Mekanika Kuantum


Ini adalah salah satu materi kimia yang paling menarik, paling modern, dan paling revolusioner menurut saya (mungkin menurut kamu juga, wkwk). Karena mekanika kuantum mengubah cara panjang ilmu kimia modern tentang atom.



Singkat cerita tentang sejarah teori kuantum, semenjak kemunculan Teori Rutherford dunia dihebohkan dengan elektron yang suatu saat (menurut Teori Rutherford) akan jatuh ke inti karena energinya semakin lama akan habis. Setelah itu masalah itu diselesaikan oleh Niels Bohr dengan mengkuantisasi (mendiskretkan) tingkatan energi dari kulit-kulit elektron. Lalu dengan dualisme partikel gelombang, diketahui bahwa energi (terutama dari foton) tidak dipancarkan secara kontinu melainkan secara diskret dengan paket-paket energi tertentu atau terkuanisasi. Semenjak itulah, Teori Kuantum muncul dan akhirnya berkembang menjadi Mekanika Kuantum saat ini.

Energi Foton

Foton (partikel cahaya) tidak memancarkan energi secara kontinu melainkan terkuantisasi menjadi paket-paket energi dengan besar energi per paketnya (per partikelnya) adalah:


dengan 
h = konstanta planck = 6,6 x 10⁻³⁴ Js
f = frekuensi (Hz)
λ = panjang gelombang (m)

Spektrum Pancar

Spektrum Pancar beberapa Atom

Teori Atom Niels Bohr menyatakan bahwa setiap elektron memiliki tingkatan-tingkatan energi tertentu pada lintasannya dan hanya bisa berpindah lintasan bila melepas atau menyerap sejumlah energi dan juga secara diskret. Besarnya energi di tiap kulit lintasan adalah:


dengan
En = Energi pada kulit ke-n (J)
RH = konstanta rydberg untuk energi (2,18 x 10⁻¹⁸ J)
n = kulit

Perpindahan suatu elektron dari kulit n₁ ke n₂ akan menyebabkan pelepasan/penyerapan energi dalam bentuk cahaya (foton) dan menghasilkan spektrum pancar atau spektrum serap dengan panjang gelombang sebesar λ. Besarnya:


dengan 
Z = nomor atom.
RH = konstanta rydberg untuk panjang gelombang 109678 cm⁻¹

Persamaan ini hanya berlaku untuk atom hidrogen dan atom-atom yang isoelektronik dengan hidrogen (co: He⁺, Li²⁺, U¹⁺, dsb).

Untuk nlow yang berawal dari kulit-kulit tertentu, ada deret yang diberi nama bedasarkan penemunya:
Deret Lynman (nlow = 1)
Deret Balmer (nlow = 2)
Deret Paschen (nlow = 3)
Deret Brackett (nlow = 4)
Deret Pfund (nlow = 5)

Energi Ionisasi

Energi ionisasi adalah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan sebuah elektron dengan kata lain, memindahkan elektron dari kulit n menuju jarak yang takhingga (nhigh = ∞). Karena pembagian dengan tak hingga nilainya 0,


Bilangan Kuantum

Fungsi gelombag Schrödinger mampu memprediksi keberadaan dan probabilitas ditemukannya elektron dalam ruang. Fungsi gelombang (Ψ) didefinisikan sebagai fungsi yang nilainya tergantung dari nilai 4 bilangan kuantum, yaitu, utama (n), momentum sudut (l), magnetik (ml), dan spin (ms).

Bilangan Kuantum Utama (n)
Bilangan Kuantum Utama menentukan tingkatan energi orbital dan jari-jari dari kulit. Jari-jari kulit sebanding dengan n².

Bilangan Kuantum Momentum Sudut / Azimuth (l)
Bilangan Kuantum Momentum sudut menentukan bentuk dari orbital dan subkulit. Subkulit s dapat diisi dengan 2 elektron, p 6 elektron, d 10 elektron, dan f 14 elektron.

