Orbital dan peranannya dalam ikatan kovalen

A.Sifat gelombang

Hingga tahun 1923, para ahli kimia mengandalkan bahwa elektron adalah partikel-partikel yang bermuatan negative yang mengelilingi inti. Mekanika kuantum adalah subyek matematik dimana awalnya dimulai dengan beberapa gelombang diam yang sederhana yaitu jenis gelombang yang dihasilkan seperti seseorang sedang memetik senar gitar, yang dimana kedua ujungnya mati. Dari penjelasan gelombang ini dapat dikatakan bahwa gelombang jenis ini menunjukan gerak dalam satu dimensi. Sebaliknya contoh lain yaitu seperti seorang sedang menabuk drum itu juga disebut gelombang diam dan dikatakan bahwa jenis gelombang menunjukan gerak dua dimensi. Tinggi gelombang diam adalah pada amplitudonya, yang dimana dapat mengarah keatas maka akan bernilai positif, mengarah kebawah bernilai negative terhadap kedudukan istirahat dalam senar. Kedudukan yang dimana ampitudo nya nol adalah disebut simpul, dan sesuai dengan kedudukan pada senar gitar yang tak bergerak bila senar bergetar.

Dua gelombang dapat berada dalam satu fase dan ada juga yang berlainan fase yang satu terhadap yang lain. System ini dapat digambarkan oleh dua gelombang pada dua senar identik yang saling bergetar. Bila amplitudo positif dan negatif dari kedua gelombang  maka dapat dikatakan saling sesuai. Kedua gelombang sefase jika tanda matematik(+-) dari amplitudo saling berlawanan arah. Jika kedua gelombang sefase dan saling tumpang tindih, maka dapat dikatakan bahwa mereka saling memperkuat. Ini dinyatakan oleh penambahan fungsi matematik yang sama tanda nya yang menggambarkan gelombang. Lalu sebaliknya gelombang yang tumpang tindih dan keluar fase maka hal itu dapat saling mengganggu dan disebut berinterferensi. Proses berinferensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi matematik yang berlawanan tanda. Interferensi sempurna dapat mengahapus satu gelombang yang lain. Tumpang tindih yang keluar dari fase maka akan menghasilkan simpul.

Meskipun system gelombang elektron tiga dimensi lebih rumit dan dapat dikatakan sulit daripada system senar berdimensi satu namun pada dasarnya memiliki prinsip yang sama. Masing-masing orbital atom dari atom hamper mirip seperti fungsi gelombang dan dapat mempunyai amplitudo positif maupun negatif, maka orbital memiliki simpul.

Satu orbital dapat bertumpang tindih dengan satu atom dan atom yang lain. Maka secara matematik bahwa fungsi gelombang yang menggambarkan setiap orbital yang tumpang tindih maka dijumlahkan bersama. Hal ini dikenal kombinasi linear dari orbital atom. Jika orbital bertumpang tindih dalam satu fase maka hal tersebut dapat dihasilkan perkuatan dari suatu orbital molekul ikatan. Lain halnya antar aksi antara orbital atom yang keluar fase maka menghasilkan interferensi, yang menimbulkan simpul antara dua inti. Interferensi menuju orbital molekul anti-ikatan.

B.Orbital ikatan dan anti-ikatan

            Jika sepasang gelombang saling tumpang tindih maka mereka dapat memperkuat dan dapat juga berinterferensi. Penambahan dari dua orbital atom 1s dari atom H yang satu fase maka dapat dihasilkan orbital molekul ikatan dengan kerapatan  elektron yang tinggi antara inti yang berikatan. Meskipun keseluruhan energi orbital tidak berubah tetapi energi orbital ikatan akan berubah, maka orbital ikatan memiliki energi lebih rendah dan orbital anti-ikatan mempunyai energi lebih tinggi dibandingkan dibandingkan orbital atom aslinya. Orbital diisi penuh berdasarkan urutan meningkatnya energi dan masing-masing dapat menampung maksimum dua elektron dengan spin yang berlawanan. Jadi interaksi antara dua orbital atom yang terisi separuh atau interaksi antara satu orbital yang terisi penuh dengan orbital yang kosong menghasilkan satu orbital molekul ikatan yang terisi penuh dengan satu orbital molekul anti ikatan yang kosong. Susunan ini akan lebih stabil. Perhitungan matematis yang lengkap teori kombinasi linear orbital atom dan menghasilkan kesimpulan berikut:

·        n orbital atom bergabung menghasilkan n/2 orbital molekul ikatan dan n/2 orbital molekul anti ikatan.

·        Elektron yang mengisi orbital atom asli maka akan mengisi orbital molekul berdasarkan kenaikan energi.

