Ikatan KimiaBagian 2

Dr, Yuni K. Krisnandi

Ikatan Kimia

Bagian 2• Teori Ikatan Valensi• Teori Orbital Molekul

Elektro-Elektro-statikstatik ⊕⊕ quantumquantum

mekanikamekanika Model ikatan Model ikatan molekulermolekuler

Orbital atom dan Orbital atom dan hibridisasinya, hibridisasinya, orbital molekulorbital molekul

Struktur Struktur resonansiresonansi

Tinjauan klasik tentang Tinjauan klasik tentang atom gagal meramalkan atom gagal meramalkan sifat-sifat atom.sifat-sifat atom.

Mekanika kuantum berhasil Mekanika kuantum berhasil meramalkan semua sifat meramalkan semua sifat dari atom hidrogendari atom hidrogen

Kunci dari teori kuantum: materi mempunyai sifat gelombang

Interferensi dalam fenomena gelombang

Fase dari interaksi 2 orbital 1s dari atom H

In-phase

Out of phase

Dampak penting dari kuantum mekanikDampak penting dari kuantum mekanik

Lokasi elektron digambarkan oleh orbital atomLokasi elektron digambarkan oleh orbital atomSetiap orbital hanya dapat menampung 2 elektronSetiap orbital hanya dapat menampung 2 elektron(Pauli exclusion principle.)(Pauli exclusion principle.)

OrbOrbitital atom pada atom yang berbeda akan al atom pada atom yang berbeda akan bergabung menjadi orbital molekul, tetapi hanya bila bergabung menjadi orbital molekul, tetapi hanya bila simetri mereka sesuai.simetri mereka sesuai.

Setiap orbital memiliki energi tertentu dan elektron Setiap orbital memiliki energi tertentu dan elektron akan menempati orbital dengan energi paling rendah akan menempati orbital dengan energi paling rendah terlebih dahulu.terlebih dahulu.

good good σσ bond bondbad – wrong symmetry bad – wrong symmetry No bonding!No bonding!

Teori Ikatan ModernDua metode pendekatan untuk

menjelaskan ikatan antar atom:– Metode ikatan Valensi: Ikatan terbentuk

karena adanya overlaping orbital atom– Metode Orbital Molekul:

Bila atom atom membentuk molekul/ senyawa, orbital-orbitalnya bergabung dan membentuk orbital baru – (orbital molekul)

Valence bond theory (VBT): pendekatan kuantum mekanik terlokalisasi untuk menjelaskan ikatan dalam molekul. VBT memberikan perhitungan matematis bagi penggambaran Lewis dari pasangan elekton membentuk ikatan antara atom-atom.VBT menyatakan bahwa ps. elektron menempati orbital yg diarahkan terlokalisasi pada atom tertentu. Arah dari orbital ditentukan oleh geometri di sekitar atom yang diperoleh dari perkiraan dengan teori VSEPRPada VBT, ikatan akan terbentuk bila terjadi tumpangsuh (overlap) dari orbital yg cocok dari dua atom, dan orbital-orbital tsb ditempati oleh 2 elektron secara maximum

Ikatan σ: simetri pada sumbu internuklir

Ikatan π : memiliki ‘node’ pada sumbu internuklir dan tanda ‘lobe’ melewati sumbu

Teori Ikatan Valensi (VBT)

Menurut teori ini, ikatan H-H terbentuk dari overlaping (tumpangsuh) orbital 1s dari masing masing atom

Metode Ikatan Valensi

HA 1s1 HB 1s1

φA (1)

Ψ1 = φA(1) φB(2)

VBT menganggap interaksi antara 2 atom yg terpisah ketika mereka disatukan untuk membentuk molekul.

φB (2)

Fungsi gelombang pada atom B

elektron

Ψ2 = φA(2) φB(1)

Ψ+ = N (Ψ1 + Ψ2) (bonding, H-H)

Ψ- = N (Ψ1 - Ψ2) (anti-bonding)

Mekanika kuantum mengharuskan elektron dapat dipertukarkan sehinga kita harus menggunakan kombinasi linier dari Ψ1 dan Ψ2.

