KEGIATAN BELAJAR-5 IKATAN KIMIA DAN STRUKTUR MOLEKULAR
A.
Tujuan Antara
Bagian modul ini membahas proses terbentuknya ikatan kimia, ion dan kovalen, serta teori yang meramalkan bentuk molekul, yakni model hibridisasi dan VSEPR; sifat-sifat
polaritas kepolaran suatu molekul dibahas atas sifat elektronegatifitas. Lebih lanjut dibahas pula konsep muatan formal untuk melukiskan bentuk resonansi suatu molekul.
Oleh sebab itu setelah menyelesaikan Kegiatan Belajar-5 ini diharapkan Anda mampu: 1. memahami proses pembentukan ikatan ion dan ikatan kovalen
2. melukiskan struktur elektronik model Lewis 3. menghitung muatan formal atom-atom dalam senyawanya
4. melukiskan bentuk resonansi 5. menjelaskan sifat kepolaranmomen-dipol suatu molekul
6. menjelaskan bangun geometri molekular menurut model hibridisasi 7. meramalkan bangun geometri molekular menurut model VSEPR
B.
Uraian Materi 5
5.1 Ikatan Kimia Istilah ikatan kimia antara dua atom atau lebih muncul oleh karena bergabungnya
atom-atom yang bersangkutan dalam membentuk senyawa. Gagasan pembentukan ikatan ini umumnya diarahkan pada pembentukan konfigurasi elektronik yang lebih stabil.
Sampai dengan saat ini, konfigurasi elektronik atom unsur-unsur gas mulia dianggap sebagai ukuran kestabilan suatu spesies karena relatif terhadap atom unsur-unsur lain, gas
mulia jauh lebih sukar bergabung dengan atom unsur lain, meskipun akhir-akhir ini telah ditemukan beberapa senyawa gas mulia. Sifat kestabilan kelompok gas mulia tercermin
pada harga energi ionisasinya yang sangat tinggi, tertinggi dalam periode, dan afinitas elektronnya yang sangat rendah, terendah dalam periode.
Dibandingkan dengan konfigurasi elektronik atom unsur-unsur gas mulia, unsur- unsur golongan utama atau representatif yaitu s dan p hanya berbeda dalam hal
banyaknya elektron valensi saja. Oleh karena itu, ide terbentuknya senyawa untuk unsur- unsur ini berkaitan erat dengan peran elektron valensi; namun untuk unsur-unsur golongan
d
dan f memerlukan pembahasan tersendiri. Secara ekstrem ada dua cara untuk memenuhi terbentuknya konfigurasi elektronik
gas mulia yaitu pertama dengan cara serah-terima atau transfer elektron valensi dan kedua dengan cara pemilikan bersama pasangan elektron sekutu sharing atau “patungan” dari
elektron valensi atom-atom penyusunnya. Cara pertama menghasilkan ion positif yaitu kation bagi atom yang melepas elektron, dan ion negatif yaitu anion bagi atom yang
menerima elektron. Dengan demikian, ikatan yang terjadi antara keduanya adalah ikatan ionik yang berupa gaya-gaya elektrostatik. Cara kedua menghasilkan ikatan kovalen yang
berupa pasangan-pasangan elektron sekutu yang menjadi milik bersama antara atom-atom yang terlibat. Dalam banyak contoh, adanya kedua jenis ikatan ini dapat diidentifikasi
MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA
317
secara tegas, namun dalam beberapa kasus berupa transisi antara keduanya, artinya tidak lagi dapat ditegaskan sebagai ikatan ionik 100 murni ataupun ikatan kovalen 100
murni. 5.2 Ikatan Ionik
Berbagai Tipe Konfigurasi Elektronik Spesies Ionik
Secara sederhana, ikatan ionik dapat didefinisikan sebagai ikatan antara dua macam ion, kation dan anion, oleh gaya-gaya elektrostatik Coulomb. Namun, misalnya untuk
senyawa kompleks [FeH
2
O
6
]
2+
, ion pusat Fe
2+
dengan molekul pengeliling H
2
O, juga sebagian diikat oleh gaya-gaya elektrostatik antara ion pusat dengan dipol listrik tetap yaitu
negatif yang dihasilkan oleh molekul pengeliling. Oleh karena ikatan ionik terjadi dengan cara transfer elektron, maka dapat diramalkan bahwa unsur-unsur golongan alkali dan
alkali tanah dengan karakteristik ns
1
-
2
mempunyai kecenderungan yang cukup kuat untuk membentuk ikatan ionik dengan unsur-unsur golongan halogen dan oksigen dengan
karakteristik ns
2
np
4
-
5
. Kenyataannya ditemui berbagai tipe ion dengan konfigurasi elektronik tertentu sebagaimana diuraikan berikut ini.
