Resume Kimia Organik 2

Orbital dan peranannya dalam ikatan kovalen

Partikel yang nama lainnya adalah molekul merupakan substansi pembentuk kulit terkecil yang siap untuk berikatan.

Elektron oleh ahli kimia sampai tahun 1923 hanya partikel yang bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom

Namun, dalam 1924, Louis de Broglie mengemukakan bahwa elektron mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel. 

1. Sifat gelombang

1. Gelombang Diam
merupakan sebuah jenis gelombang diam berdasarkan gerakannya
Terbagi menjadi :
- 1 dimensi : orang memetik senar gitar yang kedua ujungnya mati
- 2 dimensi : pemukulan kepala drum
- 3 dimensi : sistem gelombang elektron
Amplitudo : tinggi gelombang diam, bila mengarah keatas, amplitudo (+) dan bila kebawah, amplitudo(-)
Simpul : kedudukan pada gelombang yang amplitudonya = 0

Dalam tahun 1924 ahli fisika Perancis,Prince Louis de Broglie memperluas konsep bahwa cahaya bersifat baik sebagai partikel(foton) maupun sebagai gelombang.Ia mempostulatkan bahwa semua materi yang bergerak,mempunyai ciri-ciri gelombang. De Broglie kemudian juga mencocokkan elektron pada persamaan momentum dan panjang gelombang foton buatan Einstein. Hasilnya h=p位. 位 (panjang gelombang) ini ternyata tidak berlaku pada elektron dan gelombang saja, tapi pada seluruh benda di alam semesta. De Broglie tidak sembarangan dalam menyusun teorinya ini, dia mendasarkannya pada Teori Relativitas Khusus Einstein.

Dengan teorinya ini, De Broglie berhasil memecahkan semua kebimbangan dalam fisika modern, kebingungan antara sifat gelombang dan sifat partikel benda. Dengan teori De Broglie ini, dia berhasil menjelaskan dualisme sifat cahaya. Cahaya memiliki sifat partikel, tapi cahaya juga memiliki sifat gelombang. Lebih jauh lagi, elektron juga demikian. Elektron punya sifat partikel, dan mungkin elektron juga punya sifat gelombang.

Tapi waktu itu teori De Broglie dianggap lalu begitu saja, karena tidak ada percobaan yang bisa membuktikannya. Barulah tiga tahun setelahnya, tahun 1927, teori De Broglie terbukti kebenarannya lewat percobaan. Dua orang fisikawan Amerika, Clinton Joseph Davisson (1881-1958) dan Lester Herbert Germer (1896-1971) membuktikan teori itu dengan percobaan lempengan nikel.

sifat gelombang dari suatu partikel yang bergerak dirumuskan sebagai  berikut

Lamda adalah panjang gelombang,h tetapan planck dan p adalah momentum. Dari persamaan de Broglie,nampak bahwa panjang gelombang berbanding terbalik dengan momentum. Panjang gelombang ini menyatakan suatu sifat tak bermakna dari bole yang bergerak,namun bagi elektron yang bergerak, p itu begitu kecil sehingga lamda menjadi bermakna,sering berkisar antara 1 dan 100 nm. Karena itu panjang gelombang sebuah elektron yang bergerak mempunyai besaran yang cukup memadai untuk diperagakan secara eksperimen yang segera dilakukan setelah de Broglie mengusulkan teori dual bagi materi.

Pendapatnya tersebut menjadi konsep dari mekanika kuantum tentang gerak elektron dan teori orbital molekul.

ü Azas Ketidaktentuan Heisenberg(Uncertaintly principles)

Pendekatan ke bangun atom menggunakan pengandaian bahwa elektron nergerak mengelilingi inti dalam lintasan-lintasan yang ditentukan. Werner Heisenberg (1927) mengemukakan bahwa metodaeksperimen apa saja yang digunakan untuk memasukkan suatu unsur ketidaktentuan ke dalam pengukuran itu. Heisenberg mengembangkan persamaan matematika untuk menunjukan bahwa tidak ada metode eksperimen yang dapat di rancang untuk mengukur dengan serempak posisi maupun momentum secara cermat dari suatu obyek. Untuk suatu partikel sekecil elektron,kurangnya kecermatan ini secara kritis penting. Azas ketidaktentuan menyatakan bahwa hasilkali ketidaktentuan dalam momentum dan dalam posisi haruslah sama atau lebih besar dari tetapan planck.

