1) Menggambarkan Molekul dan Ion Menggunakan Struktur Lewis Langkah pertama yang dilakukan untuk menggambarkan struktur suatu molekul adalah dengan mengkonversikan rumus molekulnya ke dalam struktur Lewis atau rumus Lewisnya. Struktur Lewis ini menggambarkan setiap atom di dalam molekul, bersamaan dengan pasangan elektron terikatnya yang mengikat setiap atom dan pasangan elektron bebasnya. