KIMIA ORGANIK 1 (ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN)

ORBITAL DAN PERANANNYA DALAM IKATAN KOVALEN

 

A.     Sifat Gelombang

Sampai dengan tahun 1923, ahli kimia mengandalkan bahwa electron tak lain dan tak bukan adalah partikel yang bermuatan negative yang mengelililngi inti atom. Tetapi Louis brogle pada tahun yang sama, mengemukakan pendapat yang revolusioner bahwa electron mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel. Pendapatnya mula-mula kurang dapat diterima, tetapi pendapat tersebut merupakan asal mula terbentuknya konsep mekanika kuantum mengenai electron dan teori orbital molekul.

Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Sampai dengan tahun 1923, ahli kimia mengandalkan bahwa electron tak lain dan tak bukan adalah partikel yang bermuatan negative yang mengelililngi inti atom. Tetapi Louis brogle pada tahun yang sama, mengemukakan pendapat yang revolusioner bahwa electron mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel. Pendapatnya mula-mula kurang dapat diterima, tetapi pendapat tersebut merupakan asal mula terbentuknya konsep mekanika kuantum mengenai electron dan teori orbital molekul.

Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Untuk dapat mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil studi mekanika kuantum, daripada persamaan matematiknya sendiri.

Dimulai dengan gelombang diam yang sederhana, yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini mnunjukkan gerak hanya dalam satu dimensi. Pada gelombang diam ini, tinggi gelombangnya adalah amplitude, yang mengarah keatas bernilai positif dan yang mengarah kebawah bernilai negative, terhadap kedudukan istirahat dari senar tersebut.

Bila dua gelombang yang sefase pada senar yang sama saling tumpang tindih, mereka saling memperkuat. Perkuatan dinyatakan olh penambahan fungsi tematik yang sama tandanya yang menggambarkan gelombang. Sebaliknya, sepasang gelombang yang tumpang tindih yang keluar fase, saling mengganggu atau berinterferensi.proses interferensi sempurna menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh yang lain.

B.      Orbital ikatan dan orbital anti-ikatan

Bila sepasang gelombang saling tumpang tindih, maka gelombang tersebut akan saling memperkuat atau salng berinteferensi. Bila dua gelombang berlawanan fase, maka mereka akan saling mengganggu. Interferensi dari dua orbital atom yang keluar fase dari dua atom hydrogen memberikan orbital molekul dengan simpul antara inti. Dalam orbital molekul ini, kemungkinan menemukan electron sangat rendah. Karena itu, orbital molekul khas ini menimbulka system dimana keduanya tak dilindungi oleh sepasang electron, dan intinya saling tolak-menolak. Orbital yang berenergi lebih tinggi adalah orbital anti ikatan.

Energy molekul H₂ dengan dua electron dalam orbital ikatan σ adalah lebih rendah sebesar 104 kkal?mol daripada energy gabungan dari dua atom hydrogen yang terpisah.

Orbital molekul, seperti orbital ato, dapat memegang nol electron, satu electron, dan dua electron yang berpasangan. Kedua lektron dalam molekul hydrogen pergi ke orbital berenergi terendah yang tersedia, yaitu orbital ikatan.

Seperti gelombang yang timbul pada permukaan kolam, fungsi gelombang electron dapat mengadakan antaraksi secara konstruktif atau destruktif. Kombinasi konstruktif orbital atom meningkatkan kemungkinan electron antara inti menghasilkan orbital molekul ikatan dengan energy yang menguntungkan. Sebuah orbital molekul anti-ikatan adalah hasil dari antraksi destruktif dan mempunyai daerah dengan kemungkinan electron nol (simpul) anti inti.

ɸ_A = N( Ψ₁ –Ψ₂)   ANTIIKATAN

ɸ_B = N( Ψ₁ +Ψ₂)   IKATAN

electron ditempatkan dalam orbital molekul dengan memakai criteria yang sama seperti yang dipakai dalam orbital atom.

1.      Orbital molekul diisi mulai dari tingkat energy terendah

2.      Electron masuk dalam molekul yang turun derajat secara satu-satu, dengan bilangan kuantum sama, sebelum berpasangan.

3.      Tidak lebih dari dua electron berpasangaan spin dapat tertampung oleh orbital molekul.

C.      Orbital Hibrida

Pauling dan salter memberikan sebuah gambaran ikatan yang  sedikit diubah dengan memperkenalkan gagasan mengenai orbital hibrida.

1.      Karbon tetrahedron-obital hibrida sp³

Metana adalah hidrokarbon paling sederhana yang memiliki sebuah atom karbon tetrakoordinat. Molekulnya diketahui mempunyai 4 ikatan karbon hydrogen setara, masing-masing dengan sudut ikatan yang sama.

Sebuah atom karbon yang mempunyai 4 elektron dalm tingkat kuantum kedua. Namun, dua yang dipruntukkan orbital atom 2s berpasangan dan nampaknya tak dapat dipakai untuk ikatan. Suatu pendekatan yang dapat menuju ke 4 elektron untuk ikatan oleh sebuah atom karbon ialah dengan membayangkan bahwa satu electron dipindahkan dari orbital 2s ke orbital 2p yang kosong. Meskipun perpundahan sebuah electron ke tingkat yang lebih tinggi membutuhkan tambahan energy, pembentukan sebuah ikatan baru akan segera mengimbangi keperluan energy tersebut.

Mekaniika kuantum memecahkan masalah ini dengn merumuskan orbital hibida yang turun dari pencampuran satu orbital 2s dan tiga orbital  atom dari karbon. Keempat orbital hibrida setara yang terbentuk sebagai sp³. Sumbunya terorientasi dalam ruang kea rah sudut dari sebuah tetrahedron biasa, yaitu sudut antara sumbu orbital sebesar 109,5⁰.

Sebuah electron yang ditempaatkan pada orbital hibrida sp³ mempunyai kemungkinan tinggi untuk didapati pada satu sisi dari inti.

2.      Orbital hibrida sp² dan sp

Etena (etilena) adalah hidrokarbon paling sederhana yang memiliki sebuah ikatan rangkap dua hidrokarbon. Enam atomnya, dua karbon, empat hydrogen, terletak pada sebuah bidang dengan sudut ikatan kira-kira 120^o.

Ikatan dalam etena diterangkan dengan mengandaikan bahwa masing-masing atom karbonnya mempergunakan tiga orbital hibrida sp² dan sebuah orbital p. tiga orbital sp² berasal dari penggabungan satu orbital atom 2s dan dua orbital atom 2p terletak sebidang, tegak lurus pada orbital p tak-terhibrida yang tinggal dan besudut 120^o antara sumbu-sumbunya.

 

Orbital molekul yang terbentuk sebagai akibat dri tumpang tindih dua orbital hibrida sp², sebuah dari masing-masing atom karbon, menampung kedua electron dari ikatan sigma karbon-karbon. Dua orbital sp² yang tinggal dari masing-masing atom karbon, jika digabung dengan orbital 1s dari atom hydrogen, membentuk orbital molekul dan ikatan sigma bersangkutan dengan empat hydrogen.