Sebuah elektron begitu kecil sehingga akan tergerakkan secara tak teramalkan oleh suatu usaha untuk memeriksanya,seperti menyinarinya dengan cahaya atau sinar-X.

ü Gambaran mekanika kuantum dari elektron dalam atom

Banyak teoretisi telah memberi sumbangan pada mekanika kuantum,namun perkembangan awal merupakan kaya Heisenberg dan Scrodinger. Dalam tahun 1926 berdasrkan karya de Broglie,Scrodinger mengembangkan suatu persamaan yang menghubungkan sifat-sifat gelombang yang dikaitkan dengan energi elektron. Persamaan Scrodinger adalah persamaan differnsial orde ke 2yang menyatakan energi total

Perhitungan-perhitungan yang di dasarkan pada persamaan scrodinger untuk menentukan posisi dan energi elektron dari atom cukup sukar dan berkepanjangan. Perhitungan yang telah dilakukan hanya untuk atom hidrogen dan ion-ion satu elektron. Untuk atom dengan nomor atom besar yakni dengan banyak proton dan elektron,antaraksi elektrostatik antara elektron satu dengan yang lain serta dengan inti atom menyebabkan pemecahan persamaan itu lebih sukar. Setelah sejumlah aproksimasi yang masuk akal dimasukkan kedalam perhitungan hasilnya menunjukkan bahwa elektron-elektron dalam atom kompleks menghuni posisi-posisi serupa dengan yang dihuni oleh sebuah elektron dalam sebuah atom hidrogen.oleh karena itu gagasan yang berlaku untuk hidrogen digunaakan juga digunakan untuk memerikan elektron dalam semua atom. 

Dalam mekanika kuantum elektron diperlakukam sebagai suatu gelombang tiga dimensi. Ketidakmungkinan menentukan posisi yang cermat dari suatu elektron pada suatu saat tertentu diketahui dari azas ketidakkpastian. Namun fungsi gelombang,memerikan daerah dalam mana suatu elektron berpeluang besar untuk ditemukan. Daerah ini atau fungsi gelombang itu sendiri disebut suatu orbital.. 

Meskipun posisi yang cermat suatu elektron tak dapat ditentukan,namun kebolehjadian(probabilitas) elektron berada dalam lokasi tertentu dapat dihitung dari persamaan Scrodinger. Suatu elektron menghuni seluruh orbital,meskipun kebolehjadian elektron berada dalam orbital atom tidaklah sama. Bila elektron berada dalam keadaan dasar,atau orbital energi terendah,dari suatu atom hidrogen menyerap suatu kuantum tertentu energi,elektron itu akan naik sendiri ke orbital dengan energi yang lebih tinggi. Dalam mekanika kuantum selisih selisih dari energi dua orbital itu dikuantisasikan. Pancaran energi terkuantisasikan oleh suatu atom H yang tereksitasi,yang semula diterangkan oleh atom Bohr (sebagai elektron yang jatuh dari lintasan tinggi ke lintasan rendah) sekarang diperhitungkan dalam model mekanika kuantum sebagai suatu perubahan dari orbital berenergi tinggi ke orbital berenergi rendah

2. Orbital ikatan dan Anti ikatan(bonding and antibonding)

Orbital ikatan dan anti-ikatan dalam molekul hidrogen sederhana

Pada pembahasan ini diasumsikan bahwa anda telah memahami bagaimana terbentuknya ikatan kovalen sederhana diantara dua atom. Orbital atom setengah isi pada tiap atom mengalami tumpang-tindih (overlap) untuk membentuk orbital baru (orbital molekul) yang berisi dua elektron dari kedua atom. Pada kasus dua atom hidrogen, masing-masing atom mempunyai satu elektron dalam orbital 1s. Atom-atom hidrogen ini akan membentuk orbital baru di sekitar kedua inti hidrogen. Adalah penting mengetahui secara pasti apakah arti dari orbital molekul ini. Kedua elektron sangat mungkin ditemukan di orbital molekul ini – dan tempat yang paling mungkin untuk menemukan elektron adalah di daerah yang berada diantara garis dua inti. Molekul dapat terbentuk karena kedua inti atom tarik-menarik dengan kuat dengan pasangan elektron.

