Materi, dalam segala bentuknya—dari bintang yang bersinar jutaan tahun cahaya jauhnya hingga setetes embun di pagi hari—tersusun dari unit-unit fundamental yang begitu kecil hingga melampaui batas pandangan mata telanjang: atom dan molekul. Pemahaman tentang kedua entitas ini bukan hanya kunci bagi kimia, tetapi juga bagi fisika, biologi, ilmu material, dan bahkan kosmologi. Atom dan molekul adalah balok bangunan alam semesta, dan menyelami strukturnya berarti mengungkap hukum-hukum mendasar yang mengatur eksistensi kita.
Perjalanan ilmiah untuk memahami atom adalah perjalanan yang epik, dimulai dari spekulasi filosofis kuno dan berpuncak pada kompleksitas mekanika kuantum modern. Ini adalah kisah tentang bagaimana ilmu pengetahuan perlahan mengupas lapisan-lapisan realitas untuk menemukan dunia subatomik yang aneh, penuh energi, dan tak terduga.
Gagasan bahwa materi terdiri dari partikel yang tak terbagi (atomos) pertama kali diusulkan oleh filsuf Yunani kuno, Democritus, sekitar abad ke-5 SM. Konsep ini bersifat spekulatif dan filosofis, namun menetapkan dasar pemikiran bahwa materi tidak dapat dibagi tanpa batas. Selama ribuan tahun, gagasan ini sebagian besar dilupakan, digantikan oleh model empat elemen Aristoteles (tanah, air, udara, api).
Kebangkitan ilmiah atomisme terjadi pada awal abad ke-19 berkat kerja John Dalton. Pada tahun 1803, Dalton merumuskan Teori Atom modern yang didasarkan pada data eksperimental, khususnya rasio massa dalam reaksi kimia. Postulat utama Dalton adalah sebagai berikut:
Teori Dalton sukses besar karena menjelaskan Hukum Kekekalan Massa dan Hukum Perbandingan Tetap, membuka jalan bagi kimia modern.
Penemuan elektron oleh J.J. Thomson pada tahun 1897 membuktikan bahwa atom bukanlah unit yang tak terbagi. Atom sebenarnya adalah struktur kompleks yang terdiri dari tiga partikel subatomik utama:
Gambaran Model Struktur Atom Sederhana. Inti padat mengandung proton dan neutron, dikelilingi oleh elektron.
Identitas atom ditentukan oleh jumlah protonnya. Konsep ini diresmikan:
Isotop adalah atom-atom dari unsur yang sama (memiliki Z yang sama) tetapi memiliki jumlah neutron (N) yang berbeda, sehingga memiliki Nomor Massa (A) yang berbeda. Contoh paling terkenal adalah hidrogen: Protiu (0 neutron), Deuterium (1 neutron), dan Tritium (2 neutron). Isotop memiliki sifat kimia yang hampir identik tetapi sifat nuklir yang berbeda, yang sangat penting dalam bidang energi nuklir dan penanggalan karbon.
Sejak penemuan partikel subatomik, para ilmuwan berusaha keras untuk menggambarkan bagaimana partikel-partikel ini tersusun. Setiap model atom yang berhasil dibangun tidak hanya memperbaiki kesalahan pendahulunya tetapi juga memperkenalkan konsep fisika baru yang revolusioner.
Setelah penemuan elektron, J.J. Thomson mengusulkan Model Roti Kismis (Plum Pudding Model). Dalam model ini, atom dibayangkan sebagai bola padat bermuatan positif (rotinya) tempat elektron bermuatan negatif (kismisnya) tersebar merata untuk menetralkan muatan positif. Model ini berhasil menjelaskan netralitas atom tetapi tidak memiliki inti padat yang terpusat.
Pada tahun 1911, Ernest Rutherford melakukan eksperimen taburan emas yang terkenal. Dengan menembakkan partikel alfa bermuatan positif ke lembaran emas tipis, ia menemukan bahwa mayoritas partikel melewati lempeng, namun sebagian kecil dipantulkan kembali dengan sudut yang besar.
