Bukti Eksperimental


DALAM AIR CAIR, molekul-molekulnya tidak teratur. Tetapi dalam es ( kiri ) ikatan hidrogen yang lemah antar molekul semuanya menunjuk hanya dalam empat arah yang berbeda karena molekul-molekul itu beku dalam pola yang berulang secara teratur. Dengan memancarkan sinar x pada es dari beberapa sudut yang berbeda, tim peneliti internasional dapat mengkonfirmasi gagasan kontroversial yang diajukan pada 1930-an oleh Penerima Nobel Linus Pauling bahwa ikatan hidrogen yang lemah dalam air sebagian mendapatkan identitas mereka dari ikatan kovalen yang lebih kuat di H 2 O molekul

DALAM AIR CAIR, molekul-molekulnya tidak teratur. Tetapi dalam es ( kiri ) ikatan hidrogen yang lemah antar molekul semuanya menunjuk hanya dalam empat arah yang berbeda karena molekul-molekul itu beku dalam pola yang berulang secara teratur. Dengan memancarkan sinar x pada es dari beberapa sudut yang berbeda, tim peneliti internasional dapat mengkonfirmasi gagasan kontroversial yang diajukan pada 1930-an oleh Penerima Nobel Linus Pauling bahwa ikatan hidrogen yang lemah dalam air sebagian mendapatkan identitas mereka dari ikatan kovalen yang lebih kuat di H 2 O molekul.

Jika Pauling benar, elektron-elektron dalam ikatan hidrogen juga akan memperlihatkan sifat-sifat mirip gelombang yang khas dari keadaan kuantum, seperti halnya ikatan kovalen. Gelombang elektron pada situs ikatan kovalen - yang menyatukan molekul air - dan yang ada di situs ikatan hidrogen - yang menarik molekul air satu sama lain - akan tumpang tindih, membuat elektron individu agak tidak bisa dibedakan.

Untuk menguji dugaan Pauling, para peneliti beralih ke fenonmenon yang dikenal sebagai hamburan Compton. Dinamai setelah fisikawan Arthur Holly Compton, yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1927 untuk penemuannya, hamburan Compton terjadi ketika foton menimpa bahan yang mengandung elektron. Foton mentransfer sebagian energi kinetiknya ke elektron, dan muncul dari bahan dengan arah berbeda dan energi lebih rendah.

Hamburan Compton adalah salah satu dari sedikit alat eksperimental yang dapat memperoleh informasi langsung tentang keadaan rendah energi dari elektron dalam atom atau molekul. Dengan mengukur energi yang hilang oleh foton dan arahnya ketika ia berhamburan dari padatan, para ilmuwan dapat menentukan momentum yang ditransfernya ke elektron dalam sebuah molekul - dan belajar tentang keadaan momentum asli elektron itu sendiri. Dari informasi ini, mereka dapat merekonstruksi "fungsi gelombang keadaan dasar" elektron - deskripsi mekanika kuantum lengkap dari elektron dalam ikatan hidrogen dalam keadaan energi terendah.

Efek Compton, bagaimanapun, sangat halus. Hanya sepersepuluh dari semua elektron dalam es dikaitkan dengan ikatan hidrogen atau ikatan sigma. Sisanya adalah elektron yang tidak membentuk ikatan - namun data mereka akan dikumpulkan juga.

Tetapi para peneliti menggunakan alat paling kuat yang tersedia - Fasilitas Radiasi Synchrotron Eropa di Grenoble, Prancis, yang menghasilkan sinar ultra-kuat dari foton sinar-x, yang memungkinkan para peneliti untuk mendapatkan cukup peristiwa hamburan Compton untuk melakukan analisis statistik yang bermakna. Juga, dengan menyinari sinar-x dari beberapa sudut yang berbeda, para peneliti dapat mengurangi kontribusi dari elektron yang tidak berpartisipasi.

Dengan memperhitungkan perbedaan intensitas hamburan dan memplot intensitas sinar x yang tersebar terhadap momentumnya, tim mengamati pinggiran seperti gelombang yang berkaitan dengan interferensi antara elektron pada sigma tetangga dan situs ikatan hidrogen. Pinggiran ini menunjukkan bahwa elektron dalam ikatan hidrogen secara mekanis dibagi bersama. Dari analisis dan eksperimen teoretis, tim memperkirakan bahwa ikatan hidrogen mendapatkan sekitar 10 persen perilakunya dari ikatan sigma kovalen.

Dalam grafik di bawah ini, titik-titik merah menunjukkan titik data eksperimental beserta bar kesalahannya, garis hitam solid menunjukkan kecocokan yang diprediksi oleh teori, dan titik-titik hitam menunjukkan seperti apa data tersebut jika elektron pada ikatan hidrogen tidak terpengaruh oleh ikatan sigma sangat kovalen. Kesimpulannya: fungsi gelombang keadaan dasar dalam es menunjukkan bahwa ada tumpang tindih mekanika-kuantum elektron pada molekul H 2 O yang berdekatan. Dengan demikian, ikatan hidrogen sebagian kovalen seperti yang diperkirakan Pauling.


Gambar: Bell Labs



Kembali ke Air dan Es

Berita Terbaru