Spesies Tanpa Elektron Valensi Ion hidrogen H
+
, barangkali dapat dipandang sebagai satu-satunya contoh spesies tanpa elektron valensi, meskipun eksistensinya distabilkan dalam bentuk tersolvasi oleh
pelarut, yaitu sebagai ion hidronium, H
3
O
+
, dalam air. Spesies dengan Dua Elektron Valensi
Beberapa spesies yang cukup stabil dengan dua elektron valensi adalah ion hidrida, H
-
, Li
+
, dan Be
2+
. Ion-ion ini mengadposi konfigurasi elektronik gas mulia He.
Spesies dengan Delapan Elektron Valensi Pembentukan spesies yang stabil dengan delapan elektron valensi seperti, Na
+
, Mg
2+
, F
-
, dan O
2
-
, dapat dilukiskan dengan diagram berikut:
Jadi, NaF, Na
2
O, MgF
2
, dan MgO sering dianggap contoh spesies “ionik” dengan mengadopsi konfigurasi elektron valensi gas mulia terdekat, Ne.
Spesies dengan Delapanbelas Elektron Valensi Kenyataan menunjukkan bahwa banyak senyawa-senyawa golongan d juga bersifat
ionik; sudah barang tentu kestabilan konfigurasi elektroniknya, khususnya jumlah elektron valensi, tidak lagi mengikuti kaidah oktet, tetapi mencapai delapanbelas. Spesies ini
banyak ditemui pada gologan 11, 12 bahkan juga golongan 13 mulai periode 4, yaitu: →
←
10
Ne
9
F
-
→
12
Mg -2 e
←
11
Na
[
10
Ne] 3s
1
[
10
Ne] 3s
2
- e + e
8
O
2
-
9
F
[
2
He] 2s
2
2p
5
[
2
He] 2s
2
2p
4 8
O + 2 e
11
Na
+
12
Mg
2+
318
MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA
Golongan 11 Golongan 12
Golongan 13
29
Cu
→
29
Cu
+ 30
Zn
→
30
Zn
2+ 31
Ga
→
31
Ga
3+ 47
Ag
→
47
Ag
+ 48
Cd
→
48
Cd
2+ 49
In
→
49
In
3+ 79
Au
→
79
Au
+ 80
Hg
→
80
Hg
2+ 81
Tl
→
81
Tl
3+
Ketiga kelompok unsur tersebut secara berurutan dapat membentuk kation M
+
, M
2+
, dan M
3+
, yang cukup stabil dengan melepaskan elektron valensi ....... ns
1
-
2
np
0-1
dan menyisakan konfigurasi elektronik terluar ........ n-1s
2
n-1p
6
n-1d
10
, sebanyak 18 elektron. Perlu dicatat bahwa konfigurasi 18 elektron terluar ini hanya dicapai dengan cara
pelepasan elektron, dan tidak pernah dicapai dengan cara penangkapan elektron, dan oleh karena itu spesies ini hanya dijumpai dalam bentuk kation saja.
Spesies dengan Delapanbelas + Dua Elektron Valensi Spesies ini umumnya terdiri atas unsur-unsur berat. Unsur
81
Tl dijumpai sebagai kation Tl
3+
yaitu sistem 18 elektron valensi yang cukup stabil. Namun demikian, kation Tl
+
dengan konfigurasi elektronik [
36
Kr] 4d
10
4f
14
5s
2
5p
6
5d
10
6s
2
, ternyata juga ditemui dan bahkan lebih stabil daripada kation Tl
3+
. Kestabilan sistem konfigurasi ini sering pula dikaitkan dengan kenyataan penuhnya semua orbital yang terisi, yang secara khusus
dikenal sebagai sistem konfigurasi elektronik “18 + 2” atau dengan istilah spesies dengan pasangan elektron inert
. Unsur-unsur Ga, In, dan Tl golongan 13, Ge, Sn, dan Pb golongan 14, dan As, Sb, dan Bi golongan 15 dapat membentuk secara berurutan ion-
ion M
+
, M
2+
, dan M
3+
yang khas dengan pasangan elektron inert, 4-6s
2
. Peran pasangan elektron inert terhadap kestabilan ion dalam golongan ternyata
semakin kuat dengan naiknya nomor atom. Misalnya Tl
+
, secara berurutan lebih stabil daripada In
+
dan Ga
+
; Sn
4+
lebih stabil daripada Sn
2+
, tetapi sebaliknya Pb
2+
lebih stabil daripada Pb
4+
. Dalam golongan 15, Sb
3+
dan Bi
3+
cukup stabil, demikian juga Sb
5+
; tetapi, Bi
5+
kurang stabil.
