Teori Ikatan Valensi dan Hibridisasi

hal ini distabilkan oleh distribusi muatan formal yang paralel dengan sifat elektronegativitas kedua atomnya. Bentuk b kurang didukung oleh distribusi muatan formal yang mengindikasikan bahwa elektronegativitas kedua atom seolah-olah sama, namun hal ini distabilkan oleh ikatan rangkap yang relatif kuat. Bentuk c menunjukkan distribusi muatan formal yang berlawanan dengan sifat elektronegativitas, namun hal ini distabilkan oleh ikatan ganda tiga yang lebih kuat. Bentuk a dan c menghasilkan momen dipol yang tentunya signifikan, tetapi bentuk b tidak. Kenyataannya molekul CO mempunyai momen dipol sangat rendah, 0,1 D, dan panjang ikatan C–O 1,13 Å yang merupakan harga antara panjang ikatan rangkap dua 1,22 Å dan ganda tiga 1,10 Å. Data ini menyarankan bahwa molekul CO mengadopsi struktur resonansi dari ketiganya, yaitu a ← →  b ← →  c. • • C O • • • • • • +1 - 1 a C O • • • • • • b C O - 1 +1 • • c • • ← →  ← →  Struktur resonansi CO

5.4 Teori Ikatan Valensi dan Hibridisasi

Dari uraian di muka nampak bahwa rasionalisasi pembentukan pasangan elektron sekutu model Lewis tidak cukup untuk menjawab masalah yang terutama berkaitan dengan bentuk molekul. Pada tahun 1927 Heitler - London mengembangkan teori ikatan valensi yang kemudian dimodifikasi oleh Pauling dan Slater untuk menjelaskan arah ikatan dalam ruang sehingga bentuk molekul dapat dimengerti. Hasilnya adalah pengenalan konsep hibridisasi sebagaimana diuraikan contoh-contoh berikut. BeCl 2 . Senyawa ini mempunyai titik leleh 404 o C dan hantaran ekivalen 0,086; dengan demikian termasuk senyawa kovalen. Oleh karena itu, dalam spesies ini tiap molekulnya tentu terdapat dua pasang elektron sekutu antara kedua atom yang bersangkutan. Dapat diasumsikan bahwa orbital yang berperan pada tumpang-tindih untuk menampung pasangan elektron sekutu dari atom Cl tentulah salah satu orbital terluar 3p yang belum penuh misalnya 3p x 1 ; sedangkan dari atom Be 1s 2 2s 2 tentulah bukan orbital 2s murni karena orbital ini sudah terisi penuh dan juga bukan orbital 2p murni karena orbital ini sama sekali kosong. Jika salah satu elektron 2s 2 pindah ke salah satu orbital misalnya 2p x , maka konfigurasi elektron terluar atom Be menjadi 2s 1 2p x 1 Gambar 5.10. Tumpang-tindih dari masing-masing kedua orbital ini misalnya dengan orbital 3p x 1 dari kedua atom Cl tentu akan menghasilkan dua macam ikatan yang berbeda kekuatannya karena perbedaan tumpang-tindih 2s 1 - 3p x 1 dan 2p x 1 - 3p x 1 . Demikian juga akan diperoleh bentuk molekul yang tak tentu karena tumpang-tindih 2s-3p x dapat terjadi pada daerah bidang yang kira-kira tegak lurus dengan orbital 2p x . Kenyataannya molekul BeCl 2 ↑↓ ↑ promosi elektron ↑ hibridisasi ↑ ↑ sp sp orbital hibrida sp 2p 2s Gambar 5.10 Tahapan pembentukan konfigurasi elektron orbital hibrid sp MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA 331 mempunyai bentuk linear, Cl_Be_Cl, dengan panjang ikatan yang sama. Hal ini menyarankan bahwa atom Be menyediakan dua orbital ekivalen terluar yang masing- masing berisi satu elektron untuk dipakai dalam pembentukan ikatan tumpang-tindih dengan orbital 3p dari kedua atom Cl. Orbital ini merupakan orbital baru yang merupakan campuran dua orbital 2s dan 2p membentuk dua orbital hibrida sp yang masing-masing berisi satu elektron. Dapat dipikirkan bahwa