4ikatan_kimia

Ikatan Kimia

Hala, Y., Kimia Anorganik Dasar 20

IV. IKATAN KIMIA

Struktur dan ikatan kimia merupakan inti dari Kimia Anorganik modern, terutama setelah

pengembangan metode-metode spektroskopi dalam penentuan struktur senyawa-senyawa

kimia.

Bahasan tentang ikatan kimia melibatkan berbagai aksi dari gaya-gaya pada tingkat

ionik maupun molekuler. Melalui reaksi kimia, atom-atom cenderung mencapai kedudukan

yang lebih stabil pada tingkat energi potensial kimiawi yang lebih rendah. Keadaan yang

demikian dapat dicapai melalui interaksi-interaksi kimia, berupa pelepasan, penarikan, dan

pemakaian bersama elektron. Gaya-gaya inilah yang menyebabkan ion-ion dengan muatan

berlawanan atau atom-atom terikat secara bersama-sama, dan dikenal dengan ikatan kimia.

Pada prinsipnya, dikenal dua jenis ikatan kimia, yakni ikatan ionik dan ikatan kovalen.

4.1 Energi Ionisasi dan Afinitas Elektron

Sesuai dengan konsep Niels Bohr, elektron terdapat pada berbagai tingkat energi yang

diskrit, tergantung atas besarnya energi di mana atom tersebut terabsorpsi. Jika energi yang

cukup diaplikasikan pada suatu atom, maka hal itu sangat mungkin untuk melepaskan

secara sempurna satu atau lebih elektron dari struktur, sembari membentuk suatu ion

positif, yang kerap disebut kation.

atom + energi → ion positif + elektron (4.1)

Besarnya energi yang diperlukan untuk mendepak satu elektron dari suatu atom atau

ion, disebut energi ionisasi. Energi ionisasi pertama merupakan energi yang dibutuhkan

untuk melepaskan elektron pertama dari suatu atom, sedangkan energi ionisasi kedua

adalah jumlah yang diperlukan untuk melepaskan elektron kedua dari atom tersebut, dan

seterusnya.

Ikatan Kimia


Energi ionisasi dapat digambarkan dalam berbagai satuan energi seperti elektron

volt (ev), kilojoule (kJ), atau kilokalori/mol (kkal.mol-1

). Mol, seperti halnya telah

didiskusikan dalam kuliah Kimia Dasar, adalah satuan dalam sistem internasional untuk

menggambarkan suatu jumlah dari senyawa tertentu. Satu mol senyawa A berarti

mengandung 6,022 x 1023

senyawa A, sedangkan satu mol atom Cu adalah mengandung

6,022 x 1023

atom Cu. Dalam diskusi berikut, energi dinyatakan dalam satuan kilojoule per

mol (kJ.mol-1

) yang berarti kJ energi yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari

masing-masing atom dalam 1 mol atom.

Na + 494 kJ → Na+ + e

- (4.2)

1 mol 1 mol 1 mol

atom natrium ion natrium elektron

Tabel 4.1 menampilkan berbagai energi ionisasi dari beberapa unsur untuk

melepaskan satu sampai lima elektronya. Dibutuhkan 1314 kJ untuk melepaskan 1 elektron

dari satu mol atom-atom hidrogen, tetapi hanya diperlukan 494 kJ energi untuk melepaskan

elektron pertama dari satu mol atom-atom natrium. Hal ini menunjukkan bahwa lebih

mudah membentuk ion natrium ketimbang H+ dari atom-atomnya. Tabel 4.1 juga

menunjukkan bahwa dibutuhkan energi yang lebih besar untuk melepaskan elektron-

elektron kedua, ke tiga, ke empat, dan seterusnya, karena pelepasan elektron tidak

mengurangi jumlah proton atau besarnya muatan dalam inti atom.

