Teori Orbital Molekuler menjelaskan secara analitis bagaimana orbital suatu atom berinteraksi dengan orbital atom-atom lain membentuk molekul atau senyawa kimia. Kata “senyawa” sendiri memiliki makna yang puitis. Secara leksikal ia bisa diartikan sebagai nyawa-nyawa yang bersatu. Molekul terbentuk atas interaksi orbital atom-atom penyusunnya, maka orbital adalah nyawa dari molekul dan juga atom-atom tersebut. Orbital menyatakan secara matematis dinamika elektron-elektron dalam sebuah materi. Konsep orbital datang dari mekanika kuantum, yakni merupakan solusi persamaan Schrödinger pada sistem atomik. Biasanya, orbital dilambangkan dengan angka dan huruf, misalnya 1s, 2p, 3d, 4f, dst. Orbital-orbital ini begitu fundamental karena mengandung informasi berbagai besaran. Atau dengan kata lain berbagai sifat fisis dan kimiawi, dari yang mudah teramati seperti warna hingga yang rumit seperti kelistrikan dan kemagnetan, dapat diketahui dari orbital.
Semakin banyak elektron, semakin kompleks suatu sistem begitupun persamaan gerak elektron-elektron tersebut. Metode struktur elektronik menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk sistem-sistem seperti ini. Metode tersebut telah dikembangkan dan digunakan selama puluhan tahun untuk memahami dan memodelkan molekul, kristal, dan berbagai fenomena yang melibatkan keduanya. Pemahaman kita akan hal-hal ini telah menjadi salah satu pondasi teknologi berbasis elektron yang kita miliki saat ini.
Perkembangan perangkat keras dan perangkat lunak komputer saat ini membuat pemodelan material berbasis metode struktur elektronik memadai untuk diakses, bahkan oleh orang yang tidak memahami mekanika kuantum sekalipun. Ada berbagai perangkat lunak yang mengemas algoritma metode struktur elektronik sehingga dapat digunakan dengan mudah. Siapapun dapat menggunakannya tanpa perlu menjadi ahli mekanika kuantum terlebih dahulu. Namun, sama seperti ilmu pengetahuan lain, semakin kita mengetahui perangkat-perangkat matematis yang digunakan, semakin mantap pemahaman kita terhadap suatu masalah. Dasar-dasar matematis tertentu diperlukan untuk memaknai hasil yang kita peroleh. Teori Orbital Molekuler, dengan prasyarat matematika yang relatif rendah, dapat mengantarkan kita pada pemahaman yang utuh akan hasil-hasil yang kita peroleh dari metode struktur elektronik.
Studi ini menggunakan Teori Orbital Molekuler untuk menilai orbital-orbital yang dihasilkan oleh dua metode struktur elektronik: Hartree Fock dan Density Functional Theory. Metode-metode tersebut diimplementasikan pada lima buah molekul diatomik: HLi, HBe, HO, HF, dan HNa. Molekul-molekul ini dipilih dengan alasan kesederhanaan sehingga dapat mengantarkan pada kedalaman kajian. Struktur elektronik setiap molekul yang diperoleh dari kalkulasi berbasis Hartree Fock dan Density Functional Theory tersusun atas berbagai orbital molekuler. Orbital molekuler ini merupakan kombinasi dari orbital atom-atom penyusun molekul. Kombinasi orbital atomik akan membentuk tiga jenis orbital molekuler: bonding (interaksi saling menguatkan), antibonding (interaksi saling melemahkan), dan nonbonding (tidak ada interaksi). Dengan Teori Orbital Molekuler, kita dapat dengan mudah mengidentifikasi ketiga jenis orbital ini pada struktur elektronik molekul yang dikaji. Lalu, apa pentingnya mengetahui jenis orbital molekuler? Kalkulasi besaran fisis dari molekul-molekul tersebut memberikan satu contoh sederhana akan pentingnya hal ini.
Kalkulasi momen dipol elektrik kelima molekul tersebut dengan berbagai basis set menunjukan pengelompokan. Kalkulasi pada kelompok molekul tertentu mendapatkan hasil yang relatif lebih presisi dibanding kelompok molekul yang lain. Kalkulasi momen dipol pada molekul HLi, HBe, dan HNa (kita sebut kelompok A) memiliki kepresisian yang relatif lebih tinggi dibanding pada molekul HO dan HF (kelompok B). Padahal, molekul dengan jumlah elektron terbanyak adalah HNa. Secara intuisi kita mungkin berpikir bahwa semakin banyak elektron suatu sistem, semakin rumit sistem tersebut sehingga berpeluang mengurangi kepresisian kalkulasi. Sayangnya, hasil yang diperoleh pada studi ini menunjukan bahwa ada hal lain yang mempengaruhi kepresisian kalkulasi besaran fisis suatu molekul.
Dilihat dari struktur elektronik, ada satu perbedaan antara molekul-molekul kelompok A dan molekul-molekul kelompok B. Elektron terluar pada molekul-molekul kelompok A ada di orbital bonding sedangkan pada kelompok B ada di orbital nonbonding. Elektron terluar ini paling mudah berinteraksi dengan lingkungan sehingga dinamikanya (orbitalnya) paling banyak berkontribusi terhadap sifat-sifat suatu molekul. Orbital bonding tersusun atas interaksi orbital dua atom berbeda sedangkan orbital nonbonding hanya tersusun atas kontribusi orbital satu atom saja. Hasil ini menyarankan agar kita harus berhati-hati saat berurusan dengan molekul-molekul yang elektron terluarnya berada pada orbital nonbonding.
Penulis: Lusia S.P. Boli, S.Si, M.T
Studi ini merupakan tugas akhir mahasiswa starata 1 berjudul “Evaluation of the Electronic Structure Resulting from ab-initio Calculations on Simple Molecules Using the Molecular Orbital Theory”. Tugas akhir tersebut telah dipublikasikan sebagai artikel ilmiah pada Jurnal Pendidikan dan Penelitian IPA, volume 7, nomor 1, halaman 107-111. Artikel tersebut dapat diakses pada https://doi.org/10.29303/jppipa.v7i1.545
