Atoms in molecules
ક્વોન્ટમ રસાયણશાસ્ત્રમાં, અણુઓમાં અણુઓનો ક્વોન્ટમ સિદ્ધાંત (ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ.), જેને કેટલીકવાર અણુઓમાં પરમાણુ (એ. આઈ. એમ.) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તે પરમાણુ અને ઘનીકરણ દ્રવ્ય ઇલેક્ટ્રોનિક પ્રણાલીઓ (જેમ કે સ્ફટિકો) નું એક મોડેલ છે જેમાં પરમાણુ માળખાના મુખ્ય પદાર્થો-અણુઓ અને બોન્ડ્સ-સિસ્ટમના અવલોકનક્ષમ ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વિતરણ કાર્યની કુદરતી અભિવ્યક્તિઓ છે. અણુનું ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વિતરણ એ સંભાવના વિતરણ છે જે ન્યુક્લિયસ દ્વારા લાગુ કરવામાં આવેલા આકર્ષક ક્ષેત્રમાં વાસ્તવિક જગ્યામાં ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ વહેંચવાની સરેરાશ રીતનું વર્ણન કરે છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. અનુસાર, પરમાણુ માળખું ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાના સ્થિર બિંદુઓ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાના ઢાળ માર્ગો સાથે પ્રગટ થાય છે જે આ બિંદુઓ પર ઉદ્દભવે છે અને સમાપ્ત થાય છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. મુખ્યત્વે પ્રોફેસર રિચાર્ડ બેડર અને મેકમાસ્ટર યુનિવર્સિટી ખાતેના તેમના સંશોધન જૂથ દ્વારા દાયકાઓ દરમિયાન વિકસાવવામાં આવ્યું હતું, જેની શરૂઆત 1960ના દાયકાની શરૂઆતમાં સરળ અણુઓની સૈદ્ધાંતિક રીતે ગણતરી કરાયેલ ઇલેક્ટ્રોન ગીચતાના વિશ્લેષણથી થઈ હતી અને 90ના દાયકામાં સ્ફટિકની સૈદ્ધાંતિક અને પ્રાયોગિક રીતે માપવામાં આવેલી ઇલેક્ટ્રોન ગીચતા બંનેના વિશ્લેષણ સાથે પરાકાષ્ઠાએ પહોંચી હતી. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. નો વિકાસ એ ધારણા દ્વારા ચલાવવામાં આવ્યો હતો કે, અણુઓ અને બોન્ડ્સની વિભાવનાઓ રસાયણશાસ્ત્રના અર્થઘટન, વર્ગીકરણ, આગાહી અને સંદેશાવ્યવહારમાં સર્વવ્યાપક રીતે ઉપયોગી રહી છે અને ચાલુ છે, તેથી તેનો સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત ભૌતિક આધાર હોવો જોઈએ. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. પરમાણુ બંધારણની પૂર્વધારણાના કેન્દ્રીય કાર્યકારી વિભાવનાઓને પુનઃપ્રાપ્ત કરે છે, જે અણુઓને જોડતા અને માળખું પ્રદાન કરતા બોન્ડ્સની વ્યાખ્યા સાથે, ગુણધર્મોના એડિટિવ અને લાક્ષણિક સમૂહ સાથે અણુઓના કાર્યાત્મક જૂથના છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાના ટોપોલોજીના આધારે રાસાયણિક બંધન અને રાસાયણિક પ્રણાલીની રચનાને વ્યાખ્યાયિત કરે છે. બંધન ઉપરાંત, ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. ચોક્કસ ભૌતિક ગુણધર્મોની પ્રતિ-અણુના આધારે ગણતરી કરવાની મંજૂરી આપે છે, જે