atom dan molekul suatu tinjauan ulang

Atom dan Molekul Suatu Tinjauan Ulang

Sekitar tahun 1850, kimia organik didefinisikan sebagai kimia dari senyawa yang datang dari benda hidup sehingga timbul istilah organik. Definisi ini mulai usang sekitar tahun 1900. Pada saat itu, ahli kimia mensintesa senyawa kimia baru di laboratorium, dan banyak dari senyawa baru ini tak mempunyai hubungan dengan benda hidup. Pada saat ini kimiaa organik didefinisikan sebagai kimia senyawa karbon. efinisi ini pun tak terlalu tepat, karena beberapa senyawa karbon seperti karbon dioksida, natrium karbonat, dan kalium sianida dianggap sebagai anorganik. Namun demikian, definisi ini diterima karena semua senyawa organik mengandung karbon.

a.       Orbital Atom

Kita tak dapat menetapkan  dengan tepat posisi relatif sebuah elektron terhadap inti atom. Sebagai gantinya kita harus mengandalkan teori kuantum untuk menggambarkan posisi yang paling mungkin dari sebuah elektron. Tiap kulit elekton suatu atom dibagi menjadi orbital atom, orbital atom adalah bagian dari ruang dimana kebolehjadian ditemukannya sebuah elektron dengan kadar energi yang khas adalah tinggi (90-95%). Rapat elektron adalah istilah lain yang digunakan untuk menggambarkan kebolehjadian ditemukannya elektron pada titik tertentu, rapat elektron yang lebih tinggi, berarti kebolehjadiannya lebih tinggi, sedangkan rapat elektron yang lebih rendah berarti kebolehjadiannya juga rendah.

Kulit elektron pertama hanya mengandung orbital bulat 1s. Kebolehjadiannya untuk menemukan elektron 1s adalah tertinggi dalam bulatan ini. Kulit kedua yang agak berjauhan dari inti daripada kulit pertama, mengandung satu orbital 2s dan tiga orbital 2p. Orbital 2s, seperti orbital 1s, adalah bulat. Kulit elektron ketiga mengandung satu orbital 3s, tiga orbital 3p, dan juga lima orbital 3d.

b.      Pengisisan Orbital

Elektron mempunyai spin, yang dapat berputar menurut arah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam (+1/2 atau -1/2). Spin dari partikel bermuatan, menimbulkan medan magnet kecil, atau momen magnet, dan dua dengan elektron dengan spin berlawanan mempunyai momen magnet berlawanan. Tolakan antara muatan negatif dari dua elektron dengan spin berlawanan dikurangi oleh momen magnet yang berlawanan, yang memungkinkan dua elektron demikian untuk saling berpasangan dalam orbital. Dengan alasan ini, setiap orbital dapat mempunyai maksimum dua elektron, tetapi elektron-elektron tersebut harus berlawanan spin. Karena jumlah orbital pada tiap tingkat energi (satu pada tingkat energi pertama, empat pada kedua, da sembilan pada ketiga), maka berturut-turut tiga tingkat energi dapat mengandung dua, delapan, dan 18 elektron.

Prinsip aufbau (Jerman) mengatakan bahwa apabila kita maju dari atom hidrogen (nomor atom 1) ke atom-atom dengan nomor atom yang lebih tinggi, maka orbital terisi oleh elektron sedemikian rupa sehingga orbital yang berenergi terendah terisi lebih dulu. Atom hidrogen mempunyai elektron tunggal dalam orbital 1s. Unsur berikutnya, helium (nomor atom 2) mempunyai elektron keduanya juga dalam orbital 1s. Kedua elektron dalam orbital ini berpasangan.

Suatu pemerian mengenai struktur elektron dari unsur disebut konfigurasi elektron. Konfigurasi elektron untuk H adalah 1s¹, yang berarti satu elektron (superskrip 1) dalam orbital 1s. Untuk He, konfigurasi elektronnya adalah 1s², yang berarti dua elektron (superskrip 2) dalam orbital 1s. Litium (nomor atom 3) mempunyai dua elektron dalam orbital 1s dan satu elektron dalam orbital 2s. konfigurasi elektronnya 1s² 2s¹.

c.       Jari-jari Atom

Jari-jari atom adalah jarak dari pusat inti ke elektron paling luar. Jari-jari atom ditentukan dengan mengukur panjang ikatan (jarak antara inti) dalam senyawa kovalen seperti pada Cl-Cl atau H-H dan kemudian membaginya dengan dua. Karena itu, jari-jari atom sering disebut jari-jari kovalen. Nilai jari-jari biasanya diberikan dalam Angstrom (Å)  dengan 1 Å = 10^-8 cm.