Spesies dengan Berbagai Macam Elektron Valensi Ion-ion tipe ini terdiri atas unsur-unsur transisi golongan d dan f yang mempunyai
konfigurasi elektronik d dan f belum penuh. Umumnya, ion-ion ini mempunyai konfigurasi elektronik terluar 8 -18, yaitu ns
2
np
6
nd
-
10
dengan n = 3, 4, 5. Tambahan pula, unsur- unsur golongan transisi dikenal dapat membentuk kation dengan berbagai tingkat oksidasi.
Unsur-unsur golongan f, lantanoida dan aktinoida, masing-masing mempunyai konfigurasi elektonik ... 4f
1
-
14
5s
2
5p
6
5d
0-1
6s
2
, dan ... 5f
1-14
6s
2
6p
6
6d
0-1
7s
2
. Dengan melepas elektron terluar, n-1d
0-1
ns
2
, unsur-unsur tersebut menghasilkan kation M
3+
yang cukup stabil dengan meninggalkan konfigurasi elektron valensi 8, tetapi dengan berbagai jumlah elektron sebelah dalam belum penuh, n-2f
1
-
14
. Kestabilan ion-ion transisi dan transisi dalam umumnya berkaitan dengan pembentukan senyawa kompleks.
Kecenderungan Pembentukan Ion Urut-urutan kestabilan keenam tipe ion tersebut adalah bahwa tipe konfigurasi
elektronik gas mulia paling stabil, diikuti oleh tipe konfigurasi delapanbelas elektron; ion dengan tipe struktur konfigurasi unsur-unsur transisi dan transisi dalam paling tidak stabil.
MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA
319
Makin stabil struktur konfigurasi ion, makin kurang kecenderungan ion membentuk ion kompleks.
Pertanyaan yang segera muncul adalah faktor-faktor apa saja yang menunjang pembentukan suatu ion? Secara umum dapat diramalkan bahwa tingkat kemudahan
pembentukan suatu ion dipengaruhi oleh tiga faktor utama yaitu: 1 kestabilan konfigurasi elektronik ion yang bersangkutan, makin stabil konfigurasi
yang dibentuk makin mudah suatu unsur membentuk ionnya. 2 muatan ion, makin kecil muatan ion makin mudah ion ini terbentuk, dan
3 ukuran ion, makin besar ukuran kation dan makin kecil ukuran anion, keduanya makin mudah terbentuk.
Mengapa demikian? Pada dasarnya, semakin banyak elektron yang dilepas dari atom atau ionnya semakin besar energi yang diperlukan karena elektron sisa semakin kuat diikat oleh
muatan inti efektif spesies yang semakin besar pula. Tetapi untuk atom-atom yang lebih besar ukurannya, elektron terluar tidak terlalu kuat diikat oleh inti sehingga atom-atom ini
mampu membentuk ion-ion dengan muatan lebih besar daripada atom-atom yang lebih kecil. Sebagai contoh untuk golongan 14, atom C dan Si keduanya sukar membentuk ion
M
4+
, tetapi Sn dan Pb keduanya mudah membentuk ion M
4+
. Sebaliknya pada pembentukan anion, atom-atom yang kecil relatif lebih kuat mengikat elektron; untuk
golongan halogen, misalnya atom F lebih mudah membentuk ion F
-
daripada atom Cl, dan seterusnya Br dan I.
