Teori Kuantum dalam Kimia adalah kerangka kerja penting yang digunakan untuk menjelaskan ikatan kimia, struktur molekuler, dan sifat-sifat materi di tingkat sub-atom. Teori ini merupakan salah satu pencapaian terpenting dalam kimia modern dan telah memungkinkan kita untuk memahami dan memprediksi perilaku kimia materi dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi. Teori Kuantum Ikatan Kimia mengintegrasikan prinsip-prinsip dasar mekanika kuantum dengan konsep-konsep kimia, dan dalam tulisan sederhana ini, kita akan membahas teori ini dalam konteks yang lebih mendalam.
1. Dasar-Dasar Mekanika Kuantum: Teori Kuantum Ikatan Kimia didasarkan pada prinsip-prinsip dasar mekanika kuantum, yang dikembangkan oleh fisikawan seperti Erwin Schrödinger dan Werner Heisenberg pada awal abad ke-20. Prinsip-prinsip ini menyatakan bahwa partikel sub-atom, seperti elektron, memiliki sifat-sifat dualitas gelombang-partikel. Elektron, sebagai contoh, dapat berperilaku sebagai gelombang elektron dan partikel elektron secara bersamaan.
2. Orbital Elektron: Dalam Teori Kuantum Ikatan Kimia, konsep orbital elektron sangat penting. Orbital adalah daerah di sekitar inti atom di mana terdapat probabilitas tinggi menemukan elektron. Orbitals memiliki berbagai bentuk dan energi, yang dapat dijelaskan oleh persamaan Schrödinger. Terdapat dua jenis orbital elektron utama, yaitu orbital s dan orbital p. Orbital s berbentuk seperti bola di sekitar inti atom, sedangkan orbital p berbentuk seperti dumbel.
3. Prinsip Eksklusi Pauli dan Aturan Hund: Prinsip Eksklusi Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam atom yang dapat memiliki semua empat bilangan kuantum yang sama. Hal ini berarti setiap orbital dapat diisi oleh maksimal dua elektron dengan spin yang berlawanan. Aturan Hund menjelaskan bahwa elektron cenderung terisi terlebih dahulu dalam orbital-orbital tunggal sebelum mulai mengisi orbital dengan pasangan.
4. Ikatan Kimia dan Orbital: Dalam kimia, ikatan antara atom-atom dalam molekul terbentuk melalui berbagi atau transfer elektron. Teori Kuantum Ikatan Kimia menjelaskan cara elektron-elektron ini terdistribusi dalam orbital-orbital atom-atom yang berikatan. Misalnya, dalam ikatan kovalen, dua atom berbagi pasangan elektron dalam orbital yang tumpang tindih, membentuk ikatan kovalen.
5. Teori Orbital Hibrida: Teori orbital hibrida adalah konsep penting dalam Teori Kuantum Ikatan Kimia. Orbital hibrida terbentuk ketika orbital s dan p atom-atom berikatan bergabung untuk membentuk orbital yang memiliki bentuk yang sesuai untuk berikatan. Contoh yang paling umum adalah orbital hibrida sp3, yang digunakan dalam ikatan kovalen tiga dan empat gugus fungsi karbon.
6. Ikatan Ionik: Ikatan ionik terjadi ketika elektron-elektron sepenuhnya ditransfer dari satu atom ke atom lain. Teori Kuantum Ikatan Kimia menjelaskan bahwa dalam ikatan ionik, atom yang mendonorkan elektron (kation) kehilangan elektron dari orbital terluarnya, sementara atom yang menerima elektron (anion) mengisi orbital terluarnya dengan elektron tambahan.
7. Ikatan Logam: Ikatan logam adalah jenis ikatan yang ditemukan dalam logam. Dalam ikatan ini, elektron bebas bergerak di antara inti-inti positif atom dalam suatu struktur kristal. Teori Kuantum Ikatan Kimia menjelaskan bahwa ikatan logam terbentuk karena orbital elektron dari banyak atom logam tumpang tindih, menciptakan “laut elektron” yang memberikan kestabilan pada struktur logam.
8. Teori Hibridisasi Orbital dalam Molekul Organik: Teori orbital hibrida juga penting dalam kimia organik. Dalam molekul organik, atom karbon sering mengalami hibridisasi orbital untuk membentuk ikatan kovalen dengan atom-atom lain. Contoh paling umum adalah sp2 dan sp3 hibridisasi, yang digunakan untuk menjelaskan ikatan dalam senyawa seperti etena (C2H4) dan metana (CH4).
