ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

Orbital dan peranannya dalam ikatan kovalen

Teori orbital molekul (MO) memberikan uraian matematik mengenai orbital, energinya, dan antaraksinya. Teori tolakan pasangan elektron kulit valensi (VSPER) didasarkan pada dasar pemikiran bahwa elektron valensi atau pasangan elektron dari atom saling bertolakan. Tolakan ini dapat  digunakan untuk menerangkan sudut ikatan yang diamati dan geometri molekul. Dalam teori ikatan valensi, rumus ikatan valensi digunakan untuk menerangkan ikatan kovalen dan antaraksinya.

A.   Sifat gelombang

Sampai 1923, ahli kimia mengandaikan bahwa elektron tak lain dan tak bukan adalah partikel bermuatan negative yang mengelilingi inti atom. Dalam 1923, Louis de Broglie, seorang mahasiswa perancis tingkat pasca sarjana, menggemukakan pendapat yang revolusioner bahwa elektron mempunyai gelombang dan juga sifat partikel.

Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Untuk dapat mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil dari studi mekanika kuantum, daripadaa persamaan matematikannya sendiri. Mula-mula akan dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana (gambar 2.1), yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini menunjukan gerak hanya dalam satu dimensi.

Gambar 2.1 gelombang diam dari senar yang bervibrasi dengan ujung tertentu

Dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase yang satu terhadap yang lain. Keadaan antara dalam mana gelombang hanya sebagian sefase juga mungkin. Bila amplitudo positif dan negative dari dua gelombang suling sesuai, kedua gelombang tersebut sefase. Bila tanda matematik dari amplitudo saling berlawanan, gelombang keluar fase (gambar 2.2).

Gambar 2.2 dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase

Bila dua gelombang yang sefase pada senar yang sama saling tumpang tindih, mereka saling memperkuat. Perkuatan dinyatakan oleh penambahan fungsi matematik yang sama tandanya yang menggambarkan gelombang. Sebaliknya, sepasang gelombang yang tumpang tindih yang keluar fase, saling mengganggu atau berinterferensi. Proses interferensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi matematik yang berlawanan tanda interferensi sempurna menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar-fase menghasilkan simpul. 

Gambar 2.3 menggambarkan perkuatan dan interfensi.

B.    Orbital ikatan dan anti-ikatan

Bila sepasang gelombang saling tumpang tindih, maka mereka dapat saling memperkuat atau saling berinterferensi. Penambahan dari dua orbital 1s dari dua atom H yang sefase menghasilkan perbuatan dan menghasilkan orbital molekul ikatan s dengan rapat elektron yang tinggi antara inti yang berikatan.

Bila dua gelombang berlawanan fase, mereka saling mengganggu. Interferensi dari dua orbital atom yang keluar fase dari dua atom hydrogen memberikan orbital molekul dengan simpul antara inti. Dalam orbital molekul ini, kebolehjadian menemukan elektron antara inti sangat rendah. Karena itu orbital molekul khas ini menimbulkan system dimana kedua inti tak dilindungi oleh sepasang elektron, dan intinya saling tolak menolak. Karena tolakan inti, system ini energinya lebih tinggi daripada system dua atom H yang mandiri. Orbital berenergi lebih tinggi ini adalah orbital anti ikatan. Dalam hal ini, suatu orbital (sigma bintang ) artinya anti-ikatan.

Energy molekul H₂ dengan dua elektron dalam orbital ikatan s adalah lebih rendah sebesar 104 kkal/mol daripada energy gabungan dari dua atom hydrogen yang terpisah. Energy molekul hydrogen dengan elektron dalam orbital anti-ikatan s^*, sebaliknya adalah lebih tinggi daripada energy dua atom hydrogen yang terpisah. Energy relatife ini dapat dinyatakan menurut diagram berikut ini :

C.                Orbital hibrida karbon

Dalam kimia, hibridisasi adalah sebuah konsep bersatunya orbital-orbital atom membentuk orbital hibrid yang baru yang sesuai dengan penjelasan kualitatif sifat ikatan atom. Konsep orbital-orbital yang terhibridisasi sangatlah berguna dalam menjelaskan bentuk orbital molekul dari sebuah molekul.