Ψ3 = φA(1) φA(2) (ionic H- H+)

Ψ4 = φB(1) φB(2) (ionic H+ H-)

Ψmolecule = N [Ψ1 + Ψ2] + (C [Ψ3 + Ψ4])

Ψmolecule = N [Ψcovalent + (C Ψionic)]

N is a normalizing coefficientC is a coefficient related to the amount of ionic character

Penerapan teori ikatan valensi pada ikatan H2

HA 1s1 HB 1s1

φA α φB β

Ini memberikan ikatan σ 1s-1s di antara kedua atom H

Untuk ikatan valensi, kita abaikan kombinasi anti-bonding dan sumbangan dari ion-ion.

F2s 2p

F2s 2p

2pz 2pz

Z axis

Ini memberikan ikatan σ di antara 2 atom F.

Penerapan teori ikatan valensi pada ikatan dalam H2 dan F2

Diagram untuk H2

Ini memberikan ikatan σ 2p-2p di antara dua atom O.

O2s 2p

O2s 2p

2pz 2pz

Z axis

Z axis

2py 2py

Ini memberikan ikatan π 2p-2p di antara 2 atom O. Pada VBT, ikatan π diperkirakan lebih lemah daripada ikatan σ karena terjadi hanya sedikit. overlap

(the choice of 2py is arbitrary)

O OLewis structure

Double bond: σ bond + π bondTriple bond: σ bond + 2 π bond

Penerapan teori ikatan valensi pada ikatan dalam O2

Ikatan Valensi Untuk H2O• Konfigurasi elektron valensi

– O = 2s2 2px2 2py

12pz1

– H = 1s1

• 2 elektron tidak berpasangan di orbital 2p pada O dapat berpasangan dengan elektron pada orbital 1s dari H, dan setiap kombinasi membentuk ikatan σ

• Karena 2py dan 2pz saling tegak lurus (90o), ikatan σ tsb memiliki sudut 90o satu dgn lain prediksi: H2O berbentuk anguler. TAPI sudut ikatan dalam H2O sebenarnya adalah 104.5o

90oMENGAPA????

VB untuk Amoniak (NH3)• N = 2s2 2px

1 2py12pz

1

• H = 1s1

• 3 ikatan sigma• sudut antara N-H

– Teoritis = 90o

– Terukur = 107o

• MENGAPA???90o

Karbon• konfigurasi elektron terluar: 2s2 2px1 2py1

• HANYA bisa membentuk 2 ikatan sigma

• konfigurasi elektron valensinya nampak menunjukkan: bahwa karbon hanya membentuk 2 ikatan sejenis dengan sudut tegak lurus, – bukan sudut tetrahedral

• Kenyataannya, karbon membentuk 4 ikatan yang sejenis : CH4, CH2Cl2, CCl4

Problem dlm menghitung geometri sebenarnya dan arah dari orbital diatasi dengan menggunakan konsep hibridisasi orbital. Orbital hibridisasi adalah campuran dari orbital atom dan dihitung secara matematika sebagai kombinasi linier dari orbital atom s, p dan d yang tepat

Linear sp hybrid orbitals

A 2s orbital superimposed on a 2px orbital Ψ 1

12

12

= +φ φs p

Ψ 212

12

= −φ φs p

The two resultant sp hybrid orbitals that are

directed along the X-axis (in this case)

The 1/√2 are normalization coefficients.

Hibridisasi

KOMBINASI ORBITAL MEMBENTUK HYBRIDA

HIBRIDISASI :

Kombinasi dua atau lebih orbital atom “ASLI” “native” pada suatu atom menghasilkan orbital “HIBRIDA”

ATURAN: Jumlah orbital atom yang berkombinasi harus sama dengan jumlah orbital hibrida yang terbentuk.

Semua orbital hibrida yang terbentuk adalah sama.

Untuk menjelaskan mengapa karbon membentuk 4 ikatan yng identik, diasumsikan bahwa orbital aslinya akan bergabung/bercampur/ terhibridisasi

Tidak terhibridisasi Terhibridisasi

Hibridisasi sp3

Untuk kasus karbon dengan 4 ikatan tunggal, maka semua orbital terhibridisasi

membentuk orbital hibrida

Hibridisasi sp3

Ikatan-σ:dibentuk oleh setiap ujung tumpangsuh

Molekul dapat berotasi sekitar sudut ikatan

Etana, CH3CH3

Rotasi ikatan tunggal

Rotasi ikatan tunggal

Etana, CH3-CH3

Hibrididasi ini terbentuk dari kombinasi satu orbital s dan 2 orbital p. Satu orbital p tersisa

Tidak terhibridisasi Terhibridisasi

Hibridisasi orbital sp2

Orbital p yang tidak terhibridisasi dapat bertumpangsuh (overlap), menghasilkan ikatan ke dua , ikatan π

Ikatan-π: tumpangsuh kesamping, terjadi pada bidang atas dan bawah dari molekul

Sebagian molekul tidak lagi dapat berotasi.