1.      Ikatan sigma

Ikatan sigma terbentuk melalui tumpang tindih linear antara dua orbital atom yang menghasilkan densitas elektron yang tinggi dan berpenampang lintang melingkar yang terkonsentrasi antara dua inti yang terlibat. Daerah yang bermuatan negatif inilah yang menarik dan mengikat dua inti yang bermuatan positif dimana mengalahkan tolakan elektrostatik antara keduanya.

Orbital molekul anti-ikatan terkait yang tidak terisi memiliki daerah tertentu, yang arahnya menjauhi kedua inti yang berikatan. Seandainya orbital ini mengandung elektron maka densitas elektron tentunya akan diarahkan secara linear menjauhi ikatan sigma tanpa densitas elektron diantara dua inti.

2.      Ikatan π (pi)

Ikatan pi terbentuk melalui tumpang tindih antara sisi dengan sisi dari dua atom orbital p. berhubung bentuk orbital p seperti dambel , daerah dengan densitas elektron yang tinggi ditemukan berbentuk seperti pisang diatas dan dibawah sebuah bidang yang mengandung kedua atom, tetapi tanpa densitas elektron pada bidang tersebut.

Orbital molekul anti-ikatan pi juaga memiliki suatu simpul pada atom tetapi memiliki suatu simpul tambahan diantara atom-atom terhadap bidang tersebut. Simpul tersebut terdiri dari empat cuping yang mengarah sudut segiempat yang terletak pada bidang yang sama seperti orbital- π.

3.      Polarissi ikatan

Suatu ikatan antara dua atom mengandung dimana mengandung elektron yang

 menghuni orbital molekul ikatan. Keseluruhan distribusi elektron akan simetris

terhadap suatu bidang yang memotong ikatan tersebut dengan jarak yang sama antara kedua atom tersebut. Maka ikatan seperti ini disebut tidak terpolarisasi atau nonpolar.

Perhatikan kedua contoh berikut ini:

Kepolaran dinyatakan dengan momen dipol yaitu hasil kali antara muatan dengan jarak.

Satuan momen dipol adalah debye(D) dimana 1D= 3,33 x 10^-30  C m

            Kedua atom yang berikatan tidak harus sama seperti C-Br, C-O dan sebagainya atau dapat juga memiliki subsituen yang berbeda . situasi ini mengakibatkan distorsi awan elektron maka hal seperti ini dapat dikatakan terpolarisasi, meskipun didominasi sifat kovalen. Besarnya distorsi bergantung pada selisih elektronegativitas dari pasangan atom atom yang berikatan.

4.      Momen dwikutub

Distribusi pusat elektronegatif dan pusat elektropositif, dengan adanya

 kehadiran pasangan elektron bebas, dan gabungan efek induktif  dan juga efek resonansi dapat berkulminasi pada molekul yang memiliki polarisasi bersih(netto). Besar arah polarisasi ini dikenal sebagai momen dwikutub dan dimana sangat penting dalam menentukan molekul berjajar dan berinteraksi.

5.      Resonansi

Seberapa banyaknya orbital p yang berdampingan, orbital-orbital tersebut

Dapat berinteraksi dengan cara yang sama seperti dua orbital atom p yang berdampingan, membentuk ikatan dan anti ikatan orbital molekul pi. Dalam hal ini elektron pi tidak lagi berada pada daerah diantara dua atom spesifik tetapi terdelokalisasi disepanjang system pi tersebut. Efek ini dinamakan resonansi.

            Delokalisasi ikatan dapat digambarkan dengan ikatan terputus-putus untuk menunjukkan ikatan pi parsial dan struktur seperti ini disebut hybrid resonansi. Ini dapat dipandang sebagai hasil dari gabungan sejumlah struktur dengan ikatan terlokalisasi yang disebut juga resonansi.

           

C.Orbital hibrida karbon

            Berikut konfigurasi elektron atom C pada keadaan dasar.

Konfigurasi elektron atom C keadaan dasar

Dari konfigurasi elektron atom karbon pada keadaan dasar diketahui bahwa jika atom karbon menggunakan orbital asli pada pembentukan ikatan maka hanya terbentuk CH2, yakni tumpang tindih antara orbital 2p_x dan 2p_y dari atom karbon dengan 2 orbital 1s dari dua atom hidrogen. Namun pada kenyataannya dijumpai lebih stabil CH4 dibanding CH2. Oleh sebab itu agar 4 atom hidrogen semuanya berkaitan kovalen dengan atom karbon maka diperlukan 4 buah elektron tidak berpasangan dari atom karbon. Hal ini dapat diperoleh melalui proses eksitasi atau promosi elektron dari keadaan dasar menuju keadaan tereksitasi. Konfigurasi elektron setelah terjadi eksitasi sebagai berikut.

Konfigurasi elektron atom C keadaan tereksitasi

            Setelah tereksitasi, dilanjutkan dengan proses hibridisasi untuk membentuk orbital-orbital hybrid. Berikut konfigurasi elektron setelah terjadi proses.