Simulasi Diagram Orbital Molekul Homonuklir (Atom Sejenis)

Teori Orbital Molekul (MO) adalah pendekatan kuantum mekanika untuk menjelaskan ikatan kimia dalam molekul.

Berbeda dengan teori ikatan valensi yang fokus pada pasangan elektron lokal, teori MO memandang elektron molekul sebagai gelombang yang tersebar di seluruh molekul.

Teori ini sangat relevan dengan simulasi diagram MO untuk molekul diatomik seperti H₂, Li₂, Be₂, hingga F₂, dengan variasi muatan dari -2 hingga +2.

Dasar Teori Orbital Molekul

Dalam teori MO, orbital molekul dibentuk melalui combinasi linier orbital atom (LCAO). Ketika dua atom mendekat, orbital atomnya (misal 1s, 2s, 2p) berinteraksi membentuk orbital molekul baru: orbital ikatan (energi lebih rendah, menguatkan ikatan) dan orbital anti-ikatan (energi lebih tinggi, melemahkan ikatan). Misalnya:

• Orbital 1s dari dua atom hidrogen membentuk σ1s (ikatan) dan σ*1s (anti-ikatan).
  
  
• Orbital 2p dari atom seperti nitrogen membentuk σ2p_z (ikatan sepanjang sumbu molekul) dan π2p_x/π2p_y (ikatan samping).

Simulasi ini menampilkan diagram energi yang menggambarkan orbital-orbital ini, dengan panah menunjukkan elektron sesuai energi relatifnya.

Pembentukan Orbital Molekul

Orbital molekul diberi label berdasarkan simetri dan jenis interaksi:

• σ (sigma): Orbital simetris terhadap sumbu molekul, misal σ1s dari H₂ atau σ2p_z dari N₂.
  
  
• π (pi): Orbital dengan simpul di sumbu molekul, misal π2p_x dan π2p_y pada O₂, yang bersifat degenerasi (energi sama).
  
  
• * (bintang): Menunjukkan orbital anti-ikatan, misal σ*1s atau π*2p_x.

Dalam simulasi, orbital atom kiri dan kanan (misal 1s dari dua atom H) dihubungkan ke orbital molekul tengah (σ1s, σ*1s) dengan garis putus-putus, menunjukkan kontribusi LCAO.

Kaitan dengan Simulasi

Simulasi memungkinkan pengguna memilih atom (H, Li, Be, B, C, N, O, F) dan muatan (-2 hingga +2) untuk melihat diagram MO molekul diatomik X₂. Berikut kaitannya:

• Hidrogen (H₂): Hanya melibatkan orbital 1s, membentuk σ1s dan σ*1s. Dengan 2 elektron, σ1s terisi penuh, membentuk ikatan tunggal.
  
  
• Litium (Li₂): Melibatkan 1s dan 2s, menghasilkan σ1s, σ*1s, σ2s, σ*2s. Elektron valensi (2s) mengisi σ2s, memberi ikatan tunggal.
  
  
• Berilium (Be₂): Selain σ1s, σ*1s, σ2s, σ*2s, orbital 2p muncul jika muatan negatif (misal Be₂^-1), membentuk π2p_x, π2p_y (degenerasi) di bawah σ2p_z karena interaksi s-p yang kuat. Be₂ netral lemah (urutan ikatan 0, σ2s², σ*2s²), tapi muatan negatif memungkinkan elektron masuk π2p, meningkatkan stabilitas.
  
  
• Boron hingga Fluor (B₂–F₂): Orbital 2p membentuk σ2p_z, π2p_x, π2p_y, dan versi anti-ikatannya. Untuk B₂ dan C₂, π2p_x/π2p_y lebih rendah energi daripada σ2p_z (penyimpangan dari pola N₂–F₂). Misal, B₂ punya 2 elektron di π2p (satu per orbital, paramagnetik), C₂ punya 4 elektron di π2p (stabil, diamagnetik), sedangkan O₂ punya elektron di π*2p, menjelaskan sifat paramagnetiknya.

Simulasi menyesuaikan tinggi kanvas berdasarkan jumlah orbital (lebih banyak untuk B–F karena 2p) dan menampilkan label seperti ^ZX₂ⁿ⁺ (Z = nomor atom, n = muatan).

Efek Muatan

Muatan memengaruhi jumlah elektron total dalam molekul: jumlah elektron = 2 × Z - muatan (Z = nomor atom). Contoh:

• F₂ (Z=9): 2 × 9 = 18 elektron.
  F₂⁺¹: 18 - 1 = 17 elektron.
  
  
• Be₂^-1 (Z=4): 2 × 4 + 1 = 9 elektron, memungkinkan pengisian σ2p_z.

Simulasi mendistribusikan elektron ini ke orbital molekul berdasarkan energi (aturan Aufbau), mematuhi prinsip Pauli (maksimum 2 elektron per orbital) dan aturan Hund (mengisi orbital degenerasi seperti π2p_x/π2p_y satu per satu sebelum berpasangan).

Aturan Pengisian Elektron

Simulasi mengikuti aturan pengisian elektron:

• Aturan Aufbau: Elektron mengisi orbital dari energi terendah (misal σ1s sebelum σ2s).
  
  
• Prinsip Pauli: Maksimum 2 elektron per orbital, dengan spin berlawanan (ditunjukkan panah atas/bawah).
  
  
• Aturan Hund: Untuk orbital degenerasi (misal π2p_x/π2p_y), elektron mengisi masing-masing orbital dengan spin paralel sebelum berpasangan. Contoh: B₂ punya 1 elektron di π2p_x dan 1 di π2p_y.

Ini terlihat di simulasi saat elektron digambarkan sebagai panah di kotak orbital molekul.