Hibridisasi orbital sp2

ETENA

Ikatan pada Etena

Ikatan pada etena

Pembentukan ikatan rangkap 3:

membutuhkan dua buah orbital p yang tidak terhibridisasi

Tidak terhibridisasi Terhibridisasi

Hibridisasi orbital sp

Dua buah orbital p membentuk 2 ikatan-π

Hibridisasi orbital sp

ETUNA

Ikatan pada Etuna

Ikatan-π

Ikatan-σ

Ikatan pada Etuna

Model molekul NH3 dengan orbital

hibridisasi

Hibridisasi lainnya

Orbital d juga dapat terhibridiasi

Jenis Hibridisasi

Bentuk Geometri

Satu set orbital hibridisasi dsp3 pada atom fosfor

PCl5

KELEMAHAN DARI TEORI IKATAN VALENSI DAN PENDEKATAN LEWIS ?????• Ketidakmapuan menjelaskan kemampuan suatu atom

membentuk ikatan sejumlah elektron valensi– Diatasi dengan hibridisasi

• Pendekatan Lewis dan Teori ikatan valensi meramalkan bawa O2 bersifat diamagnetik –

this is wrong! • Karena pada kenyataannya O2 bersifat paramagnetik

JALAN KELUARNYA???????????

METODE ORBITAL MOLEKUL• Bila orbital atom berkombinasi membentuk

orbital molekul, maka secara matematis jumlah orbital molekul yang terbentuk harus sama dengan orbital atom yang berkombinasi

• Contoh: H2

– Dua orbital berkombinasi membentuk dua orbital molekul. Seluruh total energi orbital molekul yang baru setara dengan dua orbital 1s. Tetapi tingkat energinya berbeda.

MO yang dibentuk oleh DUA orbital 1s

Orbital Molekul

Ketika dua orbital atom bergabung, tiga tipe orbital molekul terbentuk:Orbital ikatan – σ atau πEnergi orbital ikatan lebih rendah dari orbital atom dan kerapatan elektron overlap

Orbital anti ikatan – σ* atau π*

Energi orbital anti ikatan lebih tinggi daripada orbital atom dan kerapatan elektron tidak overlap

Orbital non ikatan, nPasangan elektron tidak terlibat dalam berikatan

orbital molecular π.

Ikatan Ganda melibatkan Interaksi orbital-p, Terdapat di luar garis ikatan

p-π bondingMenyebar keseluruh molekul

p-π antibondingp-π non-bonding

Molekul diatomik homonuklir

• Molekul diatomik sederhana dimana kedua atom adalah unsur yang sama

• Diagram energi untuk molekul tipe ini mirip dengan diagram energi untuk H2

• Kita dapat membuat diagram energi untuk berbagai jenis molekul atau kemungkinan molekul bila mereka berikatan dan bagaimana bentuk ikatannya.

Diagram tingkat energiH2

+, H2, H2-

H2+

H2

H2-

Ikatan pada Orbital Molekular• Untuk membentuk molekul yang stabil maka

elektron di dalam orbital ikatan harus lebih banyak dibandingkan di dalam orbital anti-ikatan

• Ikatan yang terbentuk akan berada pada energi yang lebih rendah, sehingga menjadi lebih stabil

• Orbital ikatan dan anti-ikatan untuk ikatan-σ dan ikatan-π harus dipertimbangkan

• Perhatikan diagram MO untuk Ne2 berikut ini:

Diagram MO untuk Ne2• Setiap atom neon memiliki 8 elektron

([He]2s22p6), sehingga total elektron 16• Ke 16 elektron tersebut didistribusikan ke dalam

orbital molekul (MO)• Ingat persyaratan pengisian elektron. Elektron

berpasangan terlebih dahulu mengisi energi orbital yang lebih rendah, sebelum mengisi orbital yang energinya lebih tinggi

• Ne2 akan terbentuk bila elektron ikatan lebih banyak dari elektron anti-ikatan

• nOrde ikatan = Σ e ikatan - Σ anti ikatan2

OM dari Ne2

Orde ikatan = 8 - 8

2= 0

Tidak terjadiikatan!!

