Ikatan kimia adalah aksi tarik menarik antar atom yang membentuk senyawa kimia. Ikatan tersebut mungkin berasal dari gaya elektrostatik antar atom yang memiliki muatan yang berlawanan, atau melalui penyebaran elektron dalam ikatan kovalen. Kekuatan ikatan kimia sangat bervariasi, ada "ikatan kuat" seperti ikatan kovalen atau ikatan ion dan "ikatan lemah" seperti interaksi dipol-dipol, gaya dispersi london, dan ikatan hidrogen.
Muatan yang berlawanan bereaksi melewati gaya elektromagnetik sederhana, dimana elektron bermuatan negatif yang mengorbit nukleus dan proton bermuatan positif pada nukleus saling menarik satu sama lain. Sebuah elektron yang berada diantara dua nukleus akan bereaksi dengan keduanya, dan nukleus dalam keadaan seperti ini akan menarik elektron-elektron. Daya tarik tersebut merupakan ikatan kimia. Karena sifat gelombang materi elektron dan massa elektron yang lebih kecil, elektron harus menempati atom yang volumenya lebih besar dibandingkan dengan nukleus, dan volume yang ditempati elektron ini membuat inti atom relatif berjauhan jika dibandingkan dengan ukuran inti atom itu sendiri. Fenomena ini membatasi jarak antara nuklei dan atom pada sebuah ikatan.
 |
| Contoh struktur Lewis yang menggambarkan ikatan kimia antara karbon (C), hidrogen (H), dan oksigen (O). Struktur Lewis adalah cara awal untuk menjelaskan ikatan kimia dan masih digunakan secara luas hingga kini. |
Umumnya, ikatan kimia kuat dihubungkan dengan persebaran atau transfer elektron antara atom yang terlibat. Atom pada molekul, kristal, logam, dan gas diatomik diikat oleh ikatan kimia, yang menentukan struktur dan sebagian besar sifat materi.
Semua ikatan dapat dijabarkan oleh teori kuantum, namun dalam prakteknya, aturan yang lebih sederhana membuat kimiawan dapat memprediksi kekuatan, arah, dan polaritas ikatan. Aturan oktet dan teori penolakan pasangan kulit elektron valensi (teori VSEPR) adalah dua contoh. Teori lainnya yang lebih mutakhir adalah teori ikatan kovalen yang termasuk hibridisasi orbital dan resonansi; dan teori orbital molekul yang termasuk kombinasi linear orbital atom dan teori medan ligan. Elektrostatis digunakan untuk menjabarkan polaritas ikatan dan pengaruhnya terhadap zat kimia.
1. Ikhtisar Jenis Utama Ikatan Kimia
Ikatan kimia adalah daya tarik antara atom-atom. Daya tarik ini bisa terlihat sebagai hasil dari perbedaan sifat atom terluar atau elektron valensi. Meskipun semua sifat tersebut bergabung satu sama lain secara mulus dalam situasi ikatan yang bervariasi sehingga tidak ada garis yang jelas untuk ditarik diantara mereka, sifat atom menjadi sangat berbeda secara kualitatif sehingga sifat ikatan berubah secara kuantitatif. Hal itu berguna untuk membedakan antara ikatan yang menyebabkan perbedaan sifat materi terkondensasi.
Dalam pandangan sederhana tentang ikatan kovalen, satu atau lebih elektron (seringkali sepasang elektron) digambarkan berada diantara dua nukleus atom. Reduksi elektron dari pembentukan ikatan tidak datang dari reduksi energi potensial, melainkan daya tarik antara dua elektron untuk dua proton yang diimbangi oleh tolakan elektron-elektron dan proton-proton. Sebagai gantinya, reduksi energi secara keseluruhan muncul dari reduksi energi kinetik karena orbital elektron lebih terdistribusi secara spasial dan sebatas kedekatannya dengan nukleus. Ikatan tersebut muncul diantara dua atom tertentu dan memiliki arah, membuatnya terlihat sebagai garis tunggal diantara atom.
Pada ikatan kovalen polar, satu atau lebih elektron terbagi secara merata antara dua nukleus. Ikatan kovelen seringkali menghasilkan pembentukan atom yang terhubung baik yang disebut molekul, dimana dalam wujud padat dan cair terikat ke molekul lain oleh gaya yang seringkali lebih lemah daripada ikatan kovalen. Ikatan antar molekul yang lemah ini membentuk zat molekul organik seperti lilin dan minyak yang lembut dan memiliki titik leleh yang rendah. Ketika ikatan kovalen mengikat rantai panjang atom dalam molekul besar (seperti pada polimer contohnya nilon) atau ketika ikatan kovalen memperpanjang jaringan melalui padatan yang tidak terdiri dari molekul diskrit (seperti intan atau mineral pada kebanyakan jenis batu), struktur tersebut menjadi kuat. Titik leleh pada polimer kovalen meningkat drastis.
