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이론화학
이론화학(theoretical chemistry)은 양자 역학, 고전 역학, 통계 역학, 컴퓨터 계산 등을 이용하여 원자와 분자의 구조와 화학 결합, 그리고 화학 반응 과정을 이론적으로 연구하는 분야이다. 이론화학은 화학 구조에 관한 연구와 화학 동역학에 대한 연구로 크게 나눌 수 있다.화학 구조에 관한 연구는 (1) 전자 구조 및 퍼텐셜 에너지 표면, (2) 회전 및 진동 운동, (3) 응집계 및 바이오 분자를 포함한 거대분자에서의 평형 특성 등에 관한 연구를 포함한다. 화학 반응 동역학에 대한 연구는 (1) 이분자 충돌 이론과 에너지 전이, (2) 단분자 분해 반응과 준안정 상태, (3) 응집계와 거대분자에서의 동역학 등에 관한 연구로 이루어져 있다.
현대 과학은 실험, 이론, 그리고 계산의 세 분야로 이루어졌다고 할 수 있다. 화학 연구에서는 물질과 전자기파(빛)의 상호작용을 연구하는 분광학이 구조와 반응 연구에 보편적으로 사용된다. 이론 화학은 분광학 실험 결과를 이론적으로 설명할 뿐만 아니라, 새로운 반응 경로를 예측할 수 있도록 해준다.
개요
이론화학은 현대 화학의 이론적 무기고에 속하는 이론적 일반화를 개발하는 화학의 한 분야이다. 예를 들어 화학 결합, 화학 반응, 원자가, 포텐셜 에너지 표면, 분자 궤도, 궤도 상호작용, 분자 활성화 등의 개념이 이에 해당한다.
이론화학은 화학의 모든 분야에 공통된 원칙과 개념을 결합한다. 이론 화학의 틀 내에서는 화학 법칙, 원칙, 규칙의 체계화와 함께 이들의 정교화와 세부화, 계층 구조의 구축이 이루어진다. 이론 화학의 중심은 분자 시스템의 구조와 속성의 상호 연결성에 관한 학설에 있다. 이론 화학은 화학 시스템의 구조와 동적 특성을 설명하기 위해 수학적 및 물리적 방법을 사용하여 이들의 열역학적 및 동역학적 특성을 이해하고 예측하려고 한다. 화학 현상을 이론 물리학 방법으로 설명하는 데 중점을 두며, 복잡한 화학 시스템과 관련하여 이론화학은 근사 수학적 방법 외에도 준경험적 및 경험적 방법을 자주 사용한다.
최근 몇 년간 이론 화학은 주로 양자 화학, 즉 화학 문제에 양자 역학을 적용하는 것으로 구성된다. 주요 구성 요소에는 분자 동역학, 통계 열역학, 전해질 용액 이론, 반응 네트워크, 중합, 촉매, 분자 자성 및 분광학 등이 포함된다.
현대 이론 화학은 대략 화학 구조 연구와 화학 동역학 연구로 나눌 수 있다. 전자는 전자 구조, 포텐셜 에너지 표면, 힘장, 진동-회전 운동, 응축상 시스템 및 거대 분자의 평형 특성에 대한 연구를 포함한다. 화학 동역학은 이분자 반응 속도론과 반응 및 에너지 전달의 충돌 이론, 일분자 반응 속도론 및 준안정 상태, 응축상 및 거대분자 역학 측면을 포함한다.
이론 화학의 분야
이론 화학은 양자 화학, 반응 동역학, 계산 화학 등으로 나눌 수 있지만, 각 분야의 연구는 밀접하게 연관되어 있다. 양자 역학은 이론 화학 모든 분야의 기초가 되는 이론이다. 예를 들어, 통계 역학은 양자 화학으로 구한 원자 수준의 특성에 기초하여, 계의 평균적인 특성을 설명한다. 계산 화학은 양자 역학에 기초한 컴퓨터 계산을 통하여, 분자의 구조와 반응을 연구한다. 양자 역학과 통계 역학 등은 물리학의 중요한 부분이기 때문에, 이론 화학 연구에서는 화학과 물리학의 경계가 명확하지 않다.
