Orbital dan Peranannya Dalam Ikatan Kovalen

Orbital dan Peranannya Dalam Ikatan Kovalen

Elektron merupakan partikel yang bermuatan negatif yang berada disekitar inti atom. Seperti yang telah dijelaskan dalam teori atom Bhor bahwa “Elektron mempunyai lintasan orbit tertentu dan elektron dapat tereksitasi kelintasan luar dengan menyerap energi atau tereksitasi ke lintasan dalam mendekati inti atom dengan memancarkan energy “.  Dari pernyataan itu dapat dibayangkan bahwa pada model atom Bohr elektron bergerak mengelilingi inti atom seperti peredaran planet-planet yang mengitari matahari.

Elektron bersifat dualisme yang artinya elektron memiliki sifat sebagai partikel dan gelombang. Pernyataan ini didasarkan pada eksperimen difraksi berkas elektron yang dikemukakan oleh Louis de Broglie.  Sifat partikel dan gelombang suatu materi ini tidak tampak sekaligus, sifat yang tampak  jelas  hal ini bergantung pada perbandingan panjang  gelombang  de Broglie dengan dimensinya serta dimensi sesuatu yang berinteraksi dengannya. Dalam kehidupan nyata asas de Broglie ini bisa di lihat pada momentum petir dan kilat. Dimana kilat akan terjadi terlebih dahulu kemudian akan terdengar suara petir. Dari  peristiwa tersebut dapat diketahui bahwa kilat merupakan sifat  gelombang berwujud cahaya sedangkan petir merupakan sifat partikel yang berupa suara.

Peristiwa tersebut menjadi salah satu fakta  yang mendukung  konsep De Broghlie. Hal inilah yang menjadi dasar dari teori mekanika kuantum yang merupakan teori atom modern yang saat ini digunakan. Teori mekanika kuantum ini dikemukakan oleh Heseinberg , dimana dia menyatakan bahwa “elektron tidak dapat ditentukan keberadaannya secara pasti “. Keberadaan elektron hanya merupakan kebolehjadian  menemukan elektron pada suatu area tertentu. Bisa saja elektron bergerak dari kulit satu ke kulit terakhir.  Hal ini disebabkan tidak mungkin dapat ditentukan posisi sekaligus momentum dari suatu benda bergerak.  Dari pernyataan yang diungkapkan oleh Heseinberg ini muncul prinsip ketidakpastian, dimana prinsip tersebut menunjukkan keterbatasan pengetahuan manusia.

Berdasarkan hipotesis De Broghlie dan Heseinberg sifat atom dalam hal ini dapat dijelaskan dengan lebih baik berdasarkan sifat gelombangnya. Scrodinger mengungkapkan melalui persamaan fungsi gelombang bahwa kebolehjadian menemukan elektron pada area tertentu dikenal dengan konsep orbital yaitu area dimana elektron berpeluang besar ditemukan. Elektron dalam orbital yang bergerak cepat akan membentuk suatu awan elektron . 

  

Awan elektron ini memberikan deskripsi peluang terbesar tempat elektron berada. Gerakan elektron pada tiap orbital membentuk awan dengan pola tertentu misalnya menyerupai bola, bola terpilin atau bentuk lainnya. Gerakan elektron yang sangat cepat ini membentuk ketebalan yang berbeda ditiap ruang orbital. Semakin tebal awan elektron semakin besar peluang elektron untuk ditemukan begitupun sebaliknya. Menurut persamaan fungsi gelombang, distribusi elektron dalam orbital dapat ditentukan melalui 3 bilangan kuantum yaitu :

1)        Bilangan kuantum utama (n = nomor lintasan elektron/kulit )

2)        Bilangan kuantum azimuth (l = menunjukkan sub-lintasan/ sub- kulit)

3)        Bilangan kuantum magnetic (m = harga orbital).

A.      Sifat Gelombang

Gelombang merupakan gejala rambat dari suatu getaran / usikan. Gelombang akan terus terjadi apabila sumber getaran ini terus bergetar terus menerus. Gelombang membawa energi dari satu tempat ketempat yang lain. Gelombang diam merupakan jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, contohnya seperti senar gitar yang kedua ujungnya mati. Pada saat memetik gitar, ketika gitar di petik kebawah maka gelombang bunyi akan kebawah dan jika senar gitar dipetik keatas maka gelombang bunyi akan keatas. 

Dari situasi tersebut diketahui bahwa gelombang diam ini  bergerak hanya dalam satu dimensi. Sedangkan pada gelombang dimensi dua itu dapat dilihat pada pemukulan kepala drum, selain dimensi dua gelombang juga ada yang berdimensi tiga contohnya adalah sistem gelombang elektron. Tinggi gelombang diam adalah amplitudonya yang dapat mengarah keatas (nilai positif) atau mengarah kebawah (nilai negatif) terhadap kedudukan istirahat dari 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. Bila amplitude positif dan negatif dari dua gelombang saling sesuai, kedua gelombang tersebut sefase. Bila tanda matematik dari amplitude 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 tanda  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. Interferensi sempurna menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar fase menghasilkan simpul.

