muatan atom part 1

Salah satu hal yang bisa dilakukan dengan kimia komputasi adalah analisis muatan atom atau yang lebih dikenal sebagai analisis populasi, bahkan hanya kimia komputasi yang bisa menghitung muatan atom karena muatan atom tidak tercermin dalam sifat fisika atau kimia apapun. Jika dipikir-pikir ternyata banyak konsep dalam kimia yang sebenarnya berkaitan dengan muatan atom. Contohnya, ikatan ion, kovalen, polaritas, redoks, elektrofilik, nukleofilik. Bahkan, dalam satu kuliah, Kimia Unsur, rasanya tidak afdol kalau tidak membahas yang namanya muatan inti efektif, potensial ionik.


Dalam realitanya, atom memiliki muatan positif yang dikelilingi oleh muatan negatif dari elektron, bukan muatan parsial masing-masing atom. Muatan parsial sendiri muncul dari pemahaman atas distribusi densitas elektron. Jadi, pengaruh antara densitas elektron dan muatan inti agar lebih mudah dipahami disederhankanlah menjadi muatan parsial. Muatan parsial ini bukan bilangan bulat, seperti muatan formal melainkan pecahan dari waktu rata-rata elektron berada di dekat inti. Seperti yang sudah dikatan di atas, konsep ini sangat berguna dalam menjelaskan interaksi antar molekul dan memprediksi situs elektrofilik dan nukleofilik.

Beberapa metode untuk menghitung muatan atom telah dikembangkan dari dulu, antara lain : analisis populasi Mulliken, Natural Bond Analysis, Atom In MOlecules (AIM), Bader Charge Analysis dll. Di sini kita akan membahas dua saja, Mulliken dan Natural Bond Analysis serta penerapan Mulliken Charge Analysis.

-> Mulliken Charge Analysis
Mulliken Charge Analysis merupakan salah satu metode yang paling banyak digunakan untuk analisis muatan. Asumsi dasar dari Mulliken adalah fungsi gelombang yang overlap antara dua orbital dibagi secara rata. Hal ini tidak mencerminkan elektronegatifitas dari suatu elemen, akan tetapi dapat memberikan gambaran pembagian fungsi gelombang dan sangat efekfif digunakan untuk basis set yang kecil. Basis set yang besar memberikan hasil yang diperoleh bisa tidak masuk akal. Hal ini dikarenakan fungsi difusi atom tetangga lebih dari mendeskripsikan atom yang mana mereka terpusat. Singkatnya, Mulliken sangat tergantung dengan basis set yang digunakan. Dalam beberapa kasus, Mulliken dapat menandai populasi elektron dalam satu orbital lebih dari dua elektron. Mulliken juga cenderung underestimate dalam menghitung pemisahan muatan dalam sistem ikatan ionik.

Di balik segala kekurangannya, ternyata Mulliken merupakan metode yang paling banyak diimplementasikan dalam berbagai software. Mungkin karena metode ini yang paling mudah dimengerti dan Mulliken sendiri lebih digunakan untuk mengetahui kimiawi dari suatu sistem dari pada memprediksi secara kuantitatif hasil eksperimental.

Terdapat berbagai macam ambiguisitas tentang analisis populasi Mulliken dalam literatur. Hal ini dikarenakan banyak software menampilkan bagian yang berbeda-beda dari analisis ini. Deskripsi singkat analisis Mulliken adalah sebagai berikut : orbital molekul adalah kombinasi linier dari fungsi basis. Normalisasi memerlukan integral dari orbital molekul kuadrat sama dengan 1. Kalau dipikir lagi, integral orbital sebenarnya penjumlahan dari integral satu atau dua pusat fungsi basis. Dalam analisis Mulliken, integral dari orbital tidak ditambahkan. Malah, kontribusi dari semua fungsi basis dalam semua orbital dijumlahkan untuk memberikan populasi bersih dari fungsi basis. Demikian juga, overlap dari pasangan fungsi basis dijumlahkan untuk semua orbital dengan tujuan untuk menentukan populasi overlap dari pasangan fungsi basis. Populasi overlap bisa bernilai 0 secara simetri atau negatif, mengindikasikan interaksi antibonding. nilai overlap positif yang besar antara fungsi basis dalam atom-atom yang berbeda mengindikasikan adanya ikatan.

Populasi kasar ditentukan dengan cara diawali dari populasi bersih untuk sebuah fungsi basis, kemudian menambahkan separuh dari setiap overlap untuk fungsi basis yang berkontribusi. Populasi kasar dari semua orbital dipusatkan dalam atom dapat dijumlahkan untuk mendapatkan populasi atom kasar untuk atom tersebut. Populasi atom kasar ini dapat dikurangi dari muatan inti untuk mendapatkan muatan bersih. Analisis lebih jauh dari overlap populasi dapat menghasilkan tingkat ikatan atau bond order.

-> Natural Bond Order (NBO)

Analisis NBO adalah serangkaian set teknik analisis. Salah satu darinya adalah Natural Population Analysis (NPA) untuk mendapatkan okupansi (berapa banyak elektron ditandai untuk sebuah atom) dan muatan atom.

NBO tidak menggunakan orbital molekul secara langsung, melainkan orbital natural. Orbital natural adalah fungsi eigen dari turunan pertama matriks kerapatan yang kemudian dilokalisasi dan diortogonalisasikan. Prosedur lokalisasi memungkinkan orbital didefinisikan sebagai pusat dari atom dan meliputi pasangan atom. Hal ini kemudian dapat diintegrasikan untuk mendapatkan muatan atom. Analisis dari bobot fungsi basis dan sifat-sifat dari nodal, orbital tertransformasi dapat diklasifikasikan sebagai bonding, anti bonding, core dan Rydberg. dekomposisi lebih jauh ke orbital tiga badan akan menghasilkan karakterisasi dari tiga pusat ikatan. Terdapat juga metode untuk mencari ikatan phi dalam sistem resonansi.

Hasil analisis muatan menggunakan NPA lebih tidak terpengaruh basis set daripada Mulliken, namun demikian pengaruh basis set masih nampak. Metode ini juga cukup populer dan banyak digunakan peneliti untuk mengklasifikasikan jenis-jenis orbital.

Itu dulu penjelasan singkat dari Mulliken dan NPA, penjelasan lebih lanjut dapat kalian cari di buku-buku kimia komputasi atau di internet. Sekarang kita masuk ke penggunaannya🙂. Pertama, kita akan menggunakan analisis muatan Mulliken untuk reaksi substitusi elektrofilik cincin benzena, di mana kita akan memprediksi pengarah orto, meta dan para berdasarkan muatan atom (Apa itu subsitusi elektrofilik, pengarah orto, meta dan para dapat teman-teman temukan di buku-buku kimia organik dan kimia organik fisik).

(Bersambung..)

One thought on “muatan atom part 1

  1. Pingback: QT-AIM, short explanation « neax502 simple blog

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s