Kesimpulan revolusioner Rutherford adalah:
Model Rutherford, yang menyerupai tata surya, mengalami masalah besar: menurut teori fisika klasik, elektron yang berputar mengelilingi inti harus terus memancarkan energi dan akhirnya jatuh ke inti. Atom seharusnya tidak stabil, padahal kenyataannya atom sangat stabil.
Niels Bohr mengatasi ketidakstabilan model Rutherford pada tahun 1913 dengan menggabungkan teori atom dengan teori kuantum yang baru dikembangkan Max Planck. Postulat utama Model Bohr adalah:
Model Bohr sukses besar dalam menjelaskan spektrum emisi atom hidrogen, tetapi gagal total dalam menjelaskan spektrum atom yang lebih kompleks.
Model yang kita gunakan saat ini, dikembangkan oleh Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, dan lainnya, benar-benar meninggalkan gagasan orbit yang pasti. Model ini didasarkan pada mekanika gelombang dan mengakui bahwa kita tidak dapat mengetahui posisi dan momentum elektron secara pasti pada saat yang sama (Prinsip Ketidakpastian Heisenberg).
Dalam Model Kuantum, posisi elektron digambarkan oleh orbital—sebuah wilayah ruang di sekitar inti tempat probabilitas menemukan elektron paling tinggi. Orbital didefinisikan oleh seperangkat Bilangan Kuantum, yang mengkuantifikasi properti elektron dalam atom:
Menentukan kulit energi utama atau ukuran orbital. Nilai n = 1, 2, 3, dan seterusnya. Semakin besar n, semakin besar ukuran orbital dan semakin tinggi energinya.
Menentukan bentuk orbital. Nilai l berkisar dari 0 hingga n-1. Bentuk-bentuk ini diberi label huruf:
Menentukan orientasi spasial orbital. Nilainya berkisar dari -l hingga +l, termasuk nol. Misalnya, jika l=1 (orbital p), terdapat tiga orientasi: pₓ, pᵧ, pz (mₗ = -1, 0, +1).
Menjelaskan momentum sudut intrinsik elektron, yang bersifat kuantitatif. Elektron hanya bisa berputar dalam dua arah, dilambangkan sebagai +1/2 (spin ke atas) atau -1/2 (spin ke bawah). Prinsip Pengecualian Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam satu atom yang dapat memiliki keempat bilangan kuantum yang sama.
Konfigurasi elektron, yang merupakan peta distribusi elektron ke dalam orbital, mengikuti Aturan Hund dan Prinsip Aufbau, yang menjelaskan bagaimana atom mencapai keadaan energi terendah dan paling stabil.
Atom jarang ditemukan sendirian di alam (kecuali gas mulia). Mereka berinteraksi dan bergabung melalui ikatan kimia untuk membentuk molekul dan senyawa. Molekul adalah unit terkecil dari senyawa yang masih mempertahankan sifat-sifat kimiawi dari senyawa tersebut.
Dorongan utama bagi atom untuk berinteraksi adalah mencapai konfigurasi elektron yang paling stabil, yang umumnya menyerupai konfigurasi gas mulia (delapan elektron valensi, atau dua elektron untuk Hidrogen dan Helium). Kecenderungan untuk mendapatkan delapan elektron valensi dikenal sebagai Aturan Oktet (walaupun terdapat banyak pengecualian, terutama pada unsur-unsur periode 3 ke atas).
Terjadi karena adanya gaya tarik elektrostatik antara ion-ion yang berlawanan muatan, dihasilkan dari transfer elektron dari satu atom ke atom lain. Biasanya terbentuk antara logam (donor elektron, menjadi kation bermuatan positif) dan non-logam (akseptor elektron, menjadi anion bermuatan negatif).
Ciri Khas Senyawa Ionik:
Terbentuk melalui berbagi (sharing) pasangan elektron antara dua atom, biasanya antara dua non-logam. Ikatan kovalen adalah tulang punggung dari semua kimia organik dan biokimia.
