ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

    A. Sifat Gelombang

Seorang mahasiswa Perancis, Louis De Broglie tingkat pasca sarjana, mengemukakan pendapat yang revolusioner bahwa elektron mempunyai sifat gelombang  dan juga sifat partikel. Pendapat De Broglie mula-mula kurang dapat diterima, tetapi pendapatnya merupakan benih yang kini tumbuh menjadi konsep mekanika kuantum mengenai gerak elektron dan teori orbital molekul.

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

Mula-mula akan dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana (Gambar 1.1), yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini menunjukkan gerak hanya dalam satu dimensi. Sebaliknya, gelombang diam yang disebabkan oleh pemukulan kepala drum adalah berdimensi dua., dan sistem gelombang elektron adalah berdimensi tiga. Tinggi gelombang diam adalah amplitudonya, yang dapat mengarah ke atas (+) atau mengarah ke bawah (-) terhadap kedudukan istirahat dari senar. ( Tanda + atau – dari amplitudo adalah tanda matematik, bukan muatan listrik). Kedudukan pada gelombang yang amplitudonya nol disebut simpul, dan sesuai dengan kedudukan pada senar gitar yang tak bergerak bila senar bergetar.

_{gambar 1.1}

            Dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase yang satu terhadap yang lain. Keadaan dimana gelombang hanya sebagian sefase juga mungkin terjadi. Istilah ini dapat digambarkan oleh 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.

            Bila dua gelombang yang sefase pada senar yang sama saling tumpang tindih, mereka saling memperkuat. Perkuatan dinyatakan oleh penambahan fungsi matematik yang sama tandanya yang menggambarkan gelombang. Sebaliknya, sepasang gelombang yang tumpang tindih yang keluar fase, saling mengganggu atau berinterferensi. Proses interferensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi matematik yang berlawanan tanda. Inteferensi sempurna menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar fase manghasilkan simpul. (Gambar 1.2)

_{Gambar 1.2}

            Meskipun sistem gelombang elektron tiga dimensi lebih rumit daripada sistem senar satu dimensi, namun prinsipnya sama. Masing-masing orbital atom dari atom berkelakuan seperti fungsi gelombang dapat mempunyai amplitudo positif atau negatif. Bila orbital mempunyai amplitudo positif dan negatif, maka orbital mempunyai simpul. Satu orbital atom dapat bertumpang tindih dengan orbital atom dari atom lain. Secara matematik, fungsi gelombang yang menggambarkan setiap orbital yang tumpang tindih dijumlahkan bersama. Perhitungan ini dikenal sebagai kombinasi linear dari orbital atom, atau teori (LCAO). Bila orbital yang bertumpang tindih sefase, hasilnya adalah perkuatan dan suatu orbital molekul ikatan. Disisi lain, antaraksi antara orbital atom yang keluar fase menghasilkan inteferensi, yang menimbulkan simpul antara dua inti. Interferensi menuju ke orbital molekul anti-ikatan.

    B. Orbital Ikatan dan Anti-ikatan

Bila sepasang ikatan saling tumpang tindih, maka mereka dapat saling memperkuat atau saling berinterferensi. Penambahan dari dua orbital atom 1s dari dua atom H yang sefase menghasilkan perbuatan dan menghasilkan orbital molekul ikatan σ dengan rapat elektron yang tinggi antara inti yang berikatan.

Bila gelombang berlawanan fase, mereka saling mengganggu. Interferensi dari dua orbital atom yang keluar fase dari dua atom hidrogen memberikan orbital molekul dengan simpul antara inti. Dalam orbital molekul ini, penemuan elektron antara inti sangat rendah. Karena itu, orbital molekul khas ini menimbulkan sistem dimana kedua inti tak dilindungi oleh sepasang elektron, dan intinya saling tolak menolak. Karena tolakan inti, sistem ini energinya lebih tinggi dari pada sistem dua atom H yang mandiri. Orbital berenergi lebih tinggi ini adalah orbital anti ikatan. Dalam hal ini, suatu orbital sigma bintang atau σ yang berarti anti ikatan melindungi orbital σ atau H₂. Energi molekul H₂ dengan dua elektron dalam orbital ikatan σ lebih rendah yaitu sebesar 104 kkal/mol daripada energi gabungan dari dua atom hidrogen yang terpisah. Energi molekul hidrogen dengan elektron dalam orbital anti-ikatan, sebaliknya adalah lebih tinggi daripada energi dua atom hidrogen yang terpisah.

