ORBITAL DAN PERANANYA DALAM IKATAN

Tujuan Pembelajaran:

1.                  Menguasai sifat gelombang dari electron berdasarkan teori atom modern

2.                  Menggambarkan n orbital ikatan dan anti ikatan dari suatu molekul organic sederhana

Bahan kajian:

Orbital dan perananya dalam ikatan kovalen:

1.                  Sifat gelombang

2.                  Orbital ikatan dan anti ikatan

3.                  Orbital hibrida karbon

A.                 SIFAT GELOMBANG

        Dalam 1923, Louise de Broglie, seorang mahasiswa prancis tingkat pasca sarjana , mengemukakan pendapatnya yang revolusioner bahwa electron mempunyai sifat gelombang dan sekaligus juga sifat partikel. Pendapat de Broglie mula-mula kurang diterima, tetapi pendapatnya merupakan benih yang kini tumbuh menjadi konsep mekanik kuantum mengenai gerak electron dan teori orbital molekul.

             Mekanik kuantum adalah subjek matematik. Untuk dapat mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil dari studi mekanik kuantum, dari pada persamaan matematiknya sendiri. Mula-mula akan dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana. Contohnya: jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujunya mati. Jenis gelombang ini menunjukkan gerak hanya dalam satu dimensi. Sebaliknya, gelombang diam yang disebabkan oleh pemukulan kepala drum adalah berdimensi dua, dan system gelombang electron adalah berdimensi tiga. Tinggi gelombang diam adalah amplitudonya, yang dapat mengarah ke atas (nilai positif) atau mengarah ke bawah (nilai negative) terhadap kedudukan istirhat senar. Kedudukan pada gelombang yang amplitudonya nol disebut simpul. Dan sesuai kedudukannya pada senar gitar yang tak bergerak bila senar bergetar.

           Dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase yang satu terhadap yang lain. Keadaan diantar dalam mana gellmbang hanya sebagia sefase juga mungkin. Istilah ini dapat gigambarkan oleh system dua gelombang pada dua senar identic yang beregetar. Bila amplitudonya positif dan negative dari dua gelombang suling sesuai kedua gelombang tersebut bila tanda matematik dari amplitude saling berlawanan.

             Bila dua gelombang yang sefase pada senar yang sama saling tumpang tindih, mereka saling memperkuat. Perkuatan dinyatakan oleh penambahan fungsi matematik yang sama tandanya yang menggambarkan gelombang. Sebaliknya, sepasang gelombang yang tumpang tindih yang keluar fase, saling mengganggu atau berinterefensi. Proses interefensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi matematik yang berlawanan tanda. Intereferensi sempurna menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar fase menghasilkan simpul.

            Meskipun system gelombang electron tiga dimensi lebih rumit dari pada system senar satu dimensi, namun prinsipnya sama. Masing-masing orbital atom dari atom berkelakuan  seperti fungsi gelombang dan dapat mempunyai amplitude postif atau negative. Bila orbital mempunyai amplitudo positif dan negative, maka orbital mempunyai simpul.

             Satu orbital dapat beryumpang tindih dengan orbital dari atom lain. Secara matematik, fungsi gelombang yang menggambarkan setiap orbital yang tumpang tindih dijumlahkan bersama. Perhitungan ini dikenal sebgai kombinasi linear dari orbital atom, atau teori (LCAO).  Bila orbital yang bertumpang tindih sefase, hasilnya adalah perkuatan dan satu orbital molekul ikatan. Dilain pihak, interaksi antara orbital atom yang keluar fase menghasilkan interferensi, yang minumbulkan simpul antara dua inti. Interefernsi menuju ke orbital molekul anti ikatan.

(Fessenden & Fessenden.2005:44-47)

B.                 Orbital ikatan dan orbital anti ikatan

            Teori orbital molekul  adalah  orbital molekul dihasilkan dari tumpang tindih  orbital-orbital atom dari atom-atom yang berikatan dan yang terkait dengan molekul secara keseluruhan.

Dengan menggunakan pendekatan LCAO (Linier Combination of Atomic Orbital) diketahui bahwa terdapat 3 jenis orbital molekul yaitu :

1.                  ORBITAL MOLEKUL IKATAN (bonding/ψ_s) :

Memiliki energy terendah jika dibandingkan orbital atom (ketika electron masing belum berinteraksi)

2.                  ORBITAL MOLEKUL ANTI IKATAN (anti bonding/ψ^*_s)

Energy yang dimiliki lebih tinggi dibandingkan orbital atom pembentuknya

3.                  ORBITAL MOLEKUL TAK BERIKATAN (nonbonding)

Merupakan hasil dari tidak adanya interaksi antar orbital atom (tidak simetris) Energy yang dimilikinya sama dengan orbital atom dari salah satu atom molekul

Orbital atom mempunyai bentuk tertentu :

•                Orbital s berbentuk bola : gerakan elektron terbatas di kawasan bola sekitar inti 

•                Tiga orbital pberbentuk cuping dan saling tegak lurus, mengarah ke sumbu koordinat x, y dan

Dalam pengikatan (sudut pandang orbital), atom saling mendekat sehingga orbital atomnya dapat saling tumpang tindih hingga membentuk ikatan.

Orbital dalam molekul hidrogen (H) : bentuk silinder sepanjang sumbu antarnukleus H–H, orbital seperti ini disebut orbital sigma (σ) dan ikatannya dinamakan ikatan sigma (sigma bond).Ikatan sigma juga dapat terbentuk melalui tumpang-tindih 1 orbital s dan 1 orbital p atau 2 orbital p

              Bila sepasang gelombang saling tumpang tindih, maka mereka dapat saling memperkuat atau saling berinterefensi. Bila dua gelombang berlawanan fase, mereka saling mengganggu. Interferensi dari dua orbital atom yang keluar fase dari dua atom hydrogen memberikan orbital molekul dengan simpul anatara inti. Orbital berenergi lebih tinggi ini adalah orbital inti ikata. Energy molekul H₂ dengan dua electron dalam orbital ikatan anti ikatan adalah lebih rendah sebesar 104 kkal/mol dari pada gabungan dari dua atom hydrogen yang terpisah.

            Orbital molekul, seperti orbital atom, dapat memegang nol electron, satu electron, atau dua electron yang berpaangan. Kedua electron dalam molekul hydrogen pergi ke orbital berenergi terendeah yang bersedia, yaitu orbital ikatan anti ikatan.

            Semua orbital molekul ikatan mempunyai orbital anti-ikatan yang berhubungan dengannya. Dalam setiap keadaan, molekul dengan electron 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.

Ø    Beberapa hal penting yang umum mengenai Orbital Ikatan dan Orbital anti-ikatan

1.                  Setiap orbital (Molekul atau atom) dapat memegang maksimum dua electron, yang harus mempunyai spin berlawanan.

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

3.                  Dalam pengisian orbital molekul dengan eelktron, orbital berenergi terendah diisi dahulu. Bila dua orbital terdegenrasi masing-masing mendapat datu electron sebelum dalah satu orbital terisi penuh.

(Fessenden & Fessenden.2005:47-49)

C.                 Orbital Hibrida Karbon

           Hibridisasi adalah peristiwa pembentukan orbital hibrida ( orbital gabungan ) yang dilakukan oleh suatu atom pusat.Orbital hibrida adalah beberapa orbital ( dalam suatu atom ) yang tingkat energinya berbeda bergabung membentuk orbital baru dengan tingkat energi yang sama guna membentuk ikatan kovalen.

          Karbon merupakan penjelasan yang baik untuk menjelaskan hibrida. Konfigurasi karbon dalam keadaan ground state adalah:

 

       Berdasarkan teori ikatan valensi, karbon seharusnya memebntuk ikatan kovalen. Menghasilkan CH2. Karena karbon mempunyai electron yang tak berpasangan secara konfigurasi electron. Untuk membentuk empat ikatan, konfigurasi karbon harus mempunyai empat electron yang tidak berpasangan.

         Karbon mempunyai dua electron dalam orbital 1s. karenanya, orbital 1s merupakan orbital terisi yang tidak digunakan untuk ikatan. Keempat electron pada tingkat energy kedua adalah electron ikatan.

        Ada empat orbital atom pada tingkat energy kedua: satu orbital 2s dan tiga orbital 2p. Namun, demikian, karbon tidak menggunakan kemepat orbital dalam keadaan minimnya untuk ikatan. Sebagai gantinya, karbon bercampur, atau berhibridasi, yaitu empat orbital atom tingkat kedua menurut salah satu tiga cara untuk ikatan:

1.                  Hibridisasi sp³

      Hibridisasi sp³ dapat menjeaskan struktur molekul tetrahendral. Orbital 2s dan tiga orbital 2p melakukan hibridisasi untuk membentuk empat orbital sp. Masing-masing terdiri dari 75% karakter p dan karakter s. hibridisasi satu orbital s dengan orbital p menghasilkan empat orbital hibrida sp3 yang mempunyai sudut 109,5⁰/

      Orbital sp³ yang dihasilkan dari pencampuran orbital 2s dan 2p berbentuk seperti bola bowling, yaitu ada cuping besar dan cuping kecil. Bila atom karbon sp³ membentuk ikatan, hal ini dilakukan dengan tumpang tindih masing-masing dari empat orbital sp³ dengan orbital dari empat atom lain.

Orbital sp yang membentuk tetrahendral (a)Metana dalah contoh hibridisasi sp3

2.                  Hibridisasi sp²

            Hibridisasi sp² berguna untuk struktur molekul trogonal planar. Orbital 2s dan dua orbital 2p melakukan hibridisasi untuk membuat tiga orbital sp. Masing-masing terdiri dari 67% karakter p dan 33% karakter s. cuping depan mensejajarkan diri membentuk triogonal (segitiga) planar menghdap sudut segitiga untuk meminalisisasi penolakan electron.

          Untuk membentuk orbital ikatan sp², karbon menghibridasikan orbital 2s-nya hanay dengan dua orbital 2p-nya. Satu orbital p pada karbon ttap tak berhibridisasi. Karena tiga orbital atom digunakan untuk membentuk orbital sp², maka dihasilkan tiga obital hibrida sp². Masing-masing orbital sp² mmepunyai bentuk yang sama seperti orbital sp³ dan mengandung satu electron yang dapat digunakan untuk ikatan.

          Tiga orbital sp² sekelilingi inti karbon tereletak sejauh mungkin yang satu dari yang lainnya, yaitu, orbital sp² terletak dalam sudut 120 0. Suatu atom karbon terhibridisasi sp² dikatakan karbon trigonal. 

Sp² tampak samping (kiri) sp² tampak atas (kanan)

3.                  Hibridisasi sp

           Hibridisasi sp dapat digunakan untuk struktur molekul linear. Orbital 2s dari satu orbital 2p melakukan hibridisasi membentuk dua orbital sp. Masing-masing terdiri dari 50% karakter p dan dari 50% karakter s.

Masterton, Hurley. 2009. Chemistry, Principle and Reaction. USA: Brooks/Cole Cengage Learning)