KIMIA KUANTUM

Kimia kuantum adalah cabang kimia yang fokus utamanya adalah penerapan mekanika kuantum dalam model fisik dan eksperimen sistem kimia. Ini juga disebut mekanika kuantum molekuler.

Ikhtisar

Kimiawan kuantum eksperimental sangat bergantung pada spektroskopi , di mana informasi mengenai kuantisasi energi pada skala molekul dapat diperoleh. Metode umum adalah spektroskopi infra-merah (IR) , spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) , dan pemindaian mikroskop probe .

Kimia kuantum teoretis, yang kerjanya juga cenderung masuk dalam kategori kimia komputasi , berupaya menghitung prediksi teori kuantum karena atom dan molekul hanya dapat memiliki energi diskrit.

Kimia kuantum mempelajari keadaan dasar masing-masing atom dan molekul, dan keadaan tereksitasi , dan keadaan transisi yang terjadi selama reaksi kimia .

Pada perhitungan, studi kimia kuantum juga menggunakan metode semi-empiris dan lainnya berdasarkan prinsip mekanika kuantum, dan menangani masalah yang tergantung waktu. Banyak penelitian kimia kuantum mengasumsikan nukleus diam ( perkiraan Born-Oppenheimer ). Banyak perhitungan melibatkan metode berulang yang mencakup metode lapangan yang konsisten sendiri. Tujuan utama kimia kuantum termasuk meningkatkan keakuratan hasil untuk sistem molekuler kecil, dan meningkatkan ukuran molekul besar yang dapat diproses, yang dibatasi oleh pertimbangan penskalaan — waktu perhitungan meningkat seiring kekuatan jumlah atom.

Sejarah

Beberapa orang memandang kelahiran kimia kuantum dimulai dengan penemuan persamaan Schrödinger dan penerapannya pada atom hidrogen pada 1926. ^{[ rujukan? ]} Namun, artikel 1927 dari Walter Heitler (1904–1981) dan Fritz London , sering diakui sebagai tonggak pertama dalam sejarah kimia kuantum. Ini adalah aplikasi pertama mekanika kuantum pada molekul hidrogen diatomik, dan dengan demikian pada fenomena ikatan kimia. Pada tahun-tahun berikutnya banyak kemajuan dicapai oleh Robert S. Mulliken , Max Born , J. Robert Oppenheimer , Linus Pauling , Erich Hückel, Douglas Hartree , Vladimir Fock , mengutip beberapa. Sejarah kimia kuantum juga melalui penemuan sinar katoda oleh Michael Faraday pada tahun 1838 , pernyataan 1859 tentang masalah radiasi benda hitam oleh Gustav Kirchhoff , saran 1877 oleh Ludwig Boltzmann bahwa keadaan energi sistem fisik bisa berbeda, dan hipotesis kuantum 1900 oleh Max Planck bahwa setiap sistem atom yang memancarkan energi secara teoritis dapat dibagi menjadi sejumlah elemen energi diskrit ε sedemikian rupa sehingga masing-masing elemen energi ini sebanding dengan frekuensi νdengan mana mereka masing-masing secara terpisah memancarkan energi dan nilai numerik yang disebut konstanta Planck . Kemudian, pada tahun 1905, untuk menjelaskan efek fotolistrik (1839), yaitu, bahwa cahaya yang menyinari bahan tertentu dapat berfungsi untuk mengeluarkan elektron dari materi, Albert Einstein mendalilkan, berdasarkan hipotesis kuantum Planck, bahwa cahaya itu sendiri terdiri dari partikel-partikel kuantum individu, yang kemudian disebut foton (1926). Pada tahun-tahun berikutnya, dasar teoretis ini perlahan mulai diterapkan pada struktur kimia, reaktivitas, dan ikatan. Mungkin kontribusi terbesar ke lapangan dilakukan oleh Linus Pauling . ^{[ rujukan? ]}

Struktur elektronik

Artikel utama: Struktur elektronik

Langkah pertama dalam memecahkan masalah kimia kuantum biasanya menyelesaikan persamaan Schrödinger (atau persamaan Dirac dalam kimia kuantum relativistik ) dengan Hamiltonian molekul elektronik . Ini disebut menentukan struktur elektronik molekul. Dapat dikatakan bahwa struktur elektronik molekul atau kristal pada dasarnya mengandung sifat kimianya. Solusi tepat untuk persamaan Schrödinger hanya dapat diperoleh untuk atom hidrogen (meskipun solusi tepat untuk energi keadaan terikat ion molekul hidrogen telah diidentifikasi dalam hal fungsi Lambert W umum). Karena semua atom, atau sistem molekuler lainnya, melibatkan gerakan tiga atau lebih "partikel", persamaan Schrödinger mereka tidak dapat dipecahkan secara tepat sehingga solusi yang mendekati harus dicari.

Model gelombang

Fondasi mekanika kuantum dan kimia kuantum adalah model gelombang, di mana atom adalah inti kecil, padat, bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron. Model gelombang berasal dari fungsi gelombang , seperangkat persamaan yang mungkin berasal dari evolusi waktu dari persamaan Schrödinger yang diterapkan pada distribusi probabilitas gelombang seperti partikel subatomik. Tidak seperti model atom Bohr sebelumnya , model gelombang menggambarkan elektron sebagai " awan " yang bergerak dalam orbital , dan posisi mereka diwakili oleh distribusi probabilitas daripada titik diskrit. Kekuatan model ini terletak pada kekuatan prediktifnya. Secara khusus, ia memprediksi pola unsur-unsur yang mirip secara kimiawi yang ditemukan dalam tabel periodik . Model gelombang dinamai demikian karena elektron menunjukkan sifat (seperti interferensi) yang secara tradisional dikaitkan dengan gelombang. Lihat dualitas gelombang-partikel. Dalam model ini, ketika kita memecahkan Persamaan Schrödinger untuk Atom Hidrogenoid, kita mendapatkan solusi yang tergantung pada beberapa angka, yang disebut angka kuantum, yang menggambarkan orbital, ruang yang paling memungkinkan di mana elektron dapat berada. Ini adalah n, bilangan kuantum utama, untuk energi, l, atau bilangan kuantum sekunder, yang berkorelasi dengan momentum sudut, ml, untuk orientasi, dan ms putaran. Model ini dapat menjelaskan garis-garis baru yang muncul dalam spektroskopi atom. Untuk atom multielektron kita harus memperkenalkan beberapa aturan karena elektron mengisi orbital dengan cara meminimalkan energi atom, dalam rangka meningkatkan energi, prinsip pengecualian Pauli , aturan Hund , dan prinsip aufbau .

Ikatan Valensi

Artikel utama: teori ikatan valensi

Meskipun dasar matematika kimia kuantum telah diletakkan oleh Schrödinger pada tahun 1926, secara umum diterima bahwa perhitungan sejati pertama dalam kimia kuantum adalah bahwa fisikawan Jerman Walter Heitler dan Fritz London pada molekul hidrogen (H ₂ ) pada tahun 1927. ^{[ rujukan? ]} Metode Heitler dan London diperluas oleh ahli fisika teoretis Amerika John C. Slater dan ahli kimia teori Amerika Linus Paulinguntuk menjadi metode valence-bond (VB) [atau Heitler – London – Slater – Pauling (HLSP)]. Dalam metode ini, perhatian terutama ditujukan untuk interaksi berpasangan antara atom, dan karenanya metode ini berkorelasi erat dengan gambar ikatan kimia klasik . Ini berfokus pada bagaimana orbital atom suatu atom bergabung untuk memberikan ikatan kimia individu ketika molekul terbentuk, menggabungkan dua konsep kunci hibridisasi dan resonansi orbital.

Orbital molekul

Artikel utama: teori orbital molekul

Pendekatan alternatif dikembangkan pada tahun 1929 oleh Friedrich Hund dan Robert S. Mulliken , di mana elektron dijelaskan oleh fungsi matematika yang terdelokalisasi pada seluruh molekul . Pendekatan Hund-Mulliken atau metode orbital molekul (MO) kurang intuitif untuk kimiawan, tetapi ternyata mampu memprediksi sifat spektroskopi lebih baik daripada metode VB. Pendekatan ini adalah dasar konsepsi dari metode Hartree-Fock dan selanjutnya metode Hartree-Fock .

Teori fungsional kepadatan

Artikel utama: Teori fungsional kepadatan

Model Thomas-Fermi dikembangkan secara independen oleh Thomas dan Fermi pada tahun 1927. Ini adalah upaya pertama untuk menggambarkan sistem banyak-elektron berdasarkan kerapatan elektronik alih-alih fungsi gelombang , walaupun itu tidak terlalu berhasil dalam perawatan seluruh molekul. Metode itu memang memberikan dasar untuk apa yang sekarang dikenal sebagai teori fungsional kepadatan (DFT). DFT modern menggunakan metode Kohn-Sham, di mana kerapatan fungsional dibagi menjadi empat istilah; energi kinetik Kohn-Sham, potensi eksternal, pertukaran, dan energi korelasi. Sebagian besar fokus pada pengembangan DFT adalah pada peningkatan nilai tukar dan korelasi. Meskipun metode ini kurang berkembang dibandingkan metode pasca Hartree-Fock, komputasi secara signifikan lebih rendah persyaratan (skala biasanya tidak lebih buruk daripada n ³sehubungan dengan n fungsi dasar, untuk functionals murni) memungkinkan untuk mengatasi lebih besar molekul poliatomik dan bahkan makromolekul . Keterjangkauan komputasi ini dan akurasi sering sebanding dengan MP2 dan CCSD (T)(Metode post-Hartree-Fock) telah menjadikannya salah satu metode paling populer dalam kimia komputasi .

