IKATAN KIMIA (bagian 2)

SENYAWA KOVALEN POLAR DAN NON-POLAR

1.    Kepolaran Ikatan Kovalen

Apabila dua atom H berikatan secara kovalen, masing-masing atom H akan menggunakan pasangan elektron ikatan secara seimbang dalam ikatannya. Hal ini dikarenakan pasangan elektron tersebut tertarik sama kuat oleh kedua inti atom. Akan tetapi, apabila atom H berikatan secara kovalen dengan Cl, maka pasangan elektron ikatan dalam ikatan kovalennya akan digunakan secara tidak seimbang.

 

Pada ikatan kovalen H-H, gaya tarik menarik inti seimbang terhadap pasangan elektron ikatan sehingga tidak terjadi pengutuban atau kepolaran muatan. Ikatan kovalen demikian disebut ikatan kovalen non-polar. Sebaliknya, pada ikatan H-Cl, terdapat gaya tarik menarik inti yang tidak seimbang atau terjadi pengutuban atau kepolaran muatan. Hal ini dikarenakan keelektronegatifan atom Cl lebih besar dibandingkan atom H. akibatnya, pasangan elektron dalam ikatan kovalen tersebut akan bergerak menuju ke atom Cl. Ujung atom Cl akan memiliki kelebihan muatan negative parsial sebesar –q; sedangkan ujung atom H akan kekurangan muatan negatif atau kelebihan muatan positif parsial  sebesar +q. adanya +q dan –q pada ujung-ujung ikatan menyebabkan terjadinya pengutuban atau kepolaran. Ikatan kovalen di mana atom-atomnya memiliki muatan parsial positif dan negative ini disebut ikatan kovalen polar (atau ikatan dipol/dwi kutub).  

Tingkat kepolaran ikatan kovalen dinyatakan secara kuantitatif oleh momen dipol (µ). Momen dipol (µ) adalah hasil kali jumlah muatan pada salah satu ujung (q) dengan jarak antara kedua muatan (r) tersebut.

µ = q  x  r

satuan µ adalah debye, menurut nama ahli kimia fisika Peter Debye (1884-1966).

1 Debye = 3,336 x 10^-30 Coulomb-meter

Perhatikan, ikatan kovalen non-polar seperti pada H₂ dan Cl₂ memiliki nilai µ sama dengan 0. Sedangkan ikatan kovalen polar seperti pada HCl dan HF memiliki nilai µ ≠ 0.

           Gambar 1. Momen dipol adalah vektor yang dinyatakan oleh anak panah dengan ekor (+). Anak panah mengarah ke muatan negatif

Kepolaran dari kedua ikatan H-H dan H-Cl di atas dapat digambarkan sebagai berikut.

Gambar 2. Kepolaran ikatan kovalen H-H dan H-Cl

Secara umum, kepolaran ikatan kovalen dapat dirangkum sebagai berikut

§  Ikatan kovalen bersifat non-polar apabila pasangan elektron ikatan digunakan secara seimbang oleh kedua inti atom yang berikatan sehingga tidak terjadi pengutuban atau kepolaran muatan. Nilai momen dipol µ = 0

§  Ikatan kovalen bersifat polar apabila pasangan elektron ikatan digunakan tidak seimbang oleh kedua inti atom yang berikatan sehingga terjadi pengutuban atau kepolaran muatan. Ikatan ini memiliki momen dipol µ ≠ 0.

           2.    Kepolaran Molekul

Molekul poliatom dengan lebih dari satu ikatan kovalen dapat bersifat non-polar atau polar. Hal ini tergantung dari bentuk molekulnya, yang menentukan resultan momen dipol ikatan-ikatan kovalennya, atau net dipol µ.

-     Apabila net dipol µ = 0, maka molekul bersifat non-polar. Sebagai contoh, molekul P₄ dan CCl₄. Molekul P₄ bersifat non-polar karena keempat ikatan kovalennya P-P bersifat non-polar sehingga net dipol µ = 0. Molekul CCl₄ juga bersifat non-polar meski memiliki 4 ikatan kovalen polar C-Cl namun karena bentuk molekul tetragonal simetris, maka net dipol nya µ = 0.

