Molekul diatomik
Molekul diatomik adalah molekul yang hanya terdiri dari dua atom. Kedua atom tersebut dapat berupa unsur yang sama maupun berbeda. Awalan di- pada kata "diatomik" berasal dari bahasa Yunani yang artinya dua.
Dalam buku Huber dan Herzberg, Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules, terdapat sekitar ratusan molekul diatomik yang terdaftar. Beberapa di antaranya terdeteksi secara spektroskopis pada ruang antarbintang. Namun, hanya beberapa molekul diatomik yang ditemukan secara alami di Bumi. Sekitar 99% atmosfer bumi terdiri dari molekul diatomik, utamanya oksigen O (21%) dan nitrogen N (78%), sedangkan sisa 1%-nya terdiri dari argon (0.9340%) dan gas lainnya. Kelimpahan alami hidrogen (H) pada atmosfer bumi hanyalah dalam kadar bagian per juta (ppm). Walaupun demikian, hidrogen adalah molekul yang paling melimpah dalam alam semesta. Ia utamanya ditemukan sebagai materi penyusun bintang.
Unsur-unsur yang ditemukan dalam bentuk molekul diatomik pada kondisi laboratorium 1 bar dan 25 C meliputi hidrogen (H), nitrogen (N), oksigen (O), dan halogen: fluorin (F), klorin (Cl), bromin (Br), yodium (I), dan astatin (At). Perlu diperhatikan pula bahwa terdapat pula molekul diatomik lainnya yang dapat terbentuk, misalnya logam yang dipanaskan sampai menjadi gas. Selain itu, banyak molekul diatomik tidak stabil dan sangat reaktif, contohnya difosfor. Molekul diatomik yang terdiri dari dua atom yang berbeda contohnya adalah CO dan HCl.
Jika suatu molekul diatomik terdiri dari dua unsur yang sama, misalnya H dan O, ia disebut sebagai homonuklir, sedangkan yang terdiri dari dua unsur yang berbeda disebut sebagai heteronuklir. Ikatan pada molekul diatomik homonuklir bersifat kovalen dan non-polar.
Geometri molekul molekul diatomik adalah linear.. Ia merupakan susunan geometri molekul yang paling sederhana.
Senyawa-senyawa diatomik memainkan peran yang penting dalam menguraikan konsep unsur, atom, dan molekul pada abad ke-19 karena beberapa unsur-unsur penting seperti hidrogen, oksigen, dan nitrogen, secara alami berada dalam keadaan diatomik. Pada awalnya, John Dalton berasumsi bahwa semua unsur secara alami berada dalam keadaan monoatomik dan atom-atom pada suatu senyawa akan memiliki rasio atom yang sama. Sebagai contoh, Dalton berasumsi bahwa rumus molekul air adalah HO dengan berat atom oksigen 8 kali dari atom hidrogen (sebenarnya 16 kali atom hidrogen). Oleh karena asumsi tersebut terdapat kemelutan penentuan berat atom dan rumus molekul selama setengah abad.
Pada tahun 1805, Gay-Lussac dan von Humboldt menunjukkan bahwa air terbentuk dari dua volume air dan satu volume oksigen, dan pada tahun 1811, Amedeo Avogadro akhirnya berhasil menentukan komposisi molekul air yang benar. Hal ini didasarkan pada hukum Avogadro dan asumsi bahwa gas hidrogen dan oksigen berupa molekul diatomik. Walaupun demikian, hasil kerja ini terus diabaikan sampai dengan tahun 1860. Alasan penolakan ini dikarenakan oleh kepercayaan saat itu bahwa atom yang berunsur sama tidak akan memiliki afinitas kimia terhadap satu sama lainnya. Selain itu, juga disebabkan oleh beberapa kejanggalan hukum Avogadro yang tidak dapat dijelaskan pada saat itu.
Pada Kongres Karlsruhe pada tahun 1860 yang membahas tentang berat atom, Cannizzaro mengungkit kembali pemikiran Avogadro dan menggunakannya utuk membuatu tabel berat atom yang konsisten. Kebanyakan data dalam tabel tersebut sesuai dengan nilai modern sekarang. Data berat atom ini sangat penting dalam penemuan tabel periodik oleh Dmitri Mendeleev dan Lothar Meyer.
Secara umum, molekul diatomik dapat digambarkan sebagai dua titik massa yang dihubungkan oleh pegas tak bermassa. Energi yang terlibat pada berbagai gerak molekul dapat dibagi menjadi tiga kategori:
Energi translasi molekul diekspresikan sebagai energi kinetik molekul tersebut:
dengan "m" adalah massa molekul dan "v" adalah kecepatan molekul.
Menurut hukum fisika, energi kinetik rotasi adalah
Pada tingkat mikroskopis (atomik) seperti molekul, momentum sudutnya hanya dapat dieskpresikan sebagai nilai-nilai diskret tertentu:
Selain itu, momen inersianya adalah
Dengan mensubstitusi momentum sudut dan momen inersia ke E, aras energi rotasi molekul diatomik adalah:
Selain bertranslasi dan berotasi, molekul diatomik juga dapar bergetar (vibrasi). Energi vibrasi molekul ini dapat dianggap hampir mirip dengan osilator harmonik kuantum:
Aras energi rotasi terendah molekul diatomil terdapat pada formula_12 dan memberikan nilai E = 0. For O, aras kuantum berikutnya (formula_13) memiliki energi sekitar:
Jarak antara dua aras energi "rotasi" terendah O sebanding dengan energi foton pada daerah spektrum elektromagnetik mikrogelombang.
Aras energi "virbasi" terendah terdapat pada formula_14, dan frekuensi getaran pada umumnya adalah 5 x 10 Hz. Dengan menggunakan perhitungan yang sama:
Dapat terlihat bahwa jarak energi antara energi "vibrasi" adalah sekitar 100 kali lebih besar daripada jarak aras "energi rotasi".