Bergantung pada jumlah pasangan elektron yang dibagi, ikatan kovalen dapat berupa:
Ketika pasangan elektron dibagi secara merata, ikatan tersebut adalah Kovalen Non-Polar. Jika elektron ditarik lebih kuat oleh salah satu atom (karena perbedaan keelektronegatifan), ikatan tersebut menjadi Kovalen Polar, menciptakan dipol parsial.
Representasi Ikatan Ionik (transfer elektron) dan Ikatan Kovalen (berbagi elektron).
Ikatan ini khas pada logam murni. Atom-atom logam melepaskan elektron valensinya membentuk "lautan elektron" (electron sea) yang terdelokalisasi. Ion-ion positif logam tertanam dalam lautan elektron ini. Ikatan inilah yang memberikan logam sifat uniknya: konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, serta sifat mudah ditempa (malleability) dan ditarik (ductility).
Bentuk molekul sangat krusial karena menentukan polaritas, titik leleh, dan bagaimana molekul tersebut berinteraksi dengan molekul lain. Teori VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) memprediksi geometri molekul. Prinsip dasar VSEPR adalah bahwa pasangan elektron (baik ikatan maupun bukan ikatan) di sekitar atom pusat akan saling tolak menolak dan mencoba menempatkan diri sejauh mungkin satu sama lain.
Bentuk-bentuk umum molekul meliputi: Linier, Trigonal Planar, Tetrahedral, Trigonal Bipiramidal, dan Oktahedral.
Sementara ikatan kovalen dan ionik adalah gaya intra-molekul (di dalam molekul), gaya antarmolekul (Intermolecular Forces/IMF) adalah gaya tarik-menarik yang terjadi antara molekul-molekul yang berbeda. Gaya ini jauh lebih lemah daripada ikatan kimia primer, tetapi sangat menentukan sifat fisik makroskopis suatu zat, seperti titik didih, titik leleh, dan viskositas.
Hadir di semua molekul (polar maupun non-polar). LDL adalah gaya tarik yang sangat lemah dan temporer yang muncul karena fluktuasi sesaat dalam distribusi elektron, menciptakan dipol sementara. Kekuatan LDL meningkat seiring bertambahnya ukuran molekul dan jumlah elektron.
Terjadi antara molekul polar yang memiliki momen dipol permanen. Ujung positif dari satu molekul ditarik ke ujung negatif dari molekul tetangga.
Jenis interaksi dipol-dipol yang sangat kuat dan spesifik. Ikatan hidrogen terjadi ketika atom hidrogen (H) terikat pada atom yang sangat elektronegatif dan kecil (Fluorin, Oksigen, atau Nitrogen — F, O, N). H yang terikat pada F, O, atau N memiliki muatan positif parsial yang sangat kuat, memungkinkannya menarik pasangan elektron bebas dari atom F, O, atau N molekul tetangga.
Ikatan Hidrogen sangat penting dalam biologi, bertanggung jawab atas titik didih air yang sangat tinggi (meskipun kecil, H₂O memiliki titik didih 100°C karena IMF yang kuat) dan yang paling krusial, menentukan struktur heliks ganda DNA.
Ikatan hidrogen adalah gaya antarmolekul kuat yang terbentuk antara H dari satu molekul air (bermuatan δ+) dan O dari molekul air tetangga (bermuatan δ-).
Atom dan molekul tidak statis; mereka terus-menerus berinteraksi, bertukar ikatan, dan membentuk zat baru melalui reaksi kimia. Studi tentang perubahan ini adalah inti dari kimia.
Reaksi kimia harus mematuhi Hukum Kekekalan Massa—atom tidak diciptakan atau dihancurkan, hanya ditata ulang. Stoikiometri adalah cabang kimia yang mempelajari hubungan kuantitatif antara reaktan dan produk dalam reaksi kimia, didasarkan pada konsep mol.
Konsep Mol menjembatani dunia makroskopis (gram) dengan dunia atomik (unit individu). Satu mol didefinisikan sebagai jumlah zat yang mengandung jumlah entitas elementer sebanyak jumlah atom dalam 12 gram Karbon-12, atau sekitar $6.022 \times 10^{23}$ entitas (Bilangan Avogadro).
