Bab 2 Ikatan Kimia

A.    Ikatan Kimia dan Struktur Lewis

1.      Ikatan Kimia

Ikatan kimia adalah sebuah proses fisika yang bertanggung jawab dalam interaksi gaya tarik menarik antara dua atom atau molekul yang menyebabkan suatu senyawa diatomik atau poliatomik menjadi stabil. Penjelasan mengenai gaya tarik menarik ini sangatlah rumit dan dijelaskan oleh elektrodinamika kuantum. Dalam prakteknya, para kimiawan biasanya bergantung pada teori kuantum atau penjelasan kualitatif yang kurang kaku (namun lebih mudah untuk dijelaskan) dalam menjelaskan ikatan kimia. Secara umum, ikatan kimia yang kuat diasosiasikan dengan transfer elektron antara dua atom yang berpartisipasi. Ikatan kimia menjaga molekul-molekul, kristal, dan gas-gas diatomik untuk tetap bersama. Selain itu ikatan kimia juga menentukan struktur suatu zat.

Kekuatan ikatan-ikatan kimia sangatlah bervariasi. Pada umumnya, ikatan kovalen dan ikatan ion dianggap sebagai ikatan "kuat", sedangkan ikatan hidrogen dan ikatan van der Waals dianggap sebagai ikatan "lemah". Hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa ikatan "lemah" yang paling kuat dapat lebih kuat daripada ikatan "kuat" yang paling lemah.

Contoh model titik Lewis yang menggambarkan ikatan kimia anatara karbon C, hidrogen H, dan oksigen O. Penggambaran titik lewis adalah salah satu dari usaha awal kimiawan dalam menjelaskan ikatan kimia dan masih digunakan secara luas sampai sekarang.

Segala sesuatu di alam ini selalu membentuk suatu kestabilan. Begitu pula halnya dengan senyawa kimia. Senyawa kimia tersusun atas molekul atau atom. Atom-atom akan saling bergabung membentuk suatu ikatan kimia untuk mencapai kestabilan. Beberapa molekul terdiri atas atom-atom yang berbeda seperti garam (NaCl). Ada juga molekul yang terdiri atas atom-atom yang sama seperti gas hidrogen (H₂).

Ikatan ion yaitu ikatan yang terbentuk sebagai akibat adanya gaya tarik-menarik antara ion positif dan ion negatif. Ion positif terbentuk karena unsur logam melepaskan elektronnya, sedangkan ion negatif terbentuk karena unsur nonlogam menerima elektron. Ikatan ion terjadi karena adanya serah terima elektron.
Atom-atom membentuk ikatan ion karena masing-masing atom ingin mencapai keseimbangan/kestabilan seperti struktur elektron gas mulia. Ikatan ion terbentuk antara:
a. ion positif dengan ion negatif,
b. atom-atom berenergi potensial ionisasi kecil dengan atom-atom berafinitas elektron besar (Atom-atom unsur golongan IA, IIA dengan
atom-atom unsur golongan VIA, VIIA),
c. atom-atom dengan keelektronegatifan kecil dengan atom-atom yang mempunyai keelektronegatifan besar.
Garam dapur merupakan contoh senyawa kimia yang banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Senyawa yang memiliki rumus kimia NaCl ini terdiri atas unsur natrium (Na) dan klorin (Cl). Unsur Na bersifat reaktif, reaksinya dengan air dapat menimbulkan ledakan. Adapun, unsur klorin bersifat toksik. Akan tetapi, ketika kedua unsur ini bergabung (berikatan) maka diperoleh senyawa baru yang dapat digunakan sebagai bumbu makanan. Pernahkah terpikirkan oleh Anda bagaimana atom-atom itu dapat berikatan?

