KIMIA ORGANIK 1

KIMIA ORGANIK 1

(Orbital dan peranannya dalam ikatan kovalen)

1.      Sifat gelombang

Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Untuk dapat mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil dari studi mekanika kuantum, daripada persamaan matematiknya sendiri. Dengan pemikiran ini, marilah meninjau beberapa konsep dasar mengenai gerak gelombang seperti yang dipertahankan dalam teori ikatan kovalen akhir-akhir ini.

Mula-mula akan dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana, yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini merupakan gerak hanya dalam satu dimensi. Sebaliknya, gelombang diam yang disebabkan oleh permukulan kepala kepala drum adalah berdimensi dua, dan sistem gelombang elektron adalah berdimensi tiga. Tinggi gelombang diam adalah amplitudonya, yang dapat mengarah ke atas (nilai positif ) atau mengarah ke bawah (nilai negatif ) terhadap kedudukan istirahat senar. Kedudukan pada gelombang yang amplitudonya nol disebut simpul, dan sesuai dengan kedudukan pada senar gitar yang tak bergerak bila senar bergetar.

Dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase yang satu terhadap yang lain. Keadaan antara dalam mana gelombang hanya sebagian sefase juga mungkin. Istilah ini dapat digambarkan oleh dua sistem dua gelombang pada dua senar identik yang bergetar. Bila amplitudo positif dan negatif dari dua gelombang saling sesuai, kedua gelombang tersebut sefase. Bila tanda matematik dari amplitudo saling berlawanan, gelombang keluar fase.

Meskipun sistem gelombang elektron tiga dimensi lebih rumit daripada sistem senar satu dimensi, namun prinsipnya sama. Masing-masing orbital atom dari atom berkekuatan seperti fungsi gelombang dan dapat mempunyai mempunyai amplitudo positif atau negatif. Bila orbital mempunyai amplitudo positif dan negatif, maka orbital mempunyai simpul.

Spektra garis dihasilkan bila elektron yang telah menerima energi ekstra turun ke tingkat energi normalnya dalam atom. Setiap unsur mempunyai spektrum garis yang khas. Secara terpisah model atom Bohr berhasil menerangkan spektrum atom hidrogen, menggambarkan elektron bergerak dalam orbit-orbit tertentu dengan energi terkuantisasi dan meradiasikan energi hanya bila beralih orbit yang berenergi lebih tinggi ke orbit dengan energi lebih rendah.

Menurut pandangan modern, model atom mekanika kuantum, energi elektron juga terkuantisasi. Elektron memiliki gerakan seperti gelombang dan menghuni daerah tiga dimensi yang dikenal dengan istilah orbital, yaitu ungkapan matematis ditemukannya elektron dalam ruang.

Berdasarkan model mekanika kuantum atom, perilaku spesifik dari suatu atom dapat dijelaskan menggunakan persamaan gelombang. Persamaan tersebut pada awalnya digunakan untuk menjelaskan pergerakan gelombang pada benda cair. Penyelesaian persamaan gelombang disebut fungsi gelombang atau orbital, dilambangkan dengan huruf Yunanai psi (ψ).

Ketika fungsi gelombang dikuadratkan (ψ2), orbital menjelaskan volume ruang di sekeliling inti di mana elektron paling mungkin ditemukan. Awan elektron tidak dapat dipastikan dengan jelas, tetapi kita dapat membuat batasan dengan mengatakan bahwa orbital menggambarkan tempat di mana elektron dapat ditemukan dengan probabilitas 90-95%.

2.      Orbital ikatan dan anti ikatan

Teori Orbital Molekular mengandaikan bahwa apabila dua atom atau lebih bergabung membentuk suatu spesies, maka spesies ini tidak lagi memiliki sifat orbital atomik secara individual, melainkan membentuk orbital molekular “baru”. Orbital molekular adalah hasil tumpang-tindih dan penggabungan orbital atomik pada molekul.

Menurut pendekatan lurus (linear combination), jumlah molekular yang bergabung sama dengan orbital atomik yang bergabung. Bila dua atom yang bergabung masing–masing menyediakan satu orbital atomik maka dihasilkan dua orbital molekular, salah satu merupakan kombinasi jumlahan kedua orbital atomik yang saling menguatkan dan lainnya kombinasi kurangan yang saling meniadakan.