Contoh Berbagai Macam Hibridisasi

Jumlah orbital hibrida (hasil hibridisasi) sama dengan jumlah orbital yang terlihat pada hibridasi itu. Berbagai tipe hibridisasi disajikan dalam tabel berikut:

1.     Hibridasi sp³

Hibridisasi menjelaskan atom-atom yang berikatan dari sudut pandang sebuah atom. Untuk sebuah karbon yang berkoordinasi secara tetrahedal (seperti metana, CH₄), maka karbon haruslah memiliki orbital-orbital yang memiliki simetri yang tepat dengan 4 atom hidrogen. Pada tingkat dasar, atom C (nomor atom  = 6) mempunyai konfigurasi elektron sebagai berikut. Untuk menjelaskan keberadaan molekul CH₄ ini, maka teori hibridisasi digunakan. Langkah awal hibridisasi adalah eksitasi dari satu (atau lebih) elektron:

C ∗ ↑↓ 1 s ↑ 2 s ↑ 2 p x ↑ 2 p y ↑ 2 p z {\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{z}}}} Proton yang membentuk inti atom hidrogen akan menarik salah satu elektron valensi karbon. Hal ini menyebabkan eksitasi, memindahkan elektron 2s ke orbital 2p. Hal ini meningkatkan pengaruh inti atom terhadap elektron-elektron valensi dengan meningkatkan potensial inti efektif.

C ∗ ↑↓ 1 s ↑ s p 3 ↑ s p 3 ↑ s p 3 ↑ s p 3 {\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}}            Pada CH₄, empat orbital hibrid sp³ bertumpang tindih dengan orbital 1s Hidrogen, menghasilkan empat ikatan sigma. Empat ikatan ini memiliki panjang dan kuat ikat yang sama, sehingga sesuai dengan pengamatan.

sama dengan

Jika kita menrekombinasi orbital-orbital ini dengan orbital-s 4 hidrogen (4 proton, H⁺) dan mengijinkan pemisahan maksimum antara 4 hidrogen (yakni tetrahedal), maka kita bisa melihat bahwa pada setiap orientasi orbital-orbital p, sebuah hidrogen tunggal akan bertumpang tindih sebesar 25% dengan orbital-s C dan 75% dengan tiga orbital-p C. HaL ini sama dengan persentase relatif antara s dan p dari orbital hibrid sp³ (25% s dan 75% p).

2.     Hibridasi sp²

Bila karbon terikat ke atom lain oleh ikatan rangkap dua, atom karbon ada dalam keadaan hibrida sp².

Contoh-contoh senyawa dengan karbon sp²:

ETILEN

Membentuk 3 orbital sp² dengan satu orbital p tersisa. Dalam etilena, dua atom karbon membentuk sebuah ikatan sigma dengan bertumpang tindih dengan dua orbital sp² karbon lainnya dan setiap karbon membentuk dua ikatan kovalen dengan hidrogen dengan tumpang tindih s-sp² yang bersudut 120°. Ikatan pi antara atom karbon tegak lurus dengan bidang molekul dan dibentuk oleh tumpang tindih 2p-2p (namun, ikatan pi boleh terjadi maupun tidak).

3.     Hibridasi sp

Hibridasi ini digunakan bila karbon membentuk ikatan ganda tiga atau ikatan rangkap terkumulasi (dua ikatan rangkap terhadap suatu atom karbon tunggal). Satu orbital 2s bercampur dengan satu orbital 2p untuk membentuk dua orbital hibrida sp. Dalam hal ini, tinggal dua orbital 2p yang tak terhibridasi. Ikatan kimia dalam asetilena (etuna) terdiri dari tumpang tindih sp-sp antara dua atom karbon membentuk ikatan sigma, dan dua ikatan pi tambahan yang dibentuk oleh tumpang tindih p-p. Setiap karbon juga berikatan dengan hidrogen dengan tumpang tindih s-sp bersudut 180°.

 Sumber: Fessenden Ralp J, Joan S. Fessendden. 2005. Kimia Organik Jilid 1 Edisi Ketiga.    Terjemahan A.H Pudjaatmaka. Erlangga: Jakarta