Dalam pandangan sederhana tentang ikatan ion, ikatan elektron tidak semuanya terbagi, melainkan di transfer. Dalam ikatan jenis ini, orbital atom terluar dari sebuah atom memiliki kekosongan yang dapat ditambah oleh satu atau lebih elektron. Elektron yang baru ditambahkan ini berpotensi mengisi energi yang lebih rendah (secara efektif lebih dekat ke muatan inti yang lebih besar) kemudian dicoba lagi ke atom yang berbeda. Kemudian, satu nukleus menawarkan posisi ikatan yang lebih ketat terhadap elektron dibandingkan nukleus lain, yang membuat satu atom mungkin mentransfer elektron ke atom lain. Transfer ini menyebabkan satu atom menganggap memiliki muatan positif, dan yang lainnya menganggap memiliki muatan negatif. Ikatan kemudian terbentuk dari daya tarik elektrostatik antara atom dan atom yang menjadi ion muatan positif atau negatif. Ikatan ion mungkin dapat dilihat sebagai contoh ekstrem terhadap polarisasi dalam ikatan kovalen. Seringkali, ikatan tidak memiliki orientasi partikuler di ruangan sejak ikatan tersebut berasal dari daya tarik elektrostatis terhadap ion ke semua ion di sekelilingnya. Ikatan ion termasuk kuat (dan substansi ion memerlukan suhu tinggi untuk meleleh) namun juga rapuh karena gaya antara ion berjarak pendek dan tidak mudah membentuk keretakan atau patahan. Jenis ikatan ini memberikan karakter fisik kristal pada garam mineral, seperti garam meja.
Jenis ikatan yang jarang disebut adalah ikatan logam. Dalam jenis ikatan ini, masing-masing atom logam menyumbang satu atau lebih elektron ke sebuah "lautan" elektron yang berada diantara banyak atom logam. Di lautan ini, setiap elektron bebas bergabung dengan atom apapun dalam waktu bersamaan. Ikatan terjadi karena atom logam menjadi bermuatan positif karena kehilangan elektron ketika elektron tersebut menarik banyak atom, tanpa menjadi bagian dari atom yang melepaskannya tersebut. Ikatan logam dapat dilihat sebagai contoh ekstrem delokalisasi elektron terhadap sistem ikatan kovalen, dimana semua atom berpartisipasi. Jenis ikatan ini seringkali sangat kuat (berasal dari daya tarik logam). Namun, ikatan logam lebih kolektif di alam ketimbang jenis lain. Lautan elektron pada ikatan logam menyebabkan logam menjadi penghantar listrik dan panas yang baik serta memantulkan banyak cahaya putih.
2. Sejarah Ikatan Kimia
Spekulasi awal terhadap ikatan kimia terjadi pada abad ke-12 masehi dimana terdapat teori bahwa beberapa jenis zat kimia bergabung berdasarkan jenis afinitas kimianya. Pada tahun 1704, terdapat teori Sir Isaac Newton tentang ikatan atom yang terkenal, pada bab 31 dalam bukunya yang berjudul Opticks, dimana atom menempel satu sama lain oleh sejenis "gaya". Secara spesifik, setelah mengakui beberapa teori terkenal pada waktu ini, atom-atom dianggap menempel satu sama lain, seperti "atom berkait", "direkatkan dengan lem", atau "tertancap bersama oleh suatu gerakan". Newton menyatakan bahwa dia dapat menyimpulkan dari kohesinya, bahwa "partikel menarik satu sama lain oleh suatu gaya, pada jarak pendek membentuk operasi kimia, dan menjangkau partikel yang tidak jauh dengan beberapa efek yang dapat diketahui."
Pada tahun 1819, berdasarkan pada penemuan tumpukan volta, Jöns Jacob Berzelius mengembangkan teori kombinasi kimia yang menekankan pada sifat elektronegatif dan elektropositif kombinasi atom. Pada pertengahan abad ke-19, Edward Frankland, F.A. Kekulé, A.S. Couper, Alexander Butlerov, dan Hermann Kolbe, membentuk teori radikal dan mengembangkan teori valensi, dimana senyawa bergabung ke penarikan kutub positif dan negatif. Pada tahun 1916, kimiawan Gilbert N. Lewis mengembangkan konsep ikatan pasangan elektron, dimana dua atom dapat berbagi satu atau enam elektron kemudian membentuk ikatan elektron tunggal, ikatan ganda, atau ikatan tiga. Menurut Lewis, "sebuah elektron mungkin membentuk bagian kulit dari dua atom yang berbeda dapat tidak dapat dikatakan salah satunya eksklusif."