orbital sp ini mempunyai energi antara energi orbital-orbital atomik yang bergabung yaitu 2s dan 2p yang secara skematik dapat dilukiskan menurut Gambar 5.10. Ditinjau dari sifat simetri orbital, pembentukan orbital hibrida sp dari kombinasi orbital s murni dengan orbital p murni dapat dilukiskan secara diagramatik seperti Gambar 5.11. Kedua orbital hibrida sp tersebut membentuk sudut 180 o , terdiri atas cuping yang sangat kecil - dan yang sangat besar +, yang sangat efektif untuk mengadakan tumpang tindih dengan orbital 3p dari atom Cl sehingga diperoleh senyawa linear BeCl 2 Gambar 5.12. BF 3 . Adanya senyawa BF 3 yang berbentuk trigonal menyarankan bahwa atom pusat 5 B dua orbital hibrida sp orbital s murni orbital p murni orbital hibrida sp Gambar 5.11 Kombinasi linear simetri orbital atomik s dan p membentuk dua orbital hibrida sp Be + 2 Cl BeCl 2 Gambar 5.12 Tumpang-tindih orbital hibrida sp dalam molekul BeCl 2 + 2s hibridisasi + 3 sp 2 sp 2 F B B F F F 2p y x y 2p x Gambar 3.13 Orientasi dan tumpang-tindih orbital orbital hibrida sp 2 dalam molekul BF 3 332 MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA 1s 2 2s 2 2p 1 membentuk tiga orbital hibrida sp 2 pada kulit terluarnya. Untuk itu, salah satu elektron dalam orbital 2s 2 mengalami promosi ke dalam salah satu dari dua orbital 2p yang kosong sehingga diperoleh konfigurasi 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 , yang selanjutnya ketiga orbital dalam kulit valensi ini membentuk tiga orbital hibrida sp 2 yang terorientasi membentuk sudut 120 o agar diperoleh tolakan minimum antar ketiga orbital baru ini sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 5.13. Dengan demikian dapat dipahami bahwa ketiga ikatan B–F dalam molekul BF 3 adalah sama kuat. CH 4 . Contoh lain adalah molekul CH 4 yang ternyata mempunyai bentuk tetrahedron regular. Walaupun atom karbon C: 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 mempunyai konfigurasi kulit terluar dengan orbital penuh 2s 2 dan dua orbital setengah-penuh 2p x 1 2p y 1 , namun kenyataan menunjukkan bahwa senyawa paling sederhana CH 2 tidak pernah dijumpai, melainkan CH 4 . Tambahan pula diketahui bahwa keempat ikatan C–H dalam CH 4 adalah ekivalen, sama kuat atau sama panjang, dan menyusun dalam bangun geometri tetrahedron teratur dengan sudut ikatan H–C–H sebesar 109 o 28. Dalam hal ini, konsep hibridisasi menjelaskan bahwa salah satu elektron dalam orbital 2s 2 mengalami promosi ke orbital 2p z yang kosong sehingga terbentuk konfigurasi elektronik yang baru yaitu 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Keempat orbital terluar ini bercampur membentuk empat orbital baru yaitu orbital hibrida sp 3 yang terorientasi dalam ruang membentuk bangun geometri tetrahedron sebagai konsekuensi hasil akhir tolakan elektron minimum. Keempat orbital hibrida ini masing- masing bertumpang-tindih dengan orbital 1s dari keempat atom H membentuk molekul kovalen CH 4 . Pertanyaannya adalah, dari mana besarnya sudut tersebut diperoleh? Silakan coba masukkan bangun tetrahedron ke dalam kubus, lalu gunakan rumusan sin-cos untuk menghitung besarnya sudut tetrahedron, maka Anda akan menemukan jawabannya. Berikut adalah tahapan yang dapat dipertimbangkan dalam proses hibridisasi. 