Jari-jari atom berubah-ubah bergantung pada besarnya tarikan antara inti dan elektronnya. Makin besar tarikan, makin kecil jari-jari atomnya. Faktor apa yang mempengaruhi tarikan ini? Faktor-faktor yang paling penting adalah jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron.

Inti dengan jumlah proton yang lebih besar mempunyai tarikan yang lebih besar terhadap elektron-elektronnya, termasuk elektron paling luar. Perhatikan unsur deret kedua dari susunan berkala (litium sampai fluor). Atom dari tiap unsur ini hanya mempunyai elektron dalam dua kulit elektron pertama. Apabila kita maju tahap demi tahap dari litium sampai fluor, maka satu proton ditambahkan pada inti. Pada setiap tahap, inti mempunyai tarikan untuk elektron yang lebih besar dari jari-jari atom berkurang. Bila kita bergerak dari atas ke bawah dalam satu golongan dari susunan berkala, jumlah kulit elektron bertambah dan karenannya, jari-jari atom bertambah juga.

d.      Keelektronegatifan

Keelektronegatifan adalah ukuran kemampuan atom untuk menarik elektron luarnya, atau elektron valensi. Karena elektron luar dari atom yang digunakan untuk ikatan, maka keelektronegatifan berguna dalam meramalkan dan menerangkan kereaktifan kimia. Seperti jari-jari atom, keelektronegatifan dipengaruhi oleh jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron. Makin besar jumlah proton berarti makin besar muatan inti positif, dan dengan demikian tarikn untuk elektron ikatan bertambah. Karenanya, keelektronegatifan bertambah dari kiri ke kanan untuk periode tertentu dari susunan berkala.

Tarikan antara partikel yang berlawanan muatan bertambah dengan berkurangnya jarak antara partikel. Jadi, keelektronegatifan bertambah apabila kita maju dari bawah ke atas dalam golongan tertentu dari susunan berkal, karena elektron valensi lebih dekat ke inti.

Skala Pauling adalah skala numerik dari keelektronegatifan. Skala ini diturunkan dari perhitungan energi ikatan untuk berbagai unsur yang terikat oleh ikatan kovalen. Dalam skala Pauling, Flour unsur yang paling elektronegatif, mempunyai nilai keelektronegatifan 4. Litium, keelektronegatifannya rendah, mempunyai nilai 1. Suatu unsur dengan keelektronegatifan yang sangat rendah (seperti litium) kadang-kadang disebut unsur elektropositif. Karbon mempunyai nilai keelektronegatifan menengah 2,5.

e.       Panjang Ikatan dan Sudut Ikatan

Jarak yang memisahkan inti dari dua atom yang terikat kovalen disebut panjang ikatan.

Panjang kovalen yang dapat ditentukan secara eksperimental, mempunyai selang harga dari 0,47 Å sampai 2 Å.

            Bila ada lebih dari dua atom dalam molekul, ikatan membentuk sudut, yang disebut sudut ikatan. Sudut ikatan bervariasi dari kira-kira 60⁰ sampai 180⁰.

            Kebanyakan struktur organik mengandung lebih dari tiga atom, dan lebih bersifat berdimensi-tiga, daripada berdimensi-dua. rumus struktur yang terdahulu untuk amoniak (NH₃) menggambarkan satu teknik untuk menyatakan suatu struktur dimensi-tiga. Ikatan garis (¾) menyatakan ikatan dalam bidang kertas. Baji padat (   ¾     ) menyatakan suatu ikatan yang keluar dari kertas menuju ke pengamat; H pada ujung yang lebar dari baji padat ada dimuka kertas. Baji yang patah-patah (      ¾     ) menyatakan ikatan yang menunjuk ke belakang kertas; H pada ujung yang sempit dari baji yang patah-patah ada di belakang kertas.

f.       Energi Disosiasi

Bila atom saling terikat membentuk molekul, energi dilepaskan (biasanya sebagai kalor atau cahaya). Jadi, untuk molekul agar terionisasi menjadi atom-atomnya harus diberikan energi.

Ada dua cara agar ikatan dapat terionisasi. Cara pertama cara adalah karena pemaksapisahan heterolitik ( Yunani, hetero, “berbeda”), dalam kedua elektron ikatan dipertahankan pada satu atom. Hasil pembelahan heterolitik adalah sepasang ion.

Suatu panah lengkung digunakan dalam persamaan-persamaan ini meunjukkan arah kemana pasangan elektron bergerak selama pemusatan ikatan. Dalam pemaksapisahan heterolitik dari HCl atau H₂O, elektron ikatan dipindahkan ke Cl atau O yang lebih elektronegatif.

Cara yang kedua adalah pemaksapisahan homolitik ( Yunani, homo,  “sama”). Dalam hal ini setiap atom yang turut dalam ikatan kovalen menerima satu elektron dari pasangan yang saling dibagi yang asli. Yang dihasilkan adalah atom yang secara listrik netral atau gugus atom.