Setiap ikatan kimia menyimpan energi potensial. Ketika ikatan baru terbentuk, energi dilepaskan (reaksi eksotermik). Ketika ikatan lama diputus, energi harus diserap (reaksi endotermik). Memahami energi ikatan sangat penting dalam termokimia, yang mempelajari perpindahan panas yang menyertai reaksi kimia.
Stabilitas suatu molekul terkait langsung dengan energi yang dibutuhkan untuk memutus semua ikatan kimianya. Molekul yang sangat stabil memiliki energi ikatan yang tinggi.
Kimia organik adalah studi tentang molekul yang mengandung karbon. Atom karbon adalah pusat dari kehidupan, mampu membentuk empat ikatan kovalen yang stabil, memungkinkannya berinteraksi dengan dirinya sendiri dan unsur lain untuk membentuk rantai, cincin, dan struktur tiga dimensi yang sangat kompleks dan beragam.
Karbon memiliki kemampuan unik yang disebut katenasi, yaitu kemampuan membentuk rantai panjang yang stabil. Struktur dasar molekul organik dikelompokkan berdasarkan kerangka karbonnya (alkana, alkena, alkuna) dan gugus fungsi yang terikat padanya (hidroksil, karboksil, amino, dll.).
Isomer adalah molekul dengan rumus kimia yang sama tetapi struktur atau susunan atom yang berbeda. Perbedaan kecil dalam susunan atom ini dapat menghasilkan perbedaan dramatis dalam sifat fisik dan kimiawi—sebuah bukti betapa krusialnya geometri molekul.
Biologi molekuler sepenuhnya bergantung pada interaksi molekul. Empat kelas utama biomolekul—karbohidrat, lipid, protein, dan asam nukleat—adalah molekul raksasa (makromolekul) yang tersusun dari ribuan hingga jutaan atom, diikat bersama oleh ikatan kovalen dan diorganisasi oleh gaya antarmolekul.
Protein, misalnya, harus melipat ke dalam struktur tiga dimensi spesifik (struktur primer, sekunder, tersier, dan kuartener) yang didorong oleh ikatan hidrogen, gaya dipol-dipol, dan interaksi hidrofobik. Kesalahan sedikit saja dalam pelipatan protein (seperti dalam penyakit prion atau Alzheimer) menunjukkan sensitivitas atomik dan molekuler yang mendasari fungsi biologis.
Pengetahuan mendalam tentang atom dan molekul telah membuka seluruh bidang ilmu terapan, mengubah masyarakat modern melalui fisika nuklir, ilmu material, dan nanoteknologi.
Meskipun sebagian besar reaksi kimia hanya melibatkan elektron valensi, reaksi nuklir berfokus pada inti atom. Pelepasan energi yang masif dalam fisi nuklir (pemecahan inti berat) atau fusi nuklir (penggabungan inti ringan) dikendalikan oleh gaya kuat nuklir. Studi tentang radioaktivitas dan isotop telah menghasilkan aplikasi vital dalam kedokteran (pencitraan medis dan radioterapi) dan energi (reaktor nuklir).
Kestabilan inti atom diatur oleh perbandingan neutron terhadap proton dan energi ikat nuklir, yang menjelaskan mengapa unsur-unsur tertentu bersifat radioaktif. Proses peluruhan radioaktif mengikuti hukum laju orde pertama dan memungkinkan kita untuk menelusuri umur artefak geologis dan arkeologi.
Nanoteknologi adalah manipulasi materi pada skala atom dan molekul (skala 1 hingga 100 nanometer). Pada skala ini, sifat-sifat material (misalnya, warna, konduktivitas, reaktivitas) sering kali berbeda secara dramatis dari sifat makroskopisnya. Ini karena rasio luas permukaan terhadap volume menjadi sangat besar, dan efek kuantum mulai mendominasi.
Kemajuan dalam nanoteknologi, seperti pengembangan dot kuantum dan graphene, bergantung pada penempatan atom dan molekul secara presisi untuk merancang material yang memiliki fungsi spesifik, membuka peluang revolusioner dalam elektronik, pengobatan, dan penyimpanan energi.
