Nanoscience

Ahli kimia mengusulkan bahwa energi, E, dalam semua reaksi kimia dapat dipecah menjadi tiga komponen seperti ditunjukkan rumus diatas. “X-bar” menunjukkan rata-rata dari ebergi ikat elektron (definisi elektronegatifitas oleh Allen), VNN menunjukkan tolakan inti-inti, dan w menunjukkan interaksi elektron-elektron. Credit: Rahm and Hoffmann ©2015 American Chemical Society.

Phys.org) Satu hal sama yang dimiliki semua reaksi kimia —baik reaksi yang berlangsung dalam baterai, reaksi metabolisme dalam makhluk hidup, atau reaksi kombusi yang menyebabkan ledakan— adalah kesemuanya melibatkan semacam perubahan energi. Dalam skala besar, perubahan energi dari reaksi ini biasanya dapat diukur dengan berbagai macam cara untuk tujuan praktis, tapi untuk mencoba memahami dasar dari asal-usul energi ini dalam skala yang semakin kecil menjadi semakin rumit, terutama ketika kimia memasuki alam kuantum.

Dalam penelitian yang terbaru, Ahli kimia dari Cornell University Dr. Martn Rahm dan Prof. Roald Hoffmann (yang menerima penghargaan Nobel pada bidang kimia pada 1981 untuk teori pada bidang reaksi kimia)  telah mengeksplorasi cara baru umtuk memahami asal dari energi reaksi kimia pada level kuantum. Makalah mereka telah diterbitkan dalam Journal of the American Chemical Society.

Pemecahan Energi

Inti dari malah adalah idenya—yang secara luas diterima dalam kimia— semua interaksi antar molekul, atom dan elektron yang mengikat atom bersamadapat dipahami secara  kolektif dalam hal energi. Namun, asal mula dari energi ini, dan bagaimana perubahan energi dalam reaksi kimia, masih berupa pertanyaan. Bertahun-tahun peneliti mengusulkan beberapa “analisis dekomposisi energi,” atau dapat diinterpretasikan sebagai bagaimana energi ini dapat dipecah.

Dalam makalah mereka, Rahm dan Hoffmann mengusulkan analisis dekomposisi energi yang mana jumlah perubahan energi dari setiap reaksi kimia dapat dipecah menjadi tiga komponen: tolakan inti-inti (energi tolakan antara muatan positif inti dari atom yang berbeda), energi ikat elektron rata-arata (energi rata-rata yang dibuthkan untuk melepas satu elektron dari atom), dan interaksi elektron-elektron (energi tolakan antara muatan negatif elektron).

Untuk manggambarkan bagaimana hal ini dapat bekerja, peneliti menjelaskan apa yang terjadi jika dua atom apa saja didekatkan. Pertama, tolakan antar dua inti atom meningkat, yang akan mengakibatkan pergerakan elektron menuju antara dua inti untuk membentuk perisai untuk tolakan ini. Dengan adanya dua inti, energi ikat rata-rata elektron berubah akibat perbedaan tarikan elektron-inti. Seiring dengan saling mendekatnya elektron, terjadi juga interaksi yang semakin kuat satu sama lain. Mengukur interaksi elektron-elektron ini adalah salah satu tantangan dalam kimia komputasi.

Satu hal yang penelitian ini tunjukkan adalah dimungkinkannya estimasi dari interaksi elektron-elektron dari data eksperimental. Seperti yang dijelaskan oleh peneliti, ini adalah area dimana kimia berada dalam “kuantum” dan belum pernah diukur sebelumnya.

(Kiri) Definisi alternatif dari elektrobegatifitas (sumbu y) diusulkan oleh Allen sebagai “energi ikat elektron rata-rata” hasil nilai ekperimental yang terkolerasi lurus dengan nilai yang secara tradisional ditentukan oleh asas Pauling (sumbu x). (Kanan)(A) Eksperimental dan (B) Nilai perhitungan dari elektronegatifitas Allen untuk atom dan molekul terpilih. (C) Nilai estimasi dari elektronegatifitas Allen untuk ikatan valensi graphene. Semua nilai berasal dari penelitian sebelumnya. Credit: Rahm and Hoffmann ©2015 American Chemical Society

“Secara tradisional, pengertian dari ebergi interaksi elektron-elektron hanya didapat dari rumus matematika yang membentuk fungsi gelombang dan kemudian pendekatan solusi yang disebut persamman Schrödinger, sebagai contoh melakukan kuantum mekanik,” ucap Rahm kepada phys.org. “Penelitian ini menunjukkan informasi seperti itu sebenarnya dapat diambil dari eksperimental data yang sufisien dan akurat. Masih ada peringatan dan pendekatan yang melekat, tapi secara prinsip memungkinkan.

