ATOM DAN MOLEKUL DALAM KIMIA ORGANIK

ATOM DAN MOLEKUL DALAM KIMIA ORGANIK

          Suatu pengetahuan mengenai kimia organic tak dapat diabaikan bagi kebanyakan ilmuwan. Misalnya, karena sistem kehidupan terutama terdiri dari air dan senyawa organic, hampir setiap bidang studi yang berurusan dengan tumbuhan, hewan, atau mikro organisme bergantung pada prinsip kimia organic. Bidang studi ini mencakup obat-obatan, ilmu kedokteran, biokimia, mikro biologi, pertanian dan banyak ilmu pengetahuan yang lain. Namun, demikian bukan hanya bidang-bidang ini saja yang bergantung pada organic, misalnya, plastic dan serat sintetik juga merupakan senyawa organic. Minyak bumi dan gas alam sebagian besar terdiri dari senyawa karbon dan hydrogen yang terbentuk karena penguraian tumbuhan. Arang merupakan pencampuran unsure karbon dengan dari karbon dan hydrogen.

           A. Struktur Electron dari Atom

Unsure-unsur yang paling penting bagi ahli kimia organic adalah karbon, hydrogen, oksigen, dan nitrogen. Keempat unsure ini ada dikedua periode pertama dari susunan berkala dan elektronnya terdapat dalam dua kulit electron yang terdekat ke inti. Alhasil, pembahasan mengenai struktur elektron dari atom akan di pusatkan terutama pada unsure-unsur dengan electron yang hanya ada dalam dua kulit electron ini, 

  

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

B. Jari-jari Atom dan Keelektronegatifa

Jari-jari atom adalah jarak dari inti atom sampai lintasan elektron luarnya. Besarnya jari-jari atom ini sangat dipengaruhi oleh gaya tarik inti terhadap elektronnya. Inti atom tersusun oleh proton yang bermuatan positif, sedangkan elektron yang bermuatan negative berada di sekeliling inti.

Jari-jari atom berubah-ubah tergantung pada besarnya tarikan antara inti dan elektronnya. Makin besar tarikan, makin kecil jari-jari atomnya. Faktor-faktor yang paling penting adalah jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung electron. Inti dengan jumlah proton yang lebih besar mempunyai tarikan yang lebih besar terhadap electron-elektronnya, termasuk electron paling luar.

Bila kita bergerak dari atas ke bawah dalam satu golongan dari susunan berkala, maka kulit electron bertambah dan karenanya, jari-jari atom bertambah juga.

Dalam kimia organic, atom saling berikatan satu dengan yang lain dalam kedekatan yang dekat oleh ikatan kovalen. Konsep jari-jari atom akan berguna dalam memperkirakan tarikan dan tolakan antara atom dan dalam membahas kekuatan ikatan kovalen.

Keelektronegatifan  adalah ukuran kemampuan atom untuk menarik electron luarnya, atau elektron valensi. Karena electron 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 electron. Makin besar jumlah proton berarti makin besar muatan inti positif, dan dengan demikian tarikan untuk electron ikatan bertambah. Karena, keelektronegatofan bertambah dari kiri kekanan untuk periode tertentu dari susunan berkala.

Tarikan antara partikel yang berlawanan muatan bertambah dengan berkurangnya jari-jari antara partikel.

                 Sekala pauling adalah skala numeric dari keelektronegatifan . skala ini diturunkan dari perhitungan energy-ikatan untuk berbagai unsure yang terikat oleh ikatan kovalen. Dalam skala pauling flour, unsure yang paling elektronegatif, mempunyai nilai keelektronegatifan 4. Litium, keelektronegatifannya rendah, mempunyai nilai 1. Suatu unsure dengan keelektronegatifan yang sangat rendah (seperti litium) kadang-kadang disebut unsure elektropositif. Karbon mempunyai nilai keelektronegatifan menengah 2,5.

C. 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 Ǻ sampai 2 Ǻ. 

Bila ada lebih dari dua atom dalam molekul, ikatan membentuk sudut, yang disebut sudut ikatan. Sudut ikatan bervarisi dari kira-kira 60⁰ sampai 180⁰.

Kebanyakan struktur organic mengandung lebih dari tiga atom, dan lebih bersifat berdimensi-tiga dari pada berdimensi-dua. Rumus struktur terdahulu untuk amoniak (NH₃) menggambarkan satu teknik untuk menyatakan suatu struktur dimensi-tiga. Ikatan garis (-) menyatakan ikatan dalam bidang kertas. Baji padat (---)menyatakan ikatan yang menunjuk kebelakang kertas; H pada ujung yang sempit dari baji yang patah-patah ada di belakang kertas.

D.   Energy Disosiasi

Energi disosiasi ikatan merupakan energi yang diperlukan untuk memutuskan salah satu ikatan 1 mol suatu molekul gas menjadi gugus-gugus molekul gas. Energi disosiasi ikatan disimbolkan dengan huruf ‘D‘ .

