Beräkningskemi använder matematik och datorer för att lösa kemiska problem. Genom att använda datorprogramvara kan kemister simulera experimentella resultat och hitta egenskaper hos ämnen. Området beräkningskemi hjälper till att utforska saker som annars skulle vara svåra eller kostsamma att hitta på grund av den lilla naturen hos molekyler, atomer och nanopartiklar. Mycket av fältet är baserat på Schrodinger-ekvationen, som modellerar atomer och molekyler med hjälp av matematik. Ab initio, semi-empirisk och molekylär mekanik är metoder för beräkningskemi som ofta används för att analysera molekylära strukturer.
Beräkningskemiprocessen börjar med att titta på en teori, till exempel den elektroniska strukturteorin. Detta hjälper till att bestämma rörelsen hos elektronerna i en molekyl. Vid denna punkt, med hjälp av matematiska ekvationer, kan en basuppsättning bestämmas baserat på beräkningarna. Denna information kan matas in i datorprogramvara för att beskriva sådana saker som vågfunktionen, som kan användas för att skapa modeller av andra fysiska egenskaper hos molekylen. Kemister kan se en modell av molekylens orbitaler, börja förutsäga experimentella strukturer och titta på molekylens energi.
Genom att använda ab initio kan kemister titta på fysikaliska egenskaper hos ett ämne och använda Schrodinger-ekvationen för att ta reda på fysikaliska egenskaper hos molekyler. Detta inkluderar sådana saker som molekylernas geometri, dipolmomentet och energin i en reaktion. Vibrationsfrekvenser, reaktionshastigheten och fri energi kan också hittas med ab initio. Eftersom dessa fysikaliska egenskaper är extremt svåra att lösa, är det nödvändigt för beräkningskemister att förenkla dem tillräckligt för att de fysikaliska egenskaperna kan hittas och fortfarande vara korrekta.
Molekylär mekanik är en metod för beräkningskemi som används i biokemiska experiment och tillämpningar. Denna metod kan användas för större strukturer som enzymer och förlitar sig på traditionell fysik, men kan inte beräkna elektroniska egenskaper hos ämnen. Området beräkningskemi förändras ständigt i takt med att tekniken går framåt och nya teorier utvecklas.
Dessa tekniker tillåter kemister att undersöka strukturer som skulle vara nästan omöjliga att titta på annars, på grund av deras extremt lilla storlek. Nanopartiklar, som är mindre än atomer, kan modelleras för användning i applikationer som elektronik, sprängämnen och medicin. Eftersom mycket av beräkningskemin är baserad på modellering av kända egenskaper, finns det utrymme för fel i dessa experiment. Det är därför avancerad utbildning och kunskap i kemi och forskning är nödvändig för att arbeta inom beräkningskemi.