El primer paso para resolver un problema químico cuántico suele ser resolver la ecuación de Schrödinger (o ecuación de Dirac en química cuántica relativista) con el Hamiltoniano molecular electrónico. Esto se llama determinar la estructura electrónica de la molécula. Se puede decir que la estructura electrónica de una molécula o cristal implica esencialmente sus propiedades químicas. Una solución exacta para la ecuación de Schrödinger solo se puede obtener para el átomo de hidrógeno (aunque las soluciones exactas para las energías de estado enlazado del ion molecular de hidrógeno se han identificado en términos de la función W generalizada de Lambert). Dado que todos los demás sistemas atómicos o moleculares involucran los movimientos de tres o más «partículas», sus ecuaciones de Schrödinger no se pueden resolver exactamente y, por lo tanto, se deben buscar soluciones aproximadas.
Enlace de valencia
Aunque la base matemática de la química cuántica había sido establecida por Schrödinger en 1926, se acepta generalmente que el primer cálculo verdadero en química cuántica fue el de los físicos alemanes Walter Heitler y Fritz London sobre la molécula de hidrógeno (H2) en 1927. El método de Heitler y Londres fue ampliado por el físico teórico estadounidense John C. Slater y el químico teórico estadounidense Linus Pauling para convertirse en el método de enlace de valencia (VB). En este método, la atención se dedica principalmente a las interacciones en parejas entre átomos, y este método por lo tanto se correlaciona estrechamente con los dibujos de enlaces de los químicos clásicos. Se centra en cómo los orbitales atómicos de un átomo se combinan para dar enlaces químicos individuales cuando se forma una molécula, incorporando los dos conceptos clave de hibridación orbital y resonancia.
Orbitaleditar molecular
Un enfoque alternativo fue desarrollado en 1929 por Friedrich Hund y Robert S. Mulliken, en el que los electrones se describen mediante funciones matemáticas deslocalizadas sobre una molécula entera. El enfoque Hund-Mulliken o método de orbital molecular (MO) es menos intuitivo para los químicos, pero ha resultado capaz de predecir las propiedades espectroscópicas mejor que el método VB. Este enfoque es la base conceptual del método Hartree – Fock y otros métodos posteriores a Hartree–Fock.
Teoría funcional de la densidadeditar
El modelo de Thomas–Fermi fue desarrollado independientemente por Thomas y Fermi en 1927. Este fue el primer intento de describir sistemas de muchos electrones sobre la base de densidad electrónica en lugar de funciones de onda, aunque no tuvo mucho éxito en el tratamiento de moléculas enteras. El método proporcionó la base para lo que ahora se conoce como teoría funcional de densidad (DFT). La DFT moderna utiliza el método Kohn-Sham, donde la densidad funcional se divide en cuatro términos; la energía cinética Kohn–Sham, un potencial externo, energías de intercambio y correlación. Gran parte del enfoque en el desarrollo de DFT se centra en mejorar los términos de intercambio y correlación. Aunque este método está menos desarrollado que los métodos post Hartree-Fock, sus requisitos computacionales significativamente más bajos (escalado típicamente no peor que n3 con respecto a n funciones básicas, para los funcionales puros) le permiten abordar moléculas poliatómicas más grandes e incluso macromoléculas. Esta asequibilidad computacional y, a menudo, una precisión comparable a MP2 y CCSD (T) (métodos post-Hartree–Fock) lo ha convertido en uno de los métodos más populares en química computacional.