  

CIRI KHAS MODEL ATOM MEKANIKA GELOMBANG

1)   Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya) tidak stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi dari kebolehjadian paling besar ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom).

2)    Bentuk dan ukuran orbital bergantung pada harga dari ketiga bilangan kuantumnya. (Elektron yang menempati orbital dinyatakan dalam bilangan kuantum tersebut).

3)    Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya sesuatu yang pasti, tetapi boleh jadi merupakan peluang terbesar ditemukannya elektron.

B.       Orbital Ikatan dan Anti Ikatan 

Menurut teori orbital molekul, orbital molekul dihasilkan dari interaksi antara dua atau lebih orbital atom. Terjadinya tumpang tindih suatu orbital mengarah pada pembentukan dua orbital atom: satu orbital molekul ikatan dan satu orbital molekul anti-ikatan. Orbital molekul ikatan (bonding molecular orbital) memiliki energi yang lebih rendah dan kestabilan yang lebih besar dibandingkan dengan orbital atom pembentuknya. Orbital molekul anti-ikatan (antibonding molecular orbital) memiliki energi yang lebih tinggi dan kestabilan yang lebih rendah dibandingkan dengan orbital-orbital atom pembentuknya.

Teori orbital molekul (OM) menggambarkan ikatan kovalen melalui istilah orbital molekul yang dihasilkan dari interaksi orbital-orbital atom dari atom-atom yang berikatan dan yang terkait dengan molekul secara keseluruhan (lischer, 2009). Konstruksi orbital molekul dari orbital atom, bagian dalam pembentukan molekul. Separuh dari orbital molekul mempunyai energi yang lebih besar daripada energi orbital atom. Orbital yang dibentuk yaitu orbital molekul pengikatan (bonding) dan orbital molekul antiikatan (anti bonding). Elektron yang tidak mengambil bagian dalam pengikatan disebut elektron tidak berikatan (nonbonding) dan mempunyai energi yang sama dengan energi yang dimiliki atom-atom yang terpisah. Energi –energi relatif dari setiap jenis orbital secara umum terlihat pada gambar berikut ini (Dogra, 1990):

Gambar Kombinasi orbital atom yang membentuk orbital atom

Orbital atom yang mengambil bagian dalam pembentukan orbital molekul harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

1)  Orbital atom yang membentuk orbital molekul harus mempunyai energi yang dapat dibandingkan.

2) Fungsi gelombang dari masing-masing orbital atom harus bertumpang tindih dalam ruangan sebanyak mungkin..

3)    Fungsi gelombang orbital atom harus mempunyai simetri yang relatif sama dengan sumbu molekul.

Yang paling umum membentuk orbital molekul adalah σ (sigma) dan orbital π (pi). Orbital sigma simetris disekitar sumbu antar nuklir. Penampang tegak lurus terhadap sumbu nuklir (biasanya sumbu x) memberikan suatu bentuk elips. Ini terbentuk dari orbital s maupun dari p dan orbital d yang mempunyai telinga sepanjang sumbu antar nuklir. Orbital π terbentuk ketika orbital p pada setiap atom mengarah tegak lurus terhadap sumbu antarnuklir. Daerah tumpang tindih ada di atas dan di bawah sumbu ikatan.

Gambar Bentuk orbital molekul yang terbentuk dari orbital atom

C.      Orbital Hibrida Karbon

1.      Sejarah Perkembangan

Teori hibridisasi dipromosikan oleh kimiawan Linus Pauling dalam menjelaskan struktur molekul seperti metana (CH4). Secara historis, konsep ini dikembangkan untuk sistem-sistem kimia yang sederhana, namun pendekatan ini selanjutnya diaplikasikan lebih luas, dan sekarang ini dianggap sebagai sebuah heuristik yang efektif untuk merasionalkan struktur senyawa organik.

Sangatlah penting untuk dicatat bahwa orbital adalah sebuah model representasi dari tingkah laku elektron-elektron dalam molekul. Dalam kasus hibridisasi yang sederhana, pendekatan ini didasarkan pada orbital-orbital atom hidrogen. Orbital-orbital yang terhibridisasikan diasumsikan sebagai gabungan dari orbital-orbital atom yang bertumpang tindih satu sama lainnya dengan proporsi yang bervariasi. Orbital-orbital hidrogen digunakan sebagai dasar skema hibridisasi karena ia adalah salah satu dari sedikit orbital yang persamaan Schrödingernya memiliki penyelesaian analitis yang diketahui. Orbital-orbital ini kemudian diasumsikan terdistorsi sedikit untuk atom-atom yang lebih berat seperti karbon, nitrogen, dan oksigen. Dengan asumsi-asumsi ini, teori hibridisasi barulah dapat diaplikasikan. Perlu dicatat bahwa kita tidak memerlukan hibridisasi untuk menjelaskan molekul, namun untuk molekul-molekul yang terdiri dari karbon, nitrogen, dan oksigen, teori hibridisasi menjadikan penjelasan strukturnya lebih mudah.