Bilangan Kuantum Magnetik (ml)
Bilangan Kuantum Magnetik menentukan orientasi orbital dalam ruang (akan dibahas berikutnya)

Bilangan Kuantum Spin (ms)
Bilangan Kuantum spin menentukan arah gerak elektron dalam lintasannya. spin bernilai -½ berarti elektron bergerak clockwise sementara +½ berarti elektron bergerak counter-clockwise, tergantung dari titik acuan kita melihatnya.

Konfigurasi Elektron Mekanika Kuantum

Untuk membentuk konfigurasi elektron berdasarkan hukum mekanika kuantum, ada 3 dalil yang harus kita patuhi:
  • Prinsip Aufbau: Pengisian elektron dimulai dari tingkat energi rendah ke tingkat energi tinggi.
    Pengecualian untuk sub-kulit d:
    ns²(n-1)d⁴ akan lebih stabil jika ns¹(n-1)d⁵
    ns²(n-1)d⁹ akan lebih stabil jika ns¹(n-1)d¹⁰
  • Larangan Pauli: Tidak mungkin sebuah elektron memiliki keempat bilangan kuantum yang identik.
  • Aturan Hund: Susunan atom paling stabil adalah atom dengan spin paralel terbanyak.
Dengan urutan tingkatan energi sebagai berikut:
Tingkatan Energi Elektron
Contoh:

untuk ion, lepaskan/tambahkan dari tingkat energi lebih tinggi terlebih dahulu

Bentuk Orbital Elektron

Orbital s
Orbital s hanya memiliki 1 kemungkinan bilangan kuantum magnetik, sehingga hanya memiliki 1 orientasi yaitu berbentuk bola. semakin tinggi bilangan kuantum utama n, ukuran bola akan semakin besar dengan gap antara orbital ns dengan (n-1)s


Orbital p
Karena memiliki 3 kemungkinan bilangan kuantum magnetik, orbital p memiliki 3 orientasi yaitu px, py, dan pz masing-masing berada sejajar dengan sumbu koordinat. Karena orbital p dimulai pada kulit ke-2, pembentukan "gap" baru terjadi pada 3p, 4p, dan seterusnya.



Orbital d, f, dan energi tinggi lainnya
Bentuk orbital d memiliki 4 'balon', f 8 'balon', dan untuk energi yang lebih tinggi lainnya terdapat 2ˡ jumlah balon dengan l = bilangan kuantum momentum sudut. Untuk orientasi dan pembentukan "gap":

Orbital d memiliki 5 orientasi:
dengan pembentukan gap baru dimulai pada 4d, 5d, dst


Orbital f memiliki 7 orientasi:
dengan pembentukan gap  hanya pada 5f

Untuk orbital diatas f, sampai saat ini belum ada atom yang mencapai tingkatan energi g. Unsur-unsur lantanida dan aktinida merupakan contoh atom dengan tingkatan energi mencapai orbital f.

Kemagnetan

Magnet

Kemagnetan ditentukan oleh banyaknya total spin yang dimiliki elektron valensi atom tersebut. Semakin banyak spin, semakin kuat kemagnetannya.
Secara umum ada 2 tipe magnet, yaitu:
Paramagnetik ditarik oleh magnet, 
contoh: 
Li ([He] 2s¹, total spin: +½)
Fe ([Ar] 4s² 3d⁶, total spin: +2)

Diamagnetik tidak ditarik oleh magnet,
contoh:
He (1s², total spin: 0)
Zn ([Ar] 4s² 3d¹⁰, total spin: 0)

Shielding Effect

Elektron yang berada di suatu kulit (terutama kulit valensi) akan merasakan dua buah gaya: gaya tarik inti dan gaya tolak dari elektron di dekatnya (karena sama-sama bermuatan negatif). Shielding Effect adalah pengurangan gaya tarik inti pada elektron di tingkat energi lebih tinggi karena pengaruh elektron di tingkat energi lebih rendah. Gaya tarik inti 'sesungguhnya' dirumuskan dengan:


Zeff = Effective Nuclear Charge / Muatan Inti Efektif
Z = jumlah proton
σ = jumlah elektron pada tingkat energi lebih rendah dari elektron yang sedang ditinjau

Komentar

Posting Komentar

Postingan populer dari blog ini

Pertidaksamaan Irasional