Pendahuluan Teori Ikatan

Mata Kuliah Ikatan Kimia

Dr. rer. Nat. Agustino Zulys M.Sc.

6/12/20091 Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia

Ikatan Kimia

Dosen : Dr. rer. nat. Agustino Zulys M.Sc.Jadwal kelas: Kamis dan Jum’at, 9:15Buku Text:

“Chemical Bonding and Molecular Geometry”, Gilespie, Popelier, Oxford“The Chemical Bond”, Murrel, Kettle, Teddel, willey, 2ed

Kehadiran 80%Evaluasi

UTS 60%UAS 40%

Ikatan Kimia

Pendahuluan dan Teori IkatanSimmetry MolekulModel ikatan kimia dan geometri molekulTeori Ikatan KovalenPadatan IonikIkatan LogamGaya intermolekuler

ElektroElektro--statikstatik

⊕⊕ quantumquantum

mekanikamekanika Model Model ikatanikatanmolekulermolekuler

Orbital atom Orbital atom dandanhibridisasinyahibridisasinya, , orbital orbital molekulmolekul

Struktur Struktur resonansiresonansi

TinjauanTinjauan klasikklasik tentangtentangatom atom gagalgagal meramalkanmeramalkansifatsifat--sifatsifat atom.atom.

MekanikaMekanika kuantumkuantum berhasilberhasilmeramalkanmeramalkan semuasemua sifatsifatdaridari atom atom hidrogenhidrogen

Kunci dari teori kuantum: materi mempunyai sifat gelombang

Interferensi dalam fenomena gelombang

Interferensi dalam fenomena gelombang

Fase dari interaksi 2 orbital 1s dari atom H

In-phase

Out of phase

good good σσ bondbond bad bad –– wrong symmetry wrong symmetry No bonding!No bonding!

DampakDampak pentingpenting daridari kuantumkuantummekanikmekanikLokasiLokasi elektronelektron digambarkandigambarkan oleholeh orbital atomorbital atomSetiapSetiap orbital orbital hanyahanya dapatdapat menampungmenampung 2 2 elektronelektron ((PauliPauliexclusion principle.)exclusion principle.)SetiapSetiap orbital orbital memilikimemiliki energienergi tertentutertentu dandan elektronelektron akanakanmenempatimenempati orbital orbital dengandengan energienergi paling paling rendahrendah terlebihterlebihdahuludahulu..OrbOrbitital atom al atom padapada atom yang atom yang berbedaberbeda akanakan bergabungbergabungmenjadimenjadi orbital orbital molekulmolekul, , tetapitetapi hanyahanya bilabila simetrisimetri merekamerekasesuaisesuai..

Teori Ikatan Modern

Dua metode pendekatan untukmenjelaskan ikatan antar atom:

Metode ikatan Valensi: Ikatan terbentukkarena adanya overlaping orbital atomMetode Orbital Molekul:

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

Ikatan σ: simetri pada sumbu internuklir

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

Teori Ikatan Valensi (VBT)

Valence bond theory (VBT): pendekatan kuantummekanik terlokalisasi untuk menjelaskan ikatan dalammolekul.VBT menyatakan bahwa ps. elektron menempati orbital yg diarahkan terlokalisasi pada atom tertentu. Arah dariorbital ditentukan oleh geometri di sekitar atom yang diperoleh dari perkiraan dengan teori VSEPRPada VBT, ikatan akan terbentuk bila terjaditumpangsuh (overlap) dari orbital yg cocok dari duaatom, dan orbital-orbital tsb ditempati oleh 2 elektronsecara maximum

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

Metode Ikatan Valensi

HA 1s1 HB 1s1

φA (1)

Ψ1 = φA(1) φB(2)Fungsi gelombang pada atom B

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

φB (2) elektron

Ψ2 = φA(2) φB(1)

Ψ+ = N (Ψ1 + Ψ2) (bonding, H-H)

Ψ- = N (Ψ1 - Ψ2) (anti-bonding)

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)]

Mekanika kuantum mengharuskan elektrondapat dipertukarkan sehinga kita harusmenggunakan kombinasi linier dari Ψ1 danΨ2.

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

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 dansumbangan dari ion-ion.

F2s 2p

F2s 2p

2pz 2pz

Z axis

Ini memberikan ikatan σ di antara 2 atom F.

Teori ikatan valensi pada ikatan dalam H2 dan F2

Diagram untuk H2

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

2s 2p

O2s 2p2pz 2pz

Z axis

Z axis

2py 2py

Ini memberikan ikatan π 2p-2p di antara2 atom O. Pada VBT, ikatan πdiperkirakan lebih lemah daripada ikatanσ 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

Teori ikatan valensi pada ikatan dalam O2

Ikatan Valensi Untuk H2OKonfigurasi 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 σKarena 2py dan 2pz saling tegak lurus (90o), ikatan σ tsb memiliki sudut 90o satu dgn lain

prediksi: H2O berbentuk anguler. TAPIsudut ikatan dalam H2O sebenarnya adalah 104.5o

90oMENGAPA????

