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理論化學 運用非實驗的推算來解釋或預測化合物的各種現象。近年來，理論化學主要包括量子化學，即應用量子力學來解決化學問題。理論化學可以泛泛地分為電子結構、動力學和統計力學幾個方面。在解決預測化合物的反應活性的問題時，這幾個方面都可能不同程度地涉及到。理論化學其他「五花八門的」 研究領域包括對處於各物態的大塊物質化學的數學表徵(例如，化學動力學的研究)和研究更晚近的數學進展在基礎研究的適用性(例如拓撲學原理在研究電子結構方面的可能應用)。理論化學的這一方面有時被稱為數學化學。
理論化學的很大一部分可以被歸類為計算化學，雖然計算化學通常指的是理論化學的具體應用並設計一些近似處理，例如一些後哈特里-福克類型的方法，密度泛函理論， 半經驗方法 (如PM3) 或 各種力場方法。有些化學理論家應用統計力學提供了聯繫量子世界的微觀現象和體系大塊物質的宏觀性質的橋梁。
理論上解決化學問題可以追溯到化學發展的早期，但直到奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤導出薛定諤方程之前，可用的理論工具相當粗糙，並有很大猜測性質。現在，基於量子力學的複雜得多的方法已很普遍。
歷史上，理論化學應用的主要研究領域包括：
- 原子物理學：研究圍繞原子核運動的電子的科學
- 分子物理學：研究圍繞組成分子的原子核運動的電子及原子核運動的科學。這個術語通常指的是對由少數原子組成的氣態分子的研究。但有些人認為分子物理學也包括在分子水平上研究化合物的宏觀性質。
- 物理化學及化學物理學：運用物理方法研究化學，諸如激光技術，隧道掃描顯微鏡等等。這兩個研究領域之間的形式上的區別在於物理化學是化學的一個分支而化學物理學是物理學的一個分支。實踐中它們並無明顯區別。
因而，理論化學有時被看成是物理學和化學研究領域的一個分支學科。但是，最近隨着密度泛函理論和其他方法如分子力學的興起，理論化學的應用已被擴展至與其他化學和物理研究領域相關的化學體系，例如生物化學，凝聚態物理學, 納米技術或分子生物學。
- 吉林大學理論化學實驗室
- 南京大學理論與計算化學研究所
- 廈門大學理化與計算化學中心
- 清華大學理論化學中心，2013年5月，清華大學化學系成立理論化學中心。
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