Kimia kuantum didasarkan pada Mekanika Kuantum, yang menggantikan fisika klasik dalam menjelaskan perilaku partikel sekecil atom dan sub-atom (elektron).

A. Konsep Kunci Awal

1. Kuantisasi Energi: Energi tidak bersifat kontinu, melainkan dilepaskan atau diserap dalam paket diskrit (terkuantisasi) yang disebut kuanta atau foton.$$\mathbf{E = h\nu}$$Di mana $E$ adalah energi foton, $h$ adalah Konstanta Planck ($6.626 \times 10^{-34} \text{ J}\cdot\text{s}$), dan $\nu$ adalah frekuensi cahaya.
2. Dualitas Gelombang-Partikel (De Broglie): Materi (seperti elektron) tidak hanya memiliki sifat partikel (massa dan momentum), tetapi juga memiliki sifat gelombang.$$\mathbf{\lambda = \frac{h}{p}}$$Di mana $\lambda$ adalah panjang gelombang materi dan $p$ adalah momentum ($p=mv$). Ini berarti elektron dalam atom tidak hanya mengorbit seperti planet, tetapi berperilaku seperti gelombang stasioner.
3. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg: Konsekuensi dari sifat gelombang-partikel. Kita tidak dapat mengetahui secara pasti posisi ($\Delta x$) dan momentum ($\Delta p$) suatu partikel secara simultan.$$\mathbf{\Delta x \cdot \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}}$$(Di mana $\hbar = h/2\pi$). Semakin akurat kita mengukur posisi elektron, semakin besar ketidakpastian dalam momentumnya.

---

Persamaan Schrödinger (The Core Equation)

Inti dari Kimia Kuantum adalah Persamaan Schrödinger, yang menjelaskan bagaimana fungsi gelombang $\Psi$ (Psi) suatu sistem berubah seiring waktu dan ruang.

$$\mathbf{\hat{H}\Psi = E\Psi}$$

• $\Psi$ (Fungsi Gelombang): Ini adalah fungsi matematika yang menyimpan semua informasi tentang sistem. Nilainya tidak memiliki makna fisik langsung.
• $|\Psi|^2$ (Densitas Probabilitas): Kuadrat dari fungsi gelombang mewakili probabilitas menemukan elektron pada titik ruang tertentu.
• $\hat{H}$ (Operator Hamiltonian): Mewakili energi total sistem. Ini mencakup operator energi kinetik dan operator energi potensial (interaksi antara elektron dan inti).
• $E$ (Energi Eigenvalue): Nilai energi yang diizinkan untuk sistem tersebut.

Solusi dari persamaan ini untuk atom hidrogen (sistem kuantum paling sederhana) menghasilkan orbital atom dan energi yang terkuantisasi.

---

Struktur Atom dan Orbital

Ketika Persamaan Schrödinger diterapkan pada atom hidrogen, solusi yang stabil memerlukan empat Bilangan Kuantum yang mendefinisikan keadaan elektron:

1. Bilangan Kuantum Utama ($n$): Menentukan tingkat energi dan ukuran orbital. Nilainya $1, 2, 3, \dots$.
2. Bilangan Kuantum Azimut ($l$): Menentukan bentuk orbital (subkulit). Nilainya dari $0$ hingga $n-1$.
   • $l=0 \rightarrow s$ (sferis)
   • $l=1 \rightarrow p$ (dumbbell)
   • $l=2 \rightarrow d$ (kompleks)
3. Bilangan Kuantum Magnetik ($m_l$): Menentukan orientasi orbital di ruang ($x, y, z$). Nilainya dari $-l$ hingga $+l$ (termasuk $0$).
4. Bilangan Kuantum Spin ($m_s$): Menjelaskan momen magnetik internal elektron, yang secara kasar diinterpretasikan sebagai arah spin. Nilainya hanya $+1/2$ atau $-1/2$.

Prinsip Pengecualian Pauli: Tidak ada dua elektron dalam atom yang boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang sama. Ini membatasi jumlah elektron maksimum per orbital menjadi dua.

---

Pembentukan Ikatan Kimia (Struktur Molekul)

Kimia Kuantum memberikan dua pendekatan utama untuk menjelaskan ikatan molekul:

A. Teori Ikatan Valensi (TIV)

TIV menjelaskan ikatan sebagai tumpang tindih (overlap) dua orbital atom.

• Hibridisasi: Orbital atom (seperti $s$ dan $p$) dicampur untuk membentuk orbital hibrida baru ($sp, sp^2, sp^3, \dots$) yang berorientasi secara spasial untuk meminimalkan tolakan dan memaksimalkan tumpang tindih. Hibridisasi menjelaskan geometri molekul (misalnya, tetrahedral pada $\text{CH}_4$).

B. Teori Orbital Molekul (TOM)

TOM memperlakukan molekul sebagai satu kesatuan. Elektron bergerak dalam orbital yang mencakup seluruh molekul, bukan hanya satu atom. TOM sangat kuat untuk menjelaskan sifat magnetik dan spektroskopi.

1. Kombinasi Linear Orbital Atom (LCAO-MO): Orbital molekul ($\Psi_{\text{MO}}$) dibentuk dengan menjumlahkan atau mengurangi fungsi gelombang orbital atom ($\Psi_A$ dan $\Psi_B$).
2. Jenis Orbital Molekul:
   • Orbital Ikatan ($\Psi_{\text{ikatan}}$): Terbentuk dari penjumlahan $\Psi_A + \Psi_B$. Memiliki energi lebih rendah dan menempatkan elektron di antara inti, meningkatkan stabilitas.
   • Orbital Anti-Ikatan ($\Psi_{\text{anti-ikatan}}$): Terbentuk dari pengurangan $\Psi_A – \Psi_B$. Memiliki energi lebih tinggi dan memiliki simpul (node) elektron di antara inti, mengurangi stabilitas.
3. Orde Ikatan: Prediksi stabilitas ikatan molekul.$$\mathbf{\text{Orde Ikatan} = \frac{1}{2} (\text{Jumlah e}^- \text{ Ikatan} – \text{Jumlah e}^- \text{ Anti-Ikatan})}$$Orde ikatan nol berarti molekul tidak stabil (tidak terbentuk).

Contoh: TOM dengan mudah menjelaskan mengapa molekul $\text{O}_2$ bersifat paramagnetik (memiliki elektron tak berpasangan), sesuatu yang gagal dijelaskan oleh TIV klasik.

Kimia Kuantum tidak hanya menjelaskan ikatan, tetapi juga menjadi dasar untuk spektroskopi (analisis interaksi materi dengan radiasi) yang akan dibahas lebih lanjut di tingkat lanjutan.