Gaya Dispersi dan Ikatan Hidrogen

1.      Gaya Dispersi

             Sejauh ini hanya spesi-spesi ion dan molekul polar yang telah dibahas. Interaksi tarik-menarik seperti apa yang ada antara molekul-molekul nonpolar? Untuk belajar menjawab pertanyaan ini, perhatikan susunan yang ditunjukkan pada Gambar 11.4. Jika kita menempatkan ion atau molekul polar di dekat suatu atom (atom molekul nonpolar), distribusi elektron pada atom (atau molekul) itu akan terganggu dengan gaya yang dilakukan oleh ion atau molekul polar tersebut. Dipol yang dihasilkan dalam atom (atau molekul) itu disebut dipol terinduksi (induced dipole) sebab pemisahan muatan positif dan negatif dalam atom (atau molekul nonpolar) itu disebabkan oleh kedekatannya dengan suatu ion atau molekul polar. Interaksi tarik-menarik antara ion dan dipol terinduksi disebut interaksi ion-dipol terinduksi, dan interaksi tarik-menarik antara molekul polar dan dipol terinduksi disebut interaksi dipol-dipol terinduksi.

Kemungkinan momen dipol akan terinduksi bergantung bukan hanya pada muatan ion atau kekuatan dipol tetapi juga bergantung pada keterpolaran atom atau molekul. Keterpolaran (polarizability) adalah kemudahan terganggunya distribusi elektron dalam suatu atom (atau molekul). Umumnya, semakin banyak jumlah elektron dan semakin menyebar awan elektron dalam atom atau molekul, akan semakin besar keterpolarannya. Yang dimaksud dengan awan yang menyebar adalah awan elektron yang tersebar dalam volume yang cukup besar, sehingga elektron-elektron tersebut tidak terikat kuat oleh inti.

Keterpolaran memungkinkan gas-gas yang mengandung atom atau molekul nonpolar (misalnya, He dan N₂) untuk mengembun. Dalam atom helium elektron-elektron bergerak pada jarak tertentu dari inti. Pada saat tertentu mungkin saja atom itu memiliki momen dipol yang dihasilkan oleh letak tertentu elektron-elektron tersebut. Momen dipol ini disebut dipol sesaat karena dipol ini hanya berlangsung selama sepersekian detik yang sangat singkat. Pada saat berikutnya elektron-elektron itu berada pada tempat yang berbeda dan atom itu memiliki dipol sesaat yang baru, dan seterusnya. Tetapi, jika dirata-ratakan terhadap waktu (yaitu, waktu yang diperlukan untuk melakukan pengukuran momen dipol), atom tersebut tidak memiliki momen dipol karena dipol-dipol sesaat saling menghilangkan satu sama lain. Dalam kumpulan atom-atom He, dipol sesaat satu atom He dapat menginduksi dipol pada setiap atom tetangga terdekatnya (Gambar 11.5). Pada saat berikutnya, dipol sesaat yang berbeda dapat menciptakan dipol-dipol sementara pada atom-atom He di sekitarnya. Hal penting di sini adalah bahwa interaksi semacam ini menghasilkan tarik-menarik antara atom-atom He. Pada suhu yang sangat rendah (dan laju gerak atom yang turun), tarik-menarik ini cukup untuk mengikat atom-atom itu, menyebabkan gas helium untuk mengembun. Tarik-menarik antara molekul-molekul nonpolar dapat dijelaskan dengan cara serupa.

Figure 11.5 Induced dipole interacting with each other. Such patterns exist momentarily; new arrangements are formed in the next instant. This type of interaction is responsible for the condensation of nonpolar gases.

Tafsiran mekanika kuantum terhadap dipol-dipol sesaat ini dikemukakan pada tahun 1930 oleh Fritz London, seorang fisikawan Jerman.London menunjukkan bahwa besarnya tarik-menarik ini berbanding lurus dengan keterpolaran atom atau molekul. Seperti yang kita harapkan, gaya tarik-menarik yang timbul sebagai hasil dipol-dipol yang terinduksi sementara dalam atom atau molekul, yang disebut gaya disperse (dispersion force), mungkin cukup lemah. Hal ini tentu benar untuk helium, yang memiliki titik didih hanya 4,2 K, atau  -269^oC. (Perhatikan bahwa helium hanya memiliki dua elektron, yang terikat kuat dalam orbital 1s.  Jadi, atom helium memiliki keterpolaran yang kecil).

Gaya dispersi biasanya meningkat dengan meningkatnya massa molar karena molekul-molekul dengan massa molar yang lebih besar cenderung memiliki lebih banyak elektron, dan kekuatan gaya dispersi akan meningkat dengan bertambahnya jumlah elektron. Selain itu, massa molar yang lebih besar sering berarti bahwa atom yang lebih besar distribusi elektronnya lebih mudah diganggu karena elektron-elektron terluarnya kurang terikat pada inti. Tabel 11.2 membandingkan titik leleh beberapa zat yang terdiri atas molekul-molekul nonpolar. Seperti yang diharapkan, titik leleh meningkat dengan bertambahnya jumlah elektron dalam molekul. Karena semuanya adalah molekul nonpolar, satu-satunya gaya tarik-menarik antarmolekul yang ada adalah gaya dispersi.

