IKATAN KIMIA DAN STRUKTUR MOLEKUL

 IKATAN KIMIA DAN STRUKTUR MOLEKUL

A.      Ikatan Kimia

1.        Pendahuluan

Dua atom atau lebih dapat berinteraksi membentuk molekul atau senyawa dan ion. Antaraksi ini selalu disertai dengan pengeluaran energi. Gaya-gaya yang menahan dalam bentuk molekul atau ion disebut ikatan kimia. Disebut ikatan kimia jika antaraksi tadi dapat mengeluarkan energi lebih dari 42 kJ. Jenis ikatan dalam molekul juga menentukan gaya antarmolekul. Wujud bahan; padat cair atau gas juga bergantung pada gaya-gaya ikatan. Ikatan bahkan dapat menentukan bentuk fisis molekul, maksudnya; apakah molekul itu bulat, datar, kaku, atau lentur.

2.        Peranan Elektron dalam Pembentukan Ikatan Kimia

Pada tahun 1916, gagasan tentang pembentukan ikatan kimia telah dikemukakan oleh dua kimiawan Amerika yaitu Lewis dan Langmuir serta seorang kimiawan Jerman Kossel. Menurut mereka; jika gas mulia tidak bersenyawa dengan atom lain, tentu ada keunikan dalam konfigurasi elektronnya yang mencegah persenyawaan tersebut. Oleh karena itu diduga bahwa dalam pembentukan senyawa atom-atom mungkin mengalami perubahan dalam konfigurasi elektronnya yang mengakibatkan atom-atom itu lebih menyerupai gas mulia. Teori inilah yang disebut dengan teori Lewis. Menurut Lewis:

1.         Elektron valensi memainkan peranan penting dalam pembentukan ikatan kimia.

2.         Dalam beberapa kasus, pembentukan ikatan kimia terjadi karena adanya perpindahan satu atau lebih elektron dari satu atom ke atom lain. Hal ini mendorong terjadinya pembentukan ion positif dan ion negatif dan terbentuknya satu jenis ikatan di antara kedua ion tersebut yang disebut ikatan ion.

3.         Dalam kasus yang lain, pembentukan ikatan kimia dapat terjadi karena pemakaian bersama (patungan) elektron di antara atom-atom. Ikatan ini disebut ikatan kovalen.

4.         Perpindahan atau patungan elektron berlangsung sedemikian rupa sehingga setiap atom yang terlibat mendapatkan konfigurasi elektron yang mantap. Konfigurasi yang tercapai umumnya merupakan konfigurasi dengan 8 elektron pada kulit terluarnya yang disebut teori oktet.

3.        Ikatan Ion

Suatu senyawa ion adalah stabil, karena dibebaskan energi kisi yang besar, jika ion-ion membentuk padatan ionik. Senyawa ion mudah terbentuk jika logam dengan energi ionisasi dan afinitas elektron rendah bereaksi dengan non logam dengan energi ionisasi dan afinitas elektron tinggi.

Ciri-ciri ikatan ion adalah adanya perpindahan elektron dari atom logam ke atom nonlogam atau perbedaan keelektronegatifan antara atom yang membentuk ikatan besar (misalnya ikatan antara atom Na sebagai logam dengan atom Cl sebagai nonlogam menghasilkan senyawa ion NaCl). Sifat-sifat senyawa ion adalah:

1.       Padatan senyawa ion tidak menghantarkan listrik, sedangkan leburan maupun larutannya dapat meng-hantarkan listrik

2.       Titik leleh dan titik didihnya tinggi

3.       Umumnya senyawa ion bersifat keras, permukaannya tidak mudah digores tetapi distorsi menyebabkan tolak menolak antara ion yang sama sehingga getas (rapuh)

4.       Umumnya senyawa ion melarut dalam pelarut polar dan tidak melarut dalam pelarut nonpolar.

4.        Ikatan Kovalen

Senyawa-senyawa seperti H₂, O₂, HCl dan sebagainya, tidak terjadi perpindahan elektron tetapi pemakaian secara bersama elektron. Ciri ikatan kovalen adalah adanya pemakaian bersama elektron antara atom nonlogam dengan atom non logam pula. Jika elektron tertarik lebih kuat ke salah satu atom (yang memiliki keelektronegatifan yang lebih besar) maka disebut ikatan kovalen polar (misalnya HCl). Jika tertarik sama kuat atau keelektronegatifannya sama, maka terbentuklah senyawa kovalen nonpolar (misalnya H₂, O₂). Ikatan kovalen yang lain adalah ikatan kovalen koordinat. Ikatan kovalen ini mirip dengan ikatan kovalen tetapi hanya satu atom yang menyediakan dua elektron (sepasang elektron) untuk dipakai bersama misalnya NH4⁺, NH₃BCl₃.