9. Spektroskopi Molekuler: Teori Kuantum Ikatan Kimia juga digunakan untuk menjelaskan berbagai teknik spektroskopi yang digunakan untuk mengidentifikasi dan menganalisis molekul. Teknik seperti spektroskopi inframerah, spektroskopi nuklir resonansi magnetik (NMR), dan spektroskopi ultraviolet-visible (UV-Vis) bergantung pada prinsip-prinsip mekanika kuantum untuk menjelaskan interaksi cahaya dengan materi.
10. Aplikasi dalam Desain Molekul: Teori Kuantum Ikatan Kimia juga digunakan dalam desain molekul dan rekayasa kimia. Dengan menggunakan perangkat lunak komputer dan metode perhitungan kuantum, ilmuwan dapat memprediksi sifat-sifat molekuler dan mengoptimalkan struktur molekul untuk tujuan tertentu, seperti pengembangan obat-obatan, polimer, dan katalis.
Metoda Heitler dan London
Sebagaimana telah dipaparkan, teori Bohr, walaupun merupakan model revolusioner, namun gagal menjelaskan mengapa atom membentuk ikatan. Teori Lewis-Langmuir tentang ikatan kovalen sebenarnya kualitatif, dan gagal memberikan jawaban pada pertanyaan fundamental mengapa atom membentuk ikatan, atau mengapa molekul lebih stabil daripada dua atom yang membentuknya.
Masalah ini diselesaikan dengan menggunakan mekanika kuantum (mekanika gelombang). Segera setelah mekanika kuantum dikenalkan, fisikawan Jerman Walter Heitler (1904-1981) dan fisikawan Jerman/Amerika Fritz London (1900-1954) berhasil menjelaskan pembentukan molekul hidrogen dengan penyelesaian persamaan gelombang sistem yang terdiri atas dua atom hidrogen dengan pendekatan.
Sistemnya adalah dua proton dan dua elektron (gambar di bawah). Mereka menghitung energi sistem sebagai fungsi jarak antar atom dan mendapatkan bahwa ada lembah dalam yang berkaitan dengan energi minimum yang diamati dalam percobaan (yakni pada jarak ikatan) tidak dihasilkan. Mereka mengambil pendekatan lain: mereka menganggap sistem dengan elektron yang posisinya dipertukarkan (gambar di bawah sebelah kanan), dan menghitung ulang dengan asumsi bahwa dua sistem harus menyumbang sama pada pembentukan ikatan. Mereka mendapatkan kemungkinan pembentukan ikatan meningkat, dan hasil yang sama dengan hasil percobaan diperoleh.
Dua keadaan di gambar di atas disebut “beresonansi”. Perbedaan energi antara plot (a) dan (b) disebut energi resonansi. Energi di gambar di bawah adalah energi untuk keadaan dengan spin dua elektronnya sejajar. Dalam keadaan ini, tolakannya dominan, yang akan mendestabilkan ikatan, yakni keadaan antibonding. Metoda Heitler dan London adalah yang pertama berhasil menjelaskan dengan kuantitatif ikatan kovalen. Metoda ini memiliki potensi untuk menjelaskan tidak hanya ikatan yang terbentuk dalam molekul hidrogen, tetapi ikatan kimia secara umum.
Pendekatan Ikatan Valensi
Marilah kita perhatikan metoda Heitler dan London dengan detail. Bila dua atom hidrogen dalam keadaan dasar pada jarak tak hingga satu sama lain, fungsi gelombang sistemnya adalah 1s1(1)1s2(2) (yang berkaitan dengan keadaan dengan elektron 1 berkaitan dengan proton 1 dan elektron 2 berhubungan dengan proton 2 sebagaimana diperlihtakan di gambar pertama (atau 1s1(2)1s2(1) yang berkaitan dengan keadaan dimana elektron 2 terikat di proton 1 dan elektron 1 berikatan dengan proton 2 sebagaimana diperlihatkan gambar paling atas sebelah kanan. Bila dua proton mendekat, menjadi sukar untuk membedakan dua proton. Dalam kasus ini, sistemnya dapat didekati dengan mudah kombinasi linear dua fungsi gelombang. Jadi,
Ψ+ = N+［1s1(1)1s2(2) +1s1(2)1s2(1)］ (3.1)
Ψ–= N–［1s1(1)1s2(2) – 1s1(2)1s2(1)］ (3.2)
dengan N+ dan N- adalah konstanta yang menormalisasi fungsi gelombangnya. Dengan menyelesaikan persamaan ini, akan diperoleh nilai eigen E+ dan E- yang berkaitan dengan gambar. 3.6(a) dan 3.6(b).