જગ્યાને બરાબર એક ન્યુક્લિયસ ધરાવતા અણુ વોલ્યુમોમાં વિભાજિત કરે છે, જે ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાના સ્થાનિક આકર્ષણ તરીકે કાર્ય કરે છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. માં અણુને યોગ્ય ખુલ્લી પ્રણાલી તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે, એટલે કે. એક એવી પ્રણાલી જે ઊર્જા અને ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વહેંચી શકે છે જે 3D જગ્યામાં સ્થાનિક છે. આ લક્ષણોના ગાણિતિક અભ્યાસને સામાન્ય રીતે સાહિત્યમાં ચાર્જ ડેન્સિટી ટોપોલોજી તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. એ હકીકત પર આધાર રાખે છે કે મોટાભાગના ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વિતરણોનો પ્રભાવશાળી ટોપોલોજિકલ ગુણધર્મ એ મજબૂત મહત્તમની હાજરી છે જે ફક્ત કેન્દ્રક પર જ જોવા મળે છે, જેમાંથી અમુક જોડીઓ ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાના શિખરો દ્વારા એક સાથે જોડાયેલી હોય છે. ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વિતરણના ઢાળ વેક્ટર ક્ષેત્રની દ્રષ્ટિએ, આ પરમાણુના ત્રિ-પરિમાણીય બેસિનો (અણુઓ) માં સંપૂર્ણ, બિન-ઓવરલેપિંગ વિભાજનને અનુરૂપ છે જે વહેંચાયેલ દ્વિ-પરિમાણીય વિભાજક (આંતરપરમાણ્વિક સપાટીઓ) દ્વારા એક સાથે જોડાયેલા છે. દરેક આંતરપરમાણ્વિક સપાટીની અંદર, અનુરૂપ ઇન્ટર્નયુક્લિયર સેડલ પોઇન્ટ પર ઇલેક્ટ્રોનની ઘનતા મહત્તમ હોય છે, જે ન્યુક્લિયસની અનુરૂપ જોડી વચ્ચેના રિજની ઓછામાં ઓછી પર પણ સ્થિત હોય છે, જે રિજને સેડલ પોઇન્ટ પર ઉદ્ભવતા ગ્રેડિયન્ટ ટ્રેજેક્ટરીઝ (બોન્ડ પાથ) ની જોડી દ્વારા વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે અને ન્યુક્લિયસ પર સમાપ્ત થાય છે. કારણ કે ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. અણુઓ હંમેશા ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાના ગ્રેડિયન્ટ વેક્ટર ક્ષેત્રમાં શૂન્ય પ્રવાહ ધરાવતી સપાટીઓથી બંધાયેલા હોય છે, તેથી તેમની પાસે અન્ય સબસિસ્ટમ વ્યાખ્યાઓની તુલનામાં કેટલાક અનન્ય ક્વોન્ટમ યાંત્રિક ગુણધર્મો છે, જેમાં અનન્ય ઇલેક્ટ્રોનિક ગતિ ઊર્જા, મોલેક્યુલર ઇલેક્ટ્રોનિક વિરિયલ થીયરમની અનુરૂપ ઇલેક્ટ્રોનિક વિરિયલ થીયરમની સંતોષ અને કેટલાક રસપ્રદ પરિવર્તનશીલ ગુણધર્મોનો સમાવેશ થાય છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. ધીમે ધીમે રાસાયણિક પ્રણાલીઓ સંબંધિત સંભવિત પ્રશ્નોના જવાબ આપવા માટેની એક પદ્ધતિ બની ગઈ છે, વિવિધ પરિસ્થિતિઓમાં રસાયણશાસ્ત્રમાં અન્ય કોઈ મોડેલ અથવા સિદ્ધાંત દ્વારા ભાગ્યે જ નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે. એક્સ-રે વિવર્તન દ્વારા અવલોકન કરાયેલ પડોશી અણુઓ વચ્ચે