Desain molekul modern, dibantu oleh pemodelan komputer, memungkinkan para ilmuwan untuk mensintesis polimer, obat-obatan, dan katalis yang tidak pernah ada di alam. Polimer, misalnya, adalah rantai molekul raksasa yang dibentuk dari monomer berulang. Kekuatan, elastisitas, dan ketahanan plastik modern, serat, dan komposit ditentukan oleh ikatan kovalen di dalam rantai dan gaya antarmolekul di antara rantai-rantai tersebut.
Dengan memanipulasi susunan atom, kita dapat menciptakan material superkonduktor, material yang sangat ringan namun sangat kuat, dan obat-obatan yang hanya menargetkan sel penyakit tertentu.
Meskipun model kimia atom Bohr dan orbital memberikan kerangka kerja yang kuat untuk memahami ikatan, fisika bergerak jauh melampaui konsep-konsep ini, menyelidiki interaksi yang lebih dalam dalam inti atom.
Atom dan interaksinya diatur oleh empat gaya fundamental alam semesta:
Proton dan neutron, yang sebelumnya dianggap elementer (tak terbagi), kini diketahui tersusun dari partikel yang lebih kecil lagi yang disebut quark. Proton terdiri dari dua quark up dan satu quark down; neutron terdiri dari satu quark up dan dua quark down.
Quark berinteraksi melalui pertukaran partikel pembawa gaya yang disebut gluon. Studi tentang quark, gluon, dan partikel subatomik lainnya (leptons, bosons) merupakan bagian dari model standar fisika partikel, yang mencoba menjelaskan semua materi dan interaksi di alam semesta.
Asal usul atom yang kita kenal berakar pada sejarah alam semesta itu sendiri, dimulai segera setelah Big Bang dan berlanjut di jantung bintang-bintang.
Beberapa menit setelah Big Bang, alam semesta sangat panas dan padat. Pada fase ini, nukleosintesis Big Bang terjadi, menghasilkan atom-atom paling sederhana: Hidrogen (sekitar 75%), Helium (sekitar 25%), dan sejumlah kecil Litium. Inilah tiga atom fundamental yang menjadi bahan baku alam semesta awal.
Semua unsur yang lebih berat dari Litium (Karbon, Oksigen, Besi, dll.) ditempa di dalam bintang-bintang melalui proses fusi nuklir. Selama sebagian besar masa hidupnya, bintang menggabungkan hidrogen menjadi helium. Ketika hidrogen habis, bintang yang cukup masif mulai menggabungkan helium menjadi karbon dan oksigen (proses tripel-alfa).
Semakin masif bintang tersebut, semakin banyak unsur berat yang dapat dibentuk di intinya, hingga mencapai Besi (Fe). Besi memiliki energi ikat nuklir tertinggi, dan fusi untuk membuat unsur yang lebih berat dari besi tidak melepaskan energi, melainkan menyerapnya, yang menandai keruntuhan bintang.
Unsur-unsur yang paling berat (seperti emas, uranium, dan timbal) tidak dapat dibuat hanya melalui fusi bintang biasa. Mereka terbentuk dalam ledakan supernova yang dahsyat, yang melepaskan energi luar biasa untuk mendorong reaksi penangkapan neutron cepat (r-process). Ledakan ini menyebarkan semua unsur yang telah diciptakan bintang ke ruang angkasa antarbintang, membentuk awan gas dan debu yang pada akhirnya akan berkondensasi menjadi bintang dan planet generasi berikutnya, termasuk Bumi dan kita sendiri. Kita, secara harfiah, adalah 'debu bintang'.
Studi atom dan molekul terus berkembang, khususnya dalam memahami sistem yang sangat kompleks dan interaksi yang melibatkan transisi energi tinggi.
Tidak semua ikatan adalah kovalen sederhana atau ionik murni. Kimia koordinasi melibatkan pembentukan ion kompleks di mana ion logam transisi (biasanya bermuatan positif) berikatan dengan beberapa molekul atau ion (ligan) melalui ikatan kovalen koordinasi (atau datif), di mana kedua elektron yang berbagi berasal dari ligan.