Teori hibridisasi sering digunakan dalam kimia organik, biasanya digunakan untuk menjelaskan molekul yang terdiri dari atom C, N, dan O (kadang kala juga P dan S). Penjelasannya dimulai dari bagaimana sebuah ikatan terorganisasikan dalam metana.
Pembentukan ikatan dalam senyawa harus sesuai dengan aturan hibridisasi yaitu :

1)      Orbital yang bergabung harus mempunyai tingkat energi sama atau hampir sama

2)      Orbital hybrid yang terbentuk sama banyaknya dengan orbital yang bergabung

3)      Dalam hibridisasi yang bergabung adalah orbital bukan electron

2.      Teori Hibridisasi dan Contoh Berbagai Macam Hibridisasi

Hibridasi adalah konsep pencampuran orbital atom menjadi orbital hibrida yang sesuai dengan pasangan elekton untuk membentuk ikatan kimia. Orbital hibrida biasanya mempunyai perbedaan energi dan bentuk. Hibridasi berguna untuk menjelaskan struktur molekuler ketika teori ikatan valensi gagal untuk menjelaskan.

Karbon merupakan contoh yang baik untuk penjelasan orbital hibrida. Konfigurasi atom karbon dalam keadaan ground state adalah:

Berdasarkan teori ikatan valensi, karbon seharusnya membentuk ikatan kovalen, menghasilkan CH₂, karena karbon mempunyai dua elektron tak berpasangan secara konfigurasi elektron. Meskipun demikian, melalui eksperimen dapat ditunjukkan bahwa CH₂ bersifat sangat reaktif dan tidak dapat terbentuk setelah akhir reaksi (meskipun hal ini juga tidak menjelaskan bagaimana CH₄ dapat terbentuk). Untuk membentuk empat ikatan, konfigurasi karbon harus mempunyai empat elektron tidak berpasangan.

Dengan demikian karbon telah mempunyai empat elektron tidak berpasangan, sehingga mempunyai empat energi ikatan yang sama. Hibridisasi orbital juga lebih disukai karena mempunyai energi yang lebih kecil dibandingkan dengan orbital terpisah. Hal tersebut menghasilkan senyawa yang lebih stabil ketika terjadi hibridisasi dan ikatan yang terbentuk juga lebih baik. 

Hibridisasi sp³

Hibridisasi sp³ dapat menjelaskan struktur molekul tetrahedral. Orbital 2s dan tiga orbital 2p melakukan hibridisasi untuk membentuk empat orbital sp, masing-masing terdiri dari 75% karakter p dan 25% karakter s. Cuping depan mensejajarkan diri dan penolakan electron bersifat lemah.

Hibridisasi satu orbital s dengan tiga orbital p (p_x, p_y, dan p_z) menghasilkan empat orbital hibrida sp³ yang mempunyai sudut sebesar 109,5˚ satu sama lain sehingga membentuk geometri tetrahedral.

Hibridisasi sp²

Hibridisasi sp² berguna untuk menjelaskan bentuk struktur molekul trigonal planar. Orbital 2s dan dua orbital 2p melakukan hibridisasi membentuk tiga orbital sp, masing – masing terdiri dari 67% karakter p dan 33% karakter s. Cuping depan mensejajarkan diri membentuk trigonal (segitiga) planar, menghadap sudut segitiga untuk meminimalisasi penolakan elektron.

Hibridisasi satu orbital s dan dua orbital p menghasilkan tiga orbital hibrida sp² yang berorientasi dengan sudut sebesar 120˚ satu sama lain sehingga membentuk geometri trigonal (segitiga).

Hibridasi sp

Hibridasi sp dapat digunakan untuk menjelaskan struktur molekul linier. Orbital 2s dan satu orbital 2p melakukan hibridisasi membentuk dua orbital sp, masing – masing  terdiri dari 50% karakter p dan 50% karakter s.

Cuping depan berhadapan satu sama lain dan membentuk garis lurus 180˚ antara dua orbital.

Permasalahan: 
Bagaimanakah hubungan anatara sifat partikel dengan gelombang dalam model mekanika kuantum? 

Literatur:

Fessenden RJ and JS. Fessenden, Kimia Organik, Jilid 1, 3ed. Terjemahan A.H. Pudjatmaka, Penerbit Erlangga, 2005.

http://sriwahyuningsihd.blogspot.co.id/2016/09/otbital-dan-peranannya-dalam-ikatan.html

https://books.google.co.id/books?id=KzN5SOR1A-4C&pg=PA221&lpg=PA221&dq=sifat+gelombang+pada+orbital&source=bl&ots=6Sb8tZqih5&sig=OdXIxRZj28_rspjFQ2RXRoednwY&hl=id&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=sifat%20gelombang%20pada%20orbital&f=false