Dalam keadaan bebasnya, unsur natrium cenderung bermuatan positif. Suatu atom dikatakan stabil jika semua kulitnya terisi penuh atau setengah penuh. Dengan demikian, unsur-unsur golongan gas mulia bersifat stabil. Konfigurasi elektron unsur golongan gas mulia disebut konfigurasi duplet (untuk helium) dan oktet (untuk neon, argon, xenon, kripton, dan radon). Unsur-unsur gas mulia jarang ditemukan bereaksi dengan unsur lain kecuali untuk Kr, Xe, dan Rn yang dapat bereaksi walaupun diperlukan kondisi khusus. Berikut ini konfigurasi elektron unsur-unsur gas mulia.

Unsur logam dan nonlogam belum stabil. Untuk mencapai kestabilannya, unsur logam cenderung melepaskan elektron, sedangkan unsur nonlogam cenderung menerima elektron. Dengan melepaskan atau menerima elektron, konfigurasi elektron unsur logam dan nonlogam sama dengan konfigurasi elektron gas mulia yang stabil. Setelah melepaskan elektron, unsur logam bermuatan positif. Adapun unsur nonlogam akan bermuatan negatif setelah menerima elektron. Atom bermuatan positif dapat berikatan dengan atom bermuatan negatif membentuk senyawa.

2.      Struktur Lewis

Teori Lewis menjelaskan bahwa elektron valensi memegang peranan penting dalam pembentukkan ikatan kimia. Ikatan ini terbentuk karena transfer dan penggunaan elektron bersama l sebab atom –atom bukan gas mulia cenderung mencapai konfigurasi yang sama dengan gas mulia (duplet atau oktet)  dengan cara berikatan dengan  dengan unsur lain membentuk molekul. Dengan demikian, susunan elektron valensi atom-atom bukan gas mulia dalam molekulnya dapat ditemukan dalam bentuk duplet atau oktet.  Elektron-elektron yang terlibat adalam ikatan dinyatakan dengan struktur lewis.

Struktur Lewis suatu atom atau ion terdiri atas lambang kimia yang dikelilingi oleh titik-titik elektron. Struktur Lewis diusulkan oleh G. N. Lewis yang merupakan cara untuk menggambarkan elektron valensi dari atom-atom dengan titik-titik. Struktur Lewis sangat berguna dalam menggambarkan atom-atom yang saling berikatan membentuk ikatan kovalen atau ikatan ion.

Langkah-langkah membuat struktur Lewis untuk molekul dengan ikatan kovalen tunggal dan rangkap

1. Tentukan semua atom yang membentuk molekul tersebut. Buat kerangka strukturnya dimana atom pusatnya biasanya adalah atom pertama dalam rumus kimia molekul tersebut. Ambil contoh molekul

F           N          F

F

2. Tentukan elektron valensi dari atom-atom berdasarkan golongannya pada sistem periodik.

3. Tulis semua elektron valensi atom pusat dengan lambang (•). Letakkan 1 elektron pada sisi di mana terdapat atom lain. Sisanya, letakkan secara berpasangan.

4. Tulis semua elektron valensi atom lainnya dengan lambang (•) sedemikian sehingga mengikuti aturan oktet/duplet atau pengecualian aturan oktet.

5. Periksa jumlah elektron di sekeliling atom pusat, apakah sudah sesuai dengan aturan oktet/duplet. Jika sudah sesuai, ganti setiap pasangan elektrontersebut dengan garis tunggal (ikatan tunggal). Jika belum sesuai, tambahkan pasangan elektron. Apabila terdapat dua pasangan elektron, maka ganti dengan garis rangkap dua (ikatan rangkap dua). Jika terdapat 3 pasangan elektron, ganti dengan garis rangkap tiga (ikatan rangkap tiga).

• Atom N memerlukan 8 elektron di sekelilingnya untuk mencapai konfigurasi elektron yang stabil seperti gas mulia. Pada , jumlah elektron ini sudah terpenuhi. Jadi ganti setiap pasangan elektron tersebut dengan garis tunggal (ikatan tunggal).

atau

B.     Ikatan Ion

Anda tentu tidak asing lagi dengan garam dapur. Hampir setiap masakan yang Anda makan pasti mengandung garam dapur. Senyawa kimia yang memiliki rumus kimia NaCl ini berwujud padat, namun mudah rapuh. Garam dapur juga memiliki titik didih yang sangat tinggi. Tahukah Anda, mengapa garam dapur memiliki sifat seperti itu? Sifat dari suatu senyawa kimia termasuk garam dapur dipengaruhi oleh jenis ikatan kimia dan struktur senyawa tersebut.