Selain energi ionisasi, atom-atom juga mempunyai afinitas elektron, yaitu

kemampuan atom bersangkutan untuk menarik elektron yang kemudian membentuk ion

negatif. Afinitas elektron dapat didefinisikan sebagai jumlah energi yang dilepas atau

diserap ketika suatu elektron ditambahkan ke suatu atom yang selanjutnya membentuk ion

negatif. Pada umumnya unsur-unsur akan melepaskan sejumlah panas jika atom tersebut

berinteraksi dengan suatu elektron, seperti ditunjukkan dalam reaksi (4.3). Sebagai

contoh dapat disimak kasus klor,

Ikatan Kimia


atom + elektron → ion negatif + energi (4.3)

suatu unsur bukan logam yang mempunyai kecenderungan relatif besar untuk membentuk

ion negatif. Karena itu, afinitas elektron klor relatif sangat tinggi.

Cl + e- → Cl

- + 348 kJ (83 kkal) (4.4)

Tabel 4.1

Energi-energi ionisasi dari beberapa unsur, angka tebal menunjukkan energi yang

diperlukan untuk melepaskan elektron dari suatu struktur elektron gas mulia

Unsur Energi yang diperlukan (kJ.mol-1

)

ke-1 ke-2 ke-3 ke-4 ke-5

H 1314

He 2372 5247

Li 520 7297 11810

Be 900 1757 14845 21000

B 800 2430 3659 25020 32810

C 1088 2352 4619 6222 37800

Ne 2080 3962 6276 9376 12190

Na 494 4565 6912 9540 13355

Sumber : Hein, M., Foundations of College Chemistry, 6th Ed., 135

Berlawanan dengan energi ionisasi, afinitas elektron cenderung tinggi pada unsur-

unsur bukan logam, terutama kelompok halogen, oksigen, dan belerang, sedangkan logam-

logam umumnya mempunyai afinitas elektron yang rendah.

4.2 Elektron Valensi

Elektron-elektron yang berada paling luar dari suatu atom, yang bertanggung jawab atas

aktivitas elektron dalam kaitannya dengan reaksi kimia disebut elektron valensi.

Ikatan Kimia


Penyusunan ulang elektron valensi erat kaitannya dengan pencapaian kestabilan pada atom

dengan energi serendah mungkin. Kecenderungan mencapai kestabilan tersebut dapat

dianggap menuju ke tatanan konfigurasi gas mulia, yakni s2 dan p

6, atau dikenal dengan

teori duplet dan oktet. Pada model bintik Lewis untuk atom, titik-titik mewakili atau

menggambarkan elektron-elektron pada lintasan paling luar atau elektron valensi.

Hidrogen, dengan konfigurasi 1 s1, mempunyai satu elektron valensi; natrium

dengan konfigurasi elektron terluar 3 s1, juga mempunyai satu elektron valensi; aluminium

tiga; dan oksigen enam. Ketika terjadi penyusunan ulang elektron-elektron tersebut pada

atom-atomnya, maka suatu perubahan kimia akan terjadi.

4.3 Ikatan Ionik

Sampai saat ini belum ada batasan yang jelas antara ikatan ionik dengan kovalen, namun

untuk ikatan ionik murni dapat dipahami sebagai interaksi yang disebabkan oleh adanya

gaya elektrostatik antar ion-ion dengan muatan yang berlawanan. Gaya ini tak lain dari

suatu gaya fisika, sehingga dapat dikatakan bahwa ikatan ionik merupakan ikatan fisika.

Fenomena pembentukan ion-ion dari atom-atomnya sebelum interaksi elektrostatik

berlangsung, merupakan fenomena kimia, yang melibatkan energi ionisasi, afinitas

elektron, dan sifat-sifat kimia lainnya. Ikatan ionic umumnya terjadi antara unsure-unsur

logam dengan energi ionisasi besar dengan unsure bukan logam yang mempunyai afinitas

electron tinggi, atau lebih popular dengan istilah unsure elektro positif sperti golongan IA,

IIA, dan III

A, dengan unsure-unsur pada golongan VI

A dan VII

A.