1 Pembentukan atom dalam keadaan tereksitasi yang melibatkan antara lain pemisahan elektron dari pasangannya kemudian diikuti dengan promosi yaitu perpindahan elektron dengan spin paralel ke orbital yang lebih tinggi energinya, misalnya dari 2s ke 2p untuk atom Be, B, dan C, atau dari 3s dan atau 3p ke 3d untuk atom P dan S; promosi ini umumnya terjadi antar orbital atomik dengan bilangan kuantum utama yang sama. 2 Orbital-orbital dengan konfigurasi elektronik baru dalam atom tereksitasi tersebut kemudian bergabung membentuk orbital hibrida dengan bentuk - arah geometri tertentu. Tahap pertama tersebut jelas memerlukan energi, sebaliknya tahap kedua membebaskan energi karena orbital hibrida mempunyai energi rerata lebih rendah dan lebih efektif dalam membentuk ikatan daripada orbital-orbital murninya, sehingga diperoleh senyawa dengan energi total yang lebih rendah. Berbagai jenis hibridisasi dengan bangun geometri yang bersangkutan, dapat diperiksa pada Tabel 5.2. H H C H H 109,47 o MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA 333 Tabel 5.2. Hibridisasi dan bentuk geometrinya Tipe hibridisasi Orbital atom penyusun Sudut ikatan regular Orbital hibrida dan kerangka bentuk geometrinya Geometri sp satu s + satu p 180 o at au Linear sp 2 satu s + dua p 120 o a ta u Trigonal sp 3 satu s + tiga p 109 o 28 a t a Tetrahedron dsp 2 satu d + satu s + dua p 90 o atau Bujursangkar sp 3 d satu s + tiga p + satu d 120 o , 180 o , 90 o a t a u Trigonal bipiramida sp 3 d 2 , d 2 sp 3 satu s + tiga p + dua d 90 o a t a Oktahedron 5.5 Teori Tolakan Pasangan Elektron Kulit Valensi Struktur Lewis maupun struktur resonansi mungkin dapat meramalkan bentuk molekul namun bukan bentuk geometri molekul yang bersangkutan. Teori tolakan pasangan elektron kulit terluar, Valence Shell Electron Pair Repulsion VSEPR Theory yang dikembangkan oleh Sidgwick-Powell, Gillespie, Nyholm dan Linnet, menerapkan efek tolakan antar pasangan-pasangan elektron valensi sebagai dasar untuk meramalkan bangun geometri molekular. Teori ini sangat sederhana, tanpa membahas ikatan, namun sungguh mengesankan karena mampu meramalkan bangun molekular secara efektif. Teori ini mengasumsikan bahwa tolakan-tolakan antara pasangan-pasangan elektron dalam kulit valensi dari atom pusat akan mengakibatkan pasangan-pasangan elektron menempatkan diri sejauh mungkin satu sama lain hingga tolakan hasil akhir menjadi minimum. Hubungan antara banyaknya pasangan elektron ikatan yang sama kuat dengan bangun geometri yang menghasilkan tolakan minimum dapat diperiksa pada Gambar 5.14. Dalam teori ini perbedaan energi orbital-orbital s, p, dan d dalam kulit yang sama diabaikan, dan oleh karena itu disebut sebagai elektron kulit valensi. Banyak spesies sederhana maupun poliatomik tersusun oleh satu atom pusat yang mengikat atom-atom atau gugus-gugus atom lain di sekelilingnya. Dalam molekul H 2 O, atom O bertindak sebagai atom pusat sebab dikelilingi oleh dua atom H; secara sama dalam molekul BCl 3 , dan CH 4 , atom B dan C, masing-masing bertindak sebagai atom pusat. 