Kerapatan elektron

Kerapatan elektron adalah ukuran probabilitas elektron yang hadir di lokasi tertentu.

Dalam molekul, daerah kerapatan elektron biasanya ditemukan di sekitar atom, dan ikatannya. Dalam sistem terdelokalisasi atau sistem terkonjugasi, seperti fenol, benzena dan senyawa seperti hemoglobin dan klorofil, kerapatan elektron mencakup seluruh wilayah, yaitu, pada benzena mereka ditemukan di atas dan di bawah cincin planar. Hal ini kadang digambarkan sebagai rangkaian ikatan tunggal dan rangkap bergantian. Dalam kasus fenol dan benzena, lingkaran di dalam segi enam menunjukkan sifat terdelokalisasi senyawa tersebut, Seperti ditunjukkan di bawah ini:

Dalam senyawa dengan beberapa sistem cincin yang saling berhubungan, cara penggambaran ini tidak lagi akurat, jadi digambarkan dengan selang-seling ikatan tunggal dan ganda. Dalam senyawa seperti klorofil dan fenol, beberapa diagram menunjukkan garis putus-putus atau titik-titik untuk mewakili delokalisasi daerah yang kerapatan elektronnya lebih tinggi di sebelah ikatan tunggal.^{[catat 1]} Sistem terkonjugasi terkadang dapat mewakili daerah yang menyerap radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang yang berbeda sehingga menghasilkan senyawa yang tampak berwarna. Dalam polimer, area ini dikenal sebagai kromofor.

Dalam kalkulasi kimia kuantum, kerapatan elektron, ρ(r), adalah fungsi dari koordinasi r, yang didefinisikan sedemikian rupa sehingga ρ(r)dr adalah jumlah elektron dalam volume kecil dr. Untuk molekul kelopak tertutup, $\rho (\mathbf {r} )$ dapat ditulis dalam bentuk produk dari fungsi dasar, φ:

\rho (\mathbf {r} )=\sum _{\mu }\sum _{\nu }P_{\mu \nu }\phi _{\mu }(\mathbf {r} )\phi _{\nu }(\mathbf {r} )

Kerapatan elektron terhitung untuk anilin, nilai kerapatan tinggi menunjukkan posisi atom, nilai kerapatan sedang menekankan ikatan, nilai rendah memberikan informasi mengenai bentuk molekul dan ukurannya.

dengan P adalah matriks densitas. Kerapatan elektron sering diberikan dalam istilah isopermukaan (permukaan isodensitas) dengan ukuran dan bentuk permukaan yang ditentukan oleh nilai kerapatan yang dipilih, atau dalam persentase elektron total yang mengelilinginya.

Perangkat lunak pemodelan molekuler sering menyediakan citra grafis kerapatan elektron. Misalnya, pada anilin (lihat gambar di kanan). Model grafis, termasuk kerapatan elektron adalah alat yang umum digunakan dalam pendidikan kimia.^[1] Perhatikan pada gambar anilin paling kiri, kerapatan elektron tinggi dikaitkan dengan karbon dan nitrogen, namun hidrogen yang hanya memiliki satu proton di dalam intinya, tidak terlihat. Inilah alasan mengapa difraksi sinar-X memiliki waktu sulit untuk menentukan posisi hidrogen.

Sebagian besar paket perangkat lunak pemodelan molekuler memungkinkan pengguna memilih nilai untuk kerapatan elektron, yang sering disebut IsoValue. Beberapa perangkat lunak^{[catat 2]} juga memungkinkan spesifikasi kerapatan elektron dalam hal persentase elektron total yang mengelilingi. Bergantung pada IsoValue (unit tipikal adalah elektron per bohr kubik), atau persentase elektron total tertutup, permukaan kerapatan elektron dapat digunakan untuk menemukan atom, menekankan kepadatan elektron yang terkait dengan ikatan kimia, atau untuk menunjukkan ukuran dan bentuk molekul secara keseluruhan.^[2]

Secara grafis, permukaan kerapatan elektron juga berfungsi sebagai kanvas dimana properti elektronik lainnya dapat ditampilkan. Peta potensial elektrostatik (sifat potensial elektrostatik yang dipetakan pada kerapatan elektron) memberikan indikator untuk distribusi muatan dalam sebuah molekul. Peta potensi ionisasi lokal (sifat potensial ionisasi lokal yang dipetakan pada kerapatan elektron memberikan indikator elektrofilisitas. Dan peta LUMO (orbital molekul tak terisi terkecil, Inggris: Lowest Unoccupied Molecular Orbital) yang dipetakan pada kerapatan elektron) dapat memberikan indikasi untuk nukleofilitas.^[3]

