Bab 2Interaksi antara atom dalam molekuldan antar molekul sendiri3. Kimia dalam kehidupan* Interaksi dalam ilmu fisika:1. Interaksi nuklir (Nuklir Interaktion or strong

interaktion)- Radius 10-13 cm- Radius 10-13 cm- Tidak mempunyai efek terhadap karakteristik

sistem molekul2. Interaksi lemah (weak interaktion)

- Radius 10-14 cm- Tidak mempunyai efek terhadap karakteristik

sistem molekul- Terlibat dalam transformasi proton dan Neutron

3. Interaksi Gravitasi (Gravitational interaktion) - Energi berbanding terbalik dengan jarak antar

muatan- Gaya tarik sebanding dengan masa benda-

benda yang berinteraksi- Signifikansi ketika melibatkan benda-benda

yang sangat beratyang sangat berat4. Interaksi Elektromagnet (Elektromagnetik

Interaktion) - Respon terhadap struktur atom dan

interaksi antar atom

Molekul dan atom

Sebagai pondasi untuk meningkatkan organisme hidupproton

inti atomMolekul Atom netron

elektron elektron

Molekul - molekul utama yang menyusun organisme hidup mengandung :Kabohidrat, protein, asam Nukleat, dan lain-lain

Di dalam sel dan intra sel membran: Karbohidrat di bangun oleh : H, C, O. Protein dibangun oleh: H, C, O, N, dan S Asam Nukleat dibangun oleh: H,C,O,N dan P

Ke enam unsur di atas terdapat dalam tabel Ke enam unsur di atas terdapat dalam tabel mendeleef Sebagai dasar kehidupan yang memainkan peranan penting melalui ion positif (kation) dan Ion negatif (anion)

Unsur-unsur penting dalam tubuh manusia

- Kalium (K) = 0,35%- Natrium (Na) = 0,1%- Kalsium (Ca) = 2%- Magnesium (Mg) = 0,06%

Terlibat dalam aturan membran, aktifitas otot, konduksi inpls saraf, dan fenomena lain

Unsur-unsur lain dalam tubuh manusia

- Besi (Fe) - Tembaga (Cu)- Seng (Zn)- Kobalt (Co)- Mangan (Mn)- Molybdenum (Mo)

Unsur-unsur lain dalam tubuh manusia

konsentrasinya kurang dari 0,001%, sebagai aktifator enzim

4. Struktur elektron dan atom utama biomolekul

- Atom : elektron dan inti atom (Proton dan Neutron)- Atom Netral jumlah proton = jumlah elektron- Diameter atom = 10-8 cm- Diameter inti = 10-13 cm- Massa inti = 10.000 X massa seluruh elektron dalam atom- Massa inti = 10.000 X massa seluruh elektron dalam atom- Gerakan elektron dalam medan Coulomb dari inti atom :

- Gaya tolak listrik :

rZerU /)( 2

rerU /)( 212

Perlakuan elektron dalam medan coulomb terhadap proton untuk atom Hidrogen ditentukan dengan persamaan Schrodinger :

……. (4.1)

Dimana,

zyxEzyxrem

,,,,/2

222

Dimana,

M = massa elektrone = muatan elektron

2222

2

2

2

2

22 ; zyxr

zyx

Penyebaran rata-rata kerapatan muatan listrik negatif dalam atom dinyatakan :

………(4.2)Energi keadaan tetap atom Hidrogen

Di mana :

22/ nEEn Tanda negatif khusus nilai potensial energi dari interaksi elektron dan inti.

2,,., zyxezyx

Di mana :n = bilangan kuantum :1,2,3,….Ea= energi dalam atom

En= energi yang diperlukan untuk melepas elektron dari satu keadaan sampai tak terhingga

interaksi elektron dan inti.

sergeVmE ea .10.054,1,21,27/274

Persamaan (4.3) sesuai fungsi gelombang dalam koordinat spherik dinyatakan :

(4.4)

Jika nilai n tertentu, bilangan kuantum l dan m nilainya adalah:

,,, ,,lmnl

rn YrRmL

l =0,1,2,3,…; m

Sesuai dengan persamaan (4.2) dan (4.4) fungsi spherikBergantung pada muatan negatif dalam atom Hidrogen, tidak bergantung pada sudut dan bilangan kuantum m

l ,.....,2,1,0

2

lmY ,rP

Nilai l= 0,1,2 biasanya ditunjukkan dengan huruf-huruf s,p,d,f,g,……

Keadaan dasar atom Hidrogen didefinisikan oleh bilangan kuantum n=0, l=0, En= -Ea/2Nilai muatan listrik dalam bola berjari-jari r dan tebal dr sesuai dengan persamaan (4.2) dan (4.4) dinyatakan :(4.4) dinyatakan :

Dimana muatan maksimum pada jarak r=a0dari pusat atom.

00

2

0

2 2exp4

a

rd

a

r

a

redrrrdrrW

fungsi Nilai fungsi dalam atom hidrogen

rR10

rR20

rR21

02/3

0 /exp2 ara

002/3

0 2/exp/22 arara

002/3

0 2/exp3/2 arara

Keadaan tetap atom dengan elektron didefinisikan oleh persamaan Schrodinger

0,......,2 21

1

22

rrErUrUm

z

i ijijijii

Gambar 2 hal. 13

masing-masing sub kulit maksimum berisi 2(2l+1) elektron, (l=n-1)

Contoh :Konfigurasi elektron 10Ne =1s2 2s2 2p6Ne =1s 2s 2p

18Ar =1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

5. Interaksi antar atom

5.1 Lokalisasi ikatan kimia:

Sistem molekul sederhana adalah sistem sederhana adalah sistem yang terdiri dari dua atom hidrogen.Teori ini diperkenalkan oleh Heitler dan London tahun 1927

Ikatan multiple antar atom

Ikatan multiple terdiri dari beberapa pasangan elektron. Contoh : Ikatan triple molekul NitrogenNN2

Ikatan triple diantara atom karbon dalam molekul asetelin

NN

HCCH

Keadaan valensi atom karbon digambarkan oleh fungsi

yP2

Elektron dalam keadaan ψ3 dan ψ4membentuk 2 ikatan-σ dalam setiap atom

xP1

zS 2

13

zps 2

14

σ dalam setiap atom karbonElektron pada ψ1 dan ψ2 keadaan sangat respon terhadap 2 ikatan-л antara atom Karbon

Bentuk ikatan dalam molekul Etilen

Dalam beberapa kasus keadaan valensi atom karbon ditunjukkan oleh 4 fungsi berikut: 1

oleh 4 fungsi berikut: xps 2

3

11

yx pps 32

6

12

yps 326

13

zp4

5.2 Lokasi inkomplit ikatan kimiahal ini membahas karakter lokal pada ikatan dan mempersentasikan tiap ikatan ke dalam formula struktur molekul oleh penghubung (komposisi aromatik)Ciri khas sebuah molekul aromatic adalah Ciri khas sebuah molekul aromatic adalah benzena yang mengandung 6 atom karbon dan 6 atom hidrogen. Molekul benzena adalah terstruktur

Struktur benzena sebagai berikut:

fundamental penting bahwa kerapatan elektron dalam semua ikatan C ... C memiliki sebuah distribusi yang sama. Jarak antara semua Jarak antara semua atom karbon sama dan sederajat 1.40

o

A

Aromatik bersenyawa dengan delokalisasi ikatan. Kerangkanya di gambarkan sebagai berikut :

Contoh molekul lain dengan ikatan konjugasi diretinal C19H25CHO yang terlibat dalam sistem fotoreceptor :

-Dalam senyawa heterosiklis struktur elektronik pada ikatan dalam cincin seperti molekul aromatik dan ditunjukkan dalam

- Contoh 6-heterosiklik dengan satu heteroatom Nitrogen diberikan pada rangkaian berikut:

ditunjukkan dalam formula benzena, dengan ikatan ganda dan tunggal.

6. Interaksi antar molekul:6.1 Dispersi atau Gaya Van der Waals

Molekul netral mengikat tiap molekul lain pada jarak yang luas dan menolak tiap molekul lain pada jarak kecil. Energi potensial dari interaksi inter-molekul sebagai fungsi jarak antara molekul pusat dijelaskan oleh fungsi Potensial jarak antara molekul pusat dijelaskan oleh fungsi Potensial Lennar-Jones, Persamaannya :

……………… (6.1),)(

612 r

D

r

ArU

Menurut perhitungan kontribusi Keesom, interaksi orientasi pada molekul a dan b menjadi koefisien D pada persamaan (6.1) dijelaskan dengan persamaan:

,3/22 kTddD bacr

Dimana : a dan b adalah momen dipol listrikinteraksi molekul.kT adalah energi gerak termal.

Menurut model interaksi intermolekul Van der Waals, atom dalam molekul memenuhi jari-jari Van der Waals (R). Jari-jari ini diberikan dalam

6.2 Ikatan Hidrogen antar Molekul

Atom hidrogen mempunyai 2 elektron terluar dengan spin anti-paralel yang tidak berikatan kimiaElektron bebas dan tidak berpasangan akan menarik sebuah proton dan struktur ini diberikan dalam

tabel 4 untuk beberapa atom.

sebuah proton dan struktur ikatan kimia dengannya.Hasilnya rantai molekul akan menuju ke keadaan ionik (C5NH6)+.

Atom H C N O P S

R A0 1,17 1,80 1,58 1,52 1,90 1,85

Jika ada dua rantai molekul mereka akan bersaing mendapatkan proton dan bentuk senyawanya adalah :

N-H…N3,10 A

Gambar : kurva energi potensial pada proton sebagai fungsi jarak antara atom Nitrogen pada dua gugus molekul

Effek timbal-balik dari dua ikatan hidrogen antara basis Nitrogen Adenin dan Timin yang menyusun molekul DNA

a – Timin (T) dan Adenin merupakan unsur pokok dari molekul DNA. Panah menunjukan dimana basis dihubungkan dalam molekul gula dalam molekul gula dan rantai asam fospat

b – Kurva potensial ikatan hidrogen

Struktur es

Tiap molekul air dihubungkan dengan ikatan hidrogen (tiga titik) pada keempat sudutnya membentuk struktur tetrahidorgen

Molekul dalam kristal terbentuk oleh ikatan Hidrogen yang saling menguatkan sama lain.

Nilai eksperimen frekuensi imfra merah dari getaran OH dalam air yang dibentuk ikatan Hidrogen pada sudut β.

Menurut fisika statistik bentuk termodinamika dari sistem molekul adalah volume V pada tekanan konstan P dalam keseimbangan statistik dengan sebuah termostat yang didefinisikan sebagai :

............ (6.2)

V = volume sistem; k = konstanta Boltzman; T = temperatur mutlak; Sp = operator statistik dan

kT

HPVSpZ exp

T = temperatur mutlak; Sp = operator statistik dan H = operator kuantum untuk energi sistem. Operator ini sama dengan operator energi kinetik dari translasi dan rotasi molekul dan operator energi potensial untuk interaksi semua molekul. Jika semua fungsi eigen diketahui dengan spektrum kompleks dari energi Es dari operator H dari rumus (6.2) diperoleh persamaan:

........... (6.3)

s

s

kT

EPVZ exp

Energi bebas gibb’s sistem pada tekanan dan temperatur konstan ditentukan dengan persamaan sederhana :

( 6.4 ) Berdasarkan energi bebas gibs kita dapat

menentukan energi total :

ZkTPVSTEG ln

menentukan energi total :

Entropi S = , Volume V = ,Kapasitas panas Cp = dan lain-lain.

PT T

G

TT

P

GPE

2

PT

G

TP

G

PT

GT

2

2

7. Interaksi Ion dan Molekul dengan Air

7.1 Hidrasi Ion dalam AirDalam medan listrik sebuah ion, molekul air yang terpolarisasi, sebagian bergabung sehingga melindungi medannya. Proses ini disebut hidrasi.disebut hidrasi.Untuk menghitung polarisasi energi potensial sebuah medium disekitar ion dibuat oleh Born pada tahun 1920. Dengan persamaan :

4/)(1

1 rDrP

Medan ini mempolarisasi medium. Polarisasi digolongkan dengan vektor polarisasi listrik :

Energi potensial polarisasi médium diberikan pada persamaan :

4/)(1

1 rDrP

pada persamaan :

…… (7.1) RZedrrrPrDU 2/1

1)()(2 22

Dalam sistem biologi semua proses berada pada tekanan dan temperatur konstan sehingga perbedaan temperatur dari 0 energi hidrasi ditentukan dengan perubahan energi bebas Gibbs sebagai hasil polarisasi medium:

VPSTUE

Dimana ΔS adalah perubahan entropi sistem; ΔV adalah perubahan volume. Entropi hidrasi berharga negatif karena perubahan susunan molekul direduksi sekitar ion entropi air.

VPSTUE

Perhitungan listrik sederhana energi hidrasi diusulkan oleh Mischenko dan Sukotin berdasarkan pada pertimbangan interaksi ion dengan kekuatan dipol molekul air. Maka diperoleh persamaan energi hidrasi sebagai berikut:

)/(2,127

2molkkalU

dimana ri = radius Cristalografik ion; rH2O sebesar 1,93 ;

untuk kation dan anion.

)/(2

2

molkkalrr

UOHi

25,0

o

A