Contoh : 

Dari reaksi tersebut tampak bahwa untuk memutuskan sebuah ikatan C-H dari molekul CH₄ menjadi gugus CH₃ dan atom gas H diperlukan energi sebesar 425 kJ/mol, tetapi pada pemutusan ikatan C-H pada gugus CH₃ menjadi gugus CH₂ dan sebuah atom gas H diperlukan energi yang lebih besar, yaitu 480 kJ/mol. Jadi, meskipun jenis ikatannya sama tetapi dari gugus yang berbeda diperlukan energi yang berbeda pula. 

Selain dapat digunakan sebagai informasi kestabilan suatu molekul, harga energi disosiasi ikatan dapat digunakan untuk memperkirakan harga perubahan entalpi suatu reaksi. Perubahan entalpi merupakan selisih dari energi yang digunakan untuk memutuskan ikatan dengan energi yang terjadi dari penggabungan ikatan.

Berdasarkan banyaknya atom yang ada pada molekul, energi disosiasi ikatan dibagi menjadi energi disosiasi ikatan molekul diatom dan energi disosiasi. ikatan molekul m.

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

Pemaksapisahan heterolitik:  H-H       à        H+  +  H:                                                H-Cl     à        H+  +  Cl                                                H-OH   à        H+  +  OH

Ada dua cara agar ikatan dapat terdisosiasi. Satu cara adalah karena pemaksapisahan heterolitik (heterolytic cleavega) (yunani, hetero,”berbeda”), dimana kedua elaktron ikatan dipertahankan pada satua atom, hasil pembelahan heterolitik adalah sepasang ion.

 Proses lain yang meungkinkan suatu ikatan terdisosiasi adalah pemaksapisahan homolitik (yunani, homo,”sama”). Dalam hal ini setiap atom yang turut dalam ikatan kovalen menerima satu electron dari pasangan yang saling berbagi yang asli. Yang dihasilkan adalah atom yyang secara listrik netral atau gugus atom.

Pemaksapisahan homolitik menghasilkan atom atau gugus atom yang mempunyai electron tak berpasangan. Atom seperti H atau gugus atom seperti H₃C yang mengandung electron tak berpasangan disebut radikal bebas. Radikal bebas biasanya netral secara listrik; karena itu, tak ada tarikan elektrostatik antara radikal bebas, seperti antara ion. Juga, kebanyakan radikal bebas berenergi tinggi; akibatnya, mereka tak stabil dan sangat reaktif. Biasanya kita menyatakan  suatu radikal bebas dengan memasukkan suatu bintik tunggal dalam rumusnya, tanpa menunjukkan electron vaalensi lainnya.

Pemaksapisahan homolitik lebih berguna dari pada pemaksapisahan heterolitik dalam penentuan energy yang diperlukan untuk disosiasi ikatan karena perhitungan tak disulitkan oleh tarikan ionic antara hasilnya. Dari penentuan komponen gas yang terdisosiasi pada suhu ttinggi, perubahan entalpi ΔΗ (perubahan kadar kalor, atau energy) telah dihitung untuk sejumlah besar disosiasi ikatan.

CH4  +  Cl2            à      CH3Cl  +  HCl

Energy disosiasi memungkinkan ahli kimia untuk menghitung kestabilan relative  dari senyawa dan meramalkan (sampai taraf tertentu) sebab-sebab reaksi kimia. Misalnya; satu reaksi yang akan dibahas kemudian dalam teks ini adalah khlorinasi metana, CH₄:

E.    Konsep Asam dan Basa dalam Kimia Organic

Menurut konsep Bronsted Lowry mengenai asam dan basa, suatu asam adalah zat yang dapat memberikan ion hydrogen yang bermuatan positif, atau proton (H⁺). Basa didefenisikan sebagai zat yang dapat menerima H⁺.

1.      Asam dan basa kuat dan lemah

asam kuat adalah asam yang dasarnya mengalami ionisasi sempurna dalam air. Asam kuat yang representative adalah HCl, HNO₃, dan H₂SO₄. Ionisasi dari asam-asam kuat ini adalah reaksi asam-basa yang khas. Asam (HCl, misalnya) memberikan proton kepada basa (H₂O). Kesetimbangan terletak jauh kekanan (ionisasi sempurna dari HCl) karena H₂O  merupakan basa lebih kuat dari Cl dan HCl merupakan asam lebih kuat dari pada H₃O⁺.

Asam lemah, sebaliknya hanya terionisasi sebagian dalam air. Asam karbonat adalah asam anorganik yang lemah yang khas. Kesetimbangannya letaknya jauh kekiri karena H₃O⁺ adalah asam yang lebih kuat dan HCO^3- adalah basa yang lebih kuat. Basa yang digolongkan sebagai kuat (seperti OH^-) atau lemah (NH₃), bergntung pada afinitasnya terhadap proton.

