KIMIA ORGANIK 1 NOVA ARMA RESKI (RRA1C115011)

Orbital dan peranannya dalam Ikatan Kovalen

A.  SIFAT GELOMBANG

Teori atom berdasarkan mekanika kuantum dirumuskan oleh werner Heisenberg dan Erwin schrodinger, yang waktunya hampir bersamaan tetapi berbeda  tempat. Keunggulan teori atom mekanika kuantum dapat menjelaskan materi berskala mikro. Hukum mekanika klasik, seperti hukum newton dapat menjelaskan materi berukuran  makro dengan akurat, tetapi mekanika klasik tidak mampu menjelaskan berbagai gejala yang ditimbulkan oleh materi berskala mikro seperti electron, atom, atau molekul. Materi berskala mikro dapat dijelaskan dengan teori mekanika kuantum, walaupun sesungguhnya teori ini masih belum sempurna, sebab penyelesaian eksak teori mekanika kuantum hanya untuk atom hydrogen atau atom serupa hydrogen.

1.     DUALISME MATERI

Berdasarkan sifat partikel materi, Louis de Broglie menyatakan bahwa jika energy radiasi memiliki sifat partikel dalam gerakannya maka materi juga harus memiliki sifat gelombang dalam gerakannya.

Menurut de Broglie, setiap materi, baik berukuran mikro seperti electron ataupun benda makro seperti bola pingpong atau benda-benda lain yang lebih besar seperti planet dan bintang-bintang harus memiliki sifat gelombang dalam gerakannya.

Sifat gelombang materi dibuktikan oleh de Broglie secara matematik untuk menunjukkan hubungan kuantitatif antara panjang gelombang, massa partikel dan kecepatan gerak partikel melalui penggabungan persamaan planck (E = h v) dan persamaan Einstein (E = m c²).

Mc² = h v

Persamaan diatas dikenal dengan panjang gelombang de Broglie, yang menyatakan hubungan antara sifat gelombang materi dan sifat partikel materi (m v). hasil kali masa dan kecepatan disebut momentum, sehingga persamaan diatas dapat diatas dalam bentuk :

(RUMUS 2)

     Persamaan diatas menyatakan bahwa panjang gelombang berbanding terbalik dengan momentum. Jadi untuk gerakan benda berukuran besar, seperti bola basket memiliki momentum sangat besar sehingga panjang gelombangnya sangat kecil dibandingkan ukurannya sekitar  ± 10 nm. Tetapi untuk gerakan electron dalam atom yang memiliki massa sangat kecil, momentum yang dihasulkan juga sangat kecil, akibatnya gerakan electron memiliki panjang gelombang relative besar dibandingkan ukurannya, berkisar antara 1 – 100 nm. Sifat gelombang dari electron telah dibuktikan melalui percobaan difraksi electron oleh C. Davisson dan H. Germer pada tahun 1927 di USA, dan oleh G. P. Thomsom di Inggris.

Namun, dalam 1923, Louis de Broglie mengemukakan bahwa elektron mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel.

2.    Prinsip Ketidak Pastian dari Heisenberg

Heisenberg menyatakan bahwa pendekatan apapun yang digunakan untuk menentukan secara bersama-sama posisi dan momentum suatu objek yang bergerak menimbulkan perubahan dalam posisi dan momentum setiap saat. Prinsip ini dikenal dengan ketidak pastian 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 keboleh jadian menentukan posisi dan momentum dari suatu partikel yang bergerak.

     Ketidak cermatan pengukuran posisi dan momentum suatu patikel berskala mikro seperti elektronj menjadi sangat bermakna.

     Untuk gerakan benda yang berukuran makro seperti bola pingpong, ketidak pastian dalam posisi dan momentum jauh lebih kecil dibandingkam ketelitian dalam pengukuran, sehingga ketidakpastian posisi dan momentum dapat diabaikan.

     Dampak dari ketidakpastian adalah bahwa gagasan bohr tentang electron yang beredar pada orbit dengan jari-jari tertentu dan kecepatan tertentu tidak dapat diterima secara ilmu modern, sebab bertentangan dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg. Maka dari itu, ungkapan yang paling mungkin untuk orbit bohr dengan jari-jari tertentu berdasarkan ketidakpastian Heisenberg tiada lain merupakan lintasan atau daerah edar yang memiliki keboleh jadian atau peluang ditemukan electron dalam atom paling tinggi..