334 MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA Bangun geometri regular suatu molekul dengan rumus umum AB x dengan A sebagai atom pusat dapat diramalkan oleh teori VSEPR yaitu linear untuk x = 1-2, trigonal untuk x = 3, tetrahedron regular untuk x = 4, trigonal bipiramida bipiramida segitiga untuk x = 5, dan oktahedron regular untuk x = 6 Gambar 5.14. Dalam hal ini, x tidak lain juga menunjuk pada jumlah pasangan elektron ikatan bonding electron dan tanpa adanya pasangan elektron non-ikatan non bonding di seputar atom pusat. Apabila atom pengeliling B tidak sama satu dengan yang lain maka bentuk yang dihasilkan akan merupakan bentuk distorsi atau penyimpangan dari bentuk regularnya, misalnya ada penyimpangan besarnya sudut dan atau panjangnya ikatan. Ikatan rangkap juga diperlakukan sebagai ikatan tunggal, namun karena rapatan elektron pada daerah ikatan rangkap lebih besar maka hal ini akan memberikan tolakan yang kuat sehingga sudut ikatan akan terdistorsi dari bentuk teraturnya. Sebagai contoh, formaldehid, H 2 CO, akan mengadopsi bentuk trigonal namun bukan lagi sama sisi; demikian juga etena H 2 C=CH 2 akan mengadopsi bangun suatu bidang dengan sudut-sudut ikatan menyimpang dari sudut- sudut bangun trigonal. Apabila pasangan-pasangan elektron terdiri atas elektron-elektron ikatan dan non- ikatan maka bangun geometri yang sesungguhnya dapat diturunkan dari bentuk regularnya yang sesuai menurut diagram Gambar 5.14, kemudian menghilangkan ikatan setiap pasangan elektron non-ikatan tersebut; selain itu terjadi perubahan-perubahan besarnya sudut ikatan. Untuk itu, molekul atau ion diklasifikasi berdasarkan banyaknya pasangan elektron ikatan bonding, b dan pasangan elektron menyendiri atau non-ikatan non bonding , nb di seputar atom pusat. Tambahan pula perlu dipertimbangkan bahwa Gambar 5.14 Bentuk geometri regular molekul tipe AB x menurut teori VSEPR A B B A B linear AB dan AB 2 180 o B A B B Trigonal AB 3 120 o A B B B B Tetrahedron AB 4 109,5 o B B B B B B A oktahedron AB 6 bipiramida segitiga AB 5 B A B B B B e e e a a aksial ekuatorial aksial ekuatorial 120 o 90 o C O H H 121 o 118 o C C H H 121,3 o 117,4 o H H Struktur formula formaldehid dan etena MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA 335 kekuatan interaksi tolakan antar elektron-elektron ikatan dan non-ikatan tidak sama, melainkan mengikuti urutan sebagai berikut: tolakan nb vs nb nb vs b b vs b, sebab elektron non-ikatan bergerak lebih bebas. Tipe Molekul dengan Satu dan Dua Pasang Elektron Ikatan Untuk molekul dengan satu pasang elektron ikatan yaitu jenis diatomik AB, hanya ada satu kemungkinan bentuk yaitu linear, misalnya H_Cl. Untuk molekul tipe AB 2 dengan tanpa pasangan elektron non-ikatan di seputar atom pusat, juga hanya ada satu kemungkinan bentuk yaitu linear dengan sudut ikatan B_A_B sebesar 180 o , misalnya BeCl 2 . Namun, jika pada atom pusat terdapat pasangan elektron non-ikatan maka dapat diramalkan adanya tiga tipe molekul yaitu AB 2 E , AB 2 E 2 , dan AB 2 E 3 , dengan E = pasangan elektron non-ikatan atau non bonding atau pasangan elektron menyendiri. Tipe AB 2 E diramalkan akan mempunyai bentuk V hasil turunan dari bangun trigonal AB 3 . Bangun ini mempunyai sudut B_A_B lebih kecil dari 120 o sebagai akibat tolakan pasangan elektron menyendiri E yang lebih kuat terhadap pasangan elektron ikatan; misalnya, SnCl 2 mempunyai sudut ikatan ≈ 95 o . Tipe AB 2 E 2 diramalkan juga mempunyai bentuk V sebagai hasil adopsi turunan bangun tetrahedron AB 4 namun dengan sudut lebih kecil dari 109,5 o ; lagi-lagi sebagai akibat tolakan dari dua pasangan elektron menyendiri E 2 yang lebih kuat. Sebagai contoh, H 2 O mempuyai sudut ikatan H‒O‒H ≈ 104,5 o . Namun, tipe AB 2 E 3 mempunyai bentuk linear hasil