IKATAN DAN UNSUR

Klasifikasi Ikatan

Ikatan adalah suatu yang dihubungkan oleh pasangan elektron untuk mengikat atom A dan atom B (A-B atau A:B). Ikatan yang menggunakan pasangan elektron untuk mengikat atom A dan B disebut ikatan kovalen, dan ditulis sebagai A-B atau A:B.  Karena ada dua pasang elektron yang terlibat dalam ikatan ganda dan tiga pasang di ikatan rangkap tiga; ikatan-katan itu ditandai berturut-turut dengan A=B, A≡B atau A::B, A:::B.  Ikatan kovalen sangat sederhana, namun merupakan konsep yang sangat bermanfaat. Konsep ini diusulkan oleh G. N. Lewis di awal abad 20 dan representasinya disebut struktur Lewis.  Pasangan elektron yang tidak digunakan bersama disebut pasangan elektron bebas, dan disimbolkan dengan pasangan titik, seperti A:.

Ikatan elektrostatik antara kation (ion positif) dan anion (ion negatif), seperti dalam natrium khlorida, NaCl, disebut dengan ikatan ionik.  Karena muatan elektrik total senyawa harus nol, muatan listrik kation dan anion harus sama.  Ada sumbangan parsial ikatan kovalen bahkan dalam senyawa ionik, dan ion-ionnya tidak harus terikat satu sama lain melalui interaksi elektrostatik saja.

Faktor Geometri

Jari-jari dan kekuatan menarik elektron atom atau ion menentukan ikatan, struktur, dan reaksi zat elementer dan senyawa.

a.    Jari-jari atom

b.    Entalpi kisi

c.    Tetapan madelung

d.   Struktur kristal logam

e.    Kristal ionik

f.     Aturan jari-jari

g.    Variasi ungkapan struktur padatan

1)             Jari-Jari Atom

Jari-jari atom secara eksperimen merupakan separuh jarak antar inti atom.

Jari-jari kovalen secara eksperimen mendefinisikan separuh jarak atom logam antara dua atom yanng sama terkat secara bersama oleh ikatan kovalen.

Jari-jari ionik berkaitan dengan jarak antara 2 inti yang terhubung oleh ikatan elektrostatik antara kation dan anion masing masing unsur.

2)             Entalpi Kisi

Walaupun kestabilan kristal dalam suhu dan tekanan tetap bergantung pada perubahan energi bebas Gibbs pembentukan kristal dari ion-ion penyusunnya, kestabilan suatu kristal ditentukan sebagian besar oleh perubahan entalpinya saja.  Hal ini  disebabkan oleh sangat eksotermnya pembentukan kisi, dan suku entropinya sangat kecil.  Entalpi kisi, ∆HL, didefinisikan sebagai perubahan entalpi standar reaksi dekomposisi kristal ionik menjadi ion-ion gasnya (s adalah solid, g adalah gas and L adalah kisi (lattice)).

MX(s) → M+(g) + X- (g)  ∆HL

Entalpi kisi secara tidak langsung dihitung dari nilai perubahan entalpi dalam tiap tahap menggunakan siklus Born-Haber .  Yakni, suatu siklus yang dibentuk dengan menggunakan data entalpi; entalpi pembentukan standar kristal ion dari unsur-unsurnya, ∆Hf, entalpi sublimasi padatan elementernya, entalpi atomisasi yang berhubungan dengan entalpi disosiasi molekul elementer gasnya, ∆Hatom, entalpi ionisasi yakni jumlah entalpi ionisasi pembentukan kation dan entalpi penangkapan elektron dalam pembentukan anion, ∆Ηion.  Entalpi kisi dihitung dengan menggunakan hubungan:

3)             Tetapan Madelung

Energi potensial coulomb total antara ion dalam senyawa ionik yang terdiri atas ion A dan ion B adalah penjumlahan energi potensial couloumb total antar ion dihitung dengan menetukan jarak antar ion d. A adalah tetapan madelung yang khas untuk tiap kristal.

Interaksi elektrostatik antara ion-ion yang bersentuhan merupakan yang terkuat dan tetapan madelung juga akan meningkat dengan semakin besarnya bilangan koordinasi.

4)             Struktur Kristal Logam

Bila kita bayangkan atom logam sebagai bola keras, bila disusun terjejal di bidang setiap bola akan bersentuhan dengan enam bola lain (A).  Bila lapisan lain susunan 2 dimensi ini diletakkan di atas lapisan pertama, pengepakan akan paling rapat dan strukturnya akan paling stabil secara energetik bila atom-atom logamnya diletakkan di atas lubang (B) lapisan pertama.  Bila lapisan ke-3 diletakkan di atas lapisan ke-2, ada dua kemungkinan.  Yakni, lapisan ke-3 (A) berimpit dengan lapisan pertama (A) atau lapisan ke-3 (C) tidak berimpit baik dengan (A) atau (B).  Pengepakan jenis ABAB...- disebut heksagonal terjejal (hexagonally close-packed (hcp)) dan jenis ABCABC...-disebut kubus terjejal (cubic close-packed (ccp)).  Dalam kedua kasus, setiap bola dikelilingi oleh 12 bola lain, dengan kata lain berbilangan koordinasi 12.  Polihedral yang dibentuk dalam hcp adalah anti-kubooktahedral,  dan dalam ccp adalah kubooktahedral.

Bila kisinya diiris di bidang yang berbeda, sel satuan ccp nampak berupa kisi kubus berpusat muka (face-centered cubic (fcc)), mengandung bola di setiap sudut kubus dan satu di pusat setiap muka.  Sel satuan hcp adalah prisma rombohedral yang mengandung dua bola.  Ada beberapa modus penyusunan lapisan yang berbeda dari hcp dan ccp normal, dan banyak contoh yang diamati. 

Kisi dengan bola lain di pusat kisi kubus terdiri dari delapan bola adalah kisi kubus berpusat badan (body centered cubic lattice (bcc)), dan beberapa logam mengadopsi struktur ini.  Rasio ruang yang terisi dalam kisi bcc lebih kecil dibandinkan rasio dalam susunan terjejal, namun selisihnya tidak banyak.  Walaupun bola pusatnya secara formal berkoordinasi 8, pada dasarnya koordinasinya 14 karena ada 6 bola yang jaraknya hanya 15.5% lebih panjang dari 8 bola terdekat pertama.  Namun, karena rasio ruang terisinya lebih kecil, struktur bcc sangat jarang muncul.  Logam murni cenderung mengadopsi hcp atau ccp. 

Dalam hcp dan ccp, terdapat lubang di antara bola-bola; yang dapat berupa lubang Oh yang dikelilingi oleh 6 bola atau lubang Td  yang dikelilingi oleh 4 bola.  (Oh dan Td adalah simbol simetri yang digunakan dalam teori grup).  Dalam padatan ionik, bila anion dalam susunan hcp atau ccp, kation masuk di lubang-lubang ini.

5)             Kristal Ionik

Dalam kristal ionik, seperti logam halida, oksida, dan sulfida, kation dan anion disusun bergantian, dan padatannya diikat oleh ikatan elektrostatik.  Banyak logam halida melarut dalam pelarut polar misalnya NaCl melarut dalam air, sementara logam oksida dan sulfida, yang mengandung kontribusi ikatan kovalen yang signifikan, biasanya tidak larut bahkan di pelarut yang paling polar sekalipun.  Struktur dasar kristal ion adalah ion yang lebih besar (biasanya anion) membentuk susunan terjejal dan ion yang lebih kecil (biasanya kation) masuk kedalam lubang oktahedral atau tetrahedral di antara anion.  Kristal ionik diklasifikasikan kedalam beberapa tipe struktur berdasarkan jenis kation dan anion yang terlibat dan jari-jari ionnya.  Setiap tipe struktur disebut dengan nama senyawa khasnya.

6)             Aturan Jari-Jari

Anion membentuk koordinasi polihedra disekeliling kation. Jarijari rX adalah separuh sisi polihedral dan jarak kation di pusat polihedral ke sudut polihedral merupakan jumlah jarijari kation dan anion rX + rM

Jarak dari pusat ke sudut polihedral  : √3rX  , √2rX,  ½ √6rX 

7)             Variasi Ungkapan Struktur Padatan

Banyak padatan anorganik memiliki struktur 3-dimensi yang rumit.  Ilustrasi yang berbeda dari senyawa yang sama akan membantu kita memahami struktur tersebut.  Dalam hal senyawa anorganik yang rumit, menggambarkan ikatan antar atom, seperti yang digunakan dalam senyawa organik biasanya menyebabkan kebingungan.  Anion dalam kebanyakan oksida, sulfida atau halida logam membentuk tetrahedral atau oktahedral di sekeliling kation logam.  Walaupun tidak terdapat ikatan antar anion, strukturnya akan disederhanakan bila struktur diilustrasikan dengan polihedra anion yang menggunakan bersama sudut, sisi atau muka.  Dalam ilustrasi semacam ini, atom logam biasanya diabaikan.  Seperti telah disebutkan struktur ionik dapat dianggap sebagai susunan terjejal anion. 

Faktor Elektronik

Ikatan dan struktur senyawa ditentukan oleh sifat elektronik seperti kekuatan atom-atom penyusun dalam menarik dan menolak elektron, orbital molekul yang diisi eletron valensi, dsb.  Susunan geometris atom juga dipengaruhi oleh interaksi elektronik antar elektron non ikatan.

a.              Muatan Inti Efektif

b.             Energi ionisasi

c.              Afinitas elektron

d.             Ke-elektronegatifan

e.              Orbital molekul

1)             Muatan Inti Efektif

Karena muatan positif inti biasanya sedikit banyak dilawan oleh muatan negatif elektron dalam (di bawah elektron valensi), muatan inti yang dirasakan oleh elektron valensi suatu atom dengan nomor atom Z akan lebih kecil dari muatan inti, Ze.  Penurunan ini diungkapkan dengan konstanta perisai σ, dan muatan inti netto disebut dengan muatan inti efektif, Zeff. 

     Zeff = Z – σ

Muatan inti efektif bervariasi mengikuti variasi orbital dan jarak dari inti.

2)             Energi Ionisasi

Energi Ionisasi adalah energi minimum yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron dari atom dalam fase gas (g).

A(g) → A+ (g) + e (g)

Energi ionisasi  (Ei) diungkapkan dalam satuan elektron volt (eV) = 96.49 kJmol-1  Energi ionisasi pertama yang mengeluarkan elektron terluar merupakan energi paling rendah, dan energi ionisasi ke 2 dan ke 3,yang mengionisasi lebih lanjut kation dan meningkat dengan cepat.

Pers. Ei1 < Ei2 < Ei3

Entalpi Ionisasi yakni perubahan entalpi standar proses ionisasi dan digunakan dalam perhitungan temodinamika.

3)             Grafik Energi Ionisasi

Atom Ei Besar = Periode kecil, golongannya besar

Atom Ei Kecil= Periode besar, golongannya kecil

4)             Afinitas Elektron

Afinitas elektron adalah negatif entalpi penangkapan elektron oleh atom dalam fasa gas, sebagaimana ditunjukkan dalam persamaan berikut dan dilambangkan dengan

A ( = -∆Heg )

 A(g) + e → A-(g)

Afinitas elektron dapat dianggap entalpi ionisasi anion.  Karena atom halogen mencapai konfigurasi elektron gas mulia bila satu elektron ditambahkan, afinitas elektron halogen bernilai besar.

5)             Ke-elektronegatifan

Ke-elektronegativan adalah salah satu parameter atom paling fundamental yang mengungkapkan secara numerik kecenderungan atom untuk menarik elektron dalam molekul.  Kelektronegativan sangat bermanfaat untuk menjelaskan perbedaan dalam ikatan, struktur dan reaksi dari sudut pandang sifat atom.

a.    L. Pauling

Skala Pauling, dikenalkan pertama sekali tahun 1932, masih merupakan skala yang paling sering digunakan, dan nilai-nilai yang didapatkan dengan cara lain dijustifikasi bila nilainya dekat dengan skala Pauling.  L. Pauling mendefinisikan ke-elektrogenativan sebagai besaran kuantitatif karakter ionik ikatan.  Awalnya persamaan berikut diusulkan untuk mendefinisikan karakter ionik ikatan antara A dan B.

D adalah energi ikatan kovalen.  Namun, kemudian diamati ∆ tidak selalu positif, dan Pauling memodifikasi definisinya dengan:

dan meredefinisikan karakter ionik ikatan A-B.  Lebih lanjut, ke-elektronegativan χ didefinisikan dengan cara agar perbedaan ke-elektronegativam atom A dan B sebanding dengan akar kuadrat karakter ion.

b.    A. L. Allred dan E. G. Rochow

A. L. Allred dan E. G. Rochow mendefinisikan ke-elektronegativan sebagai medan listrik di permukaan atom Zeff /r2 .  Mereka menambahkan konstanta untuk membuat keelektronegativan mereka χAR sedekat mungkin dengan nilai Pauling dengan menggunakan r adalah jari-jari ikatan kovalen atom.

c.    R. Mulliken

R. Mulliken mendefinisikan ke-elektronegativan χM sebagai rata-rata energi ionisasi I dan afinitas elektron A sebagai berikut.

Karena energi ionisasi adalah energi eksitasi elektronik dari HOMO dan afinitas elektron adalah energi penambahan elektron ke LUMO, dalam definisi ini keelektronegativan dapat juga disebut rata-rata tingkat energi HOMO dan LUMO.  Unsur-unsur yang sukar diionisasi dan mudah menarik elektron memiliki nilai ke-elektronegativan yang besar.  Walaupun ke-elektronegativan didefinisikan dengan keadaan valensi dalam molekul dan memiliki dimensi energi, hasil yang diperoleh dianggap bilangan tak berdimensi.

6)             Orbital Molekul

Fungsi gelombang elektron dalam suatu atom disebut orbital atom.  Karena kebolehjadian menemukan elektron dalam orbital molekul sebanding dengan kuadrat fungsi gelombang, peta elektron nampak seperti fungsi gelombang.  Suatu fungsi gelombang mempunyai daerah beramplitudo positif dan negatif yang disebut cuping (lobes).  Tumpang tindih cuping positif dengan positif atau negatif dengan negatif dalam molekul akan memperkuat satu sama lain membentuk ikatan, tetapi cuping positif dengan negatif akan meniadakan satu sama lain tidak membentuk ikatan.  Besarnya efek interferensi ini mempengaruhi besarnya integral tumpang tindih dalam kimia kuantum. 

Dalam pembentukan molekul, orbital atom bertumpang tindih menghasilkan orbital molekul yakni fungsi gelombang elektron dalam molekul.  Jumlah orbital molekul adalah jumlah atom dan orbital molekul ini diklasifikasikan menjadi orbital molekul ikatan, non-ikatan, atau antiikatan sesuai dengan besarnya partisipasi orbital itu dalam ikatan antar atom.  Kondisi pembentukan orbital molekul ikatan adalah sebagai berikut.

Syarat pembentukan orbital molekul ikatan:

1.      Cuping orbital atom penyusunnya cocok untuk tumpang tindih.

2.      Tanda positif atau negatif cuping yang bertumpang tindih sama.

3.      Tingkat energi orbital-orbital atomnya dekat.