5.        Resonansi

Resonansi adalah keadaan jika lebih dari satu struktur yang masuk akal dapat ditulis untuk satu spesies dan struktur yang benar tidak dapat ditulis secara keseluruhan. Atau suatu molekul tidak dapat digambarkan dengan satu rumus Lewis saja tetapi dua atau lebih rumus Lewis. Contoh untuk molekul SO₂

Mana yang benar kedua struktur di atas, sebenarnya tidak satupun. Kedua struktur menunjukkan bahwa satu ikatan belerang-oksigen merupakan ikatan tunggal sedangkan yang lainnya dalah ikatan ganda dua. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa sifat kedua ikatan tersebut adalah sama. Rumus Lewis yang ekivalen inilah yang disebut dengan bentuk resonansi atau hibrida resonansi, untuk itu cara menuliskannya adalah:

6.        Pengecualian Kaidah Oktet

a.         Spesi elektron ganjil

Jika jumlah elektron valensi ganjil akan terdapat elektron yang tidak berpasangan dan sekurang-kurangnya terdapat satu atom dengan oktet yang tidak lengkap. Misalnya NO₂.

b.        Oktet yang tidak sempurna

Tetapi adakalanya dijumpai struktur yang konfigurasi oktetnya tidak lengkap dan dapat dibenarkan. Hal ini dapat ditunjukkan oleh molekul BeCl₂ atau BeCl₃.

c.         Oktet yang diperluas

Pada pengisian elektron, subkulit d adakalanya tersedia sehingga oktet yang diperluas dimungkinkan terbentuk, misalnya pada PCl₅ dikelilingi oleh 10 elektron dan SF₆ dikelilingi oleh 12 elektron.

7.        Muatan Formal

Dalam menuliskan struktur Lewis, kadang-kadang diperoleh beberapa susunan atom, ikatan atau pasangan mandiri, dan semuanya memenuhi kaidah oktet, maka untuk menentukan struktur yang masuk akal digunakan konsep muatan formal.

Contoh untuk molekul NH₄⁺ : muatan formal atom H dalam NH₄⁺ = 1 - 0 - 2/2  =  0 (atom H memiliki satu elektron valensi, tidak ada pasangan elektron bebas, dan setiap atom hidrogen memakai bersama dua elektron). Atom nitrogen memiliki lima elektron valensi, dan nitrogen memakai bersama delapan elektron. Muatan formal N pada NH₄⁺ = 5 - 0 - 8/2 = +1. Jadi rumus molekul NH₄⁺ dapat ditulis:

B.       Bentuk Molekul

Bentuk molekul dapat diramalkan dengan dua cara yang berbeda: (a) pengaruh tolak menolak antara pasangan elektron dalam kulit valensi atom pusat, (b) distribusi orbital atom pusat (cara ini dikenal dengan konsep hibridisasi). Teori tolakan pasangan elektron kulit valensi (TPEK) atau VSEPR (Valence shell elektron pair reppulsion). Prinsip teori ini adalah pasangan elektron dalam kulit valensi suatu atom cenderung saling menjauhi agar tolak menolak antara pasangan-pasangan elektron seminimal mungkin. Langkah-langkah yang sebaiknya dilakukan dalam menentukan bentuk molekul:

1.        Hitung jumlah elektron valensi (elektron pada kulit terluar) dari atom pusat.

2.        Tambahkan dengan besarnya muatan untuk spesi yang bermuatan negatif atau kurangi untuk spesi   positif.

3.        Tambahkan dengan jumlah atom yang terikat.

4.        Bagi dengan dua; untuk menghasilkan jumlah pasangan elektron.

5.        Tempatkan pasangan elektron sehingga mengelilingi atom pusat.

6.        Jumlah pasangan elektron (d) dikurangi jumlah atom yang terikat adalah sama dengan pasangan elektron bebas.

Bentuk pasangan-pasangan :

1.        Dua pasang elektron. Atom pusat membentuk sudut 180⁰

2.        Tiga pasang elektron. Susunannya berbentuk segitiga planar dengan sudut 120⁰ antara pasangan elektron.

3.        Empat pasangan elektron. Ada dua macam susunan:

a.         Segi empat datar dengan pasangan elektron terdapat pada pojok dengan sudut antara pasangan e^- =  90⁰.

b.         Tetrahedral dengan pasangan elektron terdapat di pojok tetrahedral dengan sudut 109,5⁰ (sudut tetrahedral)

4.        Lima pasangan elektron. Meskipun simetris yang terbaik adalah pentagon planar (sudut 72⁰) tetapi susunan tiga dimensi yang paling tepat adalah trigonal bipiramida (sudut antara pasangan equatorial 120⁰ dan sudut antara pasangan axial 90⁰).