Adanya perbedaan sifat senyawa ionik dengan kovalen, disebabkan oleh alasan

struktur kristal yang sederhana dari senyawa ionik berupa kisi-kisi (lattice) dari ion-ion

bermuatan positif dan negatif akibat gaya elektrostatik. Beberapa sifat senyawa ionik

dipaparkan berikut ini :

(a) Senyawa ionik mempunyai daya hantar listrik yang sangat rendah jika terdapat dalam

fase padat, akan tetapi hantaranya menjadi sangat baik jika padatannya mencair. Hal ini

terjadi karena dalam fase cair ion-ion dapat melakukan pergerakan dengan bebas akibat

Ikatan Kimia


pengaruh medan listrik. Pada keadaan padat, ion-ion terjerat dalam kisi kristal sehingga

tak dapat bergerak bebas menghantarkan arus listrik.

(b) Senyawa ionik cenderung mempunyai titik leleh yang tinggi. Hal ini disebabkan oleh

adanya ikatan yang relatif kuat dan gaya tarik yang besar antar kation dan anion dalam

kisi kristalnya.

(c) Senyawa ionik umumnya mempunyai kekerasan yang sangat tinggi dan rapuh, karena

dalam perubahan jarak (panjang ikatan) akibat adanya pengaruh tekanan dari luar kristal

akan menyebabkan gaya tolak antar anion-anion atau kation-kation, sehingga kristal

menjadi retak/pecah.

(d) Senyawa ionik larut dalam pelarut polar dengan tetapan dielektrikum yang besar. Energi

interaksi antar dua muatan, E, dapat dihitung berdasarkan hubungannya dengan muatan,

q, jarak, r, dan permuttivity medium, ε. Pada keadaan vakum, nilai εo = 8,85 x 10-12

C2/mJ, sedangkan pada medium pelarut yang polar umumnya lebih tinggi. Untuk air,

besarnya εo = 7,25 x 10-10

, asetonitril , εo = 2,90 x 10-10

, dan amonia, εo = 2,20 x 10-10

.

q+. q

-

E = --------------- (4.5)

4π . r . ε

4.4 Kisi Kristal Ion

Seperti telah dipaparkan di depan, pada umumnya senyawa ionik, terutama jenis M+X

-,

terdapat dalam struktur kisi. Tabel 4.2 memberikan beberapa contoh senyawa ionik

tersebut. Dalam kisi kristal, setiap ion dikelilingi oleh sejumlah ion lain yang muatannya

berlawanan. Jumlah ion bermuatan beda yang mengelilingi suatu ion, disebut bilangan

koordinasi ion.

Alasan-alasan pembentukan kisi tertentu untuk suatu senyawa, antara lain (a)

kestabilan, energi terendah. Faktor gaya tarik ion-ion berlawanan muatan, kaitannya

dengan bilangan koordinasi. Makin besar bilangan koordinasi ionnya makin besar pula gaya

Ikatan Kimia


tariknya, (b) gaya tolak akan bertambah jika ion-ion bermuatan sama dijejalkan secara

bersama-sama, dan (c) penataan kisi sedemikian rupa sesuai dengan ukuran relatif ion.

Tabel 4.2 Tiga senyawa ionik dengan berbagai bilangan koordinasi ion

Nama Senyawa Formula Bilangan Koordinasi Orientasi

Natrium klorida NaCl 6 Kubus

Cesium klorida CsCl 8 Oktahedral

Zink blende ZnS 4 Tetrahedral

Sumber : Jolly, W. L (1991) Modern Inorganic Chemistry, 2nd Ed.