adopsi turunan bangun bipiramida segitiga. Dalam hal ini ketiga pasangan elektron non-ikatan E 3 memilih posisi bidang ekuatorial agar menghasilkan tolakan minimum ∠B e ‒A‒B e = 120 o daripada posisi aksial ∠ B a _ A_B e = 90 o . Sebagai contoh adalah XeF 2 . Tipe Molekul dengan Tiga Pasang Elektron Ikatan Tipe molekul AB 3 , misalnya BF 3 , mengadopsi bangun trigonal dengan sudut ikatan B–A–B ≈ 120 o . Namun, jika pada atom pusat terdapat pasangan elektron menyendiri, maka dapat diramalkan adanya dua tipe molekul yaitu AB 3 E dan AB 3 E 2 . Tipe AB 3 E diramalkan mempunyai bentuk piramida segitiga sebagai hasil turunan bangun tetrahedron AB 4 , tetapi dengan sudut ikatan B–A–B sedikit lebih kecil dari 109,5 o sebagai akibat tolakan satu pasang elektron menyendiri E. Sebagai contoh, NH 3 mempunyai sudut ikatan H–N–H ≈ 106,67 o . Sn Cl Cl 95 o H O H 104,5 o Xe F F Komparasi geometri molekul SnCl 2 , H 2 O, dan XeF 2 336 MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA Tipe AB 3 E 2 diramalkan mempunyai bentuk huruf T sebagai hasil turunan bangun bipiramida segitiga; pemilihan dua pasangan elektron menyendiri pada posisi bidang ekuatorial lagi-lagi agar menghasilkan tolakan elektron minimum. Akibat lanjut dari tolakan pasangan elektron menyendiri yang lebih kuat ini adalah akan mengecilkan sudut ikatan aksial dengan ekuatorial; misalnya, BrF 3 mempunyai sudut ikatan F a –Br–F e ≈ 86 o . Tipe Molekul dengan Empat Pasang Elektron Ikatan Tipe molekul AB 4 , misalnya CH 4 , mengadopsi bangun tetrahedron regular dengan sudut ikatan H–C–H ≈109,5 o . Namun, jika pada atom pusat terdapat pasangan elektron menyendiri, maka dapat diramalkan adanya spesies tipe AB 4 E dan AB 4 E 2 . Tipe AB 4 E diramalkan akan mengadopsi bangun papan jungkat-jungkit seesaw hasil turunan bangun bipiramida segitiga; pemilihan pasangan elektron menyendiri pada posisi bidang ekuatorial agar menghasilkan tolakan minimum. Akibat lanjut adalah mengecilnya sudut- sudut ikatan baik pada aksial maupun pada ekuatorial sebagaimana dijumpai dalam senyawa SF 4 dengan sudut ikatan F a –S–F a ≈ 173 o , dan F e –S–F e ≈ 103 o . Tipe AB 4 E 2 diramalkan akan mengadopsi bangun bujursangkar hasil turunan bangun oktahedron; pemilihan kedua pasangan elektron menyendiri pada posisi satu sumbu agar menghasilkan tolakan minimum, misalnya pada XeF 4 . Tipe Molekul dengan Lima Pasang Elektron Ikatan Tipe molekul AB 5 , misalnya PCl 5 , mengadopsi bangun bipiramida segitiga. Namun, jika pada atom pusat terdapat pasangan elektron menyendiri maka tipe AB 5 E akan mengadopsi bangun piramida bujursangkar hasil turunan bangun oktahedron; dengan adanya pasangan elektron menyendiri maka atom pusat tidak terletak pada titik pusat bujursangkar, melainkan sedikit terangkat ke atas, misalnya pada ClF 5 . Komparasi geometri molekul SF 4 dan XeF 4 F Xe F F F S F F F F 103 o 93,5 o Komparasi geometri molekul BF 3 , NH 3 , dan BrF 3 B F F F 120 o Br F F F 86 o H N H H 106,67 o MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA 337 Tipe Molekul dengan Enam Pasang Elektron Ikatan Tipe molekul AB 6 , misalnya SF 6 , mengadopsi bangun oktahedron teratur. Untuk senyawa XeF 6 yang mempunyai satu pasang elektron menyendiri pada atom pusatnya, tarnyata dalam keadaan gas molekul ini mengadopsi bentuk distorsi dari oktahedron. Pasangan elektron menyendiri muncul pada daerah titik pusat salah satu permukaan bidang tiga atau pada daerah titik tengah salah satu sisi bidang empat. Arah anak panah pada gambar berikut menunjukkan arah pergeseran penyimpangan atom F oleh tolakan pasangan elektron menyendiri dalam senyawa XF 6 Jadi secara ringkas, teori VSEPR mengusulkan berbagai ketentuan berikut ini. 1 Bentuk ruang atau penataan atom-atom atau kelompok atom di seputar atom pusat ditentukan terutama hanya oleh tolakan antar pasangan-pasangan elektron yang ada pada kulit terluar atom pusat. 2 Pasangan-pasangan elektron tersebut akan menata sedemikian sejauh mungkin sehingga tolakan antar pasangan elektron mencapai terendah. 3 Bentuk molekul ditentukan terutama oleh pasangan elektron bonding dan akan mengalami distorsi oleh adanya pasangan elektron non bonding. 4 Pasangan elektron non bonding nb menolak lebih kuat daripada pasangan elektron bonding b dan diperoleh urutan tolakan: nb vs nb nb vs b b vs b; hal ini terjadi karena elektron non-bonding dikendalikan hanya oleh satu inti atom saja sehingga mempunyai ruang gerak lebih luas bebas daripada elektron bonding yang terlokalisasi oleh dua inti atom yang mengadakan ikatan. Atas dasar ketentuan tersebut, hubungan antara banyaknya pasangan elektron- bonding pada kulit valensi dengan bentuk molekul dapat dinyatakan seperti pada Gambar 5.14. Komparasi geometri PCl 5 dan ClF 5 Cl P Cl Cl Cl Cl 90 o 120 o F Cl F F F F Komparasi geometri SF 6 dan XeF 6 F S F F F F F Xe Xe 338 MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA Catatan : 1 Molekul AB 2 sd AB 6 tersebut mempunyai bentuk regular teratur karena semua pasangan elektron di seputar atom pusat A adalah elektron bonding dan berikatan dengan atom-atom yang sama B. 2 Jika salah satu atau sebagian atom B diganti oleh atom lain, maka bentuk regular akan mengalami sedikit distorsi, mungkin berubah besarnya sudut dan atau panjang ikatan antara atom-atom yang bersangkutan. 3 Jika salah satu atau lebih atom B diganti oleh pasangan elektron non bonding dari atom pusat yang bersangkutan, maka bentuk molekul menjadi sama sekali berbeda tetapi, dapat diturunkan dari bentuk regularnya. C. Latihan Kegiatan Belajar-5 1. Jelaskan dengan bahasa Anda sendiri, apa yang dimaksud dengan a konsep muatan formal, b hibridisasi, dan c teori VSEPR 2. Gambarkan struktur Lewis elektron-dot untuk: [GeCl 3 ]-, SeF 4 , [FCO 2 ]-, [AlCl 4 ]-, dan XeF 4 . 3. Tentukan pula bangun geometri seputar atom pusat dari masing-masing spesies tersebut nomor 2 menurut teori VSEPR, dan ramalkan juga model hibridisasi-nya. 4. Lukiskan struktur ion sianat, OCN - , lengkapi dengan muatan formal, dan berbagai kemungkinan bentuk resonansinya. 5. Gambarkan struktur elektron-dot untuk ion nitrit, dan gambarkan pula kemungkinan 2 bentuk resonansinya. 6. Tentukan sifat kepolaran molekul berikut, dan pertimbangkan momen dipol-nya: ICl 3 , NO 2 0,316D, BF 3 , IF 5 ; CH 3 OH polar ~1,67D 7. Atom unsur Y dan Z masing-masing mempunyai nomor atom 15 dan 17; Tentukan posisinya Golongan dan Periode dalam Tabel Periodik menurut Sistem IUPAC maupun sistem Amerika Utara. Jika keduanya saling bersenyawa Y-Z, ramalkan kemungkinan rumus molekulnya, jenis senyawanya ionik atau kovalen, dan bentuk geometrinya dengan jenis hibridisasinya. MODUL PLPG 2014 | PENDALAMAN MATERI KIMIA 339

D. Rambu-rambu Kunci Jawaban Latihan Kegiatan Belajar-5