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理論化学とは、現代化学の理論的基盤の一部となる理論的一般化を発展させる化学の一分野である。例えば、化学結合、化学反応、原子価、ポテンシャルエネルギー面、分子軌道、軌道相互作用、分子活性化といった概念が挙げられる。
理論化学は、化学のあらゆる分野に共通する原理と概念を統合する学問です。理論化学の枠組みの中では、化学法則、原理、規則の体系化、それらの精緻化と詳細化、そして階層構造の構築が行われます。理論化学の中心をなすのは、分子系の構造と性質の相互関連性に関する理論です。理論化学は、数学的および物理学的手法を用いて化学系の構造とダイナミクスを説明し、その熱力学的および速度論的性質を相関させ、理解し、予測します。最も一般的な意味では、理論物理学の手法による化学現象の説明と言えます。理論物理学とは対照的に、化学系の複雑さゆえに、理論化学は近似的な数学的手法に加えて、半経験的および経験的な手法をしばしば用います。
近年では、主に量子化学、すなわち量子力学を化学の問題に応用する分野が中心となっている。その他の主要な分野としては、分子動力学、統計熱力学、電解質溶液の理論、反応ネットワーク、重合、触媒作用、分子磁性、分光法などが挙げられる。
現代の理論化学は、大きく分けて化学構造の研究と化学動力学の研究に分類できる。前者は、電子構造、ポテンシャルエネルギー面、力場、振動回転運動、凝縮相系および高分子の平衡特性の研究を含む。後者は、二分子反応速度論、反応の衝突理論、エネルギー移動、単分子反応速度論、準安定状態、凝縮相および高分子における動力学の側面を含む。
歴史的に見て、理論化学の主な応用分野は以下の研究分野である。
そのため、理論化学は研究分野として確立されました。密度汎関数理論や分子力学などの手法の発展に伴い、その応用範囲は生化学、凝縮系物理学、ナノテクノロジー、分子生物学など、化学や物理学の他の分野に関連する化学系にまで拡大しました。