ORBITAL DAN PERANANYA DALAM IKATAN KOVALEN

A. Sifat gelombang

         Sebelum tahun 1923, ahli kiam mengandaikan bahwa elektron adalah partikel yang bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom. Kemudian pada tahun 192, seorang mahasiswa Prancis Louis de Broglieberpendapat bervolusioner bahwa elektron mempunyai sifat gelombang dan sifat partikel. Pada awalnya pendapat Louis kurang diterima, tetapi pendapatnya yang merupakan bakal dari konsep mekanika kuantum mengenai gerak elektron dan teori orbital molekul.

       Mekanika kuantum adalah subjek matematik. Untuk mengerti mengenai ikatan kovalen, maka hanya diperlukan hasil dari studi mekamika kuantum, dari pada persamaan matematikanya sendiri. Beberapa gelombang diam yang sederhana, yaitu jenis gelombang yang di hasilkan bila seseorang memetik senar, seperti senar gitar, yang kedua ujungnya mati. Jenis gelombang ini menunjukkan gerak hanya dalam satu dimensi. Jika gelombang diam yang di hasilkan oleh permukaan kepala drum adalah berdimensi satu, dan sistem gelombang elektron adalah berdimensi tiga. Tinggi gelombang disebut amplitudo, yang dapat mengarah ke atas (positif) atau mengarah ke bawah (nilai negatif) terhadap kedudukanistirahat dari senar. Tanda positif (+) dan negatif (-) dari amplitudo adalah tanda metematik, bukan muatan muatan listrik)kedudukan gelombang yang amplitudonya nol disebut simpul. 

     Dua gelombang diam dapat sefase atau keluar fase yang satu terhadap yang lain. Bila dua gelombang yang sefasa pada senar yang sama saling tumpang tindih, maka akan saling memperkuat. Jika sepasang gelmbang yang tumpang tindih yang keluar fasa, saling mengganggu atau berinterferensi. Proses interferensi dinyatakan oleh penambahan dua fungsi matematik yang berlawanan tanda.interferensi menghasilkan penghapusan satu gelombang oleh oleh yang lain. Tumpang tindih sebagian dari dua gelombang yang keluar-fase menghasilkan simpul.

      Meskipun sistem gelombang eektron tiga dimensi lebih rumit dari pada sistem senar satu dimensi, namun prinsipnya sama. Masing-masing orbital atom dari atom berkelakuan seperti fungsi gelombang dan dapat mempunyai amplitudo positif atau negatif. Bila suatu orbital mempunyai amplitudo positif dan negatif makan orbital itu mempunyai simpul. 

      Suatu orbital dapat bertumpuh tindih dengan orbital atom dari atom lain. Secara matemaik, fungsi fungsi gelombang yang di gambarkan setiap orbital yang tumpang tindih di jumlahkan bersam. Perhitungan ini dikenal sebagai kombinasi linier dari orbital atom , atau teori (LCAO). Jika orbital bertumpang tindih sefase, hasilnya adalah perkuatan dan suatu orbital molekul ikatan. Di pihak lain, interaksi antara orbital atom di luar fasa menghasilkan interferensi, yang menimbulkan simpul  antara dua inti.interferensi menuju ke orbital molekul anti-ikatan.

B. IKATAN SIGMA (σ)

      Orbital molekul yang mengikat dua atom hidroge  n menjadi satu adalah simentrik secara silindrik yaitu, simentrik sepanjang garis, atau sumbu, yang menghubungkan kedua inti. 

Setiap molekul yang simentrik sekeliling sumbu yang menghubungkan inti disebut orbital molekul sigma(σ), ikatannya adalah ikatan sigma. Ikata H₂ salah satu dari ikatan sigma yang kita temui. 

C. ORBITAL IKATAN DAN ANTI-IKATAN

    Jika sepasang gelombang saling tumpang tindih, maka gelombang dapat memperkuat atau terinterferensi.penabahan dari dua orbital atom 1s dari dua atom H yang sefase menghasilkan perubahan dan menghasilkan orbital molekul ikatan σ dengan rapat elektron yang tinggi antara inti yang berikatan.

