Orbital Dan Peranannya Dalam Ikatan Kovalen [1]

Teori orbital molekul (MO) memberikan uraian matematik mengenai orbital, energinya, dan antaraksinya. Teori tolakan pasangan elektron kulit valensi (VSPER) didasarkan pada dasar pemikiran bahwa elektron valensi atau pasangan elektron dari atom saling bertolakan. Tolakan ini dapat  digunakan untuk menerangkan sudut ikatan yang diamati dan geometri molekul. Dalam teori ikatan valensi, rumus ikatan valensi digunakan untuk menerangkan ikatan kovalen dan antaraksinya.

   
 A.   Sifat gelombang

Sampai 1923, ahli kimia mengandaikan bahwa elektron tak lain dan tak bukan adalah partikel bermuatan negative yang mengelilingi inti atom. Dalam 1923, Louis de Broglie, seorang mahasiswa perancis tingkat pasca sarjana, menggemukakan pendapat yang revolusioner bahwa elektron mempunyai gelombang dan juga sifat partikel.

Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Untuk dapat mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil dari studi mekanika kuantum, daripadaa persamaan matematikannya sendiri. Mula-mula akan dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana (gambar 2.1), yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini menunjukan gerak hanya dalam satu dimensi.

MODEL ATOM MEKANIKA GELOMBANG

         Hipotesis Louis de Broglie dan azas ketidakpastian dari Heisenberg merupakan dasar dari model Mekanika Kuantum (Gelombang) yang dikemukakan oleh ERWIN SCHRODINGER pada tahun1927, yang mengajukan konsep orbital untuk menyatakan kedudukan elektron dalam atom. Orbital menyatakan suatu daerah dimana elektron paling mungkin (peluang terbesar) untuk ditemukan.

Schrodinger sependapat dengan Heisenberg bahwa kedudukan elektron dalam atom tidak dapat ditentukan secara pasti, namun yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada suatu titik pada jarak tertentu dari intinya. Ruangan yang memiliki kebolehjadian terbesar ditemukannya elektron disebut Orbital.

Dalam mekanika kuantum, model orbital atom digambarkan menyerupai “awan”. Beberapa orbital bergabung membentuk kelompok yang disebut Subkulit.

Persamaan gelombang ( Ψ= psi) dari Erwin Schrodinger menghasilkan tiga bilangan gelombang (bilangan kuantum) untuk menyatakan kedudukan (tingkat energi, bentuk, serta orientasi) suatu orbital, yaitu: bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimut (l) dan bilangan kuantum magnetik (m)

B.    Orbital ikatan dan anti-ikatan

Bila sepasang gelombang saling tumpang tindih, maka mereka dapat saling memperkuat atau saling berinterferensi. Penambahan dari dua orbital 1s dari dua atom H yang sefase menghasilkan perbuatan dan menghasilkan orbital molekul ikatan s dengan rapat elektron yang tinggi antara inti yang berikatan.

Bila dua gelombang berlawanan fase, mereka 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, kebolehjadian menemukan elektron antara inti sangat rendah. Karena itu orbital molekul khas ini menimbulkan system dimana kedua inti tak dilindungi oleh sepasang elektron, dan intinya saling tolak menolak. Karena tolakan inti, system ini energinya lebih tinggi daripada system dua atom H yang mandiri. Orbital berenergi lebih tinggi ini adalah orbital anti ikatan. Dalam hal ini, suatu orbital (sigma bintang ) artinya anti-ikatan.

Energy molekul H₂ dengan dua elektron dalam orbital ikatan s adalah lebih rendah sebesar 104 kkal/mol daripada energy gabungan dari dua atom hydrogen yang terpisah. Energy molekul hydrogen dengan elektron dalam orbital anti-ikatan s^*, sebaliknya adalah lebih tinggi daripada energy dua atom hydrogen yang terpisah. Energy relatife ini dapat dinyatakan menurut diagram berikut ini :

C.  Orbital hibrida karbon

Atom karbon memiliki dua orbital 2s dan 2p untuk membentuk ikatan. Terdapat dua elektron tak berpasangan satu dalam tiap orbital 2p artinya atom karbon hanya dapat membentuk dua ikatan dengan hidrogen dalam keadaan dasar. Walaupun spesi CH₂  memang dikenal spesi ini sangat tidak stabil. Fakta menunjukkan bahwa atom karbon membentuk ikatan C H dan menghasilkan CH₄ dengan bentuk bangun ruang tetrahedron.

Hibridisasi adalah pencampuran dua atau lebih orbital atom membentuk jumlah orbital hibrida yang sama. Dimana masing masing orbital mempunyai bentuk dan energi yang sama.

·         Hibridisasi sp³

Atom karbon memiliki konfigurasi ground state pada kulit terluar terdapat dua elektron dalam orbital 2s dan dua elektron tak berpasangan dalam orbital 2p. 

