orbital dan peanannya dalam ikatan kovalen

Elektron merupakan partikel yang bermuatan negative yang berada disekitar inti atom. Seperti yang telah dijelaskan dalam teori atom Bhor bahwa “Elektron mempunyai lintasan orbit tertentu dan elektron dapat tereksitasi kelintasan luar dengan menyerap energy atau tereksitasi ke lintasan dalam mendekati inti atom dengan memancarkan energy “.  Dari pernyataan itu dpat dibayangkan bahwa pada model atom Bohr elektron bergerak mengelilini inti atom sepertiperedaran planet-planet yang mengitari matahari.

Elektron bersifat dualisme yang artinya elektron memiliki sifat sebagai partikel dan gelombang. Pernyataan ini didasarkan pada eksperimen difraksi berkas elektron yang dikemukakan oleh Louis de Broglie.  Sifat partikel dan gelombang suatu materi ini tidak tampak sekaligus,sifat yang tampak  jelas  hal ini bergantung pada perbandingan panjang  gelombang  de Broglie dengan dimensinya serta dimensi sesuatu yang berinteraksi dengannya. Dalam kehidupan nyata asas de Broglie ini bisa di lihat pada momentum petir dan kilat. Dimana kilat akan terjadi terlebih dahulu kemudian akan terdengar sura petir. Dari  peristiwa tersebut dapat diketahui bahwa kilat merupak sifat  gelombang berwujud cahaya sedang kan petir merupakan sifat partikel yang berupa suara.

Peristiwa tersebut menjadi salah satu fakta  yang mendukung  konsep De Broghlie. Hal inilah yang menjadi dasar dari teori mekanika kuantum yang merupakan teori atom modern yang saat ini digunakan. Teori mekanika kuantum ini dikemukakan oleh Heseinberg , dimana dia menyatakan bahwa “elektron tidak dapat ditentukan keberadaannya secara pasti “. Keberadaan elektron hanya merupakan kebolehjadian  menemukan elektron pada suatu area tertentu. Bisa saja aelektron bergerak dari klit satu ke kelit terakhir.  Hal ini disebabkan tidak mungkin dapat ditentukan posisi sekaligus momentum dari suatu benda bergerak.  Dari pernyataan yang diungkapkan oleh Heseinberg ini muncul prinsip ketidakpastian , dimana prinsip tersebut menunjukkan keterbatasan pengetahuan manusia.

Berdasarkan hipotesis De Broghlie dan Heseinberg sifat atom dalam hal ini dapat dijelaskan dengan lebih baik berdasarkan sifat gelombangnya. Scrodinger mengungkapkan melalui persamaan fungsi gelombang bahwa kebolehjadian menemukan elektron pada area tertentu dikenal dengan konsep orbital yaitu area dimana elektron berpeluang besar ditemukan. Elektron dalam orbital yang bergerak cepat akan membentuk suatu awan elektron . 

Awan elektron ini memberikan deskripsi peluang terbesar tempat elektron berada. Gerakan elektron pada tiap orbital membentuk awan dengan pola tertentu misanya menyerupai bola, bola terpilin atau bentuk lainnya. Geraka elektron yang sangat cepat ini membentuk ketebalan yang berbeda ditiap ruang orbital. Semakin tebal awan elektron semakin besar peluang elektron untuk ditemukan begitupun sebaliknya. Menurut persamaan fungsi gelombang , distribusi elektron dala orbital dapat ditentukan melalui 3 bilangan kuantum yaitu :

       a.       Bilangan kuantum utama (n = nomor lintasan elektron/kulit )

       b.      Bilangan kuantum azimuth (l = menunjukkan sub-lintasan/ sub- kulit)

       c.       Bilangan kuantum magnetic (m = harga orbital).

 A. Sifat Gelombang

Pada tahun 1923, Louise de Broglie mengemukakan pendapat bahwa elektron mempunyai sifat gelombang dan sekaligus juga sifat partikel. Pendapat de Broglie mula mula kurang dapat diterima, tetapi pendapatnya merupakan benih yang kini tumbuh menjadi konsep mekanika kuantum mengenai gerak elektron  dan teori orbital molekul

Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Untuk dapat mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil dari studi mekanika kuantum, daripada persamaan matematiknya sendiri. Dengan pemikiran ini, marilah meninjau beberapa konsep dasar mengenai gerak gelombang seperti yang dipertahankan dalam teori ikatan kovalen akhir-akhir ini.mula-mula akan dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana, yaitu jenis gelombang yang dihasilkan bila orang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini menunjukkan gerakan hanya dalam dimensi. Sebaliknya, gelombang diam yang disebabkan oleh pemukulan kepala drum adalah berdimensi dua, dan sistem gelombang electron adalah berdimensi tiga. Tinggi gelombang diam adalah amplitudonya, yang dapat mengarah ke atas (nilai positif) atau mengarah ke bawah (nilai negatif) terhadap kedudukan istirahat dari senar. (perhatikan bahwa tanda + atau – dari amplitude adalah tanda matematik, bukan muatan listrik). Kedudukan pada gelombang yang amplitudonya nol disebut simpul, dan sesuai dengan kedudukan pada senar gitar yang tak bergerak bila senar bergetar.

