Kimia Kuantum

Kimia kuantum adalah sebuah aplikasi mekanika kuantum pada kimia. Kimia kuantum memungkinkan kita untuk memahami dan memprediksi struktur, sifat dan mekanisme reaksi dari berbagai bahan. Untuk keperluan ini, matematika menjadi alat bantu yang sangat penting. Pada masa awal saat mekanika kuantum baru lahir dan dikembangkan, komputasi elektronik belum tercipta sehingga ruang lingkup fenomena kimia di mana kimia kuantum dapat diterapkan sangat terbatas. Akan tetapi, perkembangan yang cepat pada alat komputasi modern dalam beberapa tahun terakhir ini telah memberikan perluasan yang penting pada ruang lingkup kimia kuantum. Pada bagian ini, kita akan melihat apa yang dapat dijelaskan dan diprediksi setelah kita mempelajari kimia kuantum.
(1) Asal-usul dari sifat unsur kimia dapat dijelaskan (lihat bagian: 2.5, 2.6, 6.1, 6.2)
Terdapat beberapa grup dari unsur-unsur yang memiliki sifat yang sama: logam alkali dengan mudah kehilangan sebuah elektron (sangat elektropositif), halogen cenderung untuk menerima elektron (sangat elektronegatif), dan gas mulia bersifat inert. Meskipun karakter periodik dari unsur dipelajari di sekolah menengah pertama atau atas, akan tetapi bagaimana sifat-sifat dari unsur-unsur ini dapat diturunkan dari hukum-hukum alam tidak dapat dijelaskan dengan tingkat pengetahuan pada sekolah lanjutan tersebut. Terdapat penjelasan bahwa gas mulia bersifat inert karena memiliki konfigurasi elektron yang stabil. Mengapa konfigurasi elektron dari gas mulia stabil? Pada tahun 1962 ditemukan bahwa gas mulia dapat bereaksi dan membentuk senyawa, meskipun fakta ini biasanya tidak diberikan pada tingkat sekolah lanjutan. Bagaimana bisa sebuah gas mulia yang inert dapat bereaksi? Apakah ada suatu kondisi tertentu bagi kereaktifannya? Asal-usul dari sifat dan karakter dari unsur kimia termasuk sifat kereaktifan yang misterius dari gas mulia dapat dipahami dengan mekanika kuantum.
(2) Dapat memprediksi struktur molekul (lihat bagian: 4.4, 5.4-5.7)
Dalam semua buku teks kimia untuk sekolah lanjutan, gambar dari struktur molekul seperti yang terdapat dalam Gambar 1.1 dapat ditemui. Struktur-struktur ini ditentukan berdasarkan studi eksperimental. Struktur rangka seperti tetrahedron pada metana, segitiga pada air dan heksagon dengan 6 ikatan CH yang ekivalen yang membentuk benzen, semuanya sangat menarik. Mengapa metana tidak membentuk struktur silang? Mengapa air tidak linier? Mengapa benzen memiliki ikatan CC dan juga CH semua dengan panjang ikatan yang sama? Pertanyaan-pertanyaan seperti itu dapat dijawab dengan kimia kuantum. Panjang ikatan dan sudut-sudutnya dapat diperoleh dengan perhitungan-perhitungan kimia kuantum.

Gambar 1.1 Struktur rangka dari berbagai molekul. Angka-angka yang terdapat dalam gambar adalah panjang ikatan dalam nm dan sudut ikatan dalam derajat.

(3) Dapat memprediksi spektra dari molekul (lihat bagian: 4.4)
Kita dapat melihat gambaran yang jelas dari karakter warna dari berbagai material dalam buku teks untuk sekolah lanjutan. Gambar yang berwarna pada TV sebenarnya juga produk kimia yang dikontrol secara elektrik, yang disebut dengan kata lain sebagai gelombang elektromagnetik. Mekanisme bagaimana suatu warna dapat terjadi dalam larutan dan padatan yang mengandung molekul dan ion dapat dipahami dengan kimia kuantum. Panjang gelombang dari gelombang infra merah dan radiasi gelombang mikro yang diserap dan dipancarkan oleh air dan molekul karbon monoksida dapat dihitung dengan teori kimia kuantum. Dengan membandingkan spektra yang teramati dalam ruang antar bintang dengan perhitungan kimia kuantum kita dapat mengidentifikasi molekul apa yang menghasilkan spektra tersebut.
(4) Panas dari suatu reaksi dapat diprediksi (bagian: 4.4)
Panas yang dihasilkan oleh suatu reaksi kimia tidak perlu diturunkan dari beberapa data reaksi termasuk untuk senyawa yang berhubungan dan dengan menggunakan penjumlahan konstanta panas dengan menggunakan hukum Hess. Tanpa data eksperimental, panas dari suatu reaksi kimia dapat diperoleh dengan perhitungan menggunakan kimia kuantum.
(5) Apa yang akan dihasilkan dan bagaimana reaksi tersebut akan berlangsung dapat diprediksi (lihat bagian: 6.3, 6.4).

Skema reaksi I

(Atom-atom terluar adalah atom H)

Senyawa vinyl yang memiliki ikatan ganda dapat melakukan reaksi tambahan atau melanjutkan proses polimerisasi, sebagaimana dapat dilihat pada buku teks kimia di sekolah lanjutan. Polietilen dan polibutadien adalah produk hasil polimerisasi dari monomer unit tunggal etilen dan butadien. Pada tahun 1928, ditemukan bahwa campuran antara etilen dan butadien akan membentuk hasil reaksi yang unik yaitu cincin sikloheksen (lihat skema reaksi I). Reaksi tersebut sangat penting untuk mendapatkan cincin dengan 6 anggota karbon, karena reaksi mudah terjadi untuk menghasilkan produk yang dihasilkan secara selektif tanpa menggunakan reaktan yang tidak berguna. Mengapa molekul etilen tidak mudah bereaksi satu sama lain untuk menghasilkan cincin siklobutan dengan 4 anggota (lihat skema reaksi II)? Penjelasannya dapat diperoleh dari teori kimia kuantum.
Selanjutnya, kedua jenis cincin hasil reaksi (A) dan (B) pada skema reaksi II dapat diasumsikan diproduksi dari turunan etilen dan butadien yang mana sebuah atom hidrogen digantikan oleh sebuah grup formil (-CHO) dan grup metoksi (-CHO₃). Akan tetapi, hanya (A) yang dapat diproduksi dalam reaksi yang riil. Jika beberapa produk dihasilkan, kita perlu melakukan usaha untuk memisahkan satu dengan lainnya dengan konsekuensi kehilangan reaktan dalam jumlah yang berarti. Karenanya, sebuah reaksi yang menghasilkan hanya satu produk adalah hal yang sangat berguna dalam reaksi kimia. Kimia kuantum dapat memberikan desain teoritis bagi sebuah skema reaksi untuk menghasilkan produksi yang selektif dari senyawa-senyawa.

Skema reaksi II

(Ikatan CH tidak digambarkan)

Contoh-contoh di atas adalah sebagian kecil dari aplikasi yang luas dari kimia kuantum. Perkembangan terakhir dalam instrumen komputasi dengan cepat melebarkan jangkauan aplikasi kimia kuantum. Matematika dan metoda komputasi untuk kimia kuantum telah dikembangkan pada berbagai tingkat. Pada abad ke-21, jangkauan aplikasi kimia kuantum akan dikembangkan secara berkelanjutan termasuk pada bidang-bidang yang belum disentuh oleh kimia kuantum.