Beberapa senyawa organic yang dapat berfungsi sebagai asam dan basa. Amina  adalah golongan senyawa organic yang secara structural sama dengan ammonia: suatu amina  mengandung atom nitrogen yang terikat secara kovalen dengan satu atau lebih atom karbon dan mempunyai sepasang electron menyendiri. Amina seperti ammonia adalah basa lemah dan mengalami reaksi reversible dengan air atau asam lemah lainnya. (Penggunaan asam kuat mendorong reaksi sampai berkesudahan).

Senyawa organic yang mengandung gugus karboksilat adalah asam lemah. Senyawa-senyawa yang mengandung gugus karboksilat disebut asam karboksilat. Asamasetat(CH₃CO₂H), adalah contohnya. Salah satu alasan untuk keasaman asam karboksilat adalah kepolaran ikatan     O-H.

Dengan adanya basa, H⁺ ditarik dari gugus karboksilat dan terbentuklah anion karboksilat, karena asam karboksilat hanya asam lemah, reaksi ini tak berlangsung sampai sempurna kecuali bila digunkan basa yang lebih kuat dari air.

2.     Asam dan basa Konjugat

Konsep asam dan basa konjugat berguna untuk pembandingan 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. Asam konjuat dari NH₃ adalah NH^4+. Di lain pihak, bila asam lemah atau sangat lemah, basa konjugatnya adalah sedang  kuatnya atau kuat, bergantung pada afinitas basa konjugat untuk H⁺. Jadi, bila kekuatan asam dari deret senyawa bertambah, kekuatan basa dari basa konjugatnya juga berkurang.

_­­­­­­­Meskipun banyak reaksi asam-basa mencakup perpindahan proton dari asam ke basa, bebera pareaksi asam basa tidak mencakup perpindahan proton. Dengan alasan ini, telah dikembangkan konsep lewis yang lebih umum mengenai asam dan basa. Asam lewis adalah zat yang dapat menerima sepasang electron. Setiap spesi dengan atom yang kekurangan electron dapat berfungsi sebagai asam lewis,  misalnya; H⁺ adalah asam lewis. Kebanyakan asam lewis selain H⁺ yang dijumpai adalah garam logam anhidrat (misalnya ZnCL₂, FeCl₃, dan AlBr₃).

Basa lewis adalah zat yang dapat memberikan sepasang electron. Contoh dari basa lewis adalah NH₃ dan OH^-,  masing-masing mempunyai sepasang electron valensi yang menyendiri yang dapat disumbangkan ke H⁺ atau semua asam lewis lain.

3.     Tetapan Keasaman

Suatu reaksi kimia mempunyai tetapan keseimbangan K yang menggambarkan seberapa jauh reaksi berlangsung sampai berkesudahan. Untuk ionisasi dari suatu asam dalam air, tetapan ini disebut tetapan keasaman Ka. Semakin terionisasi suatu asam, semakin besar nilai Ka karena nilai dalam pembilang makin besar. Asam yang lebih kuat mempunya inilai Ka yang lebih besar. Setiap asam dengan Ka> 10 dianggap sebagai asam kuat.

Seperti dalam hal pH yang merupakan logaritma negative dari konsentrasi ion hydrogen, maka pKa merupakan logaritma negative dari Ka. Bila Ka semakin besar (asam yang lebih kuat) pKa menjadi lebih kecil, makin kecil nilai pKa makin kuat asam nya.

Asam organic dicirikan oleh adanya atom hydrogen yang terpolarisasi positif. Terdapat dua macam asam organic yang pertama adanya atom hydrogen yang terikat dengan atom oksigen seperti; metil alcohol dan asam asetat. Kedua, adanya atom hydrogen yang terikat pada atom karbon dimana atom karbon tersebut berikatan langsung dengan gugus karbonil (C=O) seperti pada aseton. Selain itu senyawa asam karboksilat seperti; asam asetat, asam piruvat, dan asam sitrat.

4.   Tetapan kebasaan

Reaksi reversible dari basa lemah dengan air, seperti reaksi dari asam lemah dengan  H₂O menghasilkan konsentrasi ion yang kecil, tetapi tetap pada kesetimbangan. Tetapan kebasaan. Kb adalah tetapan setimbangan untuk reaksi ini. Seperti dalam hal Ka, nilai [H₂O]  tercakup dalam Kb dalam ungkapan kesetimbangan. Dengan bertambahnya kekuatan basa, nilai Kb bertambah dan nilai pKb berkurang. Semakin kecil nilai untuk pKb, semakin berat basanya.

Basa orgnik dicirikan dengan adanya atom pasangan electron bebas yang dapat mengikat proton. Senyawa-senyawa yang mengandung atom nitrogen adalah salah satu contoh basa organic. Beberapa contoh basa organic yaitu metal amina, metal alcohol dan asam asetat. Aseton dan metal alcohol dapat bertindak sebagai asam ketika menyumbangkan proton, tetapi sebagai basa ketika atom oksigennya menerima proton.

Sumber: Fessenden RJ and JS. Fessenden. Kimia Organik, jilid 1 dan 2, 3ed.                                                terjemahan A.H. Pudjatmaka. penerbit Erlangga. 2005.