thumb|right|250px|Razlika elektronske gostote klorovega atoma adsorbiranega na površino bakra je rezultat simulacije na osnovi teorije gostotnega funkcionala. Računska kemija je veja kemije, ki uporablja načela računalništva za pomoč pri reševanju kemijskih problemov. Rezultati teoretične kemije se uporabljajo v zmogljivih računalniških programih za izračun strukture in lastnosti molekul in snovi. Rezultati izračunov običajno dopolnjujejo eksperimentalno dobljene podatke, v določenih primerih pa lahko napovejo tudi prezrte kemijske pojave. Računska kemija se pogosto uporalja pri snovaju novih zdravil in materialov.
Lastnosti izbranega sistema, ki se najpogosteje izračunajo so struktura (položaj atomov v sistemu), absolutne in relativne (interakcijske) energije sistema, razporeditev elektronskih gostot, dipolni in multipolni momenti, vibracijske frekvence, reaktivnost, in prečni preseki pri trkih z osnovnimi delci.
Računske metode se uporabljajo za izračun tako statičnih (struktura sistema v osnovnem stanju), kot tudi dinamičnih kemijskih problemov (struktura sistema v vzbujenem stanju, npr. med kemijsko reakcijo). V vseh primerih procesorski čas in ostali viri (pomnilnik, prostor na trdem disku) narašča zelo hitro z velikostjo obravnavanega sistema. Sistem je lahko ena sama molekula, skupek molekul ali celo trdnina. Računske metode v kemiji obsegajo širok interval natančnosti; od zelo natančnih do precej približnih, pri čemer se za izbiro metode po navadi odločimo na podlagi velikosti sistema. Ab initio (sl.: od začetka) metode so zelo natančne in sisteme obravnavajo zgolj na podlagi teoretičnih rezultatov, medtem ko so empirične in semiempirične manj natančne, ker za opis določenih elementov teorije uporaljajo nekatere eksperimentalne rezultate, pogosto iz splošno prevzetih modelov in primerljivih molekul.
Tako ab initio kot semiempirični pristop uporabljata določene približke; od poenostavitev v teoretično izpeljanih enačbah, zaradi česar jih je enostavneje rešiti, do poenostavitev, ki omejujejo velikost sistema (npr. periodični robni pogoj) in predpostavk, ki so potrebne, da rešitev enačbe sploh najdemo. Pri ab initio izračunih se najpogosteje uporablja Born–Oppenheimerjev približek, ki zaradi predpostavke, da so atomska jedra v primerjavi s hitrostjo elektronov praktično pri miru zelo poenostavi reševanje Schrödingerjeve enačbe. Rezultati ab initio metod se v bistvu približujejo natančnim rešitvam enačb, ko se manjša število uporabljenih približkov. V praksi je nemogoče opustiti vse približke, zato računski rezultati vedno vsebujejo majhno napako. Eden izmed glavnih ciljev računske kemije je zmanjšati napako v rezultatu in ohraniti izračune časovno izvedljive.
V nekaterih primerih nas bolj kot elektronska struktura molekule znima njeno obnašanje v faznem prostoru; npr. konformacija beljakovine in liganda, ki se veže na izbrano beljakovino. V tem primeru je mogoče uporabiti metode, ki delujejo po načelu klasične Newtonove mehanike in so računsko manj zahtevne kot elektronski izračuni, kar omogoča izvedbo časovno daljše molekulske dinamike. Kemoinformatika med drugim uporablja še več empiričnih (tj. časovno manj zamudnih) metod, kot je npr. strojno učenje na fizikalno-kemijskih lastnostih. Tipičen problem kemoinformatike je napovedati vezavno afiniteto molekule zdravila na izbrano tarčo.
Zgodovina Na podlagi novo odkritih teorij kvantne mehanike sta prve teoretične izračune leta 1927 izpeljala Walter Heitler in Fritz London. Knjige, ki so pomembno vplivale na zgodnji razvoj računske kvantne kemije vključujejo Introduction to Quantum Mechanics – with Applications to ChemistryL. Pauling, E. B. Wright (1985) Introduction to Quantum Mechanics – with Applications to Chemistry, Auckland, McGraw-Hill. Linusa Paulinga in Edgarja Brighta Wilsona, Quantum ChemistryH. Eyring, J. Walter (1949), Quantum Chemistry, New York, John Willey & Sons. Henryja Eyringa, Elementary Wave Mechanics – with Applications to Quantum ChemistryW. Heitler (1956), Elementary Wave Mechanics – with Applications to Quantum Chemistry, Oxford, Clarendon Press. W. Heitlerja in kasneje tudi Chrarles Coulsonov učbenik Valence.C. A. Coulson (1961), Valence London, Oxford University Press. Vsaka izmed knjig je služila kot primaren vir kvantnim kemikov v naslednjih desetletjih.