Kimia koordinasi adalah inti dari banyak proses biologis (misalnya, heme dalam hemoglobin yang mengikat oksigen, sebuah kompleks koordinasi besi) dan industri (misalnya, katalis industri).
Kita tidak dapat melihat atom dan molekul secara langsung, tetapi kita dapat mempelajari strukturnya dengan menganalisis bagaimana mereka berinteraksi dengan energi. Spektroskopi adalah teknik yang mendeteksi energi yang diserap atau dipancarkan oleh molekul.
Dengan meningkatnya kekuatan komputasi, kimia komputasi telah menjadi alat yang sangat diperlukan. Dengan menerapkan persamaan mekanika kuantum, para ilmuwan dapat memprediksi struktur, energi, stabilitas, dan jalur reaksi molekul baru tanpa harus mensintesisnya di laboratorium terlebih dahulu. Hal ini memungkinkan desain molekul yang lebih efisien dan terarah, mempercepat penemuan obat dan material baru.
Atom dan molekul membentuk seluruh narasi materi, dari hukum fisika yang paling ketat hingga kompleksitas tak terbatas dari kehidupan. Atom, dengan intinya yang padat dan awan elektronnya yang kabur, adalah jembatan antara dunia klasik yang kita lihat dan dunia kuantum yang abstrak. Molekul, yang dibentuk oleh ikatan-ikatan atom, adalah aktor yang bertanggung jawab atas semua fenomena yang kita amati, mulai dari korosi logam hingga pewarisan genetik.
Meskipun kita telah mencapai pemahaman yang luar biasa, penelitian tentang atom dan molekul terus berlanjut. Eksplorasi energi inti, manipulasi material pada skala nano, dan pemodelan sistem biologis yang semakin kompleks memastikan bahwa balok bangunan materi ini akan tetap menjadi fokus utama ilmu pengetahuan untuk generasi mendatang. Dunia mikroskopis atom dan molekul adalah kunci untuk memahami, dan pada akhirnya, membentuk dunia makroskopis di sekitar kita.
Untuk menjelaskan mengapa molekul memiliki bentuk dan sifat tertentu, kimia modern mengandalkan teori yang lebih canggih daripada sekadar berbagi elektron sederhana. Dua pendekatan utama adalah Teori Ikatan Valensi (Valence Bond Theory) dan Teori Orbital Molekul (Molecular Orbital Theory).
Teori Ikatan Valensi menjelaskan pembentukan ikatan kovalen sebagai tumpang tindih (overlap) antara orbital atom yang terisi elektron tunggal. Konsep kunci dalam teori ini adalah hibridisasi. Untuk menjelaskan geometri seperti tetrahedral (sudut ikatan 109.5°, seperti pada metana, CH₄), orbital 2s dan tiga orbital 2p pada atom karbon harus bergabung membentuk empat orbital hibrida yang identik, disebut orbital $sp^3$.
Tingkat hibridisasi bervariasi tergantung pada jumlah domain elektron di sekitar atom pusat:
Ikatan Sigma ($\sigma$) terbentuk dari tumpang tindih frontal orbital dan merupakan ikatan terkuat. Ikatan Pi ($\pi$) terbentuk dari tumpang tindih lateral orbital p tak terhibridisasi dan hadir dalam ikatan ganda atau rangkap tiga. Ikatan rangkap (ganda atau rangkap tiga) selalu terdiri dari satu ikatan $\sigma$ dan satu atau dua ikatan $\pi$.
Teori MO lebih maju, menganggap bahwa ketika atom-atom bergabung, orbital atom mereka melebur sepenuhnya untuk membentuk orbital molekul baru yang terdelokalisasi di seluruh molekul, bukan hanya antara dua atom spesifik. Elektron kemudian mengisi orbital molekul ini sesuai dengan prinsip Aufbau dan Aturan Hund.
Orbital molekul terbagi menjadi dua jenis:
Stabilitas suatu molekul diukur dengan Orde Ikatan, yang dihitung sebagai setengah dari selisih jumlah elektron di orbital ikatan dan elektron di orbital anti-ikatan. Teori MO berhasil menjelaskan sifat magnetik molekul, seperti paramagnetisme Oksigen ($O_2$), yang tidak dapat dijelaskan oleh Teori Ikatan Valensi sederhana.