અસામાન્ય રીતે ટૂંકા અંતર ધરાવતા ચોક્કસ કાર્બનિક સ્ફટિકોના વર્ણન પર ક્યુટીએઆઈએમ લાગુ કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, મોલેક્યુલર ક્લોરિનની સ્ફટિક રચનામાં બે અણુઓ વચ્ચેનું પ્રાયોગિક Cl.Cl અંતર 327 પિકોમીટર છે જે 350 પિકોમીટરની વેન ડેર વાલ્સ ત્રિજ્યાના સરવાળા કરતાં ઓછું છે. એક ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. પરિણામમાં 12 બોન્ડ પાથ દરેક ક્લોરિન અણુથી અણુમાં અન્ય ક્લોરિન અણુ સહિત અન્ય ક્લોરિન અણુઓ સુધી શરૂ થાય છે. આ સિદ્ધાંતનો ઉદ્દેશ ધાતુના હાઇડ્રોજનના ધાતુના ગુણધર્મોને પણ એ જ રીતે સમજાવવાનો છે. આ સિદ્ધાંત કહેવાતા હાઇડ્રોજન-હાઇડ્રોજન બંધને પણ લાગુ પડે છે કારણ કે તે ફેનેન્થ્રીન અને ક્રાયસીન જેવા અણુઓમાં જોવા મળે છે. આ સંયોજનોમાં બે ઓર્થો હાઇડ્રોજન પરમાણુ વચ્ચેનું અંતર ફરીથી તેમની વાન ડર વાલ્સ ત્રિજ્યા કરતાં ઓછું હોય છે અને આ સિદ્ધાંત પર આધારિત સિલિકો પ્રયોગો અનુસાર, તેમની વચ્ચે બંધનો માર્ગ ઓળખવામાં આવે છે. બંને હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ સમાન ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા ધરાવે છે અને બંધ કવચ ધરાવે છે અને તેથી તેઓ કહેવાતા ડાયહાઇડ્રોજન બંધથી ખૂબ જ અલગ છે જે (CH3) 2NHBH3 જેવા સંયોજનો માટે માન્ય છે અને કહેવાતા ઍગોસ્ટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓથી પણ અલગ છે. મુખ્ય પ્રવાહના રસાયણશાસ્ત્રમાં બે બિન-બંધન પરમાણુઓની નિકટતા અસ્થિર સ્ટેરિક પ્રતિકર્ષણ તરફ દોરી જાય છે પરંતુ ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. માં અવલોકન કરાયેલ હાઇડ્રોજન હાઇડ્રોજન ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ હકીકતમાં સ્થિર છે. તે સારી રીતે જાણીતું છે કે કિન્ક્ડ ફેનેન્થ્રીન અને ક્રાયસીન બંને તેમના રેખીય આઇસોમર્સ એન્થ્રેસીન અને ટેટ્રેસીન કરતાં લગભગ 6 કેસીએલ/મોલ (25 કેજે/મોલ) વધુ સ્થિર છે. એક પરંપરાગત સમજૂતી ક્લેરના નિયમ દ્વારા આપવામાં આવી છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. દર્શાવે છે કે ફેનાન્થ્રીન માટે 8 કિલો કેલરી/મોલ (33 કેજે/મોલ) દ્વારા ગણતરી કરેલું સ્થિરીકરણ એ કાર્બનમાંથી હાઇડ્રોજનમાં ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફરમાંથી ઉદ્ભવતા 8 કિલો કેલરી/મોલ (33 કેજે/મોલ) દ્વારા સંયોજનના અસ્થિરતાનું પરિણામ છે, જે એચ. એચ. બોન્ડ પાથને કારણે સ્થિરીકરણના 12.1 કિલો કેલરી (51 કેજે/મોલ) દ્વારા સરભર થાય છે. બે હાઇડ્રોજન પરમાણુ વચ્ચેના નિર્ણાયક બિંદુ પર ઇલેક્ટ્રોનની ઘનતા ઓછી છે, 0.012 e ફેનાન્થ્રીન માટે. બોન્ડ પાથનો બીજો ગુણધર્મ તેની વળાંક છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. માં અભ્યાસ કરાયેલ અન્ય