Orbital molekul

Sejarah

Kata orbital pertama kali digunakan dalam bahasa Inggris oleh Robert S. Mulliken. Fisikawan Jerman Erwin Schrödinger menulis tentang MO sebelumnya. Schrödinger menyebutnya Eigenfunktion.

Fisikawan Max Born menggambarkan teori di balik orbital molekul pada tahun 1926. Saat ini, teori ini dikenal sebagai aturan Born dan merupakan bagian dari interpretasi Kopenhagen dari mekanika kuantum. Ketika awalnya diusulkan, teori ini tidak sesuai dengan model atom Niels Bohr. Model Bohr menggambarkan elektron sebagai "mengorbit" nukleus, saat mereka bergerak berputar-putar. Namun, model Born akhirnya mendapatkan dukungan populer karena mampu menggambarkan lokasi elektron dalam molekul dan menjelaskan sejumlah reaksi kimia yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan.

Ikhtisar

Orbital atom memprediksi posisi elektron dalam atom. Orbital molekul dibuat ketika orbital atom disatukan. Orbital molekul dapat memberikan informasi tentang konfigurasi elektron suatu molekul. Konfigurasi elektron adalah posisi yang paling mungkin, dan energi dari satu (atau sepasang) elektron. Sebagian besar MO direpresentasikan sebagai kombinasi linier orbital atom (metode LCAO-MO), terutama dalam penggunaan perkiraan. Ini berarti bahwa ahli kimia mengasumsikan peluang elektron berada pada titik mana pun dalam molekul adalah jumlah probabilitas elektron berada di sana berdasarkan orbital atom individu. LCAO-MO adalah model ikatan sederhana dalam molekul, dan penting untuk mempelajari teori orbital molekul.

Ahli kimia teoritis menggunakan komputer untuk menghitung MO dari berbagai molekul (baik nyata maupun imajiner). Komputer dapat menggambar grafik "awan" untuk menunjukkan seberapa besar kemungkinan elektron akan berada di wilayah mana pun. Komputer juga dapat memberikan informasi tentang sifat fisik molekul. Komputer juga dapat mengatakan berapa banyak energi yang diperlukan untuk membentuk molekul. Hal ini membantu para ahli kimia mengatakan apakah beberapa molekul kecil dapat dikombinasikan untuk membuat molekul yang lebih besar.

Sebagian besar cara saat ini dalam melakukan kimia komputasi dimulai dengan menghitung MO dari suatu sistem. Setiap medan listrik MO dihasilkan oleh inti dari semua atom dan beberapa distribusi rata-rata elektron lainnya.

Analogi

Memahami MO seperti tugas mengetahui di mana setiap karyawan berada di toko perbaikan rumah yang besar (tanpa melihat ke dalam toko). Seorang analis mengetahui jumlah karyawan yang bekerja di toko dan departemen masing-masing karyawan. Dia juga tahu bahwa karyawan tidak saling menginjak satu sama lain dan karyawan berdiri di lorong daripada di rak barang dagangan. Karyawan meninggalkan departemen mereka sendiri untuk membantu pelanggan menemukan barang dagangan di departemen lain atau untuk memeriksa inventaris. Seorang analis yang memberikan lokasi semua karyawan di toko pada saat tertentu tanpa melihat ke dalam seperti seorang ahli kimia yang menghitung MO dari sebuah molekul. Sama seperti MO tidak dapat memberi tahu lokasi yang tepat dari setiap elektron, lokasi yang tepat dari setiap karyawan tidak diketahui. MO yang memiliki bidang nodal seperti kesimpulan bahwa karyawan berjalan menyusuri lorong-lorong dan bukan melalui rak-rak. Meskipun elektron dikontribusikan dari atom tertentu, elektron mengisi MO tanpa memperhatikan atom sumbernya. Ini seperti seorang karyawan yang meninggalkan departemennya untuk berjalan di tempat lain di toko pada siang hari. Jadi, MO adalah deskripsi elektron yang tidak lengkap seperti halnya perhitungan analis tentang toko yang tidak terlihat adalah tebakan yang tidak lengkap tentang lokasi karyawan.

Menghitung MO seperti memprediksi lokasi setiap karyawan di toko perbaikan rumah.

Pembentukan orbital molekul

Para ahli kimia teoretis telah menemukan aturan untuk menghitung MO. Aturan-aturan ini berasal dari pemahaman mekanika kuantum. Mekanika kuantum membantu ahli kimia untuk menggunakan apa yang dikatakan fisika tentang elektron untuk mengetahui bagaimana elektron berperilaku dalam molekul. Orbital molekul terbentuk dari interaksi yang "diizinkan" antara orbital atom. (Interaksi "diizinkan" jika simetri (ditentukan dari teori grup) dari orbital atom kompatibel satu sama lain). Ahli kimia mempelajari interaksi orbital atom. Interaksi ini berasal dari tumpang tindih (ukuran seberapa baik dua orbital berinteraksi secara konstruktif satu sama lain) antara dua orbital atom. Tumpang tindih penting jika orbital atom dekat dalam energi. Akhirnya, jumlah MO dalam molekul harus sama dengan jumlah orbital atom dalam atom yang disatukan untuk membentuk molekul.