Gambar 3. Net dipol molekul P₄ dan CCl₄

-     Apabila net dipol µ ≠ 0, maka molekul bersifat polar. Sebagai contoh, molekul H₂O dan CHCl₃. Molekul H₂O bersifat polar karena bentuk molekulnya bengkok sehingga kedua ikatan kovalennya O-H tidak saling meniadakan atau net dipol µ ≠ 0. Molekul CHCl₃ juga bersifat polar karena memiliki dua jenis ikatan kovalen polar berbeda, yakni 3 ikatan C-C dan 1 ikatan C-H yang menghasilkan net dipol µ ≠ 0.

Gambar 4. Net dipol molekul H₂O dan CHCl₃

Memperkirakan Net dipol

Dipol adalah besaran vektor (bukan skalar) sehingga operasi aljabar vektor berikut berlaku untuk mengetahui net dipolnya.

Tabel 1. Net dipol µ beberapa molekul dalam fase gas

Molekul		µ (D)
Molekul non-polar	H2	0
	Cl2	0
	CO2	0
	CH4	0
	CCl4	0
Molekul polar	HCl	1,08
	HF	1,91
	NH3	1,47
	H2O	1,85
	CH3Cl	1,87

Secara umum, kepolaran molekul dapat dirangkum sebagai berikut.

§  Suatu molekul diatom

a)    Bersifat non-polar apabila memiliki ikatan kovalen non-polar. (µ = 0). Contohnya H₂, Cl₂, dan O₂.

b)    Bersifat polar apabila memiliki ikatan kovalen polar (µ ≠ 0). Contohnya HCl, HF.

§  Suatu molekul poliatom

a)    Bersifat non-polar bila bentuk molekulnya menghasilkan net dipol µ = 0. Contohnya CCl₄, CO₂, dab BCl₃.

b)    Bersifat polar bila bentuk molekulnya menghasilkan net dipol µ ≠ 0. Contohnya H₂O dan NH₃.

IKATAN LOGAM

Ikatan kimia antar atom-atom penyusun logam bukanlah ikatan ion ataupun ikatan kovalen. Ikatan ion tidak mungkin karena semua atom logam cenderung ingin melepas elektron dan membentuk ion positif. Demikian pula ikatan kovalen, atom logam mempunyai jumlah elektron valensi yang terlalu sedikit sehingga sulit membentuk ikatan kovalen. Terdapat suatu jenis ikatan yang dapat mengikat atom-atom logam, yakni ikatan logam.

Banyak teori yang telah dikemukakan untuk menjelaskan ikatan logam. Salah satu teori yang sederhana adalah teori larutan elektron. Dalam teori ini, atom logam harus berikatan dengan banyak atom logam lainnya untuk mencapai konfigurasi elektron gas mulia. Sebagai contoh, atom Na yang memiliki 1 elektron valensi harus berikatan dengan minimum 7 atom Na lainnya untuk memiliki 8 elektron.

Tempat kedudukan elektron valensi dari suatu atom Na dapat saling tumpang tindih dengan tempat kedudukan elektron valensi dari atom-atom Na lainnya. Adanya tumpang tindih memungkinkan elektron valensi dari setiap atom Na bergerak bebas dalam ruang diantara ion-ion Na⁺ membentuk larutan elektron. Oleh karena muatannya berlawanan, maka terjadi gaya tarik menarik (gaya elektrostatis) antara ion-io Na⁺ dan elektron-elektron bebas ini. Akibatnya, terbentuk ikatan kimia yang disebut ikatan logam.

Ikatan logam adalah ikatan kimia yang terbentuk akibat penggunaan bersama elektron-elektron valensi antar atom-atom logam.

Kekuatan ikatan logam ditentukan oleh besarnya gaya tarik menarik antara ion-ion positif dan elektron-elektron bebas. Semakin besar jumlah muatan positif ion logam berarti semakin banyak jumlah elektron bebasnya, maka semakin besar kekuatan ikatan logam. Hal ini menjelaskan mengapa logam Na lebih lunak dibandingkan logam Al.

SIFAT FISIS SENYAWA ION, SENYAWA KOVALEN, DAN SENYAWA LOGAM

Sifat fisis suatu zat ditentukan oleh gaya antar partikel penyusun zat. Pada senyawa ion dan logam, gaya antar partikel tersebut adalah ikatan ion dan ikatan logam itu sendiri. Sedangkan pada senyawa kovalen, gaya antar partikel tersebut adalah gaya antar molekul.

