Определение свойств вещества на основе химическойформулы

[prof.uskov]

Возник вопрос, если известна химическая формула вещества, а также атомная масса входящих в него элементов, можно ли путем решения уравнений квантовой механики определить свойства вещества: плотность, температуры кипения и замерзания, теплопроводность, удельную проводимость, цвет, химические свойства и т.п.?

[madschumacher]

Только на основании квант.меха.

Теоретически (для всего вышеперечисленного): да.
Практически:

prof.uskov в сообщении #1191524 писал(а):

плотность, температуры кипения и замерзания, теплопроводность

оооооооооочень сложно (скорее нет, чем да, причём не важно для какой системы)

prof.uskov в сообщении #1191524 писал(а):

удельную проводимость,

вроде, можно, для кристаллов, (правда, с погрешностью и неопределённостью, т.к. при решении, насколько знаю, используют обычно DFT).

prof.uskov в сообщении #1191524 писал(а):

цвет, химические свойства

Когда как: и да и нет. Но надо конкретизировать о каком веществе идет речь.

Суть практической сложности: для описания большинства процессов (кипение, замерзание) и свойств (плотность, проводимость) необходимо моделировать большие объемы систем (т.к. это макроскопические свойства). Ну а решить уравнение Шрёдингера (фон Неймана, Гейзенберга, да хоть какое) для столь больших систем -- очень сложно. С цветом та же самая проблема. Цвет пара молекул определить -- задача (на данный момент) -- раз плюнуть. Цвет в растворе -- очень сильно зависит от растворителя, молекулы и т.д. Цвет кристалла -- та же фигня, что и для макроскопических объектов.

А вот "химические свойства" -- это некорректно поставленная задача (не по Адамару, конечно, но всё же). Если "определить вероятность протекания данной реакции" -- то для простых реакций в газе -- скорее да, чем нет. В растворе -- тоже иногда удаётся. Но это всё ещё передний край науки.

Ну и плюс, там периодически от квант.меха отходят, что-то накрывают ковром для чего-то придумывают более высокоуровневые модели, что-то уже не ведёт себя квантово, короче упрощают себе жизнь вычислительную.

[prof.uskov]

Вещества: водород, кислород, вода...
А в чем трудность, почему нельзя? Слишком сложные уравнения, которые не удается решить даже на современном компьютере?

[Munin]

Кристалл резко проще макрообъекта. Обычно для него достаточно расчётов в объёме кристаллической ячейки, иногда - поверхностные свойства отдельно. Например, плотность, теплопроводность, проводимость, цвет (прозрачного) кристалла, показатель преломления - это всё считается методами ФТТ с 50-х годов.

[madschumacher]

prof.uskov в сообщении #1191529 писал(а):

Вещества: водород, кислород, вода...

ну Вы тоже даёте. Вода бывает твёрдая, жидкая, газообразная, сверхкритическая. Одних только видов льда куча.
В газе -- нет проблем. Там 1-10 молекул (у воды есть прочные кластеры при не очень высоких температурах) достаточно, чтобы вытянуть все необходимые штуки (например, численно смоделировать уравнение состояния).
Но Вы представьте себе жидкую воду (она в этом смысле ещё тот адище для моделей). Там есть водородные связи, атомы водорода даже при температурах выше комнатной всё ещё ведут себя квантово, а рассматривать для получения той же плотности нужно $\sim 10^3$ молекул хотя бы. А тут уже о решении чисто электронной задачи уж и говорить не надо (в каждой молекуле воды есть 10 электронов)...

А вот в кристаллах всё опять становится хорошо -- есть трансляционная симметрия $\rightarrow$ можно "откусить" элементарную ячейку (ЭЯ) и смотреть только на неё. Правда, чем больше ЭЯ ячейка, тем опять всё опять становится хуже.

Munin в сообщении #1191549 писал(а):

Например, плотность, теплопроводность, проводимость, цвет (прозрачного) кристалла, показатель преломления - это всё считается методами ФТТ с 50-х годов.

значит я наврал:

madschumacher в сообщении #1191527 писал(а):

Цвет кристалла -- та же фигня, что и для макроскопических объектов.

Блин.

[prof.uskov]

Munin в сообщении #1191549 писал(а):

Кристалл резко проще макрообъекта. Обычно для него достаточно расчётов в объёме кристаллической ячейки, иногда - поверхностные свойства отдельно. Например, плотность, теплопроводность, проводимость, цвет (прозрачного) кристалла, показатель преломления - это всё считается методами ФТТ с 50-х годов.

А ФТТ - это физика твердого тела?

По сути, периодическая таблица Менделеева - это простейшая эмпирическая закономерность, связывающая число протонов в ядре и химические свойства... выявлена, еще до всякой квантовой механики.
Есть ли еще подобные, но более тонкие закономерности?

[madschumacher]

prof.uskov в сообщении #1191577 писал(а):

А ФТТ - это физика твердого тела?

да

prof.uskov в сообщении #1191577 писал(а):

По сути, периодическая таблица Менделеева - это простейшая эмпирическая закономерность, связывающая число протонов в ядре и химические свойства... выявлена, еще до всякой квантовой механики.

Простейшая... за неё вообще-то хотели Нобеля дать (да не успели). И выявлена она была до того, как вообще узнали о протоне. Это был гигантский труд и колоссальное научное достижение.

prof.uskov в сообщении #1191577 писал(а):

Есть ли еще подобные, но более тонкие закономерности?