Atom Na memiliki konfigurasi elektron 2 8 1 sehingga elektron valensinya 1. Adapun konfigurasi elektron atom Cl adalah 2 8 7 sehingga elektron valensinya adalah 7. Dalam keadaan netral, atom Na dan Cl memiliki jumlah elektron dan proton yang sama banyak. Atom Na memiliki 11 proton dan 11 elektron, sedangkan atom Cl memiliki 17 proton dan 17 elektron. Pada keadaan ini, atom Na dan Cl tidak stabil. Berdasarkan kaidah oktet, untuk mencapai kestabilannya, atom Na harus melepaskan 1 elektron, sedangkan atom Cl membutuhkan 1 elektron. Apakah yang terjadi jika atom Na melepaskan elektron dan atom Cl menerima 1 elektron? Atom Na akan bermuatan positif karena jumlah proton lebih banyak daripada jumlah elektron. Adapun atom Cl akan bermuatan negatif karena jumlah proton lebih sedikit daripada jumlah elektron. Dengan demikian, atom Na dan Cl dapat mencapai kestabilannya dengan cara serah terima elektron. Atom Na menyerahkan 1 elektron kepada atom Cl sehingga atom Cl menerima 1 elektron dari atom Na.

Karena berbeda muatan, ion Na+ dan ion Cl– akan saling tarik-menarik. Interaksi yang dinamakan interaksi elektrostatik ini berlangsung secara terus menerus. Ikatan kimia yang terbentuk dengan cara serah terima elektron, seperti pembentukan NaCl, dinamakan ikatan ion. Senyawa yang terbentuk melalui ikatan ion disebut senyawa ion. Garam dapur (NaCl) merupakan senyawa ionik yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Petani garam memperoleh kristal NaCl secara tradisional yaitu dengan cara menguapkan air laut dengan bantuan sinar matahari. Jutaan atau bahkan miliaran ion Na+ dan ion Cl– dalam garam saling tarik-menarik sehingga membentuk struktur ion raksasa. Bagian kecil dari struktur ion raksasa NaCl dapat diamati pada gambar berikut.

Ion Na+ dan Cl– memiliki interaksi elektrostatik yang sangat kuat sehingga untuk memutuskan ikatan tersebut diperlukan energi yang cukup tinggi. Itulah sebabnya senyawa NaCl memiliki titik didih yang sangat tinggi, yaitu 1.465 °C. Selain titik didih yang sangat tinggi, NaCl juga memiliki sifat mudah rapuh. Mengapa demikian? Struktur NaCl tersusun atas beberapa lapisan.

Bayangkanlah apa yang akan terjadi jika lapisan bagian atas kristal NaCl diberikan dorongan.

Lapisan bagian atas akan bergeser sehingga ion-ion pada lapisan atas dan lapisan di bawahnya yang bermuatan sama akan saling berhadapan. Anda tentu telah mengetahui bahwa ion-ion yang bermuatan sama akan tolak-menolak. Dengan demikian, ikatan akan terlepas sehingga tidak heran jika garam dapur mudah rapuh. Ujilah kerapuhan garam dapur yang masih berbentuk balok.

C.    Ikatan Kovalen

Ikatan kovalen adalah ikatan yang terjadi antara unsur nonlogam dengan unsur nonlogam yang lain dengan cara pemakaian bersama pasangan elektron. Adakalanya dua atom dapat menggunakan lebih dari satu pasang elektron. Apabila yang digunakan bersama dua pasang atau tiga pasang maka akan terbentuk ikatan kovalen rangkap dua atau rangkap tiga. Jumlah elektron valensi yang digunakan untuk berikatan tergantung pada kebutuhan tiap atom untuk mencapai konfigurasi elektron seperti gas mulia (kaidah duplet atau oktet).