     Pemaksapisahan homolitik lebih berguna daripada pemaksapisahan heterolitik dalam penentuan energi yang diperlukan untuk disosiasi ikatan karena perhitungan tak disulitkan oleh tarikan ionik antara hasilnya. Dari penentuan komponen gas yang terdisosisasi pada suhu tinggi, perubahan entalpi ∆H ( perubahan kadar kalor) telah dihitung untuk sejumlah besar disosiasi ikatan.  

Energi disosiasi ikatan memungkinkan ahli kimia untuk menghitung kestabilan relatif dari senyawa dan meramalkan (sampai taraf tertentu) sebab-sebab reaksi kimia. Misalnya satu reaksi yang akan dibahas kemudian dalam teks ini adalah khlorinasi metana, CH₄:

Apakah reaksi ini eksoterm (melepaskan energi) atau endoterm (menyerap energi)? Reaksi dapat dipecah menjadi bagian-bagian komponennya dan dihitung dari energi disosiasi ikatan masing-masing, apakah energi akan dilepaskan atau diperlukan. Makin besar jumlah energi yang dilepaskan, makin menguntungkan bagi reaksi.

a.       Asam dan Basa

Menurut konsep Bronsted Lowry mengenai asam dan basa adalah zat yang dapat memberikan ion hidrogen yang bermuatan positif (H⁺) contohnya HCl dan HNO₃. Basa adalah zat yang dapat menerima H⁺ contohnya adalah OH^- dan NH₃.

·         Asam dan Basa Kuat dan Lemah

Asam kuat adalah asam yang pada dasarnya mengalami disosiasi sempurna dalam air. Asam kuat yang representatif adalah HCl, HNO_3, H2SO₄. Ionisasi dari asam-asam kuat ini adalah reaksi asam basa yang khas. Asam HCl misalnya memberikan proton kepada basa H₂O. Kesetimbangan terletak jauh ke kanan (ionisasi sempurna dari HCl) karena H₂O merupakan asam lebih kuat daripada H₃O⁺. Asam lemah hanya terionisasi sebagian dalam air. Asam karbonat adalah asam anorganik lemah yang khas. Kesetimbangan letaknya jauh ke kiri karena H₃O⁺ adalah asam yang lebih kuat dan HCO₃^- adalah basa yang lebih kuat.

·         Asam dan Basa Konjugat

Konsep asam dan basa konjugat berguna untuk membandingkan keasaman dan kebasaan. Basa konjugat dari asam adalah ion atau molekul yang dihasilkan setelah kehilangan H⁺ dari asamnya. Misalnya ion klorida adalah basa konjugat dari HCl. Asam konjugat dari NH₃ adalah NH₄⁺. Jika suatu asam itu kuat, maka konjugatnya lemah. dan bila asam lemah atau sangat lemah, basa konjugatnya adalah sedang kuatnya atau kuat, bergantung pada afinitas basa konjugat untuk H^+. Jika kekuatan asam dari deret senyawa bertambah, kekuatan basa dari basa konjugatnya berkurang.

b.      Asam dan Basa Lewis

Asam Lewis adalah zat yang dapat menerima sepasang elektron. Setiap spesies dengan atom yang kekurangan elektron yang dapat berfungsi sebagai asam Lewis, misalnya H+ adalah asam lewis. Kebanyakan asam Lewis selain H⁺ yang dijumpai dalam buku ini  adalah garam logam anhidrat ( ZnCl₂, FeCl₃, dan AlBr₃).  Basa Lewis adalah zat yang dapat memberikan sepasang elektron. Contoh NH₃ dan OH^-, masing-masing mempunyai sepasang elektron valensi yang menyendiri yang dapat disumbangkan ke H⁺ atau asam Lewis lainnya.

c.       Tetapan Keasaman

Suatu reaksi kimia mempunyai tetapan kesetimbangan K yang menggambarkan seberapa jauh reaksi berlangsung sampai berkesudahan. Untuk ionisasi dari suatu asam dalam air, tetapan ini disebut tetapan keasaman K_a. Tetapan kesetimbangan ditentukan oleh persamaan umum berikut ini, dengan nilai konsentrasiyang diberikan dalam kemolaran, M:

 

a.       Tetapan Kebasaan

Reaksi reversibel dari basa lemag dengan air, seperti reaksi dari asam lemah dengan air, menghasilkan konsentrasi ion yang kecil, tetapi tetap pada kesetimbangan. Tetapan kebasaan K_b adalah tetapan kesetimbangan untuk reaksi ini. Seperti dalam hal K_a, nilai

[ H₂O ] tercakup dalam K_b dalam ungkapan kesetimbangan.