      Jika kedua gelombang berlawanan fase, gelombang saling menggangggu. Interferensi dari dua orbital atom yang keluar fase dari dua atom higrogen memberikan orbital mlekul dengan simpul antara inti. Dalam orbital molekul ini, kebolehjadian menemukan elektron antara inti sangat rendah. Orbital khas ini menimbulkan sistem dimana kedua inti tak dilindungi oleh sepasang elektron, dan intinya saling tolak-menlak. Karena tolakan inti, sistem ini energinya lebih tinggi dari pada sistem dua atom H yang mandiri. Orbital yang energinya lebih tinggi adalah orbital anti ikatan (σ*).

Beberapa aturan umum untuk diterapkan terhadap semua orbital molekul, dan tidak hanya terdapat padamolekul H₂ :

• Setiap orbital (molekul atau atom) dapat memegang maksimum dua elektron, yang harus mempunyai spin berlawanan.
•  Jumlah orbital molekul sama dengan jumlah orbital atom yang digunakan dalam pembentukan. (untuk H₂ dua orbital atom 1s menghasilkan dua orbital molekul : σ dan σ*)
• Dalam pengisian orbital molekul dengan elektron, orbital berenergiterendah diisi dhulu. Jika dua orbital terdegenerasi (dari energi yang sama), masing-masing mendapat satu elekron sebelum salah satuorbital terisi penuh.

D. ORBITAL HIBRIDA KARBON

           Jika atom hidrogen menjadi bagian dari suatu molekul, maka digunakan atom1s untuk ikatan, dengan atom karbon agak berlebihan.karbon mempunyai dua elektron dalam orbital 1s, karena orbital 1s merupakan orbital terisi yang tidak digunakan untuk ikatan. Ada empat orbital atom pada tinggkt energi kedua, satu orbital 2s dan tiga orbital 2p. Namun, karbon tidak menggunakan ke empat orbital dalam keadaan murninya untuk ikatan. Sebagai gantinya, karbon bercampur, atau berhibridasi, yaitu empat orbital atom tingkat kedua menurut salah satu dari tiga cara untuk ikatan.

1.   .   Hibridasi sp³

            Hibridasi sp³ digunakan bila karbon membentuk empat ikatan tunggal. Dalam metana (CH₄), atom karbon mempunyai panjang ikatan kovalen terhadap hidrogen. Setiap ikatan C – H mempunyai panjang ikatan 1,09 Å dan energi disosiasi ikatan 104kkal/mol. Sudut ikatan antara setiap ikatan C –H adalah 109,5°. Dari eksperimental ini jelas bahwa karbon tidak membentuk ikatan dari orbital atom s dan tiga orbital atom p. Jadi, keempat ikatan C – H tidak akan ekuivalen.

            Menurut teori mutakhi, keempat ikatan ekuivalen ini timbul dari hibridasi lengkap keempat orbital atomnya, untuk memberikan empat orbital sp³yang ekuivalen. Agar hal ini dapat terjadi, satu dari elektron 2s harus di tinggalkan ke orbital 2p yang kosong. Peningkatan ini memerlukan energi (kira-kira 96 kkal/mol), tetapi energi lebih dari pada yang di dapat kembali pada pembentukan ikatan kimia secara serentak. Keempat orbital sp³ mempunyai energi sama agak lebih tinggi dari pada energi orbital 2s, tetapi agak lebih rendah dari pada yang orbital 2p. Masaing-masing orbital sp³mengandung satu elektron untuk ikatan.

        Diagram di atas adalah diagram orbital. Setiap kotak dalam diagram menyatakan orbital. Energi relatif dari berbagai orbital ditandai oleh kedudukan vertikal dari kotak dalam diagram. Elektron dinyatakan oleh panah, dan arah dari spin elektron dinyatakan oleh arah dari panah.Empat orbital hibrida sp³ mengelilingi inti karbon. Karena tolakan antara elektron dalam berbagai orbital, orbital sp³ ini terletak sejauh mungkin yang satu dari yang lain sambil meluas karena dari inti karbon yang sama, artinya keempat orbital menghada pada ujung suatu tetrahedron biasa. Geometri ini memberika sudut ikatan teridealisasi sebesar 109,5°. Suatu atom karbon sp³ sering di sebut sebagai atom karbon tetrahedal, karena geometri dari ikatanya.