Sifat-sifat Fisik Spesies Ionik Uraian di atas membahas tentang pelepasan dan pengikatan elektron untuk
membentuk ion positif dan ion negatif dalam molekul senyawanya. Bila kondisi tidak memungkinkan untuk pembentukan ion tertentu, maka persekutuan elektron akan terjadi
dan ikatan kovalen terbentuk. Transisi dari sifat ionik ke sifat kovalen tergantung pada beberapa faktor. Kriteria penentuan kedua macam sifat tersebut dapat didasarkan pada
sifat-sifat fisik spesies yang bersangkutan. Senyawa ionik umumnya mempunyai titik didih dan titik leleh yang relatif tinggi, dan merupakan penghantar listrik yang baik dalam
keadaan leburan maupun larutannya. Relatif tingginya titik didih disebabkan oleh relatif besarnya energi yang diperlukan untuk memutuskan gaya-
gaya Coulomb antara ion-ion sedangkan sifat penghantar listrik disebabkan oleh gerakan ion-ion dalam leburan atau
larutannya. Contoh dua spesies ekstrem adalah senyawa ionik
NaCl dan senyawa kovalen CCl
4
. Menurut teori polarisasi yang dikembangkan oleh Fajan, bila dua ion saling
berdekatan bentuk awan elektron dari anion akan dipengaruhi oleh tarikan kation dan pada saat yang sama
kedua inti anion dan inti kation akan saling tolak menolak. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya deformasi atau polarisasi pada anion sebagaimana dilukiskan oleh Gambar 5. 1.
Pada umumnya ukuran kation jauh lebih kecil daripada anion, oleh karena itu sifat polarisasi kation juga jauh lebih kecil daripada polarisasi anion. Hal yang terpenting untuk
Gambar 5.1 Bentuk: A ion normal, dan
B terpolarisasi
-
+ A
-
+ B
320
MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA
diketahui adalah bahwa pengaruh polarisasi ini mengakibatkan elektron-elektron khususnya elektron valensi tidak lagi sepenuhnya dipengaruhi oleh salah satu ion atau
atom saja melainkan terdistribusi sedemikian sehingga di bawah pengaruh kedua ion atau atom yang bersangkutan. Semakin besar derajat pengaruh kedua atom secara bersamaan,
semakin kecil derajat sifat ionik dan semakin besar derajat sifat kovalen spesies yang bersangkutan. Efek ini dapat dirumuskan sebagaimana uraian berikut ini.
1 Besarnya muatan. Naiknya muatan ion mengakibatkan naiknya sifat terpolarisasi ion
lawan, sehingga menurunkan sifat ionik dan menaikkan sifat kovalen spesies yang bersangkutan, sebagaimana ditunjukkan oleh data-data untuk senyawa klorida,
berikut ini:
Kation Titik leleh klorida
anhidrat
o
C Konduktifitas ekivalen
leburan klorida Na
+
800 133
Mg
2+
715 29
Al
3+
menyublim pada 180
1,5 x 10-
5
Contoh di atas menunjukkan bahwa sifat ionik menurun dari NaCl ke MgCl
2
, dan AlCl
3
bukan lagi bersifat ionik melainkan bersifat kovalen. 2 Ukuran ion. Semakin kecil ukuran kation semakin terkonsentrasi muatan
positifnya sehingga semakin efektif pengaruh polarisasinya terhadap anion; akibatnya semakin rendah sifat ionik spesies yang bersangkutan sebagaimana
ditunjukkan oleh data senyawa klorida berikut: Kation Titik leleh klorida
o
C Konduktifitas ekivalen
leburan klorida Be
2+
404 0,086
Mg
2+
715 29
Ca
2+
774 52
Sr
2+
870 56
Ba
2+
955 65
Contoh di atas sangat jelas menunjukkan adanya hubungan antara kenaikan ukuran kation dengan kenaikan sifat ioniknya. Sebaliknya, semakin besar ukuran anion
semakin mudah awan elektronnya terpolarisasi oleh kation; akibatnya semakin lemah sifat ionik atau semakin kuat sifat kovalensi spesies yang bersangkutan sebagaimana
ditunjukkan oleh data untuk senyawa halida berikut:
Spesies Ukuran anion Å Ttik leleh
o
C Na F
1,36 990
NaCl
1,81 801
NaBr
1,95 755
NaI
2,16 651
Jadi, data tersebut menyarankan bahwa sifat ionik terkuat ditunjukkan oleh natrium fluorida dan terlemah oleh natrium iodida.
MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA
321
5.3 Ikatan Kovalen Struktur Lewis