- 양자화학(quantum chemistry)
양자역학의 이론으로 원자와 분자의 전자 구조를 설명하고, 화학 변화의 본질을 설명한다.
- 분자동역학(molecular dynamics)
컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 원자와 분자의 운동을 연구한다. 일정한 시간 동안 일어나는 원자와 분자의 상호작용을 이론적으로 관찰한다. 입자의 궤적은 보통 뉴턴 역학의 계산으로 결정되며, 입자 사이에 작용하는 힘과 퍼텐셜 에너지는 입자 사이의 퍼텐셜과 힘의 장으로 계산한다.
- 계산화학(computational chemistry)
컴퓨터 프로그램과 시뮬레이션을 통하여 화학적 현상을 연구하고 설명한다. 계산 화학은 실험 결과를 이론적으로 설명할 뿐만 아니라 실험적으로 관찰하기 힘든 화학 변화를 예측할 수도 있다.
- 분자모델링(molecular modeling)
정확한 양자 역학적 계산을 통하지 않고, 컴퓨터 계산으로 분자의 구조를 찾아낸다. 분자 모델링 연구는 간단한 화합물의 구조 규명뿐만 아니라 약물 설계 및 물질과학 연구에 이용된다.
- 통계역학(statistical mechanics)
화학 시스템의 평균적인 특성을 확률론적인 방법으로 연구한다. 통계 역학은 특히 화학적 시스템의 열역학적 거동을 설명할 때 사용된다.
- 수리화학
양자 역학을 참조하지 않고 수학적 방법을 사용하여 분자 구조를 논의하고 예측한다.
- 화학반응속도론
반응성 화학 물질과 활성화된 복합체 및 이에 관련된 미분 방정식의 동적 시스템을 이론적으로 연구합한다.
- 화학정보학
컴퓨터와 정보 기술을 활용해 화학 분야의 문제를 해결한다.
- 화학공학
산업 공정에 화학을 적용해 연구와 개발을 수행하여 신제품과 기존 제품 및 제조 공정을 개선한다.
- 화학열역학
화학 반응 및 과정에서 열, 일, 에너지 간의 관계를 연구하며, 반응 자발성과 평형을 이해하기 위해 엔트로피, 엔탈피, 깁스 자유 에너지에 중점을 둔다.
관련 학문
이론화학의 주요 응용 분야는 전통적으로 다음 연구 분야에 있었다:
- 원자물리학: 전자와 원자핵을 다루는 학문 분야이다.
- 분자물리학: 원자핵을 둘러싼 전자와 핵의 운동을 다루는 분야이다. 일반적으로 소수의 원자로 이루어진 분자를 기체 상태에서 연구하지만, 분자물리학을 화학 물질의 대량 특성에 대한 연구로 보기도 한다.
- 물리화학과 화학물리학: 레이저 기술, 주사 터널링 현미경 등 물리적 방법을 통해 화학을 연구하는 분야이다. 물리화학은 화학의 한 분야로, 화학물리학은 물리학의 한 분야로 구분된다. 그러나 실제로 이 구분은 다소 모호하다.
- 다물체 이론: 다수의 구성 요소를 포함하는 시스템에서 발생하는 효과를 연구하는 학문으로, 주로 양자 물리학과 양자 전기역학을 기반으로 한다.
따라서 이론 화학은 하나의 연구 분야로 자리 잡게 되었다. 밀도 함수 이론(DFT)과 분자 역학 등의 새로운 방법이 등장하면서, 응용 범위가 생화학, 응집물질 물리학, 나노기술, 분자 생물학 등 다양한 화학 및 물리학 관련 분야로 확장되었다.
참고자료
- 〈이론 화학〉, 《화학백과》
- "Theoretical chemistry", Wikipedia
같이 보기