Tabel 2. Perbedaan pada senyawa ion, kovalen, dan logam.

karakteristik	Senyawa ion	Senyawa kovalen	logam
Jenis ikatan kimia	Ikatan ion	Ikatan kovalen	Ikatan logam
Partikel penyusun	Ion-ion positif dan negatif	Molekul-molekul	Ion-ion positif yang dikelilingi oleh lautan elektron
Gaya antar partikel	Ikatan ion berupa gaya elektrostatis yang kuat antar ion-ion positif dan negatif	Gaya elektrostatis antar molekul (gaya van der waals) yang relatif lemah	Ikatan logam berupa gaya elektrostatis yang kuat antara ion-ion logam positif dan elektron bebas

Gambar 8. Gaya antar partikel senyawa ion, senyawa kovalen, dan logam

1.    Sifat fisis senyawa ion

Sifat fisis senyawa ion ditentukan oleh gaya elektrostatis yang kuat dan sama ke segala arah. Dalam senyawa ion, suatu ion positif akan dikelilingi oleh sejumlah ion negatif, demikian pula sebaliknya. Dalam fase padat, ikatan antar ion-ion positif dan negatif ini membentuk suatu pola / struktur teratur yang disebut struktur kristal. Susunan partikel-partikel dalam kristal disebut kisi kristal. Kisi kristal mempunyai pola tertentu yang merupakan pengulangan dari bagian-bagian yang disebut unit sel. Untuk jelasnya, simak struktur kristal NaCl berikut.

Penjelasan di atas akan memudahkan kita untuk memahami beberapa sifat fisis dari senyawa ion berikut:

§  Berupa padatan pada suhu ruang

Hal ini dikarenakan adanya gaya elektrostatis yang kuat antar ion-ion positif dan negatif yang menyebabkan posisi ion-ion dalam kisi kristal bersifat tetap. Ion-ion tersebut tidak memiliki karakteristik zat cair, yakni kebebasan bergerak.

§  Bersifat keras tetapi rapuh

Struktur kristal senyawa ion dapat digambarkan sebagai lapisan-lapisan yang mengandung ion-ion positif dan negatif. Ion-ion positif dan negatif ini terikat oleh gaya elektrostatis yang kuat ke segala arah. Hal ini memberikan sifat keras pada kristal tersebut. Akan tetapi, jik diberi gaya dari luar, maka lapisan-lapisan dalam kristal dapat bergeser. Ion-ion sejenis dapat berada satu diatas lainnya sehingga timbul tolak-menolak yang kuat sehingga mengakibatkan pemisahan. Kristal akan hancur berkeping-keping atau dikatakan rapuh

Gambar 9. Sifat kristal NaCl. (a) kristal NaCl akan pecah jika dipukul dengan palu (b) pergeseran lapisan karena adanya gaya dari luar dapat menyebabkan ion-ion sejenis berada satu diatas lainnya. Akibatnya timbul tolak menolak yang kuat sehingga terjadi pemisahan

§  Mempunyai titik leleh dan titik didih yang tinggi

Ion-ion positif dan negatif dalam kristal senyawa ion terikat oleh gaya elektrostatis yang kuat sehingga tidak bebas bergerak. Hanya pada suhu tinggi ion-ion ini dapat memperoleh energi kinetik yang cukup untuk mengtasi gaya elektrostatis tersebut. Sebagai ganbaran, senyawa NaCl mempunyai titik leleh 801^oC dan titik didih 1.465^oC.

§  Larut dalam pelarut air, tetapi umumnya tidak larut dalam pelarut organik

Secara umum, larutan akan terbentuk apabila zat terlaut dan pelarutnya mempunyai kepolaran yang sama. Senyawa ion dapat larut dalam air karena keduanya bersifat polar. Kepolaran air dapat mengatasi gaya elektrostatis dalam senyawa ion sehingga terjadi pemisahan ion-ion atau pelarutan. Sedangkan senyawa ion umumnya tidak larut dalam pelarut organik seperti etanol (alkohol) yang bersifat non-polar

§  Tidak menghantar listrik dalam fase padat, tetapi menghantar listrik dalam fase cair atau jika larut dalam air

Suatu zat dapat menghantar listrik jika terdapat ion-ion atau elektron-elektron yang dapat bergerak bebas membawa muatan listrik. Padatan senyawa ion tersusun dari ion-ion positif dan negatif yang tidak dapat bergerak bebas. Akan tetapi, dalam fase cair (lelehan) atau jika larut dalam air, io-ion tersebut dapat bergerak bebas.