Z razvojem učinkovitejših računalniških tehnologij v 40. letih 20. stoletja je reševanje zapletenih valovnih enačb za kompleksne atomske sisteme postalo uresničljivo. V 50. letih so bile opravljene prve simulacije na osnovi semiempiričnih atomskih orbtitalnih izračunov. Teoretični kemiki so postali intenzivni uporabniki zgodnjih digitalnih računalnikov. Prvi ab initio izračuni na Hartree-Fokovem nivoju za dvoatomsko molekulo so bili izvedeni leta 1956 na MIT, pri izvedbo pa so uporabili bazni set Slaterjevih orbital, leta 1960 pa sta Ransil in Nesbet objavila prvo sistematsko študijo dvoatomskih molekul. Kamlu za tem so izvedli tudi prvo simulacijo večatomne molekul, kjer so kot bazni set uporabili Gaussove orbitale. Do leta 1971, ko so prvič objabili pregled literature s področja ab initio izračunovW. G. Richards (1971), A bibliography of ab initio molecular wave functions Clarendon Press. sta bili največji obravnavani molekuli naftalen in azulenPreuss, H. (1968), Das SCF-MO-P(LCGO)-Verfahren und seine Varianten, International Journal of Quantum Chemistry 2: 651.Buenker, R. J.; Peyerimhoff S. D. (1969), Ab initio SCF calculations for azulene and naphthalene, Chemical Physics Letters 3: 37.
Leta 1964 so z računi na osnovi Hücklove metode molekulskih orbital (metoda uporablja enostavno metodo linearne kombinacije atomskih orbital(LCAO, ang.: linear combination of atomic orbitals) za določanje elektronskih energij molekulskih orbital ogljikovodikov z delokaliziranimi (π in konjugiranimi) elektroni) obravnavali različno kompleksne molekule, od butadiena do benzena in ovalena. Te empirične metode so v 1960. zamenjali s semiempiričnimi metodami, kot je npr. CNDO
V zgodnjih 1970. so se pojavili prvi učinkoviti računalniški programi (ATMOL, GAUSSIAN, IBMOL, POLYATOM), od katerih je program GAUSSIANSpletna stran GAUSSIAN, pridobljeno 29. 6. 2010 poleg velikega števila ostalih programov še vedno v razvoju in uporabi. V istem obdobju se je začel tudi razvoj molekulske mehanike.
Eno izmed prvih omemb računske kemije najdemo v knjigi Computers and Their Role in the Physical Sciences (1970), kjer so s stavkom 'Zdi se, da postaja računska kemija vse bolj in bolj realnost' napovedali hiter in obširen razvoj različnih računskih metod.
Koncepti Termin teoretična kemija lahko definiramo kot matematični opis kemije, medtem ko se termin računska kemija uporablja, ko je določena matematična metoda dovolj razvita, da jo je mogoče avtomatizirati in implementirati v računalniški program. V okviru računske kemije ne uporabljamo besed kot sta natančno in točno, saj je zelo malo pojavov v kemiji, ki jih je mogoče natančno in točno opisati z matematičnimi modeli, lahko pa vsak pojav zadovloljivo opišemo z uporabo kvalitativne ali približno kvantitativne računske sheme.
