Ikatan ionik dibentuk oleh tarikan elekrostatik antara kation dan
anion. Karena medan listrik suatu ion bersimetri bola, ikatan ion tidak
memiliki karakter arah. Sebaliknya, ikatan kovalen dibentuk dengan
tumpang tindih orbital atom. Karena tumpang tindih sedemikian sehingga
orbital atom dapat mencapai tumpang tindih maksimum, ikatan kovalen
pasti bersifat terarah. Jadi bentuk molekul ditentukan oleh sudut dua
ikatan, yang kemudian ditentukan oleh orbital atom yang terlibat dalam
ikatan.
Paparan di atas adalah pembahasan umum struktur molekul.
Struktur molekul sederhana dapat disimpulkan dari pertimbangan
sterekimia sederhana yang akan dijelaskan di bab ini.
a. Teori tolakan pasangan elektron valensi
Di tahuan 1940, Sidgwick mengusulkan teori yang disebut dengan Teori tolakan pasangan elektron valensi [valence shell electron pair repulsion (VSEPR)],
yang karena sifat kualitatifnya sangat mudah dipahami. Teorinya sangat
cocok untuk mempredksi struktur senyawa berjenis XYm.
Menurut
teori ini, jumlah pasangan elektron menentukan penyusunan
pasangan-pasangan elektron di sekitar atom pusat molekul. Terdapat gaya
tolak elektrostatik antara dua pasangan elektron yang cenderung menolak
orbital atom sejauh mungkin satu sama lain.
Karena pasangan elektron
menempati orbital atom, pasangan elektron bebas juga mempunyai dampak
yang sama dengan pasangan elektron ikatan. Dengan kata lain, pasangan
elektron bebas dan pasangan elektron ikatan juga tolak menolak sejauh
mungkin.
SENYAWA DENGAN ATOM PUSAT DIVALEN
Menurut
teori VSEPR, dua pasangan elektron yang dimiliki atom pusat divalen
akan terpisah sejauh mungkin bila sudut ikatannya 180°. Dengan kata
lain, molekulnya akan memiliki struktur linear. Faktanya, berilium
khlorida BeCl2, dengan atom pusat divalen, adalah molekul
linear . Seperti akan didiskusikan kemudian, beberapa senyawa seperti
karbon dioksida O=C=O dan alena H2C=C=CH2 juga linear seolah memiliki atom pusat divalen.
SENYAWA DENGAN ATOM PUSAT TRIVALEN
Bila teori VSEPR berlaku juga untuk senyawa dengan atom pusat trivalen seperti boron trikhlorida BCl3,
sudut ikatan ∠Cl-B-Cl akan bernilai 120° dengan emapt atom itu berada
dalam bidang yang sama. Struktur trigonal planar juga diamati di timah
khlorida, SnCl3. Catat juga bahwa struktur segitiga juga diamati di etilena H2C=CH2, ion nitrat NO3 dan sulfur dioksida SO2.
SENYAWA DENGAN ATOM PUSAT TETRAVALEN
Teori
karbon tetrahedral diusulkan oleh kimiawan Belanda Jacobus Henricus
van’t Hoff (18521911) dan kimiawan Perancis Joseph Achille Le Bel
(1847-1930), yang menyempurnakan teorinya hampir pada saat yang
bersamaan. Kesimpulan yang sama juga dapat secara otomatis didapatkan
dari teori VSEPR. Misalnya untuk metana, struktur yang akan memiliki
tolakan antar pasangan elektron yang minimal didapatkan untuk geometri
tetrahedron dengan sudut 109,5°, yang jelas lebih besar dari bujur
sangakar yang bersudut 90°. Menariknya ion amonium NH4+
dengan atom nitrogen sebagai atom pusat juga tetrahedral seperti
metana. Bila pasangan elektron bebas juga dihitung, atom nitrogen dari
amonia NH3 dan atom oksigen dalam air H2O juga dapat dianggap
tetravalen.
Namun di molekul-molekul ini tidak didapat tetrahedral sempurna, sudut
ikatan ∠HNH adalah 106° dan ∠H-O-H adalah 104,5°. Fakta ini menyarankan
hubungan kualitatif berikut.
Kekuatan relatif tolakan
Pasangan elektron bebas (PEB)-PEB > PEB- Pasangan elektron ikatan (PEI) > PEI-PEI Beberapa ion poliatomik semacam SO42- dan SO32- juga memiliki struktur tetrahedral.
SENYAWA DENGAN VALENSI LEBIH TINGGI DARI EMPAT
Struktur
senyawa dengan atom pusat memiliki valensi lebih besar dari empat juga
dapat dijelaskan dengan teori VSEPR. Senyawa pentavalen memiliki
struktur trigonal bipiramidal. Senyawa khas jenis ini adalah fosfor
pentakhlorida PCl5. Senyawa dengan atom pusat heksavalen
berstruktur oktahedral, yang identik dengan bujur sangkar bipiramid.