Kombinasi jumlahan menghasilkan orbital molekular ikat (bonding) yang mempunyai energi lebih rendah, dan kombinasi kurangan menghasilkan orbital molekular antiikat (antibonding). Orbital molekular ikat (bonding) yaitu orbital dengan rapatan elektron ikat terpusat mendekat pada daerah antara kedua inti atom yang bergabung dan dengan demikian menghasilkan situasi yang lebih stabil.

Orbital molekular antiikat (antibonding) yaitu orbital dengan rapatan elektron ikat terpusat menjauh dari daerah antara inti atom yang bergabung dan menghasilkan situasi kurang stabil. Jika pada daerah tumpang-tindih ada orbital atonik yang tidak bereaksi dalam pembentukan ikatan, orbital ikatan yang dihasilkan disebut orbital nonikat (nonbonding).

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.

Kasus paling sederhana adalah orbital molekul yang dibentuk dari orbital atom A dan B dan akan dijelaskan di sini. Orbital molekul ikatan dibentuk antara A dan B bila syarat-syarat di atas dipenuhi, tetapi bila tanda salah satu orbital atom dibalik, syarat ke-2 tidak dipenuhi dan orbital molekul anti ikatan yang memiliki cuping yang bertumpang tindih dengan tanda berlawanan yang akan dihasilkan. Tingkat energi orbital molekul ikatan lebih rendah, sementara tingkat energi orbital molekul anti ikatan lebih tinggi dari tingkat energi orbital atom penyusunnya.

Semakin besar selisih energi orbital ikatan dan anti ikatan, semakin kuat ikatan. Bila tidak ada interaksi ikatan dan anti ikatan antara A dan B, orbital molekul yang dihasilkan adalah orbital non ikatan. Elektron menempati orbital molekul dari energi terendah ke energi yang tertinggi. Orbital molekul terisi dan berenergi tertinggi disebut HOMO (highest occupied molecular orbital) dan orbital molekul kosong berenergi terendah disebut LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Ken’ichi Fukui (pemenang Nobel 1981) menamakan orbital-orbital ini orbital-orbital terdepan (frontier).

Dua atau lebih orbital molekul yang berenergi sama disebut orbital terdegenerasi (degenerate). Simbol orbital yang tidak terdegenerasi adalah a atau b, yang terdegenerasi ganda e, dan yang terdegenerasi rangkap tiga t. Simbol g (gerade) ditambahkan sebagai akhiran pada orbital yang sentrosimetrik dan u (ungerade) pada orbital yang berubah tanda dengan inversi di titik pusat inversi.

Bilangan sebelum simbol simetri digunakan dalam urutan energi untuk membedakan orbital yang sama degenarasinya. Selain itu, orbital-orbital itu dinamakan sigma (σ) atau pi(π) sesuai dengan karakter orbitalnya. Suatu orbital sigma mempunyai simetri rotasi sekeliling sumbu ikatan, dan orbital pi memiliki bidang simpul. Oleh karena itu, ikatan sigma dibentuk oleh tumpang tindih orbital s-s, p-p, s-d, p-d, dan d-d dan ikatan pi dibentuk oleh tumpang tindih orbital p-p, p-d, dan d-d.

Dalam molekul hidrogen, H2, tumpang tindih orbital 1s masing-masing atom hidrogen membentuk orbital ikatan σg bila cupingnya mempunyai tanda yang sama dan antiikatan σu bila bertanda berlawanan, dan dua elektron mengisi orbital ikatan σg.

Orbital ikatan atau orbital bonding dan orbital anti ikatan atau orbital anti bonding merupakan orbital molekul hasil pertumpukan ( overlapping) dari orbital- orbital atom.

            Disini berlaku hukum kekekalan atau konservasi orbital yakni jumlah orbital sebelum dan sesudah pertumpukan tetap sama. Tampak bahwa dari dua orbital atom yang bertumpukan akan diperoleh dua orbital molekul yakni molekul ikatan ( bonding) dan anti ikatan ( anti bonding). Orbital molekul (sigma) ditulis σ sedangkan orbital molekul pi ditulis π.  Orbital ikatan memiliki energi yang selalu lebih rendah dari orbital ikatan yang sejenis, misal  Urut- urutan energi orbital molekul adalah sebagai berikut : σ1s  <  σ1s*  <  σ2s  <  σ2s* < π2p_y = π2p_z < π2p_y* = π2p_z* < σ2p_x dan dan seterusnya. Perlu dicatat bahwa berbeda dengan orbital molekul umumnya, maka energi π2py* jauh lebih tinggi diatas π2p_z*  sedangkan π2p_y = π2p_z dan π2py*= π2p_z*, karena orbital p_y dan p_z bersifat degenerate yakni memiliki tingkat energi yang sama walaupun fungsi gelombangnya berbeda.

            Perbedaan antara orbital molekul ikatan dan anti ikatan disamping perbedaan energinya menyangkut pula perbedaan tentang distribusi elektronnya. Pada orbital molekul ikatan, elektron dipusatkan didaerah antar inti ikatan, elektron- elektron berada jauh ( terpisah) dari daerah antar inti.

Pendekatan yang digunakan berasumsi bahwa 2 orbital atom 1s dapat saling tumpang tindih dengan 2 cara untuk membentuk 2 orbital molekul. Cara yang pertama adalah adalah berinteraksi secara In-Phase. Ketika orbital atom saling tumpang tindih, interaksi secara In-Phase menyebabkan peningkatan intensitas muatan negatif pada area dimana kedua orbital atom tersebut saling tumpang tindih. Hal ini menimbulkan gaya tarik yang lebih besar antara elektron dan inti atom. Gaya tarik yang lebih besar mengarah kepada energi potensial yang lebih rendah.

Karena elektron pada orbital molekul memiliki energi potensial yang lebih rendah daripada elektron pada orbital atom, maka tentunya untuk memisahkan kembali elektron pada orbital 1s masing-masing atom diperlukan sejumlah energi (tidak akan terjadi secara spontan) yang menyebabkan ikatan yang terbentuk akan stabil. Hal ini menjaga agar atom-atom tetap stabil pada molekul.Orbital molekul yang terbentuk ini disebut Bonding Molecular Orbital (Orbital molekul Ikatan). Orbital ini akan simetris terhadap sumbu ikatan. Orbital molekul jenis ini disebut Sigma Molecular Orbital (Orbital Molekul Sigma), σ. Simbol σ1s digunakan untuk menggambarkan orbital molekul ikatan yang terbentuk dari 2 orbital atom 1s.

Cara yang kedua, yaitu berinteraksi secara Out-of-Phase. Ketika orbital atom saling tumpang tindih, interaksi secara Out-of-Phase menyebabkan penurunan intensitas muatan negatif. Hal ini menimbulkan gaya tarik yang lebih lemah antara elektron dan inti atom. Gaya tarik yang lebih lemah mengarah kepada energi potensial yang lebih tinggi. Elektron akan lebih stabil jika berada pada orbital 1s masing-masing atom, sehingga elektron dalam orbital molekul ini akan melemahkan ikatan antar atom. Orbital molekul kenis ini disebut Anti-bonding Molecular Orbital (Orbital Molekul Anti-ikatan). Orbital molekul ini juga akan simetris terhadap sumbu ikatan, sehingga orbital ini adalah orbital molekul sigma namun dengan simbol σ*1s. Tanda * mengindikasikan orbital molekul anti-ikatan.

3.      Orbital hibrida karbon

a.       Hibridisasi sp3

Atom karbon memiliki dua orbital (2s dan 2p) untuk membentuk ikatan, artinya jika bereaksi dengan hidrogen maka akan terbentuk dua ikatan C-H. Faktanya, atom karbon membentuk empat ikatan C-H dan menghasilkan molekul metana dengan bentuk bangun ruang tetrahedron. Linus Pauling (1931) menjelaskan secara matematis bagaimana orbital s dan tiga orbital p berkombinasi atau terhibridisasi membentuk empat orbital atom yang ekuivalen dengan bentuk tetrahedral. Orbital yang berbentuk tetrahedral disebut dengan hibridisasi sp3. Angka tiga menyatakan berapa banyak tipe orbital atom yang berkombinasi, bukan menyatakan jumlah elektron yang mengisi orbital.