5.        Enam pasangan elektron. Susunannya berbentuk oktahedral dengan sudut antara pasangan elektron yang ber-dekatan 90⁰.

6.        Tujuh pasangan atau lebih elektron. Hanya sedikit senyawa yang lebih dari enam pasangan elektron mengelilingi atom pusat dan strukturnya ditentukan secara khusus.

Contoh Soal 3.1

Ramalkan geometri BF₃ dan NH₄⁺.

Jawab:

(a). Untuk molekul BF₃. (1) Elektron valensi B = 3; (2) BF₃ adalah molekul netral, maka = 0; (3) Elektron dari 3 F untuk berikatan = 3; (4) jumlah elektron yang terlibat dalam ikatan = 3 + 0 + 3 = 6; (5) jumlah pasangan elektron = 6/2 = 3; (6) Susunan elektron yang mungkin adalah segitiga planar.

(b). Untuk molekul NH₄⁺. (1) elektron valensi N = 5; (2) NH₄⁺ adalah ion dengan muatan +1, maka = -1; (3) elektron dari 4 atom H untuk berikatan = 4; (4) jumlah elektron yang terlibat dalam ikatan = 5 + (-1) + 4 = 8; (5) jumlah pasangan elektron = 8/2 = 4; (6) susunan elektron yang mungkin adalah tetrahedral.

Soal-soal Latihan

1.        Jelaskan perbedaan utama antara senyawa ion dan senyawa molekular

Jawab:

a. Senyawa ion umumnya larut dalam air sedangkan senyawa molekular umumnya tidak.

b. Senyawa ion umumnya berbentuk kristal sedang senyawa molekular tidak (berupa gas atau cairan)

c. Senyawa ion dalam larutan air dapat menghantar arus listrik sedang senyawa molekular tidak menghantar arus listrik.

d. Titik lebur dan  titik didih senyawa ion rata-rata tinggi sedangkan senyawa molekular titik didihnya rendah.

2.        Uraikan dengan singkat dan sifat-sifat suatu senyawa kovalen disertai dengan contoh senyawanya.

3.        Uraikan dengan singkat dan jelas bagaimana terbentuknya suatu senyawa kovalen koordinasi ?.

Jawab :

Senyawa kovalen koordinasi adalah senyawa yang terbentuk dari atom-atom yang berikatan kovalen koordinat, yaitu ikatan yang hanya satu atom yang menyediakan 2 elektron untuk dipakai bersama

4.        Jelaskan perbedaan antara ikatan kovalen koordinat dengan ikatan kovalen disertai dengan contoh.

5.        Tuliskan lambang Lewis untuk unsur Se, Br, Al, K, Ba, Ge dan P.

6.        Tuliskan rumus Lewis untuk molekul  Cl₂, SO₂, C₂H₄.

7.        Gunakan lambang Lewis untuk membuat bagan pembentukan ikatan kovalen dalam NH₃, H₂O dan HF. 

8.        Gunakan rumus Lewis untuk menunjukkan pembentukan ikatan kovalen koordinat dalam reaksi:

AlCl₃   +   Cl^-   ®    AlCl₄^-

9.        Jelaskan kegunaan dari lambang Lewis.

Jawab:

Kegunaan dari lambang Lewis adalah untuk menggambarkan elektron terluar yang berperan dalam pembentukan ikatan kimia.

10.    Gambarkan struktur Lewis untuk ion berikut ini:

a. CH₃^-                 b. NH₄⁺                  c. ClO₃^-    d. I₃^-

11.    Apa yang dimaksud dengan hibrida resonansi ?

Jawab:

Hibrida resonansi adalah bentuk rumus Lewis yang ekivalen yang digambarkan dengan kedua ujung anak panah

12.    Jelaskan apa sebabnya perlu digunakan konsep resonansi  ?

13.    Berikan struktur-struktur resonansi untuk molekul CO₃^2-,  SO₄^2-,  NO₂^-.

Jawab:

14.    Gambarkan struktur resonansi untuk senyawa:  N₂O₄; O₃; CH₃NO₂ (C-N berikatan).

15.    Apa yang dimaksud dengan keelektronegatifan ?

Jawab:

Keelektronegatifan adalah kemampuan relatif suatu atom untuk menarik elektron dalam suatu ikatan kimia.