       Jika atom karbon sp³ membentuk ikatan, hal itu dilakukan dengan tumpang tindih masing-masng dari empat orbital sp³ masing-masing dengan satu elektron dengan orbital dari empat atom lain masing-masing orbital mengandung satu elektron secara bergantian.

 2.    Hibridisasi sp²

      Hibridisasi sp² digunakan bila karbon membentuk ikatan rangkap. Jika karbon terikat ke atom lain oleh ikatan rangkap dua, atom karbon ada dalam keadaan hibrida sp². Untuk membentuk orbital ikatan sp², karbon mengibridisasi orbital 2s-nya hanya dengan dua orbital 2p-nya. Satu orbital p pada atom karbon tetap tidak terhibridisasi. Karena tiga orbital atom digunakan untuk membentuk orbital sp², maka dihasilkan tiga orbital  hibrida sp². Masing-masing orbital sp² mempunyai benuk yang sama seperti orbital sp³ dan mengandung satu elektron yang dapat digunakan untuk ikatan.

Tiga orbital sp² sekeliling inti karbon terletak sejauh mungkin yang satu dari yang lain, orbital sp² terletak dalam bidang sudut 120°. Suatu atom karbon terhibridisasi sp² dikatakan karbon trigonal. Menunjukan atom karbondengan tiga orbital sp² dan satu orbital p tidak terhibridisasi, yang tegak lurus pada bidang sp².

Dalam etilena (CH₂ = CH₂ ), dua karbon sp² dapat digabung oleh ikatan sigma yang terbentuk karena tumpan tindih satu orbital sp² darimasing-masing atom karbon. Setiap sisa orbital atom p mempunyai dua cuping,satu diatas bidang ikatan sigma dan yang lain dengan amplitudo yang berlawanan dibawah bidang. Setiap orbital p mengandung satu elektron. Jika elektron p menjadi berpasangan dalam orbital molekul eilena, ujung orbital tidak dapat saling tumpang tindih, seperti halnya dalam pembentukan ikatan sigma. Kedua orbital p kemudian tumpang tindih lewat sisinya. Hasil dari tumpang tindih sisi terhadap sisi ini adalah ikatan pi (π). Suatu orbital molekul ikatan yang menggabungkan dua karbon dan terlokasi diatas dan di bawah bidang dari ikatan sigma. Ikatan pi adalah ikatan kedua dari ikatan rangkap dua.

Setiap atom karbon yang terikat pada tiga atom lain adalah dalam  keadaan hibrida sp². Dalam senyawa stabil orbital p pada karbon sp² harus tumpang tindih dengan orbital p dari atom yang berdekatan, yang dapat berupa atom karbon lain atau suatu atom dari unsur lain.

E.  BEBERAPA HAL YANG MENARIK DARI IKATAN PI (π)

          Setiap orbital p yang yang berkontribusi pada ikatan pi mempunyai dua cuping dan mempunyai dua simpul pada inti. Tidak mengherankan jika orbital pi juga bercuping dua dan mempunyai simpul. Tidak seperti ikatan sigma, orbital pi tidak simentri silindrik. Namun, setiap orbital molekul lain, orbital pi dapat memegang maksimum dua pasang elektron.

Elektron pi lebih mudah dipengaruhi efekluar dari pada elektron dalam ikatan sigma. Ikatan pi mudah terpolarisasi atau dapat dikatakan elektron pi lebih stabil. Elektron pi lebih mudah diserang oleh atom atau molekul luar. Artinya sifat mudah di serang ini dari segi kimia ikatan pi merupakan kedudukan kereaktifan kimia.

Sifat lain dari ikatan pi adalah geometrinya menyebabkan molekul mempunyai bentuk yang kaku. Untuk atom karbon agar dapat berotasi sekeliling ikatannya. Dalam reaksi kimia, molekul dapat mempunyai cukup energi (kira-kira 68 kka/mol energi maksimum yang tersedia bagi molekul pada suhu kamar).