Polaritas suatu molekul menentukan kelarutan dan reaktivitasnya. Polaritas molekul adalah hasil dari geometri molekul dan polaritas individu ikatan di dalamnya.
Ikatan polar memiliki momen dipol ikatan. Dalam molekul yang lebih besar, momen dipol total molekul (momen dipol bersih) adalah jumlah vektor dari semua momen dipol ikatan. Jika vektor-vektor ini saling meniadakan (misalnya, molekul tetrahedral simetris seperti CCl₄), molekul tersebut bersifat non-polar, meskipun memiliki ikatan polar. Jika momen dipol tidak meniadakan (misalnya, air, H₂O, yang berbentuk bengkok), molekul tersebut bersifat polar.
Polaritas memainkan peran sentral dalam kelarutan, diatur oleh prinsip "like dissolves like" (yang sejenis melarutkan yang sejenis):
Interaksi ini adalah fundamental bagi pemurnian kimia, proses industri, dan mekanisme biologis (misalnya, bagaimana membran sel yang hidrofobik menahan air).
Keadaan fisik materi (padat, cair, gas, plasma) secara langsung bergantung pada energi kinetik atom atau molekul dan kekuatan gaya antarmolekul yang menahan mereka.
Diagram fasa menggambarkan hubungan antara tekanan, suhu, dan fasa yang stabil dari suatu zat. Titik tripel adalah kombinasi suhu dan tekanan unik di mana ketiga fasa (padat, cair, gas) berada dalam kesetimbangan. Titik kritis adalah suhu tertinggi di mana zat dapat ada sebagai cairan; di atas titik kritis, zat menjadi fluida superkritis, menunjukkan sifat-sifat antara gas dan cairan, yang sangat penting dalam ekstraksi kimia dan teknik lingkungan.
Meskipun kita memiliki Model Standar yang sangat sukses, penelitian tentang atom dan dunia molekul masih menyimpan misteri dan keterbatasan yang mendorong batas-batas fisika dan kimia.
Materi dan energi yang kita kenal, yang tersusun dari atom dan molekul (baryonic matter), hanya menyumbang sekitar 5% dari total energi/massa alam semesta. Sisanya adalah Materi Gelap dan Energi Gelap, yang tidak berinteraksi dengan gaya elektromagnetik (sehingga tidak memancarkan cahaya) dan tidak terbuat dari atom dalam pengertian konvensional. Memahami komposisi 95% alam semesta ini adalah salah satu tantangan terbesar fisika.
Para ilmuwan terus berusaha mensintesis unsur-unsur super-berat (trans-uranium) di laboratorium. Sebagian besar unsur ini sangat tidak stabil dan hanya ada selama milidetik. Namun, teori nuklir memprediksi adanya "Pulau Kestabilan"—sejumlah kecil unsur super-berat dengan susunan proton dan neutron yang istimewa yang mungkin memiliki paruh waktu yang relatif panjang. Penelitian ini memaksa kita untuk menguji batas-batas gaya nuklir yang kuat.
Meskipun kita memiliki persamaan Schrödinger, menerapkannya secara eksak untuk molekul yang lebih besar dari hidrogen menjadi mustahil secara komputasi karena kompleksitas interaksi elektron-elektron. Oleh karena itu, kimia kuantum harus menggunakan perkiraan (seperti teori fungsional kerapatan atau DFT). Meningkatkan akurasi dan efisiensi perkiraan ini tetap menjadi area penelitian yang intensif, terutama untuk merancang katalis dan obat-obatan baru.
Kesimpulannya, atom dan molekul adalah entitas yang penuh dengan kontradiksi yang menakjubkan: mereka adalah partikel yang terpisah, namun juga gelombang probabilitas; mereka adalah fondasi materi, namun sebagian besar terdiri dari ruang kosong. Eksplorasi mereka terus mengungkap lapisan baru realitas yang mendorong batas imajinasi dan kemampuan teknologi manusia.