La conexión entre las ecuaciones de Schrodinger y la química práctica sigue este camino:
1. Las propiedades químicas surgen de cómo los electrones se “apilan” alrededor de un núcleo o un conjunto de núcleos que están unidos para formar una molécula.
2. Los electrones, como el agua, tenderán a acumularse de tal manera que los puntos de baja energía se llenen primero. Si tiene una caja con un fondo irregular y vierte agua, el agua tenderá a fluir hacia los puntos bajos y se acumulará desde allí. Si tiene una región del espacio con un campo eléctrico no isotrópico, como un núcleo atómico con cero o más electrones a su alrededor, se organizarán electrones adicionales para minimizar la energía total del sistema.
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3. Aunque los electrones tienen una masa muy pequeña y una carga que los atrae a los núcleos atómicos, no son atraídos hacia el núcleo como la teoría electrostática clásica predeciría ni orbitaría el núcleo exactamente de la manera que predeciría la electrodinámica clásica. En cambio, el electrón se extiende sobre el espacio tridimensional en una función de densidad de probabilidad que se describe con precisión por la ecuación de Schrodinger y las reglas de la mecánica cuántica.
4. Dada una disposición de núcleos y electrones, la ecuación de Schrodinger puede, en teoría, usarse para calcular la energía del sistema en función de la disposición espacial de los distintos núcleos y electrones. Se pueden usar medios iterativos para encontrar arreglos que minimicen la energía del sistema.
5. Las perturbaciones de configuraciones de energía mínima se pueden usar para predecir la estabilidad de estas configuraciones o estructuras moleculares cuando se someten a excitación térmica en un conjunto de moléculas a una temperatura particular o alguna otra entrada de energía, como campos magnéticos variables de irradiación de fotones o choque mecánico.
En general, tenemos reglas empíricas que predicen cómo una amplia variedad de compuestos químicos tienden a interactuar y reaccionar en condiciones con las que tenemos experiencia. También tenemos varios tipos de espectroscopía y cristalografía que nos permiten deducir cuáles son las estructuras moleculares estables. Sin embargo, el proceso de desarrollar nuevas reglas generales para combinaciones no probadas de productos químicos y elementos, identificar minuciosamente los compuestos recientemente desarrollados a través de la espectroscopía y dilucidar sus estructuras moleculares estables a través de la cristalografía no es ideal, incluso cuando es posible.
La ecuación de Schrodinger permite la posibilidad de determinar iterativamente qué configuraciones moleculares son estables y qué estados de transición intermedios son la energía más baja para que podamos predecir cómo los químicos interactuarán y reaccionarán bajo diversas condiciones. Desafortunadamente, las únicas soluciones analíticas disponibles son para casos muy simples como el átomo de hidrógeno de un solo electrón y luego solo si hacemos suposiciones simplificadoras suponiendo que el movimiento de los núcleos es insignificante y descuidando los términos de energía cinética. Afortunadamente, podemos calcular soluciones numéricas para la ecuación de Schrodinger y si descuidamos las interacciones distantes, asumimos núcleos fijos masivos y hacemos algunas otras simplificaciones, podemos calcular las energías del sistema para moléculas de múltiples electrones y múltiples átomos y determinar las estabilidades relativas de varias configuraciones teóricas. También podemos hacer cálculos de interacción molecular que se pueden usar para predecir propiedades macroscópicas como la capacidad de calor o el módulo de tracción.
Ahora es teóricamente posible realizar cálculos ab-initio completos en construcciones moleculares teóricas completamente arbitrarias utilizando la ecuación de Schrodinger para predecir configuraciones moleculares estables y estados de transición estables y configuraciones finales para mecanismos de reacción teóricos. Pero dados los recursos informáticos finitos, estos cálculos generalmente implican un gran número de simplificaciones, suposiciones y conjeturas educadas para que los cálculos numéricos sean prácticos. Incluso entonces, generalmente es necesario validar las predicciones teóricas frente a las reacciones de laboratorio antes de confiar en los resultados puramente computacionales.
Por lo tanto, creo que la mejor manera de pensar sobre la ecuación y la química de Schrodinger tal como están las cosas hoy en día es verla como una herramienta que se puede utilizar para ajustar la comprensión de los sistemas que se han caracterizado bien experimentalmente o proporcionar una guía aproximada para sistemas donde poco o nada Se han recopilado datos experimentales.