Percobaan sunting

Banyak teknik eksperimen yang bisa mengukur kerapatan elektron. Misalnya, melalui pemindaian difraksi sinar-X, di mana sinar-X dengan panjang gelombang yang sesuai ditembakkan pada sampel target dan pengukuran dilakukan dari waktu ke waktu, memberikan representasi probabilistik lokasi elektron dapat ditemukan. Dari posisi ini struktur molekul sistem kristal sering kali dapat ditentukan. Elektrodinamika kuantum dan beberapa cabang teori kuantum juga mempelajari dan menganalisis superposisi elektron dan fenomena terkait lainnya. Analisis populasi Mulliken didasarkan pada kerapatan elektron dalam molekul dan merupakan cara untuk membagi kerapatan antar atom untuk memberi perkiraan muatan atom.

Dalam mikroskop elektron transmisi (Inggris: transmission electron microscopy, TEM) dan hamburan taklenting mendalam (Inggris: deep inelastic scattering), serta eksperimen partikel energi tinggi lainnya, elektron energi tinggi berinteraksi dengan awan elektron menghasilkan representasi langsung kerapatan elektron. Mikroskopi penerowongan payaran (Inggris: scanning tunneling microscopy, STM) dan mikroskopi gaya atom (Inggris: Atomic-force microscopy, AFM) dapat digunakan untuk menyelidiki kepadatan elektron atom tunggal tertentu.

Rapatan spin sunting

Rapatan spin adalah kerapatan elektron yang diterapkan pada radikal bebas. Ini didefinisikan sebagai kerapatan elektron total dari elektron dengan spin tertentu dikurangi kerapatan elektron total dari elektron dengan spin lainnya. Salah satu cara untuk mengukurnya secara eksperimental adalah dengan resonansi spin elektron,^[4] difraksi neutron memungkinkan pemetaan langsung kepadatan spin di ruang 3D.

Lihat juga sunting

Catatan sunting

^ misalnya, garis putih dalam diagram di Chlorophylls and Carotenoids Diarsipkan 2017-08-09 di Wayback Machine.
^ atau contohnya, program Spartan dari Wavefunction, Inc.

Referensi sunting

^ Alan J. Shusterman and Gwendolyn P. Shusterman (1997). "Teaching Chemistry with Electron Density Models". The Journal of Chemical Education. ACS Publications. 74 (7): 771–775. Bibcode:1997JChEd..74..771S. doi:10.1021/ed074p771.
^ Warren J. Hehre, Alan J. Shusterman, Janet E. Nelson (1998). The Molecular Modeling Workbook for Organic Chemistry. Irvine, California: Wavefunction, Inc. hlm. 61–86. ISBN 1-890661-18-X.
^ Hehre, Warren J. (2003). A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations. Irvine, California: Wavefunction, Inc. hlm. 85–100,. ISBN 1-890661-06-6.
^ IUPAC Gold Book Link^{[pranala nonaktif permanen]}

[1] salnya, garis putih dalam diagram di Chlorophylls and Carotenoids Diarsipkan 2017-08-09 di Wayback Machine.

[3] tau contohnya, program Spartan dari Wavefunction, Inc.

[2] Alan J. Shusterman and Gwendolyn P. Shusterman (1997). "Teaching Chemistry with Electron Density Models". The Journal of Chemical Education. ACS Publications. 74 (7): 771–775. Bibcode:1997JChEd..74..771S. doi:10.1021/ed074p771.

[4] Warren J. Hehre, Alan J. Shusterman, Janet E. Nelson (1998). The Molecular Modeling Workbook for Organic Chemistry. Irvine, California: Wavefunction, Inc. hlm. 61–86. ISBN 1-890661-18-X.

[5] Hehre, Warren J. (2003). A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations. Irvine, California: Wavefunction, Inc. hlm. 85–100,. ISBN 1-890661-06-6.

[6] IUPAC Gold Book Link^{[pranala nonaktif permanen]}

[catat 1]

[1]

[catat 2]

[2]

[3]

[4]