16.    Jelaskan kecenderungan perubahan keelektronegatifan dalam sistem periodik. Hubungan apakah antara ke-elektronegatifan dan afinitas elektron.

17.    Tunjukkan kepolaran dari ikatan dalam molekul-molekul H-F; H-O-H dan O=C=O. Yang manakan bersifat polar, jelaskan  !

Jawab:

HF dan H₂O bersifat polar sedangkan CO₂ nonpolar.

18.    Jelaskan mengapa BF₃ non polar sedangkan PF₃ polar ?

19.    Jelaskan apa yang dimaksud dengan kepolaran, dipol dan momen dipol.

Jawab:

Molekul polar adalah molekul yang mempunyai muatan positif dan muatan negatif yang dipisahkan oleh suatu jarak, molekul yang dihasilkan disebut dipol.

Momen dipol adalah hasil kali muatan kedua ujung dipol dengan jarak antara muatan.

20.    Belerang dioksida SO₂ dan nitrogen dioksida NO₂ adalah polar, sedangkan CO₂ adalah non polar. Jelaskan mengapa hal tersebut berbeda ?

21.    Sebutkan dan jelaskan parameter yang menentukan struktur molekul suatu senyawa!

Jawab:

Parameter yang menentukan struktur molekul ada 3 yaitu:

a.    Energi ikatan yaitu energi yang diperlukan untuk memutuskan satu mol ikatan atau sebaliknya energi yang dilepaskan jika terbentuk satu mol ikatan.

b.    Panjang ikatan atau jarak ikatan adalah jarak rata-rata antara inti dua atom yang terikat dengan syarat

1)        Umumnya ikatan yang kuat lebih pendek dari pada ikatan lemah.

2)        Kekuatan ikatan rangkap tidak dua kali kekuatan ikatan tunggal.

3)        Panjang ikatan rangkap tidak setengah dari panjang ikatan tunggal, namun lebih pendek.

c.    Sudut ikatan adalah sudut yang dibuat oleh dua atom dengan suatu atom sentral.

22.    Apa perbedaan antara energi ikatan dan energi ionisasi, berikan contohnya.

23.    Berapa besarnya sudut ikatan dalam :

a. Molekul linier               b. Molekul tetrahedral             c. molekul oktahedral

d. Molekul bipiramida segitiga    e. molekul segitiga planar.

Jawab:

a.  Molekul linier misalnya BeCl₂ b. Molekul tetrahedral CH₄

                                                               

       c. Molekul oktahedral SF₆                       d. Molekul bipiramidal segitiga PCl₅                                                                               

       e. Molekul segitiga planar  BCl₃

                    

24.    Ramalkan bentuk molekul dari : BF₃, NH₃ dan BeCl₂.

25.    Untuk senyawa berikut, ramalkan susunan pasangan elektron dan struktur molekul.

Jawab:

	Susunan Elektron	Struktur Molekul
a.  AsH3	Tetrahedral	Piramidal
b.    AlH4-	Tetrahedral	Tetrahedral
c.  BrF3	Bipiramidal Segitiga	Bentuk-T

  

26.    Ramalkan susunan pasangan elektron dan struktur molekul untuk senyawa berikut:

	Susunan Elektron	Struktur Molekul
a. GeCl4
b. XeF2
c. AtF5
d. XeF4

27.    Apakah dasar dari teori tolakan pasangan elektron dari kulit valensi ?

Jawab:

a.    Ikatan kovalen antara berbagai spesi ikatan terdiri dari suatu pemakaian bersama pasangan elektron.

b.    Susunan geometri dari atom-atom atau kelompok atom terhadap atom pusat ditentukan oleh tolakan-tolakan antara pasangan elektron (terikat atau bebas) yang terdapat dalam kulit valensi dari molekul sentral.

28.    Konsep apakah yang mendasari teori ikatan valensi ?

29.    Uraikan perubahan dalam geometri molekul yang terjadi dari reaksi berikut ini:

a.  BF₃  +  F^-    ®     BF₄^-

b. PCl₅   +    Cl^-   ®     PCl₆^-

c. SF₂    +    F₂    ®    SF₄

Jawab:

a. Segitiga datar    ®    Tetrahedral

b. Bipiramida segitiga   ®    Oktahedral

c. Bentuk V   ®   Tetrahedral yang tak sempurna

Ramalkan bentuk geometri dari XeF₄, BF₄^­, CuCl₂^-, PF₆