Dinamika kimia

Langkah lebih lanjut dapat terdiri dari menyelesaikan persamaan Schrödinger dengan Hamiltonian molekul total untuk mempelajari gerakan molekul. Solusi langsung dari persamaan Schrödinger disebut dinamika molekul kuantum , dalam aproksimasi semiklasik dinamika semiklasik molekuler , dan dalam kerangka kerja mekanika klasik, dinamika molekul (MD) . Pendekatan statistik, misalnya menggunakan metode Monte Carlo , juga dimungkinkan.

Dinamika kimia adiabatik

Artikel utama: formalisme Adiabatik atau pendekatan Born-Oppenheimer

Dalam dinamika adiabatik, interaksi interatomik diwakili oleh potensi skalar tunggal yang disebut permukaan energi potensial . Ini adalah pendekatan Born-Oppenheimer yangdiperkenalkan oleh Born dan Oppenheimer pada tahun 1927. Aplikasi perintis ini dalam kimia dilakukan oleh Rice dan Ramsperger pada tahun 1927 dan Kassel pada tahun 1928, dan digeneralisasikan ke dalam teori RRKM pada tahun 1952 oleh Marcus yang mengambil teori keadaan transisi dikembangkan oleh Eyring pada tahun 1935 ke akun. Metode ini memungkinkan perkiraan sederhana unimolecularlaju reaksi dari beberapa karakteristik permukaan potensial.

Dinamika kimia non-adiabatik

Artikel utama: Coupling Vibronic

Dinamika non-adiabatik terdiri dari mengambil interaksi antara beberapa permukaan energi potensial berpasangan (sesuai dengan berbagai keadaan kuantum elektronik molekul). Istilah kopling disebut kopling vibronik. Pekerjaan perintis di bidang ini dilakukan oleh Stueckelberg , Landau , dan Zener pada 1930-an, dalam pekerjaan mereka tentang apa yang sekarang dikenal sebagai transisi Landau-Zener . Formula mereka memungkinkan probabilitas transisi antara dua kurva potensial diabetes di lingkungan persilangan yang dihindariuntuk dihitung. Reaksi spin-dilarang adalah salah satu jenis reaksi non-adiabatik di mana setidaknya satu perubahanspin state terjadi ketika berkembang dari reaktan ke produk .

Referensi

• Atkins, PW; Friedman, R. (2005). Mekanika Kuantum Molekul (edisi ke-4). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927498-7.
• Atkins, PW Kimia Fisika . Oxford University Press. ISBN 0-19-879285-9.
• Atkins, PW; Friedman, R. (2008). Kuanta, Materi dan Perubahan: Pendekatan Molekuler untuk Perubahan Fisik . ISBN 978-0-7167-6117-4.
• Pullman, Bernard; Pullman, Alberte (1963). Biokimia Kuantum . New York dan London: Academic Press. ISBN 90-277-1830-X.
• Scerri, Eric R. (2006). Tabel Berkala: Kisahnya dan Arti Pentingnya . Oxford University Press. ISBN 0-19-530573-6. Mempertimbangkan sejauh mana kimia dan khususnya sistem periodik telah direduksi menjadi mekanika kuantum.
• Kostas Gavroglu, Ana Simões: FISIKA BEGITU DAN KIMIA. Sejarah Kimia Kuantum , MIT Press, 2011, ISBN 0-262-01618-4
• McWeeny, Valence R. Coulson . Publikasi Sains Oxford. ISBN 0-19-855144-4.
• Karplus M., Porter RN (1971). Atom dan Molekul. Pengantar untuk siswa kimia fisik , Perusahaan Penerbitan Benjamin – Cummings, ISBN 978-0-8053-5218-4
• Szabo, Attila; Ostlund, Neil S. (1996). Kimia Quantum Modern: Pengantar Teori Struktur Elektronik Tingkat Lanjut . Dover. ISBN 0-486-69186-1.
• Landau, LD; Lifshitz, EM Quantum Mechanics: Teori Non-Relativistik . Kursus Fisika Teoritis. 3 . Pergamon Press. ISBN 0-08-019012-X.
• Levine, I. (2008). Kimia Fisik (edisi ke-6). McGraw – Hill Science. ISBN 978-0-07-253862-5.
• Pauling, L. (1954). Kimia Umum . Publikasi Dover. ISBN 0-486-65622-5.
• Pauling, L.; Wilson, EB (1963) [1935]. Pengantar Mekanika Quantum dengan Aplikasi untuk Kimia . Publikasi Dover. ISBN 0-486-64871-0.
• Simon, Z. (1976). Biokimia Quantum dan Interaksi Khusus . Taylor & Francis. ISBN 978-0-85626-087-2.

Tautan eksternaL

• The Sherrill Group - Notes
• Sumber Daya Dukungan Kurikulum ChemViz
• Gagasan awal dalam sejarah kimia kuantum
• Petualangan Partikel