Mengukur Elektronegatifitas

Kemungkinan baru yang lain muncul dari pengertian komponen kedua—energi ikat elektron rata-rata— sebagai interpretasi interaktif dari salah satu konsep paling fundamental dalam kimia, yaitu elektonegatifitas.  Seperti yang dijelaskan para peneliti, secara tradisional elektronegatifitas dijelaskan oleh Linus Pauling pada 1932 “kemampuan atom untuk menarik elektorn,” dan dengan ini memberitahukan bahwa elektron bergerak ketika dua atom atau lebih didekatkan, yang mana merupakan dasar dari pembentukan ikatan. Definisi ini adalah yang masih banyak digunakan hingga sekarang.

Sebuah definisi alternatif diusulkan oleh Lee Allen pada 1989, dimana elektronegtifitas adalah rata-rata dari energi ikat elektron valensi (namun, Rahm dan Hoffmann menggunakan seluruh elektron, bukan hanya elektron valensi dalam usulan pembagian energi mereka). Nilai elektronegatifitas yang diperoleh menggunakan definisi Allen berhubungan kuat dengan yang diperoleh dengan menggunakan definisi Pauling, tapi kelebihan utama dari definisi Allen adalah elektronegatifitas yang ditentukan dengan definisi ini dapat diukur secara eksperimental (seperti menggunakan spektoskropi photoelectron), sementara elektonegatifitas dengan definisi pauling tidak bisa.

Dari pemahaman dasar hingga penggunaan

Kemampuan mengukur rata-rata enerhi ikat elektron secara eksperimental, serta dengan fakta bahwa data ekperimental dapat digunakan untuk menentukan tolakan inti-inti dan interaksi elektron-elektron, memberikan kemampuan yang belum pernah ada sebelumnya. Yang sangat penting adalah, dimungkinkannya mengukur secara eksperimen persentase dari total perubahan energi yang terjadi pada setiap komponen.

Dengan informasi ini, para peneliti menjelaskan bahwa semua reaksi kimia dan perubahan fisika capak diklasifikasikan menjadi delapan tipe berdasarkan apakah reaksi tersebut membutuhkan energi atau melepaskan energi, dan apakah dusukai atau tidak oleh inti, multielektron, dan/atau komponen energi ikat. Informasi ini dapat memberikan informasi berharga mengenai sifat dari ikatan kimia. Para peneliti juga menunjukkan, empat dari delapan kelas reaksi, pengetahuan akan energi ikat saja (dan ditambah kedua definisi elektronegatifitas) sudah cukup untuk memprediksi apakah reaksi akan berlangsung. Dalam kata lain, para peneliti menjelaskan, “Ini memungkinkan peneliti untuk memprediksi kapan konsep dari elektronegatifitas yang sederhana dan rasional secara intuitif dapat bekerja dalam memprediksi energi dan kapan tidak.”

Makalah ini merupakan yang pertama dari seri yang akan dieksplorasi oleh para peneliti lebih jauh, terutama dalam hal kegunaan potensial prespektif baru ini dalam hal energi dalam reaksi kimia. Mereka mencatat satu prospek yang “menantang” adalah kemungkin mengukur energi absolut, dimana hampir semua yang diukur dalam hal yang berkaitan dengan kimia adalah energi relatif.  Sebuah percobaan akan dimulai dengan absolut energi yang diketahui dari  sistem satu elektron (seperti C⁵⁺, yang merupakan karbon atom yang hanya memiliki satu elektron), yang dengan mudah diukur karena dengan hanya mempunyai satu elektron, tolakan elektron-elektron akan bernilai nol. Lalu energi absolut dari atom karbon, dan interaksi elektron-elektron didalamnya, dapat diukur ketika elektron dikembalikan satu per satu. Hal ini harusnya dapat dilakukan karena dalam prinsipnya dimungkinkan untuk mengukur rata-rata energi ikat elektron pada setiap langkah. Dengan jalan ini, sebuah pengertian alternatif dari dasar kimia mungkin akan menyediakan peralatan dan aplikasi baru yang berguna.

“Makalah ini mempunyai tiga hasil penting,” kata Rahm. “Ini menghubungkan konsep pusat kimia dari elektronegatifitas dengan total energi, yang paling banyak mengatur perubahan dalam kimia. Ini memberi tahu kita bagaimana kita bisa mengestimasi pentingnya interaksi elektron-elektron dalam mengatur reaksi kimia, dari data eksperimental. Ini juga merupakan skema dekomposisi energi yang penggunaannya dapat dipertukarkan dengan menggunakan komputasi dan data ekperimental. Ini seharusnya bisa memberikan jembatan atar disiplin ilmu yang berbeda.”

Di masa yang akandatang, para peneliti berencana mengaplikasikan pemahan teori ini untuk mempelajari varietas dari reaksi kimia.

“Langkah selanjutnya adalah untuk menganalisa sifat dari ikatan kimia dalam molekul diatomik ang lebih besar, seperti Nitrogen(N₂), Karbon Monoksida(CO), dan Flourin(F₂),” kata Rahm. “Setelah ini, mekanisme reaksi yang lebih kompleks dan perubahan kimia juga akan diikutkan. Penelitian seperti itu akan menunjukkan batasan dari pendakatan kami. Semoga saja predikisi yang bagus dapat muncul dan bisa membantu kami untuk memahami dan mendesian sifat molekul dan material yang berbeda.”(phys)