Penyimpangan Urutan Pengisian pada Be₂ Ion, B₂, dan C₂

Untuk molekul diatomik seperti N₂ hingga F₂, urutan pengisian orbital molekul biasanya mengikuti: σ1s, σ*1s, σ2s, σ*2s, σ2p_z, π2p_x/π2p_y (degenerasi), π*2p_x/π*2p_y, σ*2p_z. Namun, pada Be₂ (dengan muatan negatif), B₂, dan C₂, urutan energinya menyimpang: π2p_x/π2p_y lebih rendah dari σ2p_z. Penyimpangan ini terjadi karena:

• Interaksi s-p: Pada atom ringan (Be, B, C), perbedaan energi antara orbital 2s dan 2p kecil, sehingga σ2s dan σ2p_z berinteraksi kuat. Ini menaikkan energi σ2p_z di atas π2p_x/π2p_y.
  
  
• Efek pada Be₂: Be₂ netral (8 elektron) punya σ2s², σ*2s² (urutan ikatan 0, tidak stabil). Dengan muatan negatif (misal Be₂^-1, 9 elektron), elektron tambahan masuk π2p_x atau π2p_y, meningkatkan urutan ikatan dan stabilitas. Simulasi menunjukkan orbital π2p muncul di bawah σ2p_z untuk Be₂^-1 atau Be₂^-2.
  
  
• Efek pada B₂: Dengan 10 elektron, B₂ punya 2 elektron di π2p_x/π2p_y (satu per orbital, spin paralel sesuai aturan Hund), bikin molekul paramagnetik. Urutan ikatan = 1 ((4 ikatan - 2 anti-ikatan) ÷ 2).
  
  
• Efek pada C₂: Dengan 12 elektron, C₂ mengisi π2p_x²/π2p_y², menghasilkan urutan ikatan 2, stabil, dan diamagnetik (tak ada elektron tak berpasangan).

Penyimpangan ini terlihat jelas di simulasi: untuk B₂ dan C₂, kotak π2p_x/π2p_y digambar lebih rendah (energi lebih stabil) daripada σ2p_z, berbeda dengan N₂–F₂ di mana σ2p_z lebih rendah. Ini memengaruhi sifat ikatan dan magnetik molekul.

Kesimpulan

Teori MO menjelaskan ikatan kimia melalui orbital molekul yang dibentuk dari LCAO. Simulasi ini memvisualisasikan konsep tersebut untuk molekul diatomik, menunjukkan bagaimana orbital atom membentuk σ dan π, serta bagaimana muatan memengaruhi distribusi elektron.

Dengan aturan Aufbau, Pauli, dan Hund, simulasi memberikan gambaran akurat tentang struktur elektronik molekul seperti H₂ hingga F₂, membantu memahami sifat ikatan dan stabilitas molekul.

Cara Penggunaan Simulasi

Simulasi ini dirancang untuk memvisualisasikan diagram orbital molekul (MO) molekul diatomik X₂. Berikut cara menggunakannya:

• Pilih Atom: Gunakan dropdown menu berlabel "Atom" untuk memilih atom (H, Li, Be, B, C, N, O, atau F). Misal, pilih F untuk F₂.
  
  
• Atur Muatan: Masukkan muatan (-2 hingga +2) di kolom "Muatan". Contoh: ketik +1 untuk F₂⁺¹.
  
  
• Update: Klik tombol Update untuk memperbarui diagram MO setelah memilih atom dan atau muatan. Simulasi akan menampilkan orbital atom kiri/kanan, orbital molekul tengah, dan distribusi elektron.

Simulasi menampilkan judul seperti ^ZX₂ⁿ⁺ (Z = nomor atom, n = muatan) di atas diagram.

Interpretasi Diagram

Diagram MO memberikan wawasan tentang struktur elektronik dan sifat molekul. Cara membacanya:

• Orbital Atom: Kotak di kiri (atom kiri) dan kanan (atom kanan) menunjukkan orbital atom (1s, 2s, 2p) dengan posisi vertikal sesuai energi relatif.
  
  
• Orbital Molekul: Kotak tengah adalah orbital molekul (σ1s, σ*2s, π2p_x, dll), dihubungkan ke orbital atom oleh garis putus-putus (menunjukkan LCAO).
  
  
• Elektron: Panah di kotak menunjukkan elektron (atas/bawah = spin berlawanan). Misal, σ1s dengan dua panah berarti terisi penuh (2 elektron).
  
  
• Energi: Sumbu vertikal (dengan label "Energi") menunjukkan energi relatif; orbital lebih rendah (bawah) lebih stabil.
  
  
• Sifat Molekul:
  • Urutan Ikatan: Hitung (jumlah elektron di orbital ikatan - jumlah di orbital anti-ikatan) ÷ 2. Contoh: H₂ (2 di σ1s, 0 di σ*1s) punya urutan ikatan 1.
    
    
  • Stabilitas: Urutan ikatan tinggi (misal N₂ = 3) berarti molekul stabil. Be₂ (urutan 0) tidak stabil.
    
    
  • Paramagnetisme: Elektron tak berpasangan (misal 2 elektron di π*2p pada O₂) bikin molekul paramagnetik (tertarik magnet).

Contoh: F₂⁺¹ (17 elektron) kehilangan 1 elektron dari π*2p, meningkatkan urutan ikatan dari 1 (F₂) jadi 1.5, bikin molekul lebih stabil.

Simulasi Diagram Orbital Molekul Homonuklir
Dirancang oleh urip.info

Atom: H Li Be B C N O F Muatan:

Mohon koreksi bila ada hal yang kurang tepat. Terima kasih.