Tinjauan ulang tentang atom dan molekul dalam kimia organik

Tinjauan ulang tentang atom dan molekul dalam kimia organik

Sekitar tahun 1850, kimia organik didefinisikan sebagai kimia dari senyawa yang datang dari benda hidup sehingga timbul istilah organik. Definisi ini mulai usang sekitar tahun 1900. Pada saat itu, ahli kimia mensintesa senyawa kimia baru di laboratorium, dan banyak dari senyawa baru ini tak mempunyai hubungan dengan benda hidup. Pada saat ini kimiaa organik didefinisikan sebagai kimia senyawa karbon. efinisi ini pun tak terlalu tepat, karena beberapa senyawa karbon seperti karbon dioksida, natrium karbonat, dan kalium sianida dianggap sebagai anorganik. Namun demikian, definisi ini diterima karena semua senyawa organik mengandung karbon.

A.    Struktur Elektron dari Atom

Unsur-unsur yang paling penting bagi ahli organik adalah karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen. Keempat unsur ada di kedua periode pertama dari susunan berkala dan elektronnya terdapat dalam dua kulit elektron yang terdekat ke inti. Alhasil, pembahasan mengenai struktur electron dari atom akan dipusatkan pada unsur-unsur dengan elektron yang hanya ada dalam dua kulit elektron ini.

Setiap kulit elektron berhubungan dengan sejumlah energi tertentu. Elektron yang dekat ke inti lebih tertarik oleh proton dalam inti daripada elektron yang lebih jauh kedudukannya. Karena itu, semakin dekat elektron terdapat ke inti, semakin rendah energinya dan elektron ini sukar berpindah dalam reaksi kimia. Kulit elektron yang terdekat ke inti adalah kulit yang terendah energinya dan elektron dalam kulit ini dikatakan berada pada tingkat energi pertama. Elektron dalam kulit kedua, yaitu pada tingkat energi kedua, mempunyai energi yang lebih tinggi daripada elektron dalam tingkat pertama. Elektron dalam tingkat ketiga, yaitu pada tingkat energi ketiga, mempunyai energi yang lebih tinggi lagi.

a)      Orbital Atom

Orbital atom adalah bagian dari ruang di mana kebolehjadian ditemukannya sebuah elektron dengan kadar energi yang khas adalah tinggi (90-95%). Rapat elektron adalah istilah lain yang digunakan untuk menggambarkan kebolehjadian ditemukannya elektron pada titik tertentu ; rapat elektron yang lebih tinggi, berarti kebolehjadiannya lebih tinggi, sedangkan-rapat elektron yang lebih rendah berarti kebolehjadiannya juga rendah.

Kulit elektron pertama hanya mengandung orbital bulat 1s. kebolehjadian untuk menemukan elektron 1s adalah tertinggi dalam bulatan ini. Kulit kedua, yang agak berjauhan dari inti daripada kulit pertama, mengandung satu orbital 2s dan tiga orbital 2p. orbital 2s, seperti orbital 1s, adalah bulat.

Bola (suatu orbital s) adalah tak-terarah; artinya, tampaknya sama bila dipandang dari setiap arah. Tidak demikian keadaannya dengan orbital p, yang dapat diandaikan bahwa mempunyai berbagai orientasi sekeliling inti. Ketiga orbital 2p terdapat pada sudut yang saling tegak lurus - orientasi  ini memungkinkan jarak maksimum antara elektron dalam ketiga orbital p dan dengan demikian mengurangi tolakan antara dalam orbital-orbital p yang berlainan. Orbital p yang saling tegak lurus kadang-kadang ditandai sebagai p_x, p_y dan p_z. Karena ketiga orbital 2p ekuivalen dalam bentuk dan dalam jarak dari inti, mereka mempunyai energi yang sama. Orbital yang mempunyai energi yang sama, seperti orbital 2p, dikatakan terdegenerasi.

b)      Pengisian Orbital

Elektron mempunyai spin, yang dapat berputar menurut arah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam (+½ atau -½). Spin dari partikel bermuatan, menimbulkan medan magnet kecil, atau momen magnet dan dua elektron dengan spin berlawanan mempunyai momen magnet berlawanan. Tolakan antara muatan negatif dari dua elektron dengan spin berlawanan dikurangi oleh momen magnet yang berlawanan, yang memungkinkan dua elektron demikian untuk saling berpasangan dalam orbital. Dengan alasan ini, setiap orbital dapat mempunyai maksimum dua elektron, tetapi elektron-elektron tersebut harus berlawanan spin. Karena jumlah orbital pada tiap tingkat energi (satu pada tingkat energi pertama, empat pada kedua dan Sembilan pada ketiga), maka berturut-turut tiga tingkat energi dapat mengandung dua, delapan dan 18 elektron.

B.     Jari-Jari Atom

Jari-jari atom adalah jarak pusat inti ke elektron paling luar. Jari-jari atom ditentukan dengan mengukur panjang ikatan (jarak antara inti) dalam senyawa kovalen seperti pada Cl-Cl atau H-H dan kemudian membaginya dengan dua. Karena itu, jari-jari atom sering disebut jari-jari kovalen. Nilai dari jari-jari atom biasanya diberikan dalam Angstrom (Å), dengan 1 Å = 10^-8 cm.

Jari-jari atom berubah-ubah bergantung pada besarnya tarikan antara inti dan elektronnya. Makin besar tarikan, makin kecil jari-jari atomnya. Faktor apa yang mempengaruhi tarikan ini? Faktor-faktor yang paling penting adalah jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron.