Ker je snov zgrajena iz atomov se v računski kemiji pogosto uporabljajo koncepti kvantne mehanike. Računski kemiki se po navadi odločajo za reševanje nerelativistične Schrödingerjeve enačbe z dodanimi relativističnimi popravki, v zadnjem času pa se je pojavil napredek tudi pri reševanju Diracovih enačb, ki upoštevajo vse relativistične pojave. V osnovi je mogoče rešiti tako časovno odvisno, kot tudi časovno neodvisno Schrödingerjevo enačbo za pravilno opisan sistem, kar pa je v praksi nemogoče razen za zelo majhne sisteme. Zaradi tega z velikim številom približnih metod skušamo najti najboljše razmerje med natančnostjo in računskimi stroški. Natančnost lahko vedno izboljšamo z večjim računskim vložkom (daljši čas računanja, zmogljivejši računalnik). Opazne napake se lahko pojavijo pri uporabi ab initio modelov pri obrvnavi večelektronskih sistemov, pri katerih je potrebno vključiti popolne relativistične metode, vendar nam računski stroški to onemogočajo. To npr. ovira študij interakcij molekul z atomi z veliko atomsko maso, kot so kovine prehoda in njihove katalitične lastnosti. Z zadovoljivo natančnim reševnjem Schrödingerjeve enačbe je mogoče z današnjimi algoritmi obravnavati sistem, ki vsebuje približno 40 elektronov (propan ima 52 elektronov!), pri čemer so napake pri energiji manjše od 0.01 eV, dolžina vezi in kot pa je mogoče napovedati z natančnostjo nekaj pikometrov, oziroma na 0.5 stopinje. Obravnava večjih molekul z nekaj deset elektroni je računsko izvedljiva z uporabo "približnih" metod kot je teorija gostotnega funkcionala. Na tem področju še vedno obstaja nekaj dilem o tem, ali je z njimi mogoče zadovoljivo opisati kompleksne kemijske reakcije. Velike biološke molekule je mogoče obravnavati s semiempiričnimi metodami, največje biološke molekule, pa se obravnava s klasično molekulsko mehaniko, kamor spada npr. molekulska dinamika. S QM/MM metodami je mogoče majhen del sistema opisati kvantnomehansko (QM), preostali del pa s klasično molekulsko mehaniko (MM).
V teoretični kemiji kemiki, fiziki in matematiki razvijajo algoritme in računalniške programe, s katerimi je mogoče napovedati atomske in molekulske lastnosti in reakcijske mehanizme kemijskih reakcij. Računski kemiki pogosto uporabijo že obstoječ računalniški program ali metodo, in jo prenesejo na specifični sistem. Obstajata dva glavna pogleda na računsko kemijo: Računske simulacije lahko opravimo, da najdemo začetno oporno točko pri laboratorijskih sintezah, ali za pomoč pri razlagi in razumevanju eksperimentalnih podatkov, kot npr. položaj in izvor spektroskopskih vrhov. Računske simulacije lahko služijo kot podlaga za napoved novih, neobstoječih molekul, ali pa z njimi raziskujemo mehanizme, ki jih je z eksperimentalnimi tehnikami zelo težko opazovati.
Računska kemija tako lahko pomaga eksperimentalnim kemikom ali pa jih izzove pri iskanju popolnoma novih kemijskih postopkov in snovi. V računski kemiji lahko definiramo več glavnih področij: Napovedovanje molekulske strukture molekul s klacično mehaniko ali naprednejšimi in natančnejšimi kvantnomehanskimi metodami; Iskanje in gradnja podatkovnih baz kemijskih lastnosti molekul; Iskanje povezave med kemijsko strukturo in lastnostmi molekul; Računski pristopi pri iskanju učinkovitejših sinteznih poti; Računski pristopi pri načrtovanju molekul s specifičnimi lastnostmi (npr, načrtovanje zdravil, katalizatorjev).
Metode Ena sama molekula se lahko nahaja v velikem številu molekulskih izomerov, pri čemer vsak izomer predstavlja lokalni minimum na ti. potencialni energijski ploskvi, ki je funkcija celotne energije (vsota energije elektronov in energije odboja med jedri) v odvisnosti od položaja vseh atomskih jeder. Stacionarna točka se nahaja pri tisti geometriji, kjer je vrednost odvoda funkcije energije glede na vse odmike atomskih jeder enaka nič. Lokalni energijski minimum je stacionarna točka, kjer kakršenkoli odmik vodi do povečnja energije. Minimum, ki da najnižjo vrednost energije se imenuje globalni mimimum in predstavlja najstabilnejšo izomero (obliko) molekule. Če obstaja določen premik koordinat atomskih jeder, pri katerem se energija zmanjša v obeh smereh, stacionarna točka predstavlja prehodno stanje strukture, koordinate pa so reakcijske koordinate. Proces iskanja stacionarnih točk v računski kemiji imenujemo geometrijska optimizacija.