અણુ બાયફિનાઇલ છે. તેની બે ફિનાઇલ વીંટીઓ એકબીજાના સંદર્ભમાં 38° ખૂણા પર સમતલીય પરમાણુ ભૂમિતિ (કેન્દ્રીય C-C બંધની ફરતે પરિભ્રમણમાં જોવા મળે છે) સાથે 2.9 કિલોકેલરી/મોલ (8.8 કિલોકેલરી/મોલ) દ્વારા અસ્થિર થાય છે અને લંબરૂપ એક 2.5 કિલોકેલરી/મોલ (10.5 કિલોકેલરી/મોલ) દ્વારા અસ્થિર થાય છે. આ પરિભ્રમણ અવરોધ માટેની ઉત્તમ સમજૂતીઓ ઓર્થો-હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ (સમતલીય) વચ્ચે સ્ટેરિક પ્રતિકર્ષણ અને બંને રિંગ્સ (લંબરૂપ) પર પાઇ ઘનતાના ડીલોકેલાઇઝેશનનો ભંગ છે. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. નો ઉપયોગ પ્રોટીનમાં સોલ્વેટેડ પોસ્ટ-ટ્રાન્સલેશનલ ફેરફારોની ઇલેક્ટ્રોન ટોપોલોજીનો અભ્યાસ કરવા માટે પણ કરવામાં આવ્યો છે. ઉદાહરણ તરીકે, લાઇસિન-આર્જિનિન વ્યુત્પન્ન અદ્યતન ગ્લાયકેશન અંતિમ-ઉત્પાદનોના સમૂહમાં સહસંયોજક બંધ બળ સ્થિરાંકો ઇલેક્ટ્રોનિક માળખાની ગણતરીઓનો ઉપયોગ કરીને મેળવવામાં આવ્યા હતા અને પછી દરેક લાગુ કોમ્પ્યુટેશનલ રસાયણશાસ્ત્ર કાર્યોમાં તફાવતોને સમજાવવા માટે બોન્ડ પાથનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. વધુમાં, ક્યૂ. ટી. એ. આઈ. એમ. નો ઉપયોગ ગ્લુકોસેપેન અને નજીકના પાણીના અણુઓ વચ્ચેના હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સના બોન્ડ પાથ નેટવર્કને ઓળખવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. ક્યુ. ટી. એ. આઈ. એમ. માં ડાયહેડ્રલ કોણ 38° થી ઘટાડીને 0° કરવા પર ઊર્જામાં વધારો એ ઘણા પરિબળોનો સરવાળો છે. અસ્થિર પરિબળો એ જોડાતા કાર્બન પરમાણુઓ વચ્ચેના બંધની લંબાઈમાં વધારો (કારણ કે તેમને નજીકના હાઇડ્રોજન પરમાણુઓને સમાવવા પડે છે) અને કાર્બનમાંથી હાઇડ્રોજનમાં ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જનું સ્થાનાંતરણ છે. સ્થિરીકરણ પરિબળો એ છે કે પાઈ-ઇલેક્ટ્રોનનું એક વીંટીમાંથી બીજી વીંટીમાં સ્થળાંતર વધે છે અને જે સંતુલનને સૂચવે છે તે છે ઓર્થો હાઇડ્રોજન વચ્ચેનું હાઇડ્રોજન-હાઇડ્રોજન બંધન. હાઇડ્રોજન બોન્ડ તેના ટીકાકારો વગર નથી. એક અનુસાર, તેના આઇસોમર્સની તુલનામાં ફેનાન્થ્રીનની સંબંધિત સ્થિરતાને પ્રતિધ્વનિ સ્થિરીકરણની સરખામણી કરીને પર્યાપ્ત રીતે સમજાવી શકાય છે. અન્ય એક વિવેચક દલીલ કરે છે કે ફેનેન્થ્રીનની સ્થિરતાને કેન્દ્રીય બેવડા બંધનમાં વધુ અસરકારક પાઇ-પાઇ ઓવરલેપ માટે જવાબદાર ગણી શકાય; બોન્ડ પાથના અસ્તિત્વ પર સવાલ ઉઠાવવામાં આવતો નથી પરંતુ તેમાંથી મેળવેલી સ્થિર ઊર્જા છે. આ પણ જુઓ ક્વોન્ટમ રસાયણશાસ્ત્ર સંદર્ભો મેકમાસ્ટર યુનિવર્સિટી પોપેલીયર ગ્રૂપ હોમ પેજ પર અણુઓમાં પરમાણુઓ અને અણુઓ હોમ પેજ મલ્ટિડબલ્યુએફએન હોમ પેજ AIM2000 હોમ પેજ AIMAll હોમ પેજ XD હોમ પેજ ક્વોન્ટમ રસાયણશાસ્ત્ર કેમિકલ બોન્ડિંગ