Dalam banyak kasus, gaya dispersi sebanding atau bahkan lebih besar daripada gaya dipol-dipol antara molekul-molekul polar. Sebagai ilustrasi, bandingkanlah titik didih CH₃F (-78,4^oC) dan CCl₄ (76,5^oC). Walaupun CH₃F memiliki momen dipol sebesar 1,8 D, zat ini mendidih pada suhu yang lebih rendah daripada CCl₄, suatu molekul nonpolar. CCl₄ mendidih pada suhu yang lebih tinggi hanya karena mengandung lebih banyak elektron. Sebagai hasilnya, gaya dispersi antara molekul CCl₄ lebih kuat daripada gaya dispersi plus gaya dipol-dipol antara molekul CH₃F. (Harap diingat bahwa gaya dispersi ada di antara spesi-spesi semua jenis, netral atau memiliki muatan neto, apakah polar atau nonpolar).

Untuk materi kimia lainnya dapat Anda baca pada link berikut:  KLIK DI SINI

2.      Ikatan Hidrogen

Ikatan hidrogen (hydrogen bond) adalah jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan polar, seperti N-H, O-H, atau F-H, dengan atom elektronegatif O, N, atau F. Interaksi ini ditulis

                                    A-H^…B               atau              A-H^…..A

A dan B mewakili O, N, atau F; A-H adalah satu molekul atau bagian dari molekul dan B adalah bagian dari molekul lain; dan garis titik-titik mewakili ikatan hidrogen. Ketiga atom biasanya terletak pada satu garis lurus, tetapi sudut AHB (atau AHA) dapat menyimpang hingga 30^o dari bentuk lurus.

            Energi rata-rata satu ikatan hidrogen cukup besar untuk satu interaksi dipol-dipol (hingga 40 kJ/mol). Jadi, ikatan hidrogen merupakan suatu gaya yang kuat dalam menentukan struktur dan sifat-sifat dari banyak senyawa. Gambar 11.7 menunjukkan beberapa contoh ikatan hidrogen.

Figure 11.7 Hydrogen bonding in water, ammonia, and hydrogen fluoride. Solid lines represent covalent bonds, and dotted lines represent hydrogen bonds.

           Bukti awal adanya ikatan hidrogen berasal dari kajian mengenai titik didih senyawa. Biasanya, titik didih sederet senyawa yang serupa yang mengandung unsur-unsur dalam golongan yang sama meningkat dengan meningkatnya massa molar. Tetapi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.8, senyawa hidrogen unsur-unsur Golongan 5A, 6A, dan 7A tidak mengikuti kecenderungan ini. Dalam setiap deret ini, senyawa yang paling ringan (NH₃, H₂O, HF) memiliki titik didih tertinggi, bertentangan dengan dugaan yang didasarkan pada massa molar. Alasannya adalah adanya ikatan hidrogen yang meluas antara molekul-molekul dalam senyawa ini. Dalam padatan HF, misalnya, molekul-molekul tidak terdapat sebagai satuan tunggal; melainkan, molekul-molekul ini membentuk rantai zigzag panjang yang saling terikat oleh ikatan hidrogen:

Figure 11.6 Boiling points of the hydrogen compounds of Group 4A, 5A, 6A, and 7A elements. Although normally we expect the boiling point to increase as we move down the group, we see that three compounds (NH₃, H₂O, and HF) behave differently. The anomaly can be explained in terms of intermolecular hydrogen bonding.

Dalam wujud cair rantai zigzag ini putus, tetapi molekul-molekul tetap saling berikatan hidrogen satu sama lain. Molekul-molekul yang terikat melalui ikatan hidrogen lebih sulit untuk dipisahkan, sehingga cairan HF memiliki titik didih tinggi yang tidak biasa.

            Kekuatan ikatan hidrogen ditentukan oleh interaksi coulomb antara pasangan elektron bebas pada atom elektronegatif dan inti hidrogen. Agak aneh mengetahui titik didih HF yang lebih rendah dari air. Fluorin lebih elektronegatif dibandingkan oksigen, sehingga diharapkan ikatan hidrogen yang lebih kuat terdapat dalam cairan HF daripada dalam H₂O. Tetapi H₂O termasuk unik karena molekul-molekulnya terlibat dalam empat ikatan hidrogen antarmolekul, dan karena itu molekul H₂O saling terikat lebih kuat.

           Gaya antarmolekul yang dibahas sejauh ini semuanya bersifat tarik-menarik. Tetapi harap diingat, bahwa molekul-molekul juga melakukan gaya tolak-menolak satu sama lain. Jadi bila dua molekul saling mendekat, tolak-menolak antara elektron-elektronnya dan antar intinya mulai berperan. Besarnya gaya tolak ini meningkat sangat tajam dengan berkurangnya jarak molekul-molekul dalam fasa terkondensasi. Karena hal inilah cairan dan padatan sangat sulit dimampatkan. Dalam fasa ini, molekul-molekul sudah cukup dekat untuk bersentuhan satu sama lain, dan akan mencegah pemampatan lebih jauh.


Referensi: Raymond Chang

Untuk materi kimia lainnya dapat Anda baca pada link berikut:  KLIK DI SINI