Orbital molekul, seperti orbital atom dapat memegang nol elektron, satu elektron, atau dua elektron yang berpasangan. Kedua elektron dalam molekul hidrogen pergi ke orbital berenergi terendah yang tersedia, yait orbital ikatan σ.

Semua orbital molekul ikatan mempunyai orbital anti-ikatan yang berhubungan dengannya. Dalam setiap keadaan, molekul dengan elektron dalam orbital molekul ikatan mempunyai energi yang lebih rendah daripada energi atom non-ikatan, dan molekul dengan ikatan. Karena orbital anti-ikatan berenergi tinggi, elektron tak umum ditemukan di situ.

Beberapa hal penting yang umum mengenai orbital ikatan dan orbital anti-ikatan:

1.      Setiap orbital (molekul atau atom) dapat memegang maksimum dua elektron, yang harus mempunyai spin berlawanan.

2.      Jumlah orbital molekul sama dengan jumlah orbital atom yang digunakan dalam pembentukannya. Untuk (H₂, dua orbital atom 1s menghasilkan dua orbital molekul).

3.      Dalam pengisian orbital molekul dengan elektron, orbital dengan energi terendah diisi dahulu. Bila dua orbital terdegenerasi (dari energi yang sama), masing-masing mendapat satu elektron sebelum salah satu orbital energi terendah.

   C. Orbital Hibrida Karbon

Karbon mempunyai dua elektron dalam orbital 1s, karenanya orbital 1s merupakan orbital terisi dan tidak digunakan untuk ikatan. Keempat elektron pada tingkat energi keua dari karbon adalah elektron ikatan. Ada empat orbital atom pada tingkat energi dua, satu orbital 2s, dann tiga rbital 2p. Namun demikian, karbon tidak enggunakan keempat orbital dalam keadaan murninya untuk ikatan. Sebagai gantinya, karbon bercampur atau berhibridasi, yaitu empat orbital atom tingkat kedua menurut salah satu dari tiga cara untuk ikatan. Berikut tiga cara tersebut:

     1.    Hibridasi sp³

Hibridisasi menjelaskan atom-atom yang berikatan dari sudut pandang sebuah atom. Untuk sebuah karbon yang berkoordinasi secara tetrahedal (seperti metana, CH₄), maka karbon harus memiliki orbital-orbital yang memiliki simetri yang tepat dengan 4 atom hidrogen. Konfigurasi keadaan dasar karbon adalah 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹.

{\displaystyle C\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \downarrow }{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}\;{\frac {\,\,}{2p_{z}}}}Lebih lanjut lagi, orbital-orbital keadaan dasar tidak bisa digunakan untuk berikatan dalam CH₄. Walaupun eksitasi elektron 2s ke orbital 2p secara teori mengizinkan empat ikatan dan sesuai dengan teori ikatan valensi (adalah benar untuk O₂), hal ini berarti akan ada beberapa ikatan CH₄ yang memiliki energi ikat yang berbeda oleh karena perbedaan aras tumpang tindih orbital. Gagasan ini telah dibuktikan salah secara eksperimen, setiap hidrogen pada CH₄ dapat dilepaskan dari karbon dengan energi yang sama.

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 (orbital inti hampir tidak pernah terlibat dalam ikatan) "bergabung" dengan tiga orbital 2p membentuk hibrid sp³ (dibaca s-p-tiga).