= ion Cs+ = ion Cl-

Gambar 4.1 Kisi kristal CsCl dengan bilangan koordinasi 8

Dengan model bulatan keras kristal CsCl pada Gambar 4.1, tampak bahwa bilangan

koordinasi CsCl adalah delapan. Dengan demikian setiap ion positif Cs+ yang mempunyai

jari-jari r+ akan dikelilingi oleh 8 ion negatif Cl

-, dengan jari-jari r

-. Akibatnya, jarak kedua

ion Cs+ dan Cl

- adalah r

+ + r

-, sedangkan jarak terdekat antara Cl

- - Cl

- adalah 32 (r

+ + r

-)

= 2 r-. Secara matematis sederhana persamaan itu dapat diturunkan sebagai berikut :

2 r+/√3 + 2 r

-/√3 = 2 r

-

2 r+ + 2 r

-

------------ = 2 r-

√3

Ikatan Kimia


2 r+ + 2 r

- = 3,464 r

-

2 r+ = 1,464 r

-

r- 2

-- = --------- = 1,366120219 = 1,37

r+

1,464

r- = 1,37 r

+ (4.6)

= ion Na+ = ion Cl-

Gambar 4.2 Kisi kristal NaCl dengan bilangan koordinasi 6

Persamaan (4.6) memberikan arti bahwa jika:

r-/r

+ > 1,37 maka jarak Cl

--Cl

- saling mendekat sehingga gaya tolakan anion akan naik,

r-/r

+ < 1,37 gaya tolak akan kecil, tetapi jarak Cs

+-Cl

- menjadi jauh, sehingga energi

penstabilan tidak tercapai,

r-/r

+ = 1,37 gaya tarik dan tolakan Coulumb seimbang sehingga kristal mencapai keadaan

yang optimum.

Ikatan Kimia


Untuk model bulatan keras kristal NaCl, yang mempunyai bilangan koordinasi 6,

maka setiap ion natrium dikelilingi oleh 6 ion klorida, demikian juga setiap ion klorida

akan dikelilingi oleh 6 ion natrium, seperti pada Gambar 1.2. Jika jari-jari ion klorida, r-,

sedangkan jari-jari ion natrium adalah r+, maka jarak antara Cl

- - Na

+ adalah r

- + r

+.

Adapun jarak terdekat antara Cl- - Cl

- adalah √2 (r

+ + r

-) = 2 r

-. Dengan matematika

sederhana persamaan itu dapat diturunkan sebagai berikut:

√2 r+ + √2 r

- = 2 r

-

√2 r+ = 2 r

- - √2 r

-

√2 r+ = (2 - √2) r

-

r- √2

-- = --------- = 2,44

r+

(2 - √2)

r- = 2,44 r

+ (4.7)

Hasil penurunan yang ditunjukkan pada persamaan (1.7) berarti bahwa jika :

r-/r

+ > 2,44 maka jarak Cl

--Cl

- saling mendekat sehingga gaya tolakan anion akan naik,

r-/r

+ < 2,44 gaya tolak akan kecil, tetapi jarak Na

+-Cl

- menjadi jauh, sehingga energi

penstabilan tidak tercapai,

r-/r

+ = 2,44 gaya tarik dan tolakan Coulumb seimbang sehingga kristal mencapai keadaan

yang optimum.

Dengan cara yang sama, kemasan kristal ionik untuk zink blende yang berorientasi

tetrahedral dan bilangan koordinasi 4, akan mencapai keadaan yang optimum pada

perbandingan r-/r

+ = 4,44.

4.5. Energi Kisi

Energi kisi didefinisikan sebagai besarnya energi yang hilang ketika ion-ion membentuk

kristal, seperti yang digambarkan pada persamaan (4.8) berikut.