Pada tahun yang sama, Walther Kossel membentuk teori yang mirip dengan teori Lewis. Hanya saja modelnya berasumsi terdapat transfer elektron diantara atom sehingga membentuk ikatan ion. Lewis dan Kossel membentuk model ikatannya berdasarkan aturan Abegg (1904).
Pada tahun 1927, penjelasan kuantum secara matematis terhadap ikatan kimia sederhana pertama kali dirumuskan oleh fisikawan Denmark Oyvind Burrau. Contohnya adalah H2+ yang dibuat dengan menambahkan satu elektron pada molekul hidrogen. Hasil pekerjaannya menunjukkan bahwa pendekatan kuantum pada ikatan kimia merupakan fundamental dan benar secara kuantitatif, namun metode matematisnya tidak dapat dikembangkan pada molekul yang memiliki lebih dari satu elektron. Pendekatan yang lebih praktis, meskipun kurang kuantitatif, muncul di tahun yang sama oleh Walter Heitler dan Fritz London. Metode Heitler-London membentuk dasar dari apa yang sekarang kita sebut sebagai teori ikatan valensi. Pada tahun 1929, metode kombinasi linear orbital atom orbital molekul diperkenalkan oleh John Lennard-Jones, yang juga mensugesti metode untuk memperoleh struktur elektronik molekul F2 (flor) dan molekul O2 (oksigen), dari prinsip dasar kuantum. Teori orbital molekul ini merepresentasikan ikatan kovalen sebagai sebuah orbital yang dibentuk dengan mengkombinasikan beberapa orbital atom mekanikal kuantum Schrödinger yang dijadikan hipotesis untuk elektron pada sebuah atom. Penghitungan ikatan elektron dalam atom multi-elektron tidak dapat diselesaikan secara matematis dengan akurat (misalnya dengan analitis), namun perkiraannya masih dapat memberikan prediksi dan hasil kuantitatif yang baik. Kebanyakan penghitungan kuantitatif kimia kuantum modern menggunakan baik itu ikatan valensi ataupun teori orbital molekuler sebagai titik awal, meskipun teori fungsional densitas lebih banyak digunakan pada saat ini.
Pada tahun 1933, H. H. James dan A. S. Coolidge melakukan penghitungan pada molekul dihidrogen yang tidak menggunakan penghitungan sebelumnya dimana hanya menggunakan jarak elektron pada inti atom, melainkan menggunakan fungsi yang juga menambahkan jarak antara dua elektron. Dengan 13 parameter yang disesuaikan, mereka mendapatkan hasil yang sangat dekat dengan hasil eksperimen untuk energi disosiasi. Kemudian mereka menggunakan 54 parameter dan mendapatkan hasil yang sempurna. Hasil penghitungan ini meyakinkan komunitas ilmuwan bahwa teori kuantum dapat disepakati dengan eksperimen. Namun pendekatan ini tidak memiliki gambaran fisik dari ikatan valensi dan teori orbital molekuler dan sulit untuk mengembangkannya pada molekul yang lebih besar.
3. Ikatan pada Rumus Kimia
Dengan kenyataan bahwa atom dan molekul merupakan tiga dimensi membuatnya sulit untuk menggunakan teknik tunggal untuk mengindikasi orbital dan ikatan. Pada rumus molekuler, ikatan kimia antar atom dapat diindikasi oleh berbagai metode berdasarkan tipe diskusinya. Contohnya, dalam kimia organik, kimiawan sesekali hanya memperhatikan kelompok fungsional molekul. Dengan demikian, rumus molekuler etanol dapat ditulis dalam sebuah kertas dalam bentuk konformasi, bentuk tiga dimensi, bentuk dua dimensi penuh, dan bentuk dua dimensi terkompresi (CH3-CH2-OH), dengan memisahkan kelompok fungsional dari bagian molekul lain (C2H5OH), atau oleh unsur atom (C2H6O), berdasarkan apa yang didiskusikan. Sesekali, bahkan kulit valensi elektron tidak terikat (dengan arah dua dimensi) ikut ditandai. Contohnya untuk unsur karbon 'C'. Beberapa kimiawan juga menandai masing-masing orbital. Contoh, hipotesis anion etana-4 (\/C=C/\ -4) menandakan kemungkinan pembentukan ikatan.