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

Jika kita menrekombinasi orbital-orbital ini dengan orbital-s 4 hidrogen (4 proton, H⁺) dan mengijinkan pemisahan maksimum antara 4 hidrogen (yakni tetrahedal), maka kita bisa melihat bahwa pada setiap orientasi orbital-orbital p, sebuah hidrogen tunggal akan bertumpang tindih sebesar 25% dengan orbital-s C dan 75% dengan tiga orbital-p C. HaL ini sama dengan persentase relatif antara s dan p dari orbital hibrid sp³ (25% s dan 75% p).

2.    Hibridisasi sp²

Senyawa karbon ataupun molekul lainnya dapat dijelaskan seperti yang dijelaskan pada metana. Misalnya etilena (C₂H₄) yang memiliki ikatan rangkap dua di antara karbon-karbonnya. Struktur Kekule metilena akan tampak seperti:

Ethene Lewis Structure. Each C bonded to two hydrogens and one double bond between them.

Karbon akan melakukan hibridisasi sp² karena orbtial-orbital hibrid hanya akan membentuk ikatan sigma dan satu ikatan pi seperti yang disyaratkan untuk ikatan rangkap dua di antara karbon-karbon. Ikatan hidrogen-karbon memiliki panjang dan kuat ikat yang sama. Hal ini sesuai dengan data percobaan.

Dalam hibridisasi sp², orbital 2s hanya bergabung dengan dua orbital 2p {\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}membentuk 3 orbital sp² dengan satu orbital p tersisa. Dalam etilena, dua atom karbon membentuk sebuah ikatan sigma dengan bertumpang tindih dengan dua orbital sp²karbon lainnya dan setiap karbon membentuk dua ikatan kovalen dengan hidrogen dengan tumpang tindih s-sp² yang bersudut 120°. Ikatan pi antara atom karbon tegak lurus dengan bidang molekul dan dibentuk oleh tumpang tindih 2p-2p (namun, ikatan pi boleh terjadi maupun tidak).

Jumlah huruf p tidaklah seperlunya terbatas pada bilangan bulat, yakni hibridisasi seperti sp^2.5 juga dapat terjadi. Dalam kasus ini, geometri orbital terdistorsi dari yang seharusnya. Sebagai contoh, seperti yang dinyatakan dalam kaidah Bent, sebuah ikatan cenderung untuk memiliki huruf-p yang lebih banyak ketika ditujukan ke substituen yang lebih elektronegatif.

3.      Hibridisasi sp

Ikatan kimia dalam senyawa seperti alkuna dengan ikatan rangkap tiga dijelaskan dengan hibridisasi sp.

{\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp}}{\frac {\uparrow \,}{p}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}            Dalam model ini, orbital 2s hanya bergabung dengan satu orbital-p, menghasilkan dua orbital sp dan menyisakan dua orbital p. Ikatan kimia dalam asetilena (etuna) terdiri dari tumpang tindih sp sp antara dua atom karbon membentuk ikatan sigma, dan dua ikatan pi tambahan yang dibentuk oleh tumpang tindih p-p. Setiap karbon juga berikatan dengan hidrogen dengan tumpang tindih s-sp bersudut 180°.

Nitrogen memiliki tiga elektron tak berpasangan pada orbital hibrid sp3, ketika satu elektron dalam orbital hibrida tersebut tereksitasi ke orbital p maka terbentuk hibrida baru, yaitu sp2. Elektron pada orbital p digunakan untuk membentuk ikatan pi. Jadi, atom nitrogen yang terhibridisasi sp2 memiliki satu ikatan pi yang digunakan untuk membentuk ikatan rangkap dua, mirip dengan molekul etena. Apabila elektron yang tereksitasi ke orbital p ada dua maka nitrogen memiliki kemampuan membentuk dua ikatan pi atau satu ikatan rangkap tiga (hibridisasi sp).

Sumber: Fessenden Ralp J, Joan S. Fessendden. 2005. Kimia Organik Jilid 1 Edisi Ketiga.    Terjemahan A.H Pudjaatmaka. Erlangga: Jakarta