А Вы откройте на досуге учебник по какой-нть химии. Много чего интересного узнаете.
(как бы вся химия и некоторые разделы физики этими закономерностями и занимаются)

[prof.uskov]

madschumacher в сообщении #1191580 писал(а):

А Вы откройте на досуге учебник по какой-нть химии. Много чего интересного узнаете.
(как бы вся химия и некоторые разделы физики этими закономерностями и занимаются)

Ну не помню я ни физики, ни химии, да и изучал только общий курс для инженеров... не моя специальность... не нужно смеяться. Поэтому и спрашиваю у тех, кто в теме...
Но заинтересовало меня вот что. В теории систем есть понятие эмердже́нтность — наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих её элементам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов; ...

И вот как раз рассматриваемая задача... мы знаем кирпичики и их свойства... но собрав вместе предсказать свойства системы очень сложно...

Еще вопрос, проблема только в вычислительной сложности, на уровне теории все вполне поддается расчетам (имея бесконечную вычислительную мощность, все решаемо) или все же есть проблемы, которые пока не решены (все ли уравнения есть для решения задачи) или даже есть проблемы, которые принципиально не могут быть решены?

[arseniiv]

На уровне теории вся химия считается, если даны распределения заряда и количества нейтронов и протонов в ядрах, потому что квантовая электродинамика (КЭД) очень-очень точна, а больше ничего для химии не нужно. Если не давать распределения заряда в ядре, не в курсе, насколько там всё доказано, т. к. мы выйдем за рамки КЭД, чтобы это считать. Проблема однако в том, что алгоритмы определённой сложности от данных интересующей размерности не станут технически подъёмны для нас вообще, можно думать, никогда. Хотя физика тут хороша тем, что можно выбрать точность. Но оценки на неё будут соответствующие.

madschumacher в сообщении #1191580 писал(а):

Это был гигантский труд и колоссальное научное достижение.

Именно, потому что, насколько я знаю, к моменту составления таблицы атомные массы некоторых элементов были измерены совсем уж неправильно (бериллий?), и если бы их упорядочивать по ним, получался не тот порядок.

-- Пт фев 10, 2017 23:58:11 --

(И плюс странности изотопных составов элементов. И плюс вообще кучу всего.)

[warlock66613]

arseniiv в сообщении #1191590 писал(а):

Хотя физика тут хороша тем, что можно выбрать точность.

А ещё тем, что можно смешивать эксперимент и теорию. Если мы, допустим, не можем достаточно точно вычислить зонную структуру какого-нибудь кристалла, то можем её вычислить её очень грубо, потом уточнить из эксперимента, а дальше ту же проводимость считать уже на основе экспериментального результата.

[prof.uskov]

arseniiv в сообщении #1191590 писал(а):

Проблема однако в том, что алгоритмы определённой сложности от данных интересующей размерности не станут технически подъёмны для нас вообще, можно думать, никогда. Хотя физика тут хороша тем, что можно выбрать точность. Но оценки на неё будут соответствующие.

Интересное замечание. Если рассматривать химические элементы, как исходные данные для построения модели Вселенной, то свойства Вселенной принципиально непредсказуемы... здесь немного пофантазирую... так как процесс вычисления на компьютере размером со Вселенную займет времени больше, чем время существования Вселенной.

[Munin]

madschumacher в сообщении #1191569 писал(а):

значит я наврал

Всё окей. Просто вы химик, а тут поляна твердотельщиков. Кажется, даже цвет металлов объясняют просто зонной структурой.

arseniiv в сообщении #1191590 писал(а):

Именно, потому что, насколько я знаю, к моменту составления таблицы атомные массы некоторых элементов были измерены совсем уж неправильно (бериллий?), и если бы их упорядочивать по ним, получался не тот порядок.

Плюс дырки как в атомных весах, так и в известном на тот момент наборе элементов (часть из которых Менделеев предсказал!).

-- 10.02.2017 23:24:12 --

prof.uskov в сообщении #1191577 писал(а):

А ФТТ - это физика твердого тела?

Да, solid state physics (уже пару десятилетий как вошедшая в состав более широкой condensed matter, "condmat", русский перевод не устоялся).

-- 10.02.2017 23:26:36 --

prof.uskov в сообщении #1191588 писал(а):

Но заинтересовало меня вот что. В теории систем есть понятие эмердже́нтность

Об эмерджентности говорят, если речь о молекулах, которые начинают на каком-то моменте жить, заниматься естественным отбором, передавать информацию и эволюционировать. А иногда даже трепаться на форумах.

А вся остальная химия - это не эмерджентность, это слишком слабо для эмерджентности.

[prof.uskov]

Munin в сообщении #1191615 писал(а):

prof.uskov в сообщении #1191588 писал(а):

Но заинтересовало меня вот что. В теории систем есть понятие эмердже́нтность

Об эмерджентности говорят, если речь о молекулах, которые начинают на каком-то моменте жить, заниматься естественным отбором, передавать информацию и эволюционировать. А иногда даже трепаться на форумах.

А вся остальная химия - это не эмерджентность, это слишком слабо для эмерджентности.

Поясните, пожалуйста, почему не эмерджентность?

[arseniiv]

Ну, тогда, вероятно, всё пордяд придётся называть эмерджентностью.

Munin в сообщении #1191615 писал(а):

Плюс дырки как в атомных весах, так и в известном на тот момент наборе элементов (часть из которых Менделеев предсказал!).

Вот про дырки в атомных весах даже не знал. Думал, все были определены.

[Pphantom]

arseniiv в сообщении #1191630 писал(а):

Вот про дырки в атомных весах даже не знал. Думал, все были определены.

Для этого нужно было точно знать формулы соединений, в которые соответствующие элементы входили, а с этим были проблемы, поскольку валентности многих элементов были определены с ошибками. Если бы все веса были известны правильно, задача Менделеева была бы намного проще, а так он некоторые неправильно определенные, наоборот, поправил. Кажется, самый известный пример такого рода - бериллий.