Contoh yang baik adalah belerang heksafluorida SF6. Dalam kasus senyawa heptavalen, situasinya sama dan strukturnya adalah pentagonal bipiramid.
Ketika
menggunakan teori ini, dalam senyawa yang strukturnya ditentukan
pasangan elektron bebas harus diikutsertakan sebagai bagian pasangan
elekron yang menentukan struktur. Misalnya untuk IF5 dan ICl4 hal ini sangat penting. Di Gambar 4.1 ditunjukkan beberapa struktur senyawa khas.
(c) segitiga bipiramid PCl5; (d) oktahedron SF6.
Latihan: Prediksi struktur berdasarkan teori VSEPR Prediksikan struktur spesi kimia berikut dengan teori VSEPR: (a) SO2, (b) SO3 (c ) SO42-
Jawab: (a) segitiga, (b) piramidal , (c ) tetrahedral
b. Hibridisasi orbital atom
Diharapkan bahwa berilium khlorida BeCl2 dan timah (II) khlorida SnCl2
akan memiliki struktur yang mirip karena memiliki rumus molekul yang
mirip. Namun, ternyata senyawa pertama berstruktur linear sedang yang
kedua bengkok. Hal ini dapat dijelaskan dengan perbedaan orbital atom
yang digunakan. Bila elektron-elektron mengisi orbital atom mengikuti
prinsip Aufbau, elektron akan mengisi orbital atom yang berenergi
terendah. Dua elektron diizinkan mengisi satu orbital. Menurut prinsip
Pauli, tidak ada elektron yang memiliki satu set bilangan kuantum yang
tepat sama (Bab 2.4 (d)). Masalah yang timbul adalah akan diletakkan di
mana elektron ke-empat atom karbon. Telah ditetapkan bahwa konfigurasi
elektron terendah atom adalah konfigurasi dengan jumlah elektron tak
berpasangan maksimum dan masih tetap diizinkan oleh aturan Pauli dalam
set orbital dengan energi yang sama (dalam kasus karbon adalah tiga
orbital 2p). Dalam kasus ini awalnya semua elektron akan memiliki
bilangan kuantum spin yang sama (yakni, +1/2 atau -1/2) (Gambar 4.2).
Berilium adalah atom dengan dua elektron valensi dan konfigurasi elektron (1s22s2).
Agar berilium membentuk ikatan sebagai atom divalen, orbital 2s dan 2p
harus membentuk pasangan orbital terhibridisasi sp. Karena kedua orbital
hibrida sp membentuk sudut ikatan 180°, BeCl2 dengan demikian linear.
Mirip dengan itu, boron yang memiliki tiga elektron valensi dan konfigurasi elektron 1s22s22p1; atau secara sederhana ditulis 1s22s22p. Untuk membentuk ikatan dengan valensi tiga, konfigurasi elektronnya harus (1s22s2px2py). Satu orbital 2s dan dua orbital 2p akan membentuk orbital terhibridisasi sp2. Karena sudut ikatan antara dua orbital hibrida sp2 adalah 120°, BCl3 berstruktur segitiga.
Dalam kasus senyawa karbon, strukturnya dijelaskan dengan mengasumsikan empat orbital sp3 ekuivalen
terbentuk dari satu orbital 2s dan tiga orbital 2p. Atom karbon
memiliki empat elektron valensi, dan konfigurasi elektronnya adalah 1s22s22p2, dan untuk membentuk atom tetravalen, konfigurasi elektronnya harus berubah menjadi (1s22s2px2py2pz). Dengan hibridisasi, empat orbital hibrida sp3 yang ekuivalen akan terbentuk. Sudut ikatan yang dibuat oleh dua orbital hibrida sp3 adalah 109,5° (sudut tetrahedral). Inilah alasan mengapa metana berstruktur tetrahedral.
Untuk kasus senyawa nitrogen, amonia NH3 misalnya, empat dari lima elektron valensi atom nitrogen akan menempati empat orbital hibrida sp3
seperti ditunjukkan di Gambar 4.3. Satu elektron valensi yang tersisa
akan menempati satu orbital hibrida yang telah diisi satu elektron. Jadi
spin elektron kedua ini harus berlawanan dengan spin elekron pertama.
Akibatnya atom nitrogen akan trivalen dengan satu pasangan elektron
bebas.
Dalam
kasus fosfor, ada dua kasus. Dalam satu kasus atom fosfornya trivalen
dengan satu pasang elektron bebas seperti nitrogen, dan di satu kasus
lain fosfornya pentavalen dengan orbital hibrida dsp3. Fosfor
pentavalen memiliki struktur trigonal bipiramidal. Ion kompleks dengan
ion nikel atau kobal sebagai atom pusat berkoordinasi enam dengan
struktur oktahedral.
Sebagaimana didiskusikan di atas, baik teori
VSEPR maupun hibridisasi orbital atom akan memberikan kesimpulan
struktur molekul dan ion yang sama. Walaupun teori VSEPR hanya
bergantung pada tolakan antar pasangan elektron, dan teori hibridisasi
memberikan justifikasi teoritisnya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar