ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

 ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

A.    SIFAT GELOMBANG

Pada tahun 1923, Louis de Broglie, seorang mahasiswa Perancis tingkat pasca sarjana, ia mengungkapkan pendapat yang merevolusioner bahwa electron mempunyai sifat gelombang dan juga sifat partikel. Pendapat Louis de Broglie kurang dapat diterima, tetapi pendapatnya kini tumbuh menjadi konsep mekanika kuantum mengenai gerak electron dan teori orbital molekul.

Heisenberg menyatakan bahwa pendekatan apapun yang  digunakan untuk menentukan secara bersama-sama posisi dan momentum suatu objek yang sedang bergerak tidak dapat diukur secara tepat, sebab objek yang bergerak menimbulkan perubahan dalam posisi dan momentum setiap saat. Prinsip ini dikenal dengan ketidakpastian Heisenberg, yang menyatakan bahwa posisi dan momentum suatu materi tidak dapat diukur secara tepat pada waktu bersamaan.

Jika momentum atau kecepatan suatu partikel dapat diukur secara tepat, maka posisinya tidak dapat diketahui secara pasti, sebaliknya, jika posisi partikel dapat diukur secara tepat maka momentumnya tidak dapat diketahui secara pasti, yang paling mungkin dinyatakan hanya kebolehjadian menentukan posisi dan momentum dari suatu partikel yang bergerak.

Pada tahun 1926, Schrodinger mengajukan suatu penemuan gerak electron dalam atom yang mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel dalam tiga sistem koordinat cartesius. Dasar pemikirannya, jika electron sebagai suatu partikel memiliki sifat gelombang dalam gerakannya, maka persamaan gerak electron dalam mengelilingi inti harus terkait fungsi gelombang.

Gelombang diam yang sederhana, yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini menunjukkan gerak hanya dalam satu dimensi. Sebaliknya gelombang diam yang disebabkan oleh pemukulan kepala drum adalah berdimensi dua, dan sistem gelombang electron adalah berdimensi tiga, tinggi gelombang diam adalah amplitudonya, yang dapat mengarah keatas (nilai positif) atau mengarah kebawah (nilai negative) terhadap kedudukan istirahat dari senar. Kedudukan pada  gelombang yang amplitudonya nol disebut simpul, dan sesuai kedudukan pada senar gitar yang tak bergerak bila senar bergetar.

Dalam hal ini, dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase yang satu terhadap yang lain. Keadaan antara dalam mana gelombang hanya sebagian sefase juga mungkin. Istilah ini dapat digambarkan oleh sistem dua gelombang pada dua senar identik yang bergetar. Jika amplitude positif dan negative dari dua gelombang saling sesuai, maka kedua gelombang tersebut dapat dikatakan sefase. Namun, jiak tanda matematik dari amplitudo saling berlawanan, maka gelombang keluar fase.

Jika dua gelombang yang sefase pada senar yang sama saling tumpang tindih, maka keduanya saling memperkuat. Perkuatan dinyatakan oleh penambahan fungsi matematik yang sama tandanya yang menggambarkan gelombang. Demikian pula sebaliknya, sepasang gelombang yang tumpang tindih yang keuar fase, saling mengganggu atau berinterferensi. Proses interferensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi matematik yang berlawanan tanda. Interferensi sempurna menghasilkan penghapusan oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar fase menghasilkan simpul.

  

 

  

gambar:perkuatan dan interferensi gelombang

Bila orbital mempunyai amplitude positif dan negative, maka orbital mempunyai simpul.menggambarkan orbital 1s, 2s, dan 2p, mencakup tanda dari amplitude dan simpulnya.

Dalam hal ini, satu orbital atom dapat bertumpang tindih dengan orbital atom dari atom lain, secara matematik, fungsi gelombang yang menggambarkan setiap orbital yang tumpang tindih di jumlahkan bersama. Perhitungan ini dikenal sebagai “kombinasi linear dari orbital atom”, atu teori (LCAO). Jika, orbital yang bertumpang tindih sefase, maka hasilnya adalah perkuatan dan suatu “orbital molekul ikatan”. Dilain pihak, interaksi antara orbital atom yang keluar fase menghasilkan interferensi, yang menimbulkan simpul antara dua inti. Interferensi ini menuju ke “orbital molekul anti-ikatan”.

1.      Ikatan sigma (σ)

Ikatan sigma (σ) yaitu ikatan kovalen yang terbentuk akibat tumpang tindih orbital-orbital ujung ke ujung, dengan kerapatan electron yang terkonsentrasi diantara inti atom yang berikatan. Di dalam ilmu kimia, ikatan sigma (σ) merupakan sejenis ikatan kimia kovalen yang paling kuat.

Ikatan dalam H₂ hanya satu dari sekian banyak ikatan sigma yang dijumpai. Ikatan sigma dapat dijelaskan dengan jelas untuk molekul diatomic menggunakan konsep grup simetri. Ikatan sikma adalah simetri terhadap rotasi di sumbu ikat. Berdasarkan definisi tersebut ikatan sigma yang umum adalah s₊s, p_z+p_z, s+p_z, dan d_z²+ d_z². Teori kuantum juga mengatakan bahwa orbital molekulyang bersimetri sama akan bercampur.

2.      Ikatan pi (π)

Ikatan pi (π) adalah ikatan kimia kovalen yang dua cuping orbital atam yang berelektron tunggal bertumpang tindih dengan dua cuping orbital atom lainnya yang juga berelektron tunggal. Hanya terdapat satu bidang simpul dari orbital yang melewati dua inti atom. Ikatan pi (π)  biasanya lebih lemah dari ikatan sigma karena rapatan electronnya lebih jauh dari inti atom yang bermuatan positif, sehingga memerlukan lebih banyak energy. Jika, dilihat dari sudut pandang mekanika kuantum, kelemahan ikatan ini dijelaskan oleh ketumpang tindihan yang sangat sedikit diantara orbital p oleh karenanya orientasinya yang parallel.

A.    ORBITAL IKATAN DAN ANTI-IKATAN

Jika ada sepasang gelombang saling tumpang tindih, maka sepasang gelombang tersebut dapat saling memperkuat atau saling berinterferensi. Adanya penambahan dari dua orbital atom 1s dari dua atom H yang sefase akan menghasilkan orbital molekul ikatan sigma dengan rapatan electron yang tinggi antara inti yang diberikan.

Bila keadaan dimana dua gelombang berlawanan fase, maka kedua gelombang tersebut 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 menentukan, keboleh jadian menentukan electron antara inti sangat rendah. Karena itu, orbital molekul khas ini menimbulkan sistem dimana inti tak dilindungi oleh sepasang electron, dan intinya pun saling toolak-menolak. Karena tolakan inti sistem ini energinya lebih tinggi dari pada sistem dua atom H yang mandiri. Orbital yang lebih tinggi ini disebut orbital anti-ikatan.

   

Energy molekul H₂ dengan dua electron dalam orbital ikatan sigma adalah lebih rendah yaitu 104kkal/mol dari pada energy gabungan dari dua atomhidrogen yang terpisah. Energy molekul hydrogen dengan electron dalam orbital anti-ikatan 0*, sebaliknya, lebih tinggi daripada energy dua atom hydrogen yang terpisah. Energy relative ini dapat dinyatakan menurut diagaram berikut:

Orbital molekul, seperti orbital atom, dapat memegang nol electron, yaitu satu electron electron atu dua electron yang berpasangan , kedua electron dalam molekul hydrogen berpindah ke orbital berenergi terendah yang tersedia, yaitu orbital ikatan sigma. Dalam diagram berikut ini, digunakan sepasang panah (satu mengarah keatas dan satu mengarah ke bawah ) untuk menggambarkan sepasang electron dengan spin yang berlawanan.