Dua gelombang diam dapat sefase atau keluar  fase yang satu terhadap yang lain. Keadaan antara dalam mana gelombang hanya sebagian sefase juga mungkin. Istilah ini dapat digambarkan oleh sistem dua gelombang pada dua senar identik yang bergetar. Bila amplitude positif dan negatif dari dua gelombang suling sesuai, kedua gelombang tersebut sefase. Bila tanda matematik dari amplitude saling berlawanan, gelombang keluar fase.

Bila dua gelombang yang sefase pada senar yang sama saling tumpang tindih, mereka saling memperkuat. Perkuatan dinyatakan oleh penambahan fungsi matematik yang sama tandanya yang menggambarkan gelombang. Sebaliknya, sepasang gelombang yang tumpang tidih yang keluar fase, saling mengganggu atau berinterferensi. Proses interferensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi  matematik yang berlawanan tanda. Interferensi sempurna menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar-fase menghasilkan simpul. 

     meskipun simpul gelombang elektron tiga dimensi lebih rumit daripada sistem senar satu dimensi, namun prinsipnya sama. Masing-masing orbital atom dari atom berkelakuan seperti fungsi gelombang dan dapat mempunyai amplitudo positif dan negatif. Bila orbital mempunyai amplitudo positif dan negatif, maka orbital mempunyai simpul.

S   satu orbital atom dapat bertumpang tindih dengan orbital atom dari atom lain ( secara matematik, fungsi gelombang yang menggambarkan setiap orbital yang tumpang tindih dijumlahkan bersama. Perhitungan ini dikenal sebagai kombinasi linear dari orbital atom, atau teori LCAO). Bila orbital yang bertumpang tindih sefase, hasilnya adalah perkuatan dan suatu orbital molekul ikatan. Di lain pihak, antaraksi antara orbital atom yang keluar fase menghasilkan interferensi,  yang menimbulkan simpul antara dua inti. Interferensi menuju ke orbital molekul anti-ikatan. 

.  B. Orbital Ikatan dan Anti Ikatan

    Atomic orbital provide a means for understanding how atoms form covalent bonds. Let us consider a very simple case formation of a bond between two hydrogen atoms to form a hydrogen molecule.

Potensi energi dari molekul hidrogen sebagai fungsi jarak internuclear.

     ketika dua atom hidrogen yang relatif berjauhan total energi mereka atom hidrogen hanya bahwa dua terisolasi. Pembentukan ikatan kovalen mengurangi energi secara keseluruhan sistem, namun. Sebagai dua atom hidrogen bergerak lebih dekat bersama-sama, masing-masing inti semakin menarik elektron lain. Atraksi ini lebih dari mengkompensasi untuk gaya tolak antara dua inti (atau dua elektron). Hasilnya adalah ikatan kovalen, sehingga jarak internuclear adalah keseimbangan yang ideal yang memungkinkan dua elektron untuk dibagi antara kedua atom sementara pada saat yang sama menghindari interaksi menjijikkan antara inti mereka. Ini internuclear jarak ideal antara atom hidrogen adalah 0,74 Å, dan kita sebut ini panjang ikatan dalam molekul hidrogen. Jika inti dipindahkan lebih dekat bersama-sama tolakan dari dua inti bermuatan positif mendominasi, dan energi dari sistem naik.

   daerah-daerah yang diarsir pada diagram kita mewakili orbital, dan mereka hasil dari menerapkan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Memplot kuadrat dari fungsi gelombang (ψ²) memberi kita suatu wilayah tiga dimensi disebut orbital mana menemukan sebuah elektron sangat mungkin.

• Orbital atom merupakan daerah ruang di mana satu atau dua elektron dari sebuah arom terisolasi yang mungkin ditemukan.

     dalam kasus model hidrogen kita di atas, bola berbayang repsresent orbital 1s dari setiap atom hidrogen. Sebagai pendekatan atom dua hidrogen sama lain 1s mereka orbital mulai tumpang tindih sampai orbital atom mereka bergabung membentuk orbital molekul.