4. Ikatan Kimia Kuat
Ikatan kimia kuat adalah gaya intramolekuler yang mengikat beberapa atom bersamaan dalam molekul. Ikatan kimia kuat terbentuk dari transfer atau berbagi elektron antara inti atom dan bergantung pada daya tarik elektrostatis antara proton pada nuklei dan elektron pada orbital.
Jenis-jenis ikatan kuat berbeda berdasarkan perbedaan keelektronegatifan unsurnya. Semakin besar perbedaan keelektronegatifannya maka semakin bersifat polar (ion) ikatan tersebut.
4.1. Ikatan Ion
Ikatan ion adalah jenis interaksi elektrostatis antar atom yang memiliki perbedaan keelektronegatifan yang besar. Tidak ada nilai patokan yang presisi untuk membedakan ikatan ion dengan ikatan kovalen, namun perbedaan keelektronegatifan yang lebih besar dari 1,7 cenderung merupakan ikatan ion dan yang lebih kecil dari 1,7 cenderung merupakan ikatan kovalen. Ikatan ion memisahkan ion positif dan negatif. Muatan ion umumnya antara -3e sampai +3e. Ikatan ion umumnya terjadi pada logam garam seperti sodium klorida (garam meja). Salah satu ciri lain dari ikatan ion adalah unsurnya berubah bentuk menjadi kristal ion. Masing-masing ion dikelilingi oleh ion bermuatan yang berlawanan. Dalam ikatan ion, sulit untuk menyatukan sebuah ion dengan atom terionisasi spesifik lain di dekatnya. Situasi ini tidak seperti kristal kovalen, dimana ikatan kovalen antara atom yang spesifik tetap bisa terjadi dalam jarak yang lebih dekat diantara atom tersebut.
Kristal ion mungkin mengandung campuran dari ikatan ion dan kovalen seperti garam dari asam kompleks, contohnya sodium sianida (NaCN). Difraksi X-ray menunjukkan bahwa di dalam NaCN, ikatan antara kation sodium (Na+) dan anion sianida (CN-) adalah ikatan ion, dengan tidak ada ion sodium yang menyatu dengan sianida, Namun, ikatan antara atom C dan N dalam sianida merupakan ikatan kovalen dimana hanya satu karbon dan nitrogen menyatu dalam bentuk berlawanannya, yang secara fisik lebih dekat daripada karbon dan nitrogen lain di kristal sodium sianida.
Ketika kristal meleleh menjadi cair, ikatan ion yang pertama kali hancur karena mereka tidak memiliki arah sehingga atomnya bisa berpindah secara bebas. Seperti katika garam dilarutkan ke dalam air, ikatan ion hancur akibat interaksi dengan air, namun ikatan kovalen berlanjut. Contoh, dalam larutan seperti ion sianida tetap berikat bersama dalam ion CN- dan berpindah secara independen di larutan, sama halnya dengan ion sodium. Di dalam air, ion bermuatan berpindah sendiri-sendiri karena ada atom yang lebih mudah menarik molekul air ketimbang dengan atom lain. Ikatan antara ion dan molekul air dalam sebuah larutan termasuk ikatan kimia dipol-dipol lemah. Dalam senyawa ion yang sudah meleleh, ion berlanjut menarik ion lain, namun tidak dalam bentuk kristal.
4.2. Ikatan Kovalen
 |
| Ikatan kovalen nonpolar pada metana (CH4). Struktur Lewis menunjukkan elektron yang terbagi antara atom C dan H. |
Ikatan kovalen adalah jenis ikatan yang paling umum, dimana perbedaan keelektronegatifan antara atom yang terikat kecil atau tidak ada. Ikatan dengan lebih banyak senyawa organik tergolong ikatan kovalen.
Ikatan kovalen polar adalah ikatan kovalen dengan sifat ion yang signifikan. Ini berarti bahwa elektron lebih dekat dengan atom dibandingkan yang lain dan membentuk ketidakseimbangan muatan. Ikatan ini terjadi pada ikatan antara dua atom dengan perbedaan keelektronegatifan sedang dan dengan interaksi dipol-dipol. Keelektronegatifan ikatan kovalen polar adalah antara 0,3 sampai 1,7.
Ikatan kovalen koordinasi adalah ikatan dimana kedua elektron terikat membentuk satu atom yang terlibat dalam suatu ikatan. Ikatan ini memunculkan asam dan basa Lewis. Elektron terbagi antara atom dalam ikatan ion. Contoh ikatan kovalen koordinasi adalah ion amonium (NH4+) dan ditunjukkan oleh sebuah tanda panah yang menunjuk pada asam Lewis. Ikatan kovalen koordinasi juga disebut ikatan kovalen non-polar. Keelektronegatifan ikatan ini adalah antara 0 sampai 0,3.