2.    Sifat Fisis Senyawa Kovalen

Struktur molekul dapat dibedakan menjadi struktur kovalen sederhana dan struktur kovalen raksasa. Kebanyakan senyawa kovalen tersusun dari molekul-molekul dengan struktur kovalen sederhana. Molekul-molekul tersebut terikat oleh gaya elektrostatis yang relatif lemah, disebut gaya antar molekul (gaya van der Waals). Gaya ini yang akan menentukan sifat fisis senyawa kovalen. Untuk struktur kovalen lainnya, yaitu struktur kovalen raksasa, sifat fisisnya ada yang ditentukan oleh ikatan kovalennya saja; atau oleh ikatan kovalen dan gaya elektrostatis dalam molekulnya.

Beberapa sifat fisis yang penting adalah:

§  Berupa gas, cairan, atau padatan lunak pada suhu ruang

Hal ini dikarenakan molekul-molekul dalam senyawa kovalen terikat oleh gaya antar-molekul yag lemah. Jadi, molekul-molekul tersebut dapat bergerak relatif lebih bebas.

§  Bersifat lunak dan tidak rapuh

Gaya antar-molekul yang lemah pada senyawa kovalen dalam fase padat menyebabkan molekul-molekul dalam struktur kristal mudah bergeser. Hal ini menyebabkan senyawa kovalen bersifat lunak dan tidak rapuh. Contohnya lilin parafin.

§  Mempunyai titik leleh dan titik didih yang rendah

Hal ini dikarenakan gaya antar molekul senyawa kovalen relatif lemah. Pada suhu yang rendah, molekul-molekul dapat memperoleh energi kinetik yang ukup untuk megatasi gaya antar molekul tersebut.

§  Umumnya tidak larut dalam air tetapi larut dalam pelarut organik

Kebanyakan senyawa kovalen tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik. Pengeculiannya adalah senyawa kovalen yang bersifat polar.

§  Umumnya tidak dapat menghantar listrik

Hal ini dikarenakan senyawa kovalen tidak memiliki ion atau elektron yang dapat bergerak bebas membawa muatan listrik. Akan tetapi, beberapa senyawa kovalen polar yang larut dalam air dapat terhidrolisis (bereaksi dengan air) membentuk ion-ion sehingga dapat menghantar listrik.

Sifat Fisis Unsur dan Senyawa Kovalen dengan Struktur Kovalen Raksasa

Sifat fisis unsur dan senyawa kovalen ada yang ditentukan oleh ikatan kovalennya saja; atau oleh ikatan kovalen dan gaya elektrostatis dalam molekulnya.

a.    Unsur dengan struktur kovalen raksasa

Unsur-unsur seperti karbon (C), silikon (Si), dan germanium (Ge) mempunyai struktur kovalen raksasa. Unsur C sendiri mempunyai lebih dari satu struktur antara lain intan dan grafit. Struktur kovalen raksasa dari unsur Si dan Ge mirip dengan unsur C dalam intan.

-     Unsur karbon dalam intan

Intan merupakan kristal mengkilap yang banyak digunakan untuk perhiasan. Atom-atom C dalam intan bergabung membentuk struktur kovalen raksasa yang stabil dan simetris. Struktur ini dapat menjelaskan mengapa intan bersifat keras, tidak dapat menghantar listrik, dan memiliki titik leleh dan titik didih yang tiggi.

-     Unsur karbon dalam grafit

Grafit merupakan padatan hitam yang tidak mengkilap. Struktur grafit terdiri dari lapisan-lapisan dimana masing-masing atom C dalam lapisan dikelilingi oleh 3 atom C lainnya. Lapisan-lapisan tersebut kemudian terikat oleh suatu gaya elektrostatis yang lebih lemah. Dari mana gaya tersebut berasal? Seperti diketahui, atom C memiliki 4 elektron valensi. Tiga elektron digunakan untuk membentuk ikatan kovalen dengan 3 atom C lainnya. Satu elektron yang tersisa dapat bergerak bebas diantara lapisan-lapisan sehingga timbul gaya elektrostatis antara lapisan-lapisan tersebut. Struktur grafit ini dapat menjelaskan mengapa grafit bersifat lunak/licin/rapuh, dapat menghantar listrik, dan mempunyai titik sublimasi yang tinggi (3.000^oC).

b.    Senyawa dengan struktur kovalen raksasa

Dua contoh senyawa kovalen dengan struktur kovalen raksasa adalah SiO₂ dan SiC.