• Sebuah orbital molekul mewakili daerah ruang di mana satu atau dua elektron dari molekul yang mungkin ditemukan.
• Orbital (atom atau molekul) dapat berisi maksimal dua spin-berpasangan elektron (prinsip eksklusi Pauli).
• Ketika orbital atom bergabung membentuk orbital molekul, jumlah orbital molekul yang dihasilkan selalu sama dengan jumlah orbital atom yang menggabungkan.

    dengan demikian, dalam pembentukan molekul hidrogen dua orbital atom ψ1s bergabung untuk menghasilkan dua orbital molekul. Dua orbital menghasilkan karena sifat matematis dari fungsi gelombang mengizinkan mereka untuk digabungkan dengan baik Selain pengurangan. Artinya, mereka dapat menggabungkan baik dalam atau keluar dari fase.

S    sebuah ikatan molekul orbital (ψmolec) hasil ketika dua orbital dari fase tumpang tindih samaSebuah antiobonding orbital molekul (ψ * molec) hasil ketika dua orbital dari fase tumpang tindih berlawanan

 

Ikatan molekul orbital molekul hidrogen dalam energi terendah mengandung kedua elektron dari atom hidrogen individu. Nilai ψ (dan karena itu juga ψ²) besar antara inti, tepat seperti yang diharapkan karena elektron bersama oleh kedua inti untuk membentuk ikatan kovalen.

Anti ikatan orbital molekul mengandung elektron dalam keadaan dasar molekul hidrogen. Selanjutnya, nilai ψ (dan karena itu juga ψ²) pergi ke antara inti, menciptakan sebuah node (ψ = 0). Orbital anti ikatan tidak menyediakan kerapatan elektron antara atom, dan karenanya tidak terlibat dalam ikatan.

Apa yang kita miliki hanya menjelaskan memiliki rekan dalam perawatan matematika disebut LCAO (kombinasi linear orbital atom) metode. Dalam pengobatan LCAO, fungsi gelombang orbital atom menggabungkan secara linear (dengan penambahan atau pengurangan) untuk mendapatkan fungsi gelombang baru untuk orbital molekul.

Orbital molekul, seperti orbital atom, sesuai dengan keadaan energi tertentu untuk sebuah elektron. Perhitungan menunjukkan bahwa energi relatif elektron dalam ikatan molekul orbital molekul hidrogen secara substansial kurang dari energi di ψ_1s atom orbital. Perhitungan ini juga menunjukkan bahwa energi dari sebuah elektron dalam anti ikatan molekul orbital secara substansial lebih besar dari energi dalam atom orbital ψ_1s.

    diagram energi untuk orbital molekul dari molekul hidrogen ditampilkan

 

diagram energi untuk molekul hidrogen. Kombinasi dari dua orbital atom, ψ1s, memberikan dua orbital molekul, ψmolec dan ψ * molec. Energi ψmolec lebih rendah dibandingkan dengan orbital atom yang terpisah, dan di negara energi elektronik termurah dari molekul hidrogen ikatan MO mengandung kedua elektron.

P    perhatikan bahwa elektron ditempatkan di orbital molekul dengan cara yang sama bahwa mereka berada dalam orbital atom. Dua elektron (dengan spin mereka menentang) menempati orbital ikatan molekul, di mana total energi mereka kurang dari dalam orbital atom yang terpisah. Sebuah elektron dapat menempati orbital molekul anti ikatan dalam apa yang disebut keadaan tereksitasi untuk molekul. Ini bentuk= ketika molekul dalam keadaan dasar menyerap foton cahaya memiliki energi yang tepat (ΔE)

       C. .Orbital hibrida karbon 

    teori hibridisasi dipromosikan oleh kimiawan Linus Pauling^[2] dalam menjelaskan struktur molekul seperti metana (CH₄). Secara historis, konsep ini dikembangkan untuk sistem-sistem kimia yang sederhana, namun pendekatan ini selanjutnya diaplikasikan lebih luas, dan sekarang ini dianggap sebagai sebuah heuristik yang efektif untuk merasionalkan struktur senyawa organik. Teori hibridisasi sering digunakan dalam kimia organik, biasanya digunakan untuk menjelaskan molekul yang terdiri dari atom C, N, dan O (kadang kala juga P dan S). Penjelasannya dimulai dari bagaimana sebuah ikatan terorganisasikan dalam metana.

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. 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. katan kimia dalam senyawa seperti alkuna dengan ikatan rangkap tiga dijelaskan dengan hibridisasi sp.