OM dari F2

Orde ikatan = 8 - 6

2= 1

TerjadiIkatan tunggal!!

OM dari O2

Orde ikatan = 8 - 4

2= 2

TerjadiIkatan rangkap 2

2 elektron tidak berpasangan O2 paramagnetik

Interaksi σs dan σp

σp

σp*

σs*

σs

Orde ikatan = 8 - 2

2= 3

TerjadiIkatan rangkap 3

MO untuk N2

MO untuk C2

Orde ikatan = 6 - 2

2= 2

TerjadiIkatan rangkap 2

tabel

kurva

2s

σ2s*

2s

σ2s

E

2p

σ2p*

2pσ2p

π2p

π2p*

2s

σ2s*

2s

σ2s

σ2p*

2pσ2p

π2p

π2p*

2p

σ2p*π2p*

σ2p ATAU π2p

π2p ATAU σ2p

σ2s*σ2s

Magnetisme

Order Ikatan

Energi Ikatan. (kJ/mol)

Panjang Ikatan (pm)

Molekul Diatomik Baris ke 2

B2

Para-

1

290

159

C2

Dia-

2

620

131

N2

Dia-

3

942

110

O2

Para-

2

495

121

F2

Dia-

1

154

143

E

NOTE SWITCH OF LABELS

Molekul Diatomik Heteronuklir• Diagram Orbital Molekul: menjadi lebih

kompleks (rumit) bila ikatan antar 2 atom non-identik dipertimbangkan

• Tingkat energi atomik tidak sama dan terdapat perbedaan jumlah elektron

Molekul heterodiatomik

Overlap 2 orbital dari atom yg berbeda

1. Keelektronegatifan mirip

2. Kelektronegatifan berbeda

3. Kelektro-negatifan jauh berbeda : ionik

MO untuk HF

HFH = 1s1

F = [He]2s22p5

E 1s H >> 2s F ~ tidak ada interaksi

TAPI berdasarkan simetri dan perbedaan energi yg lebih kecil,1s H interaksi dengan 2 pz F orbital bonding dan antibonding

Secara simetri 2px, 2py dari F tidak dapat berinteraksi dgn 1s H orbital nonbonding

Orde ikatan 1 Elektron non-bonding dari F sangat dominan, Menunjukkan muatan parsial negatif berada di F

MO untuk CO∴ Ada 10 elektron valensiMengikuti pola pada N2 karena

memiliki 10 e-

CO, N2, CN- isoelektronikσ3 ps e- bebas dr Cσ2 ps e- bebas dr Oσ1 ikatan σ C-Oπ* unoccupiedσ3 yang terisi (HOMO) dan π* yg kosong (LUMO) adalah

pentingkarena terlibat dalam ikatan

dengan berbagai orbital logam transisi

HOMO

LUMO

C = [He] 2s2 2p2; O = [He] 2s2 2p4

HOMO = Highest Occupied Molecular OrbitalLUMO = Lowest Unoccupied Molecular Orbital

Molekul Poliatomik – H2O

Delokalisasi Elektron• Diagram MO untuk spesi poly-atom sering

disederhanakan dengan assumsi bahwa semua orbital-σ dan beberapa orbital -π terlokalisasi dipakai bersama antar atom yang spesifik/tertentu.

• Struktur resonansi membutuhkan bahwa elektron dalam beberapa orbital -π digambarkan sebagai ter-delokalisasi

• Delokalisasi:-bebas bergerak disekitar tiga atau lebih atom

Delokalisasi elektron

Benzene adalah contoh delokalisasi elektronDiketahui bahwa ikatan antar karbon mempunyai order 1,5., dan semua ikatannya setara

Benzena – molekul Aromatik

Sistem Pi Untuk Benzena

LATIHAN SOAL1. Jelaskan orbital atom dengan simetri seperti apa yang

dapat membentuk ikatan ketika 2 atom bergabung? gambarkan!

2. Berikan contoh keterbatasan dari teori ikatan valensi!3. Gambarkan ikatan pada CO2 berdasarkan ikatan dengan

model hibridisasi!4. Gambarkan diagram tingkat energi untuk spesi O2

+, O2-

dan O22-. Setelah itu tentukan orde ikatan dari masing-

masing spesi.5. Gambarkan orbital molekul dari CN- (spesi ini

isoelektronik dengan N2). Tunjukanlah pada orbital mana terletak HOMO dan LUMO, jika ada

6. Gambarkan OM untuk benzena.