Pendekatan kualitatif

Ahli kimia perlu memahami geometri MO untuk membahas struktur molekul. Metode LCMO (Kombinasi linear orbital molekul orbital atomik) memberikan deskripsi MO yang kasar namun baik. Dalam metode ini, orbital molekul dinyatakan sebagai kombinasi linier dari semua orbital atom dari setiap atom dalam molekul.

Kombinasi linear dari orbital atom (LCAO)

Orbital molekul pertama kali diperkenalkan oleh Friedrich Hund dan Robert S. Mulliken pada tahun 1927 dan 1928.

Kombinasi linear orbital atom atau pendekatan "LCAO" untuk orbital molekul diperkenalkan pada tahun 1929 oleh Sir John Lennard-Jones. Makalah terobosannya menunjukkan bagaimana menurunkan struktur elektronik molekul fluor dan oksigen dari prinsip-prinsip kuantum. Pendekatan kualitatif untuk teori orbital molekuler ini adalah bagian dari awal kimia kuantum modern.

Kombinasi linear orbital atom (LCAO) dapat digunakan untuk menebak orbital molekul yang dibuat ketika atom-atom molekul berikatan bersama. Mirip dengan orbital atom, persamaan Schrodinger, yang menggambarkan perilaku elektron, dapat dibangun untuk orbital molekul juga. Kombinasi linear orbital atom, (jumlah dan perbedaan fungsi gelombang atom) memberikan solusi perkiraan untuk persamaan Schrodinger molekuler. Untuk molekul diatomik sederhana, fungsi gelombang yang Anda dapatkan diwakili secara matematis oleh persamaan

Ψ = c_a ψ_a + c_b ψ _b

dan

Ψ* = c_a ψ_a - c_b ψ _b

di mana Ψ dan Ψ* masing-masing adalah fungsi gelombang molekul untuk orbital molekul bonding dan antibonding, ψ_a dan ψ_b masing-masing adalah fungsi gelombang atom dari atom a dan b, dan c_a dan c_b adalah koefisien yang dapat disesuaikan. Koefisien-koefisien ini bisa positif atau negatif, tergantung pada energi dan simetri orbital atom individu. Ketika dua atom menjadi lebih dekat bersama, orbital atom mereka tumpang tindih untuk menghasilkan area dengan kepadatan elektron yang tinggi. Jadi, orbital molekul terbentuk di antara dua atom. Atom-atom disatukan oleh tarikan elektrostatik antara inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif yang menempati orbital molekul ikatan.

MO ikatan, antibonding, dan non-ikatan

Ketika orbital atom berinteraksi, orbital molekul yang dihasilkan dapat terdiri dari tiga jenis: ikatan, antibonding, atau nonbonding.

MO ikatan:

• Interaksi ikatan antara orbital atom adalah interaksi konstruktif (dalam fase).
• MO ikatan lebih rendah energinya daripada orbital atom yang bergabung untuk menghasilkannya.

MOs yang tidak berikatan:

• Interaksi antibonding antara orbital atom adalah interaksi destruktif (di luar fase).
• MO antibonding lebih tinggi energinya daripada orbital atom yang bergabung untuk menghasilkannya.

MO yang tidak mengikat:

• MO nonbonding adalah hasil dari tidak adanya interaksi antara orbital atom karena kurangnya simetri yang kompatibel.
• MO yang tidak berikatan akan memiliki energi yang sama dengan orbital atom dari salah satu atom dalam molekul.

HOMO dan LUMO

Setiap orbital molekul memiliki tingkat energinya sendiri. Ahli kimia mengurutkan MO berdasarkan tingkat energi. Ahli kimia berasumsi bahwa elektron akan mengisi MO tingkat energi terendah terlebih dahulu. Misalnya, jika molekul memiliki elektron untuk mengisi 15 orbital, 15 MO dengan tingkat energi terendah akan terisi. MO ke-15 dalam daftar akan disebut "orbital molekul terisi tertinggi" (HOMO) dan MO ke-16 dalam daftar akan menjadi "orbital molekul tidak terisi terendah" (LUMO). Perbedaan tingkat energi HOMO dan tingkat energi LUMO disebut celah pita. Celah pita kadang-kadang dapat berfungsi sebagai ukuran rangsangan molekul: semakin kecil energinya, semakin mudah ia akan tereksitasi. Ketika elektron tereksitasi, elektron akan melompat ke MO yang tidak dihuni. Misalnya, ini dapat membantu menebak apakah sesuatu akan mengeluarkan cahaya (luminescence).

Fungsi gelombang elektron untuk orbital 1s dari atom hidrogen (kiri dan kanan) dan orbital molekul ikatan (bawah) dan antibonding (atas) yang sesuai dari molekul H2 . Bagian nyata dari fungsi gelombang adalah kurva biru, dan bagian imajiner adalah kurva merah. Titik-titik merah menandai lokasi proton. Fungsi gelombang elektron berosilasi menurut persamaan gelombang Schrödinger, dan orbital-orbital adalah gelombang berdiri. Frekuensi gelombang berdiri sebanding dengan energi orbital. (Plot ini adalah irisan satu dimensi melalui sistem tiga dimensi).