Ikatan yang paling sederhana ini disebut ikatan sigma – suatu ikatan sigma adalah ikatan dimana pasangan elektron paling mungkin ditemukan pada garis diantara dua inti. Akan tetapi . . . Semua ini adalah hasil penyederhanaan! Pada teori orbital molekul jika anda memulai dengan dua orbital atom, maka anda harus mendapatkan dua orbital molekul – dan rupanya kita baru memperoleh satu orbital molekul. Orbital molekul kedua terbentuk, tetapi dalam banyak kasus (termasuk molekul hidrogen) orbital ini kosong, tidak terisi elektron. Orbital ini disebut sebagai orbital anti-ikatan. Orbital anti-ikatan mempunyai bentuk dan energi yang sedikit berbeda dari orbital ikatan. Diagram berikut menunjukkan bentuk-bentuk dan tingkat energi relatif dari berbagai orbital atom dan orbital molekul ketika dua atom hidrogen dikombinasikan. Orbital anti-ikatan selalu ditunjukan dengan tanda bintang pada simbolnya. Perhatikan, ketika orbital ikatan terbentuk, energinya menjadi lebih rendah daripada energi orbital atom asalnya (sebelum berikatan). Energi dilepaskan ketika orbital ikatan terbentuk, dan molekul hidrogen lebih stabil secara energetika daripada atom-atom asalnya. Sedangkan, suatu orbital anti-ikatan adalah kurang stabil secara energetika dibanding atom asalnya. Stabilnya orbital ikatan adalah karena adanya daya tarik-menarik antara inti dan elektron. Dalam orbital anti-ikatan daya tarik-menarik yang ada tidak ekuivalen – sebaliknya, anda akan mendapatkan tolakan. Sehingga peluang menemukan elektron diantara dua inti sangat kecil – bahkan ada bagian yang tidak mungkin ditemukan elektron diantara dua inti tersebut. Sehingga tak ada yang menghalangi dua inti untuk saling menolak satu sama lain. Jadi dalam kasus hidrogen, kedua elektron membentuk orbital ikatan, karena menghasilkan stabilitas yang paling besar – lebih stabil daripada yang dimiliki oleh atom yang terpisah/tak berikatan, dan lebih stabil dari elektron dalam orbital anti-ikatan.

ü Orbital Hibrida Karbon

Bentuk molekul etana dapat dijelaskan dengan orbital hibrida sp3 pada kedua atom karbon. Ikatan C–C dibentuk melalui tumpang tindih antara orbital sp3 dan orbital sp3 dari masing-masing atom karbon. Enam ikatan C–H dibentuk melalui tumpang tindih orbital sp3 sisa dan orbital 1s dari atom H.

Ikatan yang terbentuk antara karbon-karbon maupun karbon-hidrogen adalah ikatan sigma yang terlokalisasi. Sehingga, akibat dari ikatan sigma yang terlokalisasi tersebut akan membentuk struktur tetrahedral murni.

Hibridisasi Dalam Ikatan Rangkap Dua

Salah satu molekul paling sederhana yang mengandung ikatan rangkap dua karbon-karbon adalah etena (C2H4). Atom-atom pada etena terletak pada satu bidang datar dan masing-masing atom karbon berikatan dengan dua atom lain membentuk struktur trigonal planar.

Oleh karena masing-masing atom karbon membentuk trigonal planar, hal ini menandakan terbentuknya orbital hibrida sp2 pada setiap atom karbon. Oleh karena itu, ikatan dalam etena dapat dijelaskan dengan orbital hibrida sp2. Setiap atom karbon masing-masing mengikat dua atom hidrogen melalui tumpang tindih orbital hibrida sp2 dan orbital 1s. Ikatan yang dibentuk semuanya berikatan sigma.

Ikatan antara karbon-karbon ada dua macam. Pertama orbital sp2 dari masing-masing atom karbon bertumpang tindih membentuk ikatan sigma 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 bertumpang tindih lagi membentuk ikatan kedua. Ikatan ini dinamakan ikatan pi (π ). Jadi, ikatan rangkap dalam etilen dibangun oleh ikatan sigma dan ikatan pi

Pembentukan orbital hybrid melalui proses ibridisasi adalah sebagai berikut :
1. Salah satu electron yang berpasangan berpromosi ke orbital yang lebih tinggi tingkat energinya sehingga jumlah electron yang tidak berpasangan sama dengan jumlah ikatan yang akan terbentuk. Atom yang sedemikian disebut dalam keadaan tereksitasi. Promosi yang mungkin adalah dari ns ken p dan ns ke ns ke nd atau (n-1)d
2. Penggabungan orbital mengakibatkan kerapatan electron lebih besar di daera orbital hybrid.
3. Terjadi tumpang tindih orbital hybrid dengan orbital atom lain sehingga membentuk ikatan kovalen atau kovalen koordinasi.

B. Hibrid sp
Salah satu contoh orbital sp terjadi pada Berilium diklorida. Berilium mempunyai 4 orbital dan 2 elektron pada kulit terluar. Pada hibridisasi Berilium dijelaskan bahwa orbital 2s dan satu orbital 2p pada Be terhibridisasi menjadi 2 orbital hibrida sp dan orbital 2p yang tidak tribridisasi. Diagram hibridisasinya sebagai berikut :

Hibridisasi sp membentuk geometri linear dengan sudut 180°. Terjadi pada BeH2 dan BeCl2

C. Hibrid sp2
Salah satu contoh orbital hirbid sp2 diasumsikan terjadi pada Boron trifluorida. Boron mempunyai 4 orbital tapi hanya 3 eletron pada kulit terluar. Hibridisasi boron mengkombinasikan 2s dan 2 orbital 2p menjadi 3 orbital hybrid sp2 dan 1 orbital yang tidak mengalami hibridisasi. Skema hibridisasi Boron adalah sebagai berikut :

Orbital hybrid sp2 menjadi bentuk trigonal planar dengan sudut ikatan120°.

D. Hibrid sp3
Hibridisasi menjelaskan atom-atom yang berikatan dari sudut pandang sebuah atom. Untuk sebuah karbon yang berkoordinasi secara tetrahedal (seperti metana, CH4), maka karbon haruslah memiliki orbital-orbital yang memiliki simetri yang tepat dengan 4 atom hidrogen. Konfigurasi keadaan dasar karbon adalah 1s2 2s2 2px1 2py1 atau lebih mudah dilihat:

(Perhatikan bahwa orbital 1s memiliki energi lebih rendah dari orbital 2s, dan orbital 2s berenergi sedikit lebih rendah dari orbital-orbital 2p)
Teori ikatan valensi memprediksikan, berdasarkan pada keberadaan dua orbital p yang terisi setengah, bahwa C akan membentuk dua ikatan kovalen, yaitu CH2. Namun, metilena adalah molekul yang sangat reaktif, sehingga teori ikatan valensi saja tidak cukup untuk menjelaskan keberadaan CH4.
Lebih lanjut lagi, orbital-orbital keadaan dasar tidak bisa digunakan untuk berikatan dalam CH4. Walaupun eksitasi elektron 2s ke orbital 2p secara teori mengijinkan empat ikatan dan sesuai dengan teori ikatan valensi, hal ini berarti akan ada beberapa ikatan CH4 yang memiliki energi ikat yang berbeda oleh karena perbedaan arah tumpang tindih orbital. Gagasan ini telah dibuktikan salah secara eksperimen, setiap hidrogen pada CH4 dapat dilepaskan dari karbon dengan energi yang sama.
Untuk menjelaskan keberadaan molekul CH4 ini, maka teori hibridisasi digunakan. Langkah awal hibridisasi adalah eksitasi dari satu (atau lebih) elektron:

Proton yang membentuk inti atom hidrogen akan menarik salah satu elektron valensi karbon. Hal ini menyebabkan eksitasi, memindahkan elektron 2s ke orbital 2p. Hal ini meningkatkan pengaruh inti atom terhadap elektron-elektron valensi dengan meningkatkan potensial inti efektif.
Kombinasi gaya-gaya ini membentuk fungsi-fungsi matematika yang baru yang dikenal sebagai orbital hibrid. Dalam kasus atom karbon yang berikatan dengan empat hidrogen, orbital 2s dengan tiga orbital 2p membentuk hibrid sp3 menjadi

Pada CH4, empat orbital hibrid sp3 bertumpang tindih dengan orbital 1s hidrogen, menghasilkan empat ikatan sigma. Empat ikatan ini memiliki panjang dan kuat ikat yang sama, sehingga sesuai dengan pengamatan.

sama dengan

Menurut teori hibridisasi orbital, elektron-elektron valensi metana seharusnya memiliki tingkat energi yang sama, namun spektrum fotoelekronnya menunjukkan bahwa terdapat dua pita, satu pada 12,7 eV (satu pasangan elektron) dan satu pada 23 eV (tiga pasangan elektron). Ketidakkonsistenan ini dapat dijelaskan apabila kita menganggap adanya penggabungan orbital tambahan yang terjadi ketika orbital-orbital sp3 bergabung dengan 4 orbital hidrogen.

E. Orbital hibrida sp3d dan sp3d2
Hibridisasi sp3d pada PC15. Pada PCl5, atom pusat Pospor dengan nomor atom P mempunyai konfigurasi electron valensi ls22s22p63s23p3. Pada PC15 terdapat 5 ikatan kovalen, jadi Phospor harus mempunyai 5 orbital yang setengah penuh. Dengan menerima energy, konfigurasi Phospor pada keadaan tereksitasi menjadi ls22s22p63s13p33d1 . oleh karena itu terdapat 1 orbital s, 3 orbital p dan 1 orbital d yang akan berhibridisasi membentuk 5 orbital hibrida sp3d. geometri yang terbentuk dari orbital ini adalah trigonal piramida dengan sudut 120°.

Hibridisasi sp3d2 pada SF6
Molekul SF6 mempunyai atom pusat S dengan nomor atom 16 dan mempunyai konfigurasi electron [Ne]3s23p4 pada keadaan dasar. SF6 mempunyai 6 ikatan kovalen yang mengindikasikan 6 orbital yang terisi penuh. Dengan menerima energy, konfigurasi electron sulfur pada keadaan tereksitasi adalah [Ne] 3s13p33d2. Pada keadaan tereksitasi sulfur mempunyai 6 orbital yang terisi setengah penuh pada orbital terluarnya yaitu 1 orbital 2, 3 orbital p dan 2 orbital d yang akan mengalami hibridisasi membentuk orbital hibrida sp3d2 dengan geometri octahedral. 6 orbital tersebut overlap dengan 6 ikatan sigma S-F yang ditunjukkan sebagai berikut :

F. Keterbatasan konsep hibridisasi
Konsep hibridisasi berhasil meramal struktur molekul senyawa kovalen bila atom pusat berikatan tunggal dengan substituent (atom) yang sama. Jika tidak demikian, akan terjadi penyimpangan yaitu bila :
a. Atom pusat mempunyai pasangan electron bebas seperti NH3
b. Terdapat ikatan rangkap antara ion pusat dengan atom lain seperti HCN
c. Atom-atom yang terikat pada atom pusat berbeda keelektronegatifannya seperti H2CClF
d. Atom-atom yang terikat pada atom pusat berbeda ukurannya seperti H3CCl dan H2CClF