-     Silikon dioksida (SiO₂)

Di dalam kristal SiO₂, setiap atom Si terikat secara kovalen dengan 4 atom O, dan setiap atom O tersebut terikat ke atom Si lainnya. Struktur tersebut menjelaskan mengapa SiO₂ bersifat keras, tidak dapat menghantar listrik, dan memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi (1.610^oC dan 2.230^oC)

-     Silikon karbida (SiO)

Struktur SiC mirip dengan struktur kovalen raksasa dari intan. Hal ini menjelaskan mengapa SiC antara lain sangan keras dan mempunyai titik leleh yang sangat tinggi

3.    Sifat Fisis Logam

Sifat fisis logam ditentukan oleh ikatan logam yang sangat kuat membentuk struktur kristal yang rapat. Hal ini menyebabkan atom-atom tidak memiliki kebebasan bergerak seperti halnya pada zat cair. (penegecualiannya adalah Hg). 

Tabel 3. Sifat fisis beberapa logam

Logam	Fase pada suhu ruang	Titik leleh (oC)	Kerapatan (Kg/m3)	Daya hantar listrik (MW-1cm-1)
Natrium (Na)	Padat	98	970	0,210
Magnesium (Mg)	Padat	649	1.740	0,260
Aluminium (Al)	Padat	660	2.702	0,377
Besi (Fe)	Padat	1.535	7.860	0,099
Tembaga (Cu)	Padat	1.083	8.920	0,596
Emas (Au)	Padat	1.063	19.420	0,420

§  Bersifat keras tetapi lentur/tidak mudah patah jika ditempa

Ikatan logam yang kuat dan struktur logam yang rapat menyebabkan logam bersifat kuat, keras, dan rapat. Akan tetapi, adanya elektron-elektron bebas menyebabkan logam bersifat lentur/tidak mudah patah. Hal ini dikarenakan sewaktu logam dikenakan gaya luar, maka elektron-elektron bebas akan berpindah mengikuti ion-ion positif yang bergeser.

§  Mempunyai titik leleh dan titik didih yang tinggi

Hal ini dikarenakan atom-atom logam terikat oleh ikatan logam yang kuat. Untuk mengatasi ikatan logam tersebut, diperlukan energi dalam jumlah yang besar.

§  Menghantar listrik dengan baik

Di dalam ikatan logam, terdapat elektron-elektron bebas yang dapat membawa muatan listrik. Jika diberi suatu beda tegangan, maka elektron-elektron ini akan bergerak dari kutub negatif menuju kutub negatif

§  Menghantar panas dengan baik

Elektron-elektron yang bergerak bebas di dalam kristal logam memiliki energi kinetik. Jika dipanaskan, elektron-elektron akan memperoleh energi kinetik yang cukup untuk dapat bergerak/bervibrasi dengan cepat. Dalam pergerakannya, elektron-elektron tersebut akan bertumbukan dengan elektron-elektron lainnya. Hal ini menyebabkan terjadinya transfer energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.

§  Mempunyai permukan yang mengkilap

Di dalam ikatan logam, terdapat elektron-elektron bebas. Sewaktu cahaya jatuh pada permukaan logam, maka elektron-elektron bebas akan menyerap energi cahaya tersebut. Elektron-elektron akan melepas kembali energi tersebut dalam bentuk radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi cahaya awal. Oleh karena frekuensinya sama, maka kita melihatnya sebagai pantulan cahaya yang datang. Pantulan cahaya tersebut membuat permukaan logam tampak mengkilap.

§  Memberi efek fotolistrik dan efek termionik

Apabila elektron bebas pada ikatan logam memperoleh energi yang cukup dari luar, maka elektron tersebut dapat lepas dari logam. Elektron tersebut dapat ditarik keluar oleh suatu bda potensial positif. Jika energi yang diperoleh elektron bebas berasal dari berkas cahaya, maka fenomena pelepasan elektron dari logam disebut efek fotolistrik. Sedangkan jika energi tersebut bersal dari pemanasan, maka disebut efek termionik.