VB untuk Amoniak (NH3)

N = 2s2 2px1 2py

12pz1

H = 1s1

3 ikatan sigmasudut 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 nampakmenunjukkan: bahwa karbon hanyamembentuk 2 ikatan sejenis dengan suduttegak lurus, – bukan sudut tetrahedral

Kenyataannya, karbon membentuk 4 ikatanyang sejenis : CH4, CH2Cl2, CCl4

Orbital hibridisasi adalah campuran dari orbital atom dan dihitung secaramatematika sebagai kombinasi linier dari orbital atom s, p dan d yang tepat

Linear sp hybrid orbitals

orbital 2s salingbersetangkup dengan

orbital 2px

Ψ112

12

= +φ φs p

Ψ212

12

= −φ φs p

The two resultant sp hybrid orbitals that are

directed along the X-axis (in this case)

1/√2 adalah koefisien normaliasi.

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 jumlahorbital hibrida yang terbentuk.

Semua orbital hibrida yang terbentuk adalah sama.

Untuk menjelaskan mengapa karbon membentuk4 ikatan yang identik, diasumsikan bahwa orbital aslinya akan bergabung/bercampur/ terhibridisasi

Tidak terhibridisasiTerhibridisasi

Hibridisasi sp3

Untuk kasus karbon dengan 4 ikatantunggal, maka semua orbital terhibridisasi

membentuk orbital hibrida

Hibridisasi sp3

Ikatan-σ:dibentuk olehsetiap ujungtumpangsuh

Molekul dapatberotasisekitar sudutikatan

Etana, CH3CH3

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

TerhibridisasiTidak terhibridisasi

Hibridisasi orbital sp2

Orbital p yang tidak terhibridisasi dapatbertumpangsuh (overlap), menghasilkanikatan ke dua , ikatan π

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

Sebagian molekultidak lagi dapat berotasi.

Hibridisasi orbital sp2

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

Model molekul NH3 dengan orbital hibridisasi

Hibridisasi lainnyaOrbital d juga dapat terhibridiasi

BentukHibridisasi

Bentuk Molekul

sp Linear

sp2 Tpl

sp3 Td

sp3d Tbp

sp3d2 Oktahedral

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 hibridisasiPendekatan Lewis dan Teori ikatan valensimeramalkan bawa O2 bersifat diamagnetik –

this is wrong! Karena pada kenyataannya O2 bersifatparamagnetik

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

METODE ORBITAL MOLEKUL

Bila orbital atom berkombinasi membentukorbital molekul, maka secara matematisjumlah orbital molekul yang terbentuk harussama dengan orbital atom yang berkombinasi

Contoh: H2Dua orbital berkombinasi membentuk duaorbital molekul. Seluruh total energi orbital molekul yang baru setara dengan duaorbital 1s. Tetapi tingkat energinyaberbeda.

METODE ORBITAL MOLEKUL

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 dankerapatan 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 bondingMenyebarkeseluruhmolekul

p-π antibondingp-π non-bonding

Molekul diatomik homonuklir

Molekul diatomik sederhana dimana kedua atom adalah unsur yang samaDiagram energi untuk molekul tipe ini mirip dengan diagram energi untuk H2Kita 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 makaelektron di dalam orbital ikatan harus lebihbanyak dibandingkan di dalam orbital anti-ikatanIkatan yang terbentuk akan berada pada energiyang lebih rendah, sehingga menjadi lebih stabilOrbital ikatan dan anti-ikatan untuk ikatan-σ danikatan-π harus dipertimbangkanPerhatikan diagram MO untuk Ne2 berikut ini:

Diagram MO untuk Ne2Setiap atom neon memiliki 8 elektron([He]2s22p6), sehingga total elektron 16Ke 16 elektron tersebut didistribusikan ke dalamorbital molekul (MO)Ingat persyaratan pengisian elektron. Elektronberpasangan terlebih dahulu mengisi energiorbital yang lebih rendah, sebelum mengisi orbital yang energinya lebih tinggiNe2 akan terbentuk bila elektron ikatan lebihbanyak dari elektron anti-ikatannOrde ikatan = Σ e ikatan - Σ anti ikatan

2

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 berpasanganO2 paramagnetik

kurva

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

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)

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

Molekul Diatomik Baris ke 2

E

NOTE SWITCH OF LABELS

Molekul Diatomik Heteronuklir

Diagram Orbital Molekul: menjadi lebihkompleks (rumit) bila ikatan antar 2 atom non-identik dipertimbangkan

Tingkat energi atomik tidak sama danterdapat 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 Horbital nonbonding

Orde ikatan 1Elektron 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 ElektronDiagram MO untuk spesi poly-atom seringdisederhanakan dengan assumsi bahwasemua orbital-σ dan beberapa orbital -πterlokalisasi dipakai bersama antar atom yang spesifik/tertentu.

Struktur resonansi membutuhkan bahwaelektron dalam beberapa orbital -πdigambarkan sebagai ter-delokalisasiDelokalisasi:-bebas bergerak disekitar tiga

atau lebih atom

Delokalisasi elektron

Benzene adalah contoh delokalisasielektron

Diketahui bahwa ikatan antar karbonmempunyai order 1,5., dan semua ikatannyasetara

Benzena – molekul Aromatik

Sistem Pi Untuk Benzena

LATIHAN SOAL

1. 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 O2

2-. 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.