 

·         Hibridisasi sp²

Hibridisasi sp² digunakan bila karbon membentuk ikatan rangkap dua. Untuk membentuk orbital ikatan sp² karbon menghibridisasiorbital 2enya hanya dengan dua orbital 2pnya. Satu orbital p tetap tak terhibridisasi

 

·                      ·         Hibridisasi sp

Hibridisasi sp digunakan bila karbon membentuk ikatan rangkap tiga. Untuk membentuk orbital ikatan sp karbon menghibridisasi orbital 2enya hanya dengan satu orbital 2pnya. Dua orbital p tetap tak terhibridisasi.

       a.      hibridisasi sp³

         Hibridisasi menjelaskan atom-atom yang berikatan dari sudut pandang sebuah atom. Untuk     sebuah karbon yang berkoordinasi secara tetrahedal (seperti metana, CH₄), maka karbon haruslah memiliki orbital-orbital yang memiliki simetri yang tepat dengan 4 atom hidrogen. Konfigurasi keadaan dasar karbon adalah 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ atau lebih mudah dilihat

(Perhatikan bahwa orbital 1s memiliki energi lebih rendah dari orbital 2s, dan orbital 2s berenergi sedikit lebih rendah dari orbital-orbital 2p) Teori ikatan valensi memprediksikan, berdasarkan pada keberadaan dua orbital p yang terisi setengah, bahwa C akan membentuk dua ikatan kovalen, yaitu CH₂. Namun, metilena adalah molekul yang sangat reaktif (lihat pula: karbena), sehingga teori ikatan valensi saja tidak cukup untuk menjelaskan keberadaan CH₄. Lebih lanjut lagi, orbital-orbital keadaan dasar tidak bisa digunakan untuk berikatan dalam CH₄. Walaupun eksitasi elektron 2s ke orbital 2p secara teori mengizinkan empat ikatan dan sesuai dengan teori ikatan valensi (adalah benar untuk O₂), hal ini berarti akan ada beberapa ikatan CH₄ yang memiliki energi ikat yang berbeda oleh karena perbedaan aras tumpang tindih orbital. Gagasan ini telah dibuktikan salah secara eksperimen, setiap hidrogen pada CH₄ dapat dilepaskan dari karbon dengan energi yang sama. Untuk menjelaskan keberadaan molekul CH₄ ini, maka teori hibridisasi digunakan. Langkah awal hibridisasi adalah eksitasi dari satu (atau lebih) elektron: 

 

Proton yang membentuk inti atom hidrogen akan menarik salah satu elektron valensi karbon. Hal ini menyebabkan eksitasi, memindahkan elektron 2s ke orbital 2p. Hal ini meningkatkan pengaruh inti atom terhadap elektron-elektron valensi dengan meningkatkan potensial inti efektif.s (orbital inti hampir tidak pernah terlibat dalam ikatan) "bergabung" dengan tiga orbital 2p membentuk hibrid sp³ (dibaca s-p-tiga) menjadi

Kombinasi gaya-gaya ini membentuk fungsi-fungsi matematika yang baru yang dikenal    sebagaiorbital hibrid. Dalam kasus atom karbon yang berikatan dengan empat hidrogen, orbital 2

 

Pada CH₄, empat orbital hibrid sp³ bertumpang tindih dengan orbital 1s hidrogen, menghasilkan empat ikatan sigma. Empat ikatan ini memiliki panjang dan kuat ikat yang sama, sehingga sesuai dengan pengamatan

 

Sebuah pandangan alternatifnya adalah dengan memandang karbon sebagai anion C⁴⁻. Dalam kasus ini, semua orbital karbon terisi: Sebuah pandangan alternatifnya adalah dengan memandang karbon sebagai anion C⁴⁻. Dalam kasus ini, semua orbital karbon terisi:

${\displaystyle }$

 

Jika kita menrekombinasi orbital-orbital ini dengan orbital-s 4 hidrogen (4 proton, H⁺) dan mengijinkan pemisahan maksimum antara 4 hidrogen (yakni tetrahedal), maka kita bisa melihat bahwa pada setiap orientasi orbital-orbital p, sebuah hidrogen tunggal akan bertumpang tindih sebesar 25% dengan orbital-s C dan 75% dengan tiga orbital-p C. HaL ini sama dengan persentase relatif antara s dan p dari orbital hibrid sp³ (25% s dan 75% p)

     

      b.     hibridisasi sp²

atom karbon ada dalam keadaan hibridisasi sp²

contoh-contoh senyawa dengan karbon sp²

Untuk membentuk orbital ikatan sp², karbon menghibridisasi orbital 2s nya hanya dengan dua orbital 2pnya . satu orbital p pada atom karbon tetap tak terhibridisasi karena dua orbial atom digunakan untuk membentuk orbital sp^2.masing-masing orbital sp² mrmpunyai bentuk yang sama seperti orbital sp³ dan mengandung satu elektron yang dapat digunakan untuk ikatan.

 

Tiga orbital sp² sekeliling inti karbon terletak sejauh mungkin yang satu dari yang lain –taitu. Orbital sp² terletak dalam bidang sudut 120^◦ ( secara ideal ) di antaranya. Suatu atom karbon terhibridisasi sp²  dikatakan karbon trigonal (tri sudut)

 

Dalam etina (CH₂ = CH₂), dua Karbon sp² dapat digabung oleh ikatan sigma yang terbentuk karena tumpang tindih atau orbital sp²dari masing masing atom karbon. 

( ikatan sigma ini adalah salah satu ikatan dari ikatan rangkap dua )  setiap atom kararbon masih memiliki dua orbital sp² tersisa untuk atom hydrogen.( setiap atom karbon juga mempunyai orbital p ).

kedua orbital pini kemudian tumpang tindih  lewat kedua sisinya , hasil dari tumpang tindih sisi terhadap sisi ini iyalah ikatan pi (П)  suatu orbital molekul ikatan yang menggabungkan dua karbon dan terlokasi diatas dan dibawah bidang dari ikatan sigma . ikatan pi adalah ikatan kedua dari ikatan rangkap dua.