Atom karbon memiliki konfigurasi ground-state 1s₂ 2s₂ 2p_x1 2p_y1. Pada  kulit terluar terdapat dua elektron dalam orbital 2s, dan dua elektron tak perpasangan dalam orbital 2p.

Dari konfigurasi di atas, maka atom karbon hanya dapat membentuk dua ikatan, contohnya CH₂. Pada kenyataannya, molekul CH₂ sangat jarang ditemukan dan lebih banyak terbentuk molekul CH₄. Dari hasil eksperimen, diperoleh data bahwa kekuatan ikatan CH sebesar 100 kkal/mol. Dengan demikian, energi untuk membentuk ikatan C-H dalam CH₂ sebesar 200 kkal/mol.

Alternatifnya adalah, satu elektron pada orbital 2s dipromosikan ke orbital 2p_z. Konfigurasi baru ini memiliki satu elektron yang berada pada tingkat energi yang lebih tinggi dari ground-state. Energi yang  dibutuhkan untuk mempromosikan elektron tersebut sebesar 96 kkal/mol.

Pada posisi tereksitasi, karbon memiliki empat elektron tak berpasangan dan dapat membentuk empat ikatan dengan hidrogen. Meskipun membutuhkan energi sebesar 96 kkal/mol untuk mengeksitasi satu elektronnya terlebih dahulu, ikatan yang terbentuk dengan H (pada CH4) jauh lebih stabil dibandingkan ikatan C-H pada molekul CH₂. 

Ikatan C-H pada metana memiliki kekuatan ikatan 104 kkal/mol dengan panjang ikatan 1.10 A. sudut ikatan H-C-H sebesar 109.50.

Struktur Etana

Etana, C₂H₆  merupakan contoh paling sederhana dari molekul yang mengandung ikatan karbon-karbon. Ikatan karbon-karbon dalam etana memiliki panjang ikatan 1.54 A dan kekuatan ikatn 88 kkal/mol. Untuk ikatan C-H memiliki karakteristik yang sama dengan metana. 

b.      Hibridisasi sp2; Orbital dan Struktur Etilen

Ketika kita membentuk orbital hibridisasi sp3 untuk menjelaskan ikatan dalam metana, pertama kali yang dilakukan adalah mempromosikan satu elektron dari orbital 2s ke excited state menghasilkan empat elektron tak berpasangan. Hibridisasi sp2 terjadi jika satu elektron tereksitasi ke orbital p. Akibatnya, atom karbon yang terhibridisasi sp2 hanya dapat membentuk tiga ikatan sigma dan satu ikatan pi. Ikatan pi terjadi sebagai akibat dari tumpang tindih elektron pada orbital 2p-2p-2s.

Dua atom karbon sp2 dapat saling membentuk ikatan yang kuat, mereka membentuk ikatan sigma melalui overlap orbital sp2-sp2. Kombinasi ikatan sigma sp2-sp2 dan ikatan pi 2p-2p menghasilkan bentuk ikatan rangkap karbon-karbon. Bentuk bangun ruang dari ikatan atom karbon yang terhibridisasi sp2 adalah trigonal planar.

c.       Hibridisasi sp

Atom karbon memiliki kemampuan membentuk tiga macam ikatan, yaitu ikatan tunggal, rangkap dua dan rangkap tiga. Asetilena, C2H2, contoh paling sederhana dari ikatan karbon-karbon rangkap tiga. Di samping dapat berkombinasi dengan dua atau tiga orbital p, hibrida orbital 2s juga dapat berkombinasi dengan satu orbital p.

Orbital sp memiliki bangun ruang linear dengan sudut ikatan HC-C sebesar 1800 yang telah terverifikasi dari hasil eksperimental. Panjang ikatan hidrogen-karbon sebesar 1.06A dan panjang ikatan karbon-karbon adalah 1.20 A. 

(a) Ikatan σ C-C terbentuk karena overlap orbital sp-sp dan ikatan C-H dibentuk karena overlap orbital sp-s. (b) dua ikatan π karbonkarbon terbentuk melalui overlap orbital p yang berhadap-hadapan antara atom karbon yang satu dengan atom karbon lainnya.  

Share this post