Ikatan Kimia


M+

(g) + X-(g) → MX(p) (4.8)

Jika jarak antara M+ dan X

- adalah r, maka berdasarkan hukum Coulomb, hubungan antara

besarnya energi elektrostatik, E, dengan r dinyatakan dalam persamaan (4.5). Jika q- dari

muatan negatif dikalikan dengan muatan electron e = 1,6 x 10-19

Coulomb, maka energi

interaksi, Ec, dapat digambarkan seperti persamaan (4.9).

q+. q

- . e

2

Ec = --------------- (4.9)

4π . r . ε

Pada Gambar 4.2 tampak bahwa setiap ion Na+ dikelilingi oleh enam ion Cl

- pada

jarak r, sedangkan 12 Na+ lainnya pada jarak √2 r, lalu ada 8 ion Cl

- berada pada jarak

√3 r. Selanjutnya ada 6 ion Na+ berada pada jarak 2 r, 24 Cl

- pada jarak √5 r, dan

seterusnya. Dengan demikian energi interaksi, Ec, dapat dituliskan secara lengkap seperti

pada persamaan (4.10) yang selanjutnya menjadi persamaan (4.11). Harga A disebut

tetapan Madelung yang merupakan cirri penataan geometri yang tidak bergantung pada ion

tertentu dan muatannya. Nilai A beberapa kisi kristal ion disajikan dalam Tabel 4.3.

6e2 q

+. q

- 12e

2 (q

+)2 8e

2 q

+. q

- 6e

2 (q

+)2

Ec = ----- -------- + ------ -------- + ------ -------- + ------- --------- + . . . (4.10)

r 4π . ε √2 r 4π . ε √3 r 4π . ε 2 r 4π . ε

e2 q

+. q

- 12 8 6e2

Ec = ------------- { 6 - ----- + ------ + ------ + . . . }

r . 4π . ε √2 √3 2

e2 q

+. q

-. A

Ec = ----------------- (4.11)

r . 4π . ε

Tetapan Madelung, A

Ikatan Kimia


Tabel 4.3

Tetapan Madelung untuk beberapa kisi kristal ion

Struktur Bilangan koordinasi Tetapan Madelung, A

NaCl 6 : 6 1,74756

CsCl 8 : 8 1,76267

ZnS 4 : 4 1,63806


Tabe4 1.4

Beberapa nilai eksponen Born, n

Konfigurasi ion/senyawa n

He 5

Ne 7

Ar 9

Kr 10

Xe 12

LiF 5

LiCl 8

LiBr 8,7

NaCl 9,1

NaBr 9,5


Nilai n ion teoritik dan senyawa ditentukan secara eksperimen

Pada molekul zat padat ionic, selain gaya tarik Coulomb juga bekerja gaya tolak

yang disebabkan oleh pertumpangtindihan awan-awan electron. Besarnya energi tolakan

tersebut diusulkan oleh Born sebagai ER, dan dinyatakan dalam persamaan (4.12), di mana

B adalah tetapan yang belum ditentukan, dan rn merupakan cirri dari pasangan ion yang

bersangkutan. Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa energi kisi, U tidak lain

merupakan penjumlahan antara energi interaksi Coulomb dan energi tolakan Born, yang

Ikatan Kimia


ditampilkan dalam persamaan (4.13) dengan bilangan Avogadro, N. Hubungan ini dikenal

dengan Persamaan Born-Lande.

B

ER = ---------- (4.12)

rn

e2 q

+. q

-. A . N B . N

U = Ec + ER = ---------------------- + -------- (4.13)

r . 4π . ε rn

Untuk perhitungan energi kisi kristal NaCl, digunakan besaran parameter persamaan

Born-Lande sebagai berikut:

A = 1,74756

N = 6,022 x 1023

pasangan ion.mol-1

, Bilangan Avogadro

q+ = +1, muatan ion natrium

q- = -1, muatan ion klorin

e = 1,60210 x 10-19

C, muatan elektron

π = 3,14159

ε = 8,854185 x 10-12

C2.J

-1.m

-1

r = 2,81 x 10-10

m, jarak Na+Cl

-

n = 8, rata-rata nilai n untuk Na+ dan Cl

- (lihat Tabel 1.4)

4ikatan_kimia

Documents

Transcript of 4ikatan_kimia