τα άτομα και τους δεσμούς μεταξύ τους, είναι σε μεγάλο βαθμό μια σύμβαση κι όχι η πραγματικότητα.

Δεσμοί σ μεταξύ των ατόμων του υδρογόνου

Το πρόβλημα είναι ότι οι επιστήμονες διαφωνούν με τι πρέπει να μοιάζει μια πιο ακριβής αναπαράσταση των μορίων. Στη δεκαετία του 1920 οι φυσικοί Walter Heitler και Fritz London έδειξαν πώς να περιγράφουμε ένα χημικό δεσμό χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της νεογέννητης τότε κβαντικής θεωρίας, ενώ ο μεγάλος χημικός Linus Pauling πρότεινε ότι οι δεσμοί σχηματίζονται όταν οι τροχιές των ηλεκτρονίων από διαφορετικά άτομα επικαλύπτονται στον χώρο. Λίγο αργότερα μια θεωρία από τον Robert Mulliken και τον Friedrich Hund πρότεινε ότι οι δεσμοί είναι το αποτέλεσμα της συγχώνευσης των ατομικών τροχιακών σε "μοριακά τροχιακά", που εκτείνονται σε περισσότερα του ενός άτομα.

Η θεωρητική χημεία φαινόταν έτοιμη να γίνει ένας κλάδος της φυσικής. Σχεδόν 100 χρόνια αργότερα η εικόνα μοριακών τροχιακών έχει γίνει η πλέον διαδεδομένη, αλλά δεν υπάρχει ακόμη συναίνεση μεταξύ των χημικών ότι αυτά τα τροχιακά είναι πάντα ο καλύτερος τρόπος για να εξετάσουμε τα μόρια. Ο λόγος είναι ότι αυτό το μοντέλο και όλα τα άλλα βασίζονται σε απλουστευμένες υποθέσεις και, συνεπώς, κατά προσέγγιση, είναι μια μερική περιγραφή. Στην πραγματικότητα, ένα μόριο που είναι μια δέσμη πυρήνων μέσα σε ένα νέφος ηλεκτρονίων, με αντίθετες ηλεκτροστατικές δυνάμεις μάχονται συνεχώς μεταξύ τους σαν μια διελκυστίνδα, και όλα τα στοιχεία συνεχώς κινούνται και επανα-ισορροπούν σε νέες θέσεις. Τα υπάρχοντα μοντέλα των μορίων συνήθως προσπαθούν να κρυσταλλώσουν μια τέτοια δυναμική οντότητα σε μια στατική κατάσταση και μπορεί να συλλάβουν κάποιες από τις κυριότερες ιδιότητες τους, όμως άλλες παραμελούνται.

Η κβαντική θεωρία δεν είναι σε θέση να μας προσφέρει ένα μοναδικό ορισμό των χημικών δεσμών, που να είναι σύμφωνη με τη διαίσθηση των χημικών που τους φτιάχνουν και τους σπάνε καθημερινά. Υπάρχουν σήμερα πολλοί τρόποι για να περιγράψουμε τα μόρια, καθώς τα άτομα ενώνονται μεταξύ τους με τους δεσμούς. Σύμφωνα με τον κβαντικό χημικό Dominik Marx του Πανεπιστημίου στο Μπόχουμ της Γερμανίας, λίγο πολύ όλες αυτές οι περιγραφές "είναι χρήσιμες σε ορισμένες περιπτώσεις, αλλά δεν είναι σε άλλες."

Οι προσομοιώσεις στους υπολογιστές μπορεί τώρα να υπολογίσουν τις δομές και τις ιδιότητες των μορίων με βάση τις κβαντικές αρχές με μεγάλη ακρίβεια, όσο ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι σχετικά μικρός.

"Η υπολογιστική χημεία μπορεί να προωθηθεί στο επίπεδο του ύψιστου ρεαλισμού και της πολυπλοκότητας”, λέει ο Dominik Marx. Με αποτέλεσμα οι υπολογισμοί στον υπολογιστή να μπορούν να θεωρηθούν περισσότερο ως ένα είδος εικονικού πειράματος, που να προβλέπει την πορεία της αντίδρασης. Είναι γεγονός ότι μόλις η αντίδραση προσομοιωθεί περιλαμβάνει λίγες δεκάδες ηλεκτρόνια, όμως λίγο μετά οι υπολογισμοί αρχίζουν να ξεπερνούν ακόμα και τον πιο ισχυρό υπερυπολογιστή του κόσμου. Τελικά η πρόκληση είναι να δούμε αν οι μελλοντικές προσομοιώσεις μπορούν να ασχοληθούν, για παράδειγμα, με πολύπλοκες διαδικασίες βιομοριακής μέσα στο κύτταρο ή μέσα στα προηγμένα υλικά.

 physics4u