Ikatan Kimia dan Struktur Molekul

Bab ini berfokus pada bagaimana atom-atom bergabung membentuk molekul dan padatan, serta bagaimana bentuk molekul mempengaruhi sifat-sifatnya.

2.1 Ikatan Kimia: Pengantar

Ikatan kimia adalah gaya tarik-menarik yang kuat yang menyatukan atom-atom dalam molekul atau kristal. Pembentukan ikatan selalu bertujuan untuk mencapai konfigurasi elektron yang lebih stabil (biasanya konfigurasi gas mulia, yang dikenal sebagai Aturan Oktet).

2.2 Jenis-jenis Ikatan Utama

Jenis ikatan ditentukan oleh perbedaan keelektronegatifan ($\Delta EN$) antara atom-atom yang berikatan.

A. Ikatan Ionik

Terjadi antara: Atom dengan perbedaan keelektronegatifan yang sangat besar, biasanya antara logam (cenderung melepas elektron) dan nonlogam (cenderung menerima elektron).
Mekanisme: Transfer elektron penuh menghasilkan kation (ion positif) dan anion (ion negatif). Gaya elektrostatik antara ion-ion ini membentuk ikatan.
Sifat Senyawa:
- Membentuk kisi kristal padat dengan titik leleh dan titik didih yang tinggi.
- Keras tetapi rapuh.
- Umumnya larut dalam pelarut polar (seperti air).
- Menghantarkan listrik dalam fase leleh atau larutan (sebagai elektrolit).
Energi Kisi (Lattice Energy): Energi yang dilepaskan ketika ion-ion gas bergabung membentuk 1 mol padatan kristal ionik.
- Kestabilan padatan ionik diukur dengan energi kisi, yang dipelajari menggunakan Siklus Born-Haber. Siklus ini adalah aplikasi Hukum Hess untuk menghitung energi kisi dari data energi ionisasi, afinitas elektron, energi sublimasi, dan energi disosiasi.
- Faktor Penentu Stabilitas: Muatan ion (semakin besar muatan, semakin kuat tarik-menariknya) dan jari-jari ion (semakin kecil jari-jari, semakin pendek jarak, semakin kuat tarik-menariknya).

B. Ikatan Kovalen

Terjadi antara: Atom dengan perbedaan keelektronegatifan yang kecil atau nol, biasanya antara dua nonlogam.
Mekanisme: Pembentukan ikatan melalui pemakaian bersama pasangan elektron (Shared Electron Pair).
Sifat Senyawa:
- Umumnya memiliki titik leleh dan titik didih yang lebih rendah (kecuali jaringan kovalen raksasa, seperti intan).
- Bisa berupa gas, cairan, atau padatan lunak pada suhu kamar.
- Umumnya tidak menghantarkan listrik.
Ikatan Kovalen Koordinasi (Datif): Jenis ikatan kovalen di mana kedua elektron yang membentuk ikatan berasal dari satu atom (disebut donor) ke atom lain yang memiliki orbital kosong (akseptor). Ini sangat penting dalam senyawa koordinasi (Bab 4).

2.3 Kepolaran Ikatan dan Momen Dipol

Tidak semua ikatan kovalen adalah sama; sifatnya berada dalam spektrum antara kovalen nonpolar hingga ionik murni.

Ikatan Kovalen Nonpolar: Terjadi antara atom-atom yang identik (misalnya $\text{O}_2, \text{N}_2$) atau ketika $\Delta EN$ sangat kecil. Pasangan elektron terbagi sama rata.
Ikatan Kovalen Polar: Terjadi antara atom-atom yang berbeda dan memiliki $\Delta EN$ moderat. Pasangan elektron lebih tertarik ke atom yang lebih elektronegatif, menciptakan dipol parsial ($\delta^+$ dan $\delta^-$).

Momen Dipol ($\mu$)

Definisi: Ukuran kuantitatif kepolaran suatu ikatan atau molekul. Dinyatakan sebagai hasil kali muatan (q) dengan jarak (r): $\mu = q \times r$.
Kepolaran Molekul: Kepolaran total molekul ditentukan oleh jumlah vektor momen dipol dari semua ikatan.
- Molekul polar memiliki momen dipol total tidak nol (misalnya $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$).
- Molekul nonpolar memiliki momen dipol total nol, meskipun memiliki ikatan polar (misalnya $\text{CO}_2$ dan $\text{CCl}_4$, karena bentuk molekulnya simetris dan vektor momen dipolnya saling meniadakan).

2.4 Struktur Molekul: Teori VSEPR

Teori Tolakan Pasangan Elektron Kulit Valensi (VSEPR – Valence Shell Electron Pair Repulsion) adalah metode sederhana dan sangat efektif untuk memprediksi geometri (bentuk) molekul berdasarkan tolakan antara pasangan elektron di kulit valensi atom pusat.

Prinsip Dasar: Pasangan elektron (baik ikatan maupun non-ikatan/bebas) akan menempatkan diri sejauh mungkin satu sama lain untuk meminimalkan tolakan.
Langkah-langkah Penentuan Bentuk VSEPR:
1. Tentukan struktur Lewis molekul.
2. Hitung jumlah pasangan elektron total di sekitar atom pusat.
3. Tentukan geometri domain elektron (geometri yang mempertimbangkan semua pasangan elektron).
4. Tentukan geometri molekul (geometri yang hanya mempertimbangkan atom-atom yang berikatan).

Jumlah Domain	Geometri Domain Elektron	Contoh	Geometri Molekul (Ligan A=atom pusat, X=atom terikat, E=pasangan bebas)
2	Linear	$\text{BeCl}_2$	Linear ($\text{AX}_2$)
3	Trigonal Planar	$\text{BF}_3$	Trigonal Planar ($\text{AX}_3$), Bengkok ($\text{AX}_2\text{E}$)
4	Tetrahedral	$\text{CH}_4$	Tetrahedral ($\text{AX}_4$), Trigonal Piramida ($\text{AX}_3\text{E}$), Bengkok ($\text{AX}_2\text{E}_2$)
5	Trigonal Bipiramida	$\text{PCl}_5$	Trigonal Bipiramida ($\text{AX}_5$), Jungkat-jungkit ($\text{AX}_4\text{E}$), Bentuk T ($\text{AX}_3\text{E}_2$), Linear ($\text{AX}_2\text{E}_3$)
6	Oktahedral	$\text{SF}_6$	Oktahedral ($\text{AX}_6$), Piramida Segi Empat ($\text{AX}_5\text{E}$), Segi Empat Datar ($\text{AX}_4\text{E}_2$)

2.5 Teori Ikatan Valensi dan Hibridisasi

Sementara VSEPR memprediksi bentuk, Teori Ikatan Valensi (VBT) menjelaskan bagaimana orbital atom saling tumpang tindih untuk membentuk ikatan.

Konsep Hibridisasi

Definisi: Penggabungan orbital atom yang berbeda (misalnya $s$ dan $p$) pada atom yang sama untuk membentuk orbital hibrida baru yang setara dalam energi dan bentuk, dan memiliki orientasi yang lebih baik untuk pembentukan ikatan.
Fungsi: Hibridisasi diperlukan untuk menjelaskan geometri molekul yang diprediksi oleh VSEPR, seperti mengapa atom karbon dalam $\text{CH}_4$ memiliki empat ikatan yang setara dan berbentuk tetrahedral (membutuhkan orbital $sp^3$).

Tipe Hibridisasi	Orbital yang Terlibat	Jumlah Orbital Hibrida	Geometri VSEPR Terkait	Contoh
$sp$	satu $s$, satu $p$	2	Linear	$\text{BeCl}_2$, $\text{C}_2\text{H}_2$
$sp^2$	satu $s$, dua $p$	3	Trigonal Planar	$\text{BF}_3$, $\text{C}_2\text{H}_4$
$sp^3$	satu $s$, tiga $p$	4	Tetrahedral	$\text{CH}_4$, $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{O}$
$sp^3d$	satu $s$, tiga $p$, satu $d$	5	Trigonal Bipiramida	$\text{PCl}_5$
$sp^3d^2$	satu $s$, tiga $p$, dua $d$	6	Oktahedral	$\text{SF}_6$

Ikatan Sigma ($\sigma$) dan Pi ($\pi$)

Ikatan Sigma ($\sigma$): Terbentuk dari tumpang tindih orbital secara head-to-head (sepanjang sumbu internuklir). Ikatan tunggal selalu berupa ikatan $\sigma$.
Ikatan Pi ($\pi$): Terbentuk dari tumpang tindih orbital secara side-to-side (tegak lurus terhadap sumbu internuklir). Ikatan $\pi$ selalu menyertai ikatan $\sigma$ dalam ikatan rangkap dua (satu $\sigma$, satu $\pi$) dan rangkap tiga (satu $\sigma$, dua $\pi$).

2.6 Teori Orbital Molekul (MO)

Untuk deskripsi yang lebih akurat, terutama untuk molekul diatomik dan kompleks koordinasi, digunakan Teori Orbital Molekul (MOT).

Prinsip Dasar: Ketika dua orbital atom tumpang tindih, mereka bergabung membentuk orbital molekul (MO) baru yang menyebar di seluruh molekul.
Jenis MO:
- Orbital Ikatan (Bonding MO): Memiliki energi lebih rendah dan menstabilkan molekul; probabilitas elektron tinggi berada di antara inti.
- Orbital Anti-Ikatan (Antibonding MO, dilambangkan dengan $ $):* Memiliki energi lebih tinggi dan mendestabilkan molekul; memiliki node (bidang nol probabilitas elektron) di antara inti.
Orde Ikatan: Ukuran stabilitas dan kekuatan ikatan, dihitung dari:$$\text{Orde Ikatan} = \frac{1}{2} (\text{Jumlah } e^- \text{ di MO Ikatan} – \text{Jumlah } e^- \text{ di MO Anti-Ikatan})$$

MOT berhasil menjelaskan mengapa molekul $\text{O}_2$ bersifat paramagnetik (memiliki elektron tidak berpasangan) padahal VBT memprediksi ia diamagnetik.

Dengan memahami ikatan, geometri, dan teori-teori ini, kita dapat memprediksi dan menjelaskan struktur dasar dari semua senyawa anorganik.