Penggunaan bersama pasangan elektron digambarkan oleh Lewis menggunakan titik elektron. Rumus Lewis merupakan tanda atom yang di sekelilingnya terdapat titik, silang atau bulatan kecil yang menggambarkan elektron valensi atom yang bersangkutan.

Apabila dua atom hidrogen membentuk ikatan maka masing-masing atom menyumbangkan sebuah elektron dan membentuk sepasang elektron yang digunakan bersama. Sepasang elektron bisa digantikan dengan sebuah garis yang disebut tangan ikatan.

Jumlah tangan dapat menggambarkan jumlah ikatan dalam suatu senyawa kovalen. Pada molekul H2 di atas ikatannya disebut ikatan kovalen tunggal. Molekul O2 terjadi dari dua atom oksigen dengan ikatan kovalen rangkap, sedangkan pada molekul N2 terdapat tiga ikatan kovalen yang disebut ikatan kovalen rangkap tiga.

Contoh Pembentukan ikatan antara ₁H dengan ₇N membentuk NH₃.

konfigurasi elektron

₁H = 1

₇N = 2 5

Atom nitrogen memerlukan tiga elektron untuk mendapatkan susunan elektron gas mulia, sedangkan setiap atom hidrogen memerlukan sebuah elektron untuk mempunyai konfigurasi elektron seperti gas helium. Oleh karena itu, setiap atom nitrogen memerlukan tiga atom hidrogen.

Sifat-sifat senyawa kovalen sebagai berikut.

1. Pada suhu kamar umumnya berupa gas (misal H₂, O₂, N₂, Cl₂, CO₂), cair (misalnya: H₂O dan HCl),   ataupun berupa padatan.
2. Titik didih dan titik lelehnya rendah, karena gaya tarik-menarik antarmolekulnya lemah meskipun ikatan antaratomnya kuat.
3. Larut dalam pelarut nonpolar dan beberapa di antaranya dapat berinteraksi dengan pelarut polar.
4. Larutannya dalam air ada yang menghantar arus listrik (misal HCl) tetapi sebagian besar tidak dapat      menghantarkan arus listrik, baik padatan, leburan, atau larutannya.
   Anda dapat memprediksi ikatan kimia apabila mengetahui konfigurasi elektron dari atom unsur tersebut (elektron valensinya). Dari situ akan diketahui jumlah kekurangan elektron masing-masing unsur untuk mencapai kaidah oktet dan dupet (kestabilan struktur seperti struktur elektron gas mulia).

Jarak antara dua inti atom yang berikatan disebut panjang ikatan. Sedangkan energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan disebut energi ikatan. Pada pasangan unsur yang sama, ikatan tunggal merupakan ikatan yang paling lemah dan paling panjang. Semakin banyak pasangan elektron
milik bersama, semakin kuat ikatan dan panjang ikatannya semakin kecil/pendek.

D.    Senyawa Polar dan Nonpolar

Perbedaan Senyawa Polar dengan Senyawa Nonpolar

Senyawa polar dan non polar

Ciri-ciri senyawa polar :

·         Dapat larut dalam air dan pelarut polar lain

·         Memiliki kutub + dan kutub - , akibat tidak

·         Memiliki pasangan elektron bebas (bentuk tdk simetris)

·         Dapat larut dalam air

·         Berakhir ganjil, kecuali BX3 dan PX5

Meratanya distribusi elektron bila memiliki pasangan elektron bebas (bila bentuk molekul diketahui) atau memiliki perbedaan keelektronegatifan

Contoh : alkohol, HCl, PCl3, H2O, N2O5
Senyawa polar digambarkan sebagai

Ciri-ciri senyawa non polar :

·         Tidak larut dalam air dan pelarut polar lain

·         Tidak memiliki kutub + dan kutub - , akibat

·         Tidak dapat larut dalam air

·         Tidak memiliki pasangan elektron bebas (bentuk simetris)

·         Meratan Berakhir genap

Distribusi elektron bila tidak memiliki pasangan elektron bebas (bila bentuk molekul diketahui) atau keelektronegatifannya sama

E.     Ikatan Kovalen Koordinat

Ikatan kovalen koordinat terjadi apabila pasangan electron yang dipakai bersama berasal dari penyumbangan saah satu atom yang berikatan. Ikatan kovalen koordinat dikenal juga sebagai ikatan dativ atau ikatan semipolar. Amonia (NH₃) dapat bereaksi dengan boron trifklorida (BCl₃) membentuk senyawa NH₃.BCl₃.