·         Kelektronegatifan

Keelektronegatifan adalah ukuran kemampuan atom untuk menarik elektron luarnya, atau elektron valensi. Karena elektron luar dari atom yang digunakan untuk ikatan, maka keelektronegatifan berguna dalam meramalkan dan menerangkan kereaktifan kimia. Seperti jari-jari atom, keelektronegatifan dipengaruhi oleh jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron. Makin besar jumlah proton berarti makin besar muatan inti positif dan dengan demikian tarikan untuk elektron ikatan bertambah. Karenannya, keelektronegatifan bertambah dari kiri ke kanan untuk periode tertentu dari Susunan Berkala.

Skala Pauling (gambar 1.1) adalah skala numerik dari keelektronegatifan. Skala ini diturunkan dari perhitungan energi ikatan untuk berbagai unsur yang terikat oleh ikatan kovalen.
   gambar 1.1 contoh tabel skala pauling

3.    Panjang Ikatan dan Sudut Ikatan

Jarak yang memisahkan inti dari dua atom yang terikat kovalen disebut panjang ikatan. Panjang ikatan kovalen, yang dapat ditentukan secara eksperimental, mempunyai selang harga dari 0,74 Å sampai 2 Å.

Bila ada lebih dari dua atom dalam molekul, ikatan membentuk sudut, yang disebut sudut ikatan. Sudut ikatan bervariasi dari kira-kira 60˚ sampai 180˚.

4.     Energi Disosiasi Ikatan

Bila atom saling terikat membentuk molekul, energi dilepaskan (biasanya sebagai kalor atau cahaya). Jadi, untuk molekul agar terdisosiasi menjadi atom-atomnya, harus diberikan energi.

Ada dua cara agar ikatan dapat terdisosiasi. Satu cara adalah karena pemaksapisahan heterolitik (heterolytic cleavage) (Yunani, hetero, “berbeda”). Dalam maka kedua elektron ikatan dipertahankan pada satu atom. Hasil pembelahan heterolitik adalah sepasang ion.

 

Suatu panah lengkung (¾) digunakan dalam persamaan-persamaan untuk menunjukkan arah ke mana pasangan elektron bergerak selama pemutusan ikatan.dalam pemaksapisahan heterolitik dari HCl atau H₂O, elektron ikatan dipindahkan ke Cl atau O yang lebih elektronegatif.

Cara yang kedua adalah pemaksapisahan homolitik ( Yunani, homo,  “sama”). Dalam hal ini setiap atom yang turut dalam ikatan kovalen menerima satu elektron dari pasangan yang saling dibagi yang asli. Yang dihasilkan adalah atom yang secara listrik netral atau gugus atom.

 

5.    Asam dan Basa

Menurut konsep Bronsted Lowry mengenai asam dan basa adalah zat yang dapat memberikan ion hidrogen yang bermuatan positif (H⁺) contohnya HCl dan HNO₃. Basa adalah zat yang dapat menerima H⁺ contohnya adalah OH^- dan NH₃.

1)      Asam  dan basa kuat dan lemah

Asam kuat adalah asam yang pada dasarnya mengalami disosiasi sempurna dalam air. Asam kuat yang representatif adalah HCl, HNO_3, H2SO₄. Ionisasi dari asam-asam kuat ini adalah reaksi asam basa yang khas. Asam HCl misalnya memberikan proton kepada basa H₂O. Kesetimbangan terletak jauh ke kanan (ionisasi sempurna dari HCl) karena H₂O merupakan asam lebih kuat daripada H₃O⁺. Asam lemah hanya terionisasi sebagian dalam air. Asam karbonat adalah asam anorganik lemah yang khas. Kesetimbangan letaknya jauh ke kiri karena H₃O⁺ adalah asam yang lebih kuat dan HCO₃^- adalah basa yang lebih kuat.

2)      Asam dan Basa konjugat

Konsep asam dan basa konjugat berguna untuk membandingkan keasaman dan kebasaan. Basa konjugat dari asam adalah ion atau molekul yang dihasilkan setelah kehilangan H⁺ dari asamnya. Misalnya ion klorida adalah basa konjugat dari HCl.

Jika asam lemah atau sangat lemah, basa konjugatnya adalah sedang kuatnya atau kuat, bergantung pada afinitas basa konjugat untuk H^+. Jika kekuatan asam dari deret senyawa bertambah, kekuatan basa dari basa konjugatnya berkurang.

3)      Asam dan basa lewis

Asam Lewis adalah zat yang dapat menerima sepasang elektron. Setiap spesies dengan atom yang kekurangan elektron yang dapat berfungsi sebagai asam Lewis, misalnya H+ adalah asam lewis. Kebanyakan asam Lewis selain H⁺ yang dijumpai dalam buku ini  adalah garam logam anhidrat ( ZnCl₂, FeCl₃, dan AlBr₃).

Basa Lewis adalah zat yang dapat memberikan sepasang elektron. Contoh NH₃ dan OH^-, masing-masing mempunyai sepasang elektron valensi yang menyendiri yang dapat disumbangkan ke H⁺ atau asam Lewis lainnya.

4)      Tetapan keasaman

Suatu reaksi kimia mempunyai tetapan kesetimbangan K yang menggambarkan seberapa jauh reaksi berlangsung sampai berkesudahan. Untuk ionisasi dari suatu asam dalam air, tetapan ini disebut tetapan keasaman K_a. Tetapan kesetimbangan ditentukan oleh persamaan umum berikut ini, dengan nilai konsentrasiyang diberikan dalam kemolaran, M:

5)      Tetapan kebasaan

Tetapan kebasaan K_b adalah tetapan kesetimbangan untuk reaksi ini. Seperti dalam hal K_a, nilai [ H₂O ] tercakup dalam K_b dalam ungkapan kesetimbangan. Dengan bertambahnya kekuatan basa, nilai Kb bertambah dan nilai pKb berkurang. Semakin kecil nilai untuk pKb, semakin berat basanya.