Molekul yang kebanyakan terbentuk dari ikatan kovalen non polar sering bercampur dengan air atau larutan polar lain, namun lebih banyak bercampur dengan larutan non-polar seperti heksana.
4.2.1. Ikatan Tunggal dan Ganda
Ikatan tunggal antara dua atom berhubungan dengan pembagian sepasang elektron. Kerapatan elektron pada dua ikatan elektron terkonsentrasi di daerah antara dua atom, yang didefinisikan sebagai ikatan sigma.
Ikatan ganda antara dua atom terbentuk oleh pembalian dua pasang elektron, satu di ikatan sigma dan satu di ikatan pi, dengan kerapatan elektron terkonsentrasi pada dua sisi berlawanan poros antar inti. Ikatan triple terdiri dari tiga pasangan elektron, membentuk satu ikatan sigma dan dua ikatan pi.
Ikatan quadruple dan lebih dari itu sangat langka dan hanya terjadi antara atom logam transisi.
4.3. Ikatan Logam
Dalam ikatan logam, elektron yang berikatan mengalami delokalisasi terhadap kisi atom. Pada senyawa ion, lokasi elektron terikat dan muatannya tergolong statis. Ikatan elektron yang bebas berpindah atau mengalami delokalisasi membentuk sifat logam seperti bersilau ketika terkena cahaya, konduktor listrik dan panas, elastis, dan memiliki daya tarik yang tinggi.
5. Ikatan Antar Molekul
Terdapat empat jenis dasar ikatan antara dua atau lebih molekul, ion, atau atom. Gaya intermolekuler menyebabkan molekul dapat saling menarik atau menolak satu sama lain. Seringkali, gaya ini menjelaskan beberapa sifat fisik dari sebuah substansi (seperti titik leleh).
- Perbedaan keelektronegatifan yang besar antara dua atom terikat menyebabkan pemisahan muatan permanen atau dipol dalam sebuah molekul atau ion. Dua atau lebih molekul atau ion dengan dipol permanen dapat berinteraksi dengan interaksi dipol-dipol. Ikatan elektron dalam sebuah molekul atau on rata-rata lebih dekat dengan atom dengan keelektronegatifan tinggi, hal tersebut memberikan muatan ke masing-masing atom sehingga terjadi gaya elektrostatis antara molekul atau ion.
- Ikatan hidrogen atau contoh dalam sebuah interaksi antara dua dipol permanen. Perbedaan keelektronegatifan antara hidrogen dan flor, nitrogen, dan oksigen, menyatu dengan pasangan ion elektron yang menyebabkan gaya elektrostatis yang kuat antara molekul. Ikatan hidrogen menyebabkan terjadinya titik didih yang tinggi pada air dan amonia.
- Gaya dispersi London muncul karena dipol sesaat pada atom di sekitarnya. Karena muatan negatif elektron tidak membentuk di sekitar atom, selalu terdapat ketidakseimbangan muatan. Muatan kecil ini akan menginduksi dipol pada molekul terdekat; yang menyebabkan adanya gaya tarik antara kedua molekul tersebut. Eletron kemudian berpindah ke bagian lain dari awan elektron dan daya tarik menghilang.
- Interaksi kation-pi terjadi antara ikatan pi dan sebuah kation.
6. Teori Ikatan Kimia
Pada batas ikatan ion, elektron terl*kalisasi pada satu dari dua atom pada ikatan. Ikatan tersebut dapat dipahami dengan fisika klasik. Gaya antar atom ditandai dengan gaya potensial elektrostatik isotropik kontinum.
Ikatan kovalen lebih mudah dimengerti oleh teori ikatan valensi atau teori orbital molekul. Sifat atom yang terlibat dapat dipahami dengan menggunakan beberapa konsep seperti bilangan oksidasi. Kerapatan elektron pada ikatan tidak ditetapkan pada atom individual, namun antar atom yang terdelokalisasi. Pada teori ikatan valensi, dua elektron pada dua atom berpasangan bersama-sama dengan ikatan bergantung pada tumpang tindih diantara mereka. Pada teori orbital molekul, kombinasi linear orbital atom membantu menjabarkan struktur orbital molekul terdelokalisasi dan energi pada orbital atom yang membentuk molekul. Tidak seperti ikatan ion murni, ikatan kovalen mungkin memiliki sifat anisotropik.
Umumnya, atom membentuk ikatan antara ion dan kovalen, bergantung pada keelektronegatifan atom yang terlibat. Jenis ikatan ini sesekali disebut ikatan kovalen polar.
No comments:
Post a Comment