Pembentukan ikatan kovalen koordinat NH3.BF3

Atom nitrogen dalam NH₃ telah memenuhi aturan oktet dengan sepasang elektron bebas. Akan tetapi atom boron telah berpasangan dengan tiga atom klorin tetapi belum memenuhi aturan oktet. Akibat hal ini, pasangan elektron bebas atom nitrogen dapat digunakan untuk berikatan dengan atom boron. Dalam menggambarkan struktur molekul, ikatan kovalen koordinat dinyatakan dengan garis berpanah dari atom donor menuju akseptor pasangan elektron bebas.

F.     Ikatan Logam

Kulit terluar unsur logam relatif kosong karena elektron valensinya berjumlah sedikit. Hal ini memungkinkan berpindahnya elektron dari satu atom ke atom yang lain. Elektron valensi mengalami penyebaran yang cukup berarti karena kemudahan untuk berpindah sangat besar. Akibat penyebaran tersebut, elektron valensi menjadi berbaur dan menyeruapai awan elektron atau lautan elektron yang membungkus ion positif di dalam atom. Sehingga struktur logam dapat dibayangkan sebagai pembungkusan ion-ion positif oleh awan atau lautan elektron.

Pembentukan ikatan logam

Struktur yang demikian dapat digunakan untuk menjelaskan sifat-sifat khas logam seperti daya hantar listrik, daya tempa dan kuat tarik. Akibat awan elektron valensinya yang mudah mengalir maka logam juga bersifat sebagai konduktor yang baik. Penyebaran dan pergerakan elektron valensi yang cukup besar membuat logam ketika ditempa atau ditarik hanya mengalami pergeseran pada atom-atom penysunnya sedangkan ikatan yang terbentuk tetap.

G.    Memprediksi Jenis Ikatan

Terjadinya ikatan ion atau ikatan kovalen pada suatu senyawa ditentukan oleh besarnya perbedaan keelektronegatifan dari kedua atom yang bergabung dalam senyawa tadi. Grafik pada Gambar 1 berikut mengilustrasikan hubungan prosentase besarnya sifat ionik suatu senyawa dengan perbedaan keelektronegatifan atom-atom yang membentuk senyawa tadi.

Gambar 1. Perbedaan kelektronegatifan vs prosentase sifat ikatan ion

Dari grafik di atas dapat disimpulkan, bahwa:

Prosentase sifat ionik senyawa bertambah besar, bila perbedaan keeletronegatifannya atom-atom pembentuknya semakin besar. Dari Tabel dibawah berikut, dapat kita lihat bahwa dua atom dengan perbedaan keelektronegataifan sekitar 1,67 akan terbentuk 50% ikatan ion dan 50% ikatan kovalen.

Dari sini kita dapat mengatakan, bahwa:
1. Jika dua atom yang berikatan memiliki perbedaan keeletronegatifan kurang dari 1,67 maka ikatannya adalah kovalen.
2. Jika bila perbedaan keeletronegatifannya lebih dari 1,67 maka terbentuk ikatan ion.

Tabel. prosentase sifat ikatan

Bila magnesium beraksi dengan oksigen, keduanya memiliki perbedaan keelektronegatifan sebesar = 3,5 – 1, 2 = 2,3. Kita bisa memprediksi bahwa kedua unsur itu membentuk ikatan ion. Sedangkan bila boron dengan nitrogen dengan perbedaan keelektronegatifan sebesar 3,0 – 2,0 = 1,0 memiliki bentuk ikatan kovalen.