Pada dasarnya, semua orbital molekul ikatan mempunyai orbital anti-ikatan yang berhubungan dengannya. Molekul dengan electrode dalam orbital molekul ikatan mempunyai energy yang lebih rendah dari pada energy atom non-ikatan, dan molekul dengan electron dalam orbital anti-ikatan mempunyai energy yang lebih tinggi dari pada atom non-ikatan. Suatu molekul dikatan dalam keadaan bereksitasi apabila satu atau lebih electron tidak ada dalam orbital energy terendah.

            Berikut ini disimpulkan beberapa aturan umum yang dapat diterapkan terhadap semua orbital molekul, dan tidak hanya terhadap orbital molekul H₂, diantaranya adalah:

a.       Setiap orbital (molekul atau atom) dapat memegang maksimum dua dua electron yang harus mempunyai spin yang berlawanan

b.      Jumlah orbital molekul sama dengan jumlah orbital atom yang digunakan dalam pembentukannya.

c.       Dalam pengisian orbital molekul dengan electron, orbital berenergi terendah dan diisi dahulu. Bila duua orbital tergenerasi dari energy yang sama, masing-masing mendapat satu electron sebelum salah satu orbital terisi penuh.

A.    ORBITAL HIBRIDA KARBON

Ada empat orbital atom pada tingkat energy kedua yaitu; satu orbital 2s dan tiga orbital 2p. Namun demikian, karbon tidak menggunakan keempat orbital dalam keadaan murninya untuk ikatan. Oleh sebab itu, sebagai gantinya, karboon bercampur (berhibridisasi), yaitu empat orbital atom tingakt kedua menurut salah satu dari tiga cara untuk ikatan.

1.      Hibridisasi sp³, digunkan apabila kerbon membentuk empat ikatan tunggal

2.   Hibridisasi sp², digunakan apabila karbon membentuk ikatan rangkap

3.   Hibridisasi sp, digunakan apabila karbon membentuk ikatan ganda tiga atau ikatan rangkap terkumulasi (dua ikatan rangkap terhadap suatu atom karbon tunggal).

1.Hibridisasi sp³

 

     Dalam metana, atom karbon mempunyai empat ikatan kovalen terhadap hydrogen. Setiap ikatan C-H mempunyai panjang ikatan 1,09 amstrong dan energy disosiasi ikatan 104 kkal/mol. Sudut ikatan antara setiap ikatan C-H adalah 109,5⁰.

Keempat orbital sp³ mempunyai energy sama agak lebih tinggi dari pada energy orbital 2s, tetapi      agak lebih rendah dari pada orbital 2p. masing-masing obital sp³ mengandung satu electron untuk ikatan.

Diagram diatas disebut diagram orbital. Setiap kotak dalam diagram menyatakan orbital. Energy relative dari berbagai orbital ditandai oleh kedudukan vertical dari kotak  dalam diagram. Electron dinyatakan oleh panah, dan arh dari spin electron dinyatakan oleh arah dari arh panah.

Bila atom karbon sp³ membentuk ikatan, hal itu dilakukan dengan tumpsng tindih masing-masing dari empat orbital sp³ (masing-masing dengan satu electron) dengan orbital dari empat atom lain (masing-masing orbital mengandung satu electron secara bergantian).

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.

   

2.Hibridisasi sp²

 

Senyawa karbon atau pun molekul lainnya dapat dijelaskan seperti yang dijelaskan pada metana. Misalnya etilena (C₂H₄) yang memiliki ikatan rangkap dua di antara karbon-karbonnya. Struktur Kekulem etilena akan tampak seperti:

Karbon akan melakukan hibridisasi sp² karena orbitial-orbital hibridanya akan membentuk ikatan     sigma dan satu ikatan pi seperti yang disyaratkan untuk ikatan rangkap dua di antara karbon-karbon. Ikatan hidrogen-karbon memiliki panjang dan kekuatan ikatan yang sama.

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 hydrogen 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).

1.       Hibridisasi sp

orbital 2s hanya bergabung dengan satu orbital-p, menghasil kan dua orbital sp dan menyisa kan dua orbital p. 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 hydrogen 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