Metoda yang dipaparkan di atas disebut dengan metoda ikatan valensi (valence-bond/VB). Premis metoda VB adalah molekul dapat diungkapkan dengan fungsi-fungsi gelombang atom yang menyusun molekul. Bila dua elektron digunakan bersama oleh dua inti atom, dan spin kedua elektronnya antiparalel, ikatan yang stabil akan terbentuk.
Pendekatan Orbital Molekul
Metoda VB dikembangkan lebih lanjut oleh ilmuwan Amerika termasuk John Clarke Slater (1900-1978) dan Linus Carl Pauling (1901-1994). Namun, kini metoda orbital molekul (molecular orbital, MO) jauh lebih populer. Konsep dasar metoda MO dapat dijelaskan dengan mudah dengan mempelajari molekul tersederhana, ion molekul H2+ (gambar 3.7).
(-h2/8π2m)∇2Ψ + VΨ = EΨ (2.21)
maka,
(-h2/8π2m)∇2Ψ +e2/4πε0［(-1/r1) -(1/r2) + (1/R)］Ψ = EΨ (3.3)
Ingat bahwa Ψ2 memberikan kebolehjadian menemukan elektron di dalam daerah tertentu. Bila Anda jumlahkan fungsi ini di seluruh daerah, Anda akan dapatkan kebolehjadian total menemukan elektron, yang harus sama dengan satu. Orbital biasanya dinormalisasi agar memenuhi syarat ini, yakni ∫Ψ2 dxdydz = 1.
Fungsi gelombang sistem ini didapatkan dengan mensubstitusi potensialnya ke dalam persamaan 2.21. Bila elektronnya di sekitar inti 1, pengaruh inti 2 dapat diabaikan, dan orbitalnya dapat didekati dengan fungsi gelombang 1s hidrogen di sekitar inti 1. Demikian pula, bila elektronnya di sekitar inti 2, pengaruh inti 1 dapat diabaikan, dan orbitalnya dapat didekati dengan fungsi gelombang 1s hidrogen di sekitar inti 2.
Kemudian kombinasi linear dua fungsi gelombang 1s dikenalkan sebagai orbital molekul pendekatan bagi orbital molekul H2. Untuk setiap elektron 1 dan 2, orbital berikut didapatkan.
φ+(1) = a[1s1(1) + 1s2(1)]
φ+(2) = a[1s1(2) + 1s2(2)] (3.4)
Orbital untuk molekul hidrogen haruslah merupakan hasil kali kedua orbital atom ini.
Jadi,
Ψ+(1, 2) = φ+(1)･φ+(2) = a[1s1(1) + 1s2(1)] x a[1s1(2) + 1s2(2)]
= a2[1s1(1) 1s1(2) + 1s1(1) 1s2(2) + 1s1(2)1s2(1) + 1s2(1) 1s2(2)] (3.5)
Orbital ini melingkupi seluruh molekul, dan disebut dengan fungsi orbital molekul, atau secara singkat orbital molekul. Seperti juga, orbital satu elektron untuk atom disebut dengan fungsi orbital atom atau secara singkat orbital atom. Metoda untuk memberikan pendekatan orbital molekul dengan melakukan kombinasi linear orbital atom disebut dengan kombinasi linear orbital atom (linear combination of atomic orbital, LCAO).
Latihan metoda VB dan MO
Perbedaan metoda VB dan MO terletak dalam hal seberapa luas kita memperhatikan keadaan elektronik molekulnya. Carilah perbedaan ini dengan membandingkan persamaan 3.1 dan 3.5.
Jawab
Kecuali konstanta, suku kedua dan ketiga dalam persamaan 3.5 identik dengan dua suku di persamaan 3.1. Keadaan elektronik yang dideskripsikan oleh suku-suku ini adalah keadaan molekul sebab setiap elektron dimiliki oleh orbital yang berbeda. Di pihak lain, suku pertama dan keempat persamaan 3.5 mewakili keadaan ionik molekul H+ – H– sebab kedua elektron mengisi orbital atom yang sama. Persamaan 3.1 tidak memiliki suku-suku ini, Jadi, teori MO mempertimbangkan keadaan ionik sementara metoda VN tidak.
Demikianlah bahasan kami mengenai teori kuantum ikatan kimia. Semoga bermanfaat sampai jumpa lagi dengan kami di lain kesempatan. (maglearning.id)
Media Belajar maglearning.id 