3.    Model Atom Mekanika Kuantum

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

Dengan diketahuinya bahwa electron memiliki sifat gelombang dalam gerakannya, pernyataan bohr tentang posisi electron dalam atom hydrogen berada pada jarak 0,529 Å dari inti menjadi tidak sahih, sebab gerakan electron tidak bulat linear sebagaimana digambarkan oleh bohr, tetapi pada jarak tersebut merupakan peluang terbesar ditemukannya electron dalam ruang keboleh jadian disekitar inti.

Menurut model atom mekanika kuantum yakni, gerakan electron mengelilingi inti atom diungkapkan dalam bentuk kuadrat fungsi gelombang atau disebut juga orbital, yaitu keboleh jadian paling besar ditemukannya electron dalam ruang. Electron, yang menghuni orbital-orbital dinyatakan dengan seperangkat bilangan kuantum yang diturunkan secara matematik. Oleh karena daerah keboleh jadian menemukan electron diperoleh secara matematik, maka orbital dapat juga didefinisikan sebagai ungkapan matematik untuk menemukan electron dalam ruang disekeliling inti atom.

a.    Bilangan Kuantum dan Orbital

Penyelesaian persamaan schrodinger untuk masalah atom hydrogen menunjukkan bahwa untuk setiap energy total yang mungkin, dihasilkan lebih dari satu fungsi gelombang. Fungsi gelombang dicirikan dengan tiga bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama, bilangan kuantum azimuth, dan bilangan kuantum magnetic. Ketiga bilangan kuantum ini merupakan bilangan bulat sederhana.

b.    Bilangan Kuantum Utama, n

Bilangan kuantum utama (n) memiliki nilai 1, 2, 3, …., n bilangan kuantum ini merupakan penentu utama tingkat energy electron dalam atom dan sebagai ukuran keboleh jadian orbital ditemukannya electron pada tingkat energy itu. Bilangan kuantum utama merupakan fungsi radial yang jaraknya diukur dari inti atom.

Orbital-orbital yang memiliki bilangan kuantum utama sama membentuk kulit. Kulit adalah himpunan orbital-orbital dengan bilangan kuantum utama sama. Jumlah orbital dalam tiap kulit ditentukan dengan rumus n² kulit-kulit ini ditandai dengan huruf capital dimulai dari K, L, M, N,.., dst.

c.    Bilangan Kuantum Azimut, l

Bilangan kuantum azimuth, disebut juga bilangan kuantum momentum sudut, yaitu bilangan kuantum yang menentukan bentuk orbital dan merupakan fungsi gelombang harmonis sperik. Nilai yang diboleh kan untuk bilangan kuantum azimuth adalah l = n-1. Oleh sebab itu nilai l merupakan bilangan bulat dar 0, 1, 2, .., (n-1).

Bilangan kuantum azimuth menyatakan jumlah subkulit dalam tiap kulit (bilangan kuantum utama) masing-masing sub kulit diberi lambang dengan huruf kecil mulai dari huruf s, p, d, f,.. dst.

Bilangan kuantum azimuth,        ℓ  0  1  2  3  …..

Lambang subkulit                         s   p  d  f  …..

Contoh, untuk n = 3 maka ℓ memiliki harga 0, 1, dan 2. Jadi dalam kulit M (n = 3) terdapat 3 subkulit, seperti dalam tabel.

n	ℓ
Kulit K	0 (s)
Kulit L	0 (s), 1 (p)
Kulit M	0 (s), 1 (p), 2 (d)

d.    Bilangan kuantum Magnetik, m,

Bilangan kuantum magnetic merupakan tetepan dari fungsi gelombang yang harganya berupa bilangan tetap dari fungsi gelombang yang harganya berupa bilangan bulat dari –m melalui 0 - +m. contoh, untuk ℓ = 2, jumlah bilangan kuantum magnetic adalah m = 0, ± 1, ± 2, atau m = +2, +1, 0, -1, -2. Bilangan kuantum magnetic disebut juga bilangan kuantum orientasi sebab bilangan kuantum ini menggambarkan orientasi orbital dalam ruang atau orientasi sub kulit dalam kulit. Dengan kata lain, keboleh jadian ditemukannya electron berada pada orientasi tertentu dalam ruang. Sub kulit s (ℓ=0) mempunyai harga m=0 artinya tidak memiliki orientasi dalam ruang. Oleh Karena itu, bentuk orbital sub kulit s adalah bola simetris, ukurannya bergantung pada harga n. makin besar harga n, makin besar ukurannya. Bentuk ini menggambarkan keboleh jadian electron dalam ruang berupa bola, dan keboleh jadian terbesar berada pada kulit bola. Sub kulit p (ℓ=1) mempunyai harga m=0, ±1. Karna itu sub kulit p mempunyai tiga macam orientasi dalam ruang yaitu pada arah sumbu x, sumbu y, dan sumbu z. bentuk orbitalnya seperti bola terpilin sepanjang arah tersumbu. Sub kulit d (ℓ=2) mempunyai harga m = 0, ±1, ±2.

e.    Bentuk Orbital dan Sebaran Elektron

1.     Bentuk orbital s

Orbital s memiliki bilangan kuantum azimuth, ℓ = 0 (m = 0) sehingga orbital s tidak memiliki orientasi dalam ruang, dan semua orbital s memiliki fungsi gelombang sudut yang tetap.

Oleh karena orbital s tidak mengandung sudut polar, θ juga sudut azimuth, maka orbital s bebas arah, dan semua orbital s berbentuk bola simetris disekitar inti. Ini berarti, amplitude dari orbital s hanya bergantung pada jarak dari inti dan tidak bergantung pada arah dalam ruang.

2.    Bentuk Orbital p

Orbital p memiliki bilangn kuantum azimuth sama dengan 1 dan memiliki orientasi tertentu dalam ruang sesuai fungsi gelombang sudut yang terkait. Untuk setiap nilai bilangan kuantum azimuth, ℓ = 1, terdapat 3 orbital p sesuai dengan bilangan kuantum magnetic. Bentuk orbital p memiliki makna bahwa jika electron misalnya memiliki orbital p maka peluang paling besar untuk menemukan electron pada orbital itu terdapat di sekitar sumbu z. da peluang akan 0 pada bidang –xy, ditunjukkan oleh bidang simoul atau lebih umum disebut simpul sudut, merupaka lintasan fungsi gelombang ketika berubah tanda.

3.    Bentuk orbital d

Semua orbital d mempunyai bentuk sama (kecuali orbital d_z²)₁ tetapi arah koordinat Cartesian berbeda. Bentuk orbital d atau keboleh jadian menemukan electron pada ℓ = 2 ditentukan dengan mengkuadratkan fungsi gelombang, yaitu kuadrat dari perkalian fungsi sudut, dan fungsi radial. Fungsi gelombang untuk orbital f dan yang lebih tinggi dapat dihitung secara matematik, tetapi sukar untuk digambarkan secara visual.

f.    Bilangan Kuantum Spin, s,

Bilangan kuantum ini muncul dari hasil pengamatan terhadap berkas sinar dari uap atom-atom perak yang dilewatkan melalui medan magnet, dilakukan oleh ottostren dan W. Gerlach berkas sinar dari uap atom-atom perak dalam medan magnet terpecah menjadi 2 berkas. 1 berkas membelok kearah kutub utara magnet, dan 1 berkas lagi membelok kearah kutub selatan medan magnet.  Dari pengamatan ini disimpulkan bahwa atom-atom perak mempunyai sifat magnet. Munculnya sifat magnet dari berkas sinar uap atom disebabkan ole spin electron mengelilingi porosnya hingga menghasilkan medan magnet dari percobaan Stengerlach dapat disimpulkan bahwa terdapat dua macam spin electron yang berlawanan arah dan saling meniadakan. Pada atom yang jumlah elektronnya ganjil, terdapat sebuah electron yang putarannya tidak ada yang mengimbangi. Akibatnya, atom memiliki medan magnet sehingga dapat dibelokkan oleh medan magnet yang diterapkan. Spin electron dinyatakan sebagai bilangan kuantum spin, dilambnagkan dengan huruf s. bilangan kuantum ini mempunyi harga yang berlawanan tanda +½ dan -½. Tanda + menunjukkan putaran searah jarum jam, tanda – arah sebaliknya. Sedangkan harga ½ menyatakan peluang electron untuk berputar pada porosnya. Dengan demikian, setiap orbital dicirikan oleh 3 bilangan kuantum n, ℓ, dan m yang memiliki bentuk, ukuran, dan orientasi tertentu dalam ruang ditambah 1 bilangan kuantum spin.

B.  Orbital ikatan dan anti ikatan

1.    Orbital molekul anti ikatan

Energy yang dimiliki lebih tinggi dibandingkan orbitalatom pembentuknya.

2.   Orbital molekul ikatan

Memiliki energy terendah jika dibandingkan orbitalatom (ketika electron masing belum berinteraksi).

Gambar

Bagian dimana electron massa jenisnya adalah nol.

+ dan – tanda yang menunjukkan tanda dari orbital (fungsi gelombang)

1.     Electron ditemukan dalam ikatan molekul orbital akan menstabilkan obligasi dan atom cenderung terus bersama-sama.

2.    Electron pada anti ikatan orbital molekul karena disosiasi atom.

Suatu molekul yang stabil dapat terbentuk apabila jumlah elektron pada orbital bonding lebih besar dari jumlah elektron pada obital antibonding.setengah dari selisih jumlah elektron pada orbital bonding dan jumlah elektron antibonding dinamakan orde ikatan.

Orde ikatan dapat ditentukan dengan rumus ;I = ½(Nb-Na)I = orde IkatanNb = jumlah elektron dalam orbital bonding Na = jumlah elektron dalam orbital antibonding.

C.  Orbital hibrida karbon

Bentuk molekul etana dapat diterangkan dengan orbital hibrida sp³ pada kedua atom carbon. Ikatan C-C dibentuk melalui tumpangsuh antara orbital sp³ dan orbital sp³ dari masing masing atom karbon. Enam ikatan C-H dibentuk melalui tumpangsuh orbital sp³ sisa dan orbital 1s dari atom H. ikatan yang terbentuk antara karbon-karbon maupun karbon hydrogen semuanya ikatan sigma yang terlokalisasi membentuk structure tetrahedral.

Orbital hibrida sp³ dapat juga diterapkan untuk menjelaskan ikatan dalam senyawa alkohol, yaitu senyawa karbon yang mengandung gugus fungsi hidroksil, yang terikat pada atom karbon. Dua alcohol paling sederhana adalah methanol dan etanol. rumus lewisnya :

Ikatan dalam methanol dapat dijelaskan melalui orbital sp³ pada kedua atom karbon dan oksigen. Ikatan antara C-O hasil dari tumpangsuh orbital sp³-sp³. Ikatan C-H dan O-H hasil dari tumpangsuh orbital  sp³ dan orbital 1s. terdapat lima orbital ikatan pada methanol dengan 14 elektron valensi. Sepuluh dari 14 elektron valensi menghuni kelima orbital ikatan tersebut. Empat electron valensi menghuni dua orbital sp³ sisa sebagai pasangan electron bebas pada atom oksigen.

a.    Hibridisasi dalam ikatan rangkap dua

Salah satu molekul paling sederhana yang mengandung ikatan rangkap dua karbon-karbon adalah etana, C₂H₄. Atom-atom pada etana terletak pada satu bidang datar dan masing-masing atom karbon berikatan dengan tiga atom lain membentuk struktur segitiga datar. Oleh karena masing-masing atom karbon membentuk segitiga datar, ini mengisyaratkan terbentuknya orbital hibrida sp² pada setiap atom karbon, sehingga ikatan dalam etana dapat dijelaskan dengan orbital hibrida sp².

Setiap atom karbon masing-masing mengikat dua atom hydrogen melalui tumpangsuh orbital hibrida sp²dan orbital 1s. ikatan yang dibentuk semuanya berikatan sigma. Ikatan antara karbon-karbon ada dua macam.

Pertama, orbital sp² dari masing-masing atom karbon bertumpangsuh membentuk ikatan σ C-C.

Pada masing-masing atom karbon masih tersisa satu orbital hibrida sp² yang belum digunakan berikatan dengan orientasi tegak lurus terhadap bidang H-C-H. kedua orbital hibrida sp² ini kemudian bertumpangsuhlagi membentuk ikatan kedua. Ikatan ini dinamakan ikatan phi (π). Jadi, ikatan rangkap dalam etilen dibangun oleh ikatan sigma dan ikatan phi.

Tingkat energy ikatan-σ dan ikatan π tidak sama. Karena itu, walaupun ikatan rangkap dua lebih besar daripada ikatan rangkap tunggal, tetapi bukan berarti kekuatan dua kali dari ikatan tunggal.

Energy ikatan karbon-karbon tunggal sekitar 350 kj/mol, sedangkan energy ikatan karbon-karbon rangkap dua sebesar 600 kj/mol.

Terdapat 12 elektron valensi dalam molekul etilena, masing-masing menghuni enam orbital ikatan secara berpasangan dengan spin berlawanan menghasilkan empat ikatan tunggal dan satu ikatan rangkap dua. Jika dilihat dari konfigurasi electron pada atom karbon dapat diuraikan sebagai berikut.

Elektron valensi pada keadaan dasar dari salah satu atom karbon adalah:

Agar terbentuk empat buah orbital sp² ekivalen maka orbital  2s dan dua orbital 2p dikombinasikan membentuk tiga buah orbital hibrida sp² yang ekivalen menurut ukuran dan energy. Konfigurasi electron dalam orbital hibrida sp² mengikuti aturan hund. Hasilnyasebagai berikut :

Selanjutnya, dua orbital sp² setengah penuh bertumpangsuh dengan dua orbital 1s atom hydrogen membentukdua orbital ikatan σ terlokalisasi yang ekivalen. Satu orbital sp² sisa bertumpangsuh dengan satu orbital sp² dari atom karbon lain membentuk satu ikatan σ. Orbital 2p membentuk satu ikatan π. Kedua ikatan karbon karbon terlokalisasi diantara dua atom karbon membentuk ikatan rangkap dua.

Ikatan rangkap dua dalam etilene terdiri dari ikatan σ dan ikatan π masing-masing dihuni oleh dua electron dengan spin berlawanan. Ikatan π mengunci molekul agar tetap berada pada posisi datar (tidak dapat berotasi disekitar sumbu ikatan). Akibat dibatasinya kebebasan berotasi dari ikatan rangkap dua karbon-karbon oleh ikatan π menimbulkan isomericis-trans, seperti pada molekul 1,2-dikloroetena :

Trans-1,2-dikloroetena

Cis-1,2-dikloroetena

Isomer pertama dinamakan trans-1,2-dikloroetena sebab kedua atom klorin terletak bersebarangan diantara ikatan rangkap dua karbon-karbon. Isomer lainnya dinamakan cis-1,2-dikloroetena sebab kedua atom klorin berada padaa posisi sama sisi dari ikatan rangkap dua karbon-karbon.

b.    Hibridisasi dalam ikatan rangkap tiga

Senyawa karbon yang mengandung ikatan rangkap tiga cukup banyak. Salah satu contoh yang paling sederhana adalah etuna, C₂H₂ atau disebut asetilen. Rumus structure dari molekul asetilen ditunjukkan pada gambar :

Menurut teori domain electron, bentuk molekul asetilen adalah linier. Oleh karena itu orbital-orbital dalam atom karbon membentuk orbital hibrida sp. Dua tahap ikatan dalam molekul asetilen yaitu yang pertama, terjadi tumpangsuh dua orbital sp dari masing-masing atom karbon untuk membentuk orbital ikatan sigma C-C, kemudian orbital hibrida sp yang satunya lagi bertumpangsuh dengan  orbital 1s dari orbital hydrogen membentuk dua ikatan sigma C-H

Dua orbital 2p sisa pada masing-masing atom karbon saling tegak lurus terhadap sumbu H-C-C-H.

Kedua orbital ini dapat bertumpangsuh membentuk dua orbital ikatan phi. Jadi dalam molekul asetilen ada lima ikatan. Tiga ikatan sigma dan dua ikatan phi.

Pada molekul asetilen terdapat sepuluh electron valensi yang menghuni kelima orbital ikatan, masing-masing ikatann dihuni oleh dua electron dengan spin berlawanan membentuk tiga ikatan σ dan dua ikatan π. Konfigurasi electron dalam molekul asetilen dapat dilihat dari salah satu atom karbon sebagai berikut.

Konfigurasi elektronik dari atom karbon pada keadaan dasar adalah

Agar terbentuk orbital sp yang ekivalen, maka orbital 2s dan satu orbital 2p tersebut bertumpangsuh membentuk dua orbital hibrida sp yang ekivalen menurut ukuran dan energy. Konfigurasi electron dalam orbital hibrida sp mengikuti aturan hund.
gambar :

Dua orbital sp setengah penuh, masing-masing bertumpangsuh dengan orbital 1s dari atom hydrogen dan bertumpangsuh dengan orbital sp dari atom karbon lain membentuk dua ikatan σ terlokalisasi. Dua orbital 2p sisa dari masing-masing atom karbon bertumpangsuh membentuk dua ikatan π.  Dengan demikian, dalam molekul asetilen terdapat ikatan rangkap tiga karbon-karbon, satu ikatan σ dan dua ikatan π.

Gambar

c.    Hibridisasi dalam molekul benzena

Terdapat sejumlah molekul yang mempunyai ikatan π. Salah satu contoh yang penting adalah benzene, C₆H₆. Molekul benzene secara prinsip  memiliki dua bentuk resonansi yang dapat diungkapkan dalam bentuk hibrida resonansi.

Gambar :

Bentuk molekul benzene adalah heksagonal datar, sedangkan structure ruang pada setiap atom karbon dalam benzene adalah segitiga datar dengan sudut ikatan 120 derajat. Oleh karena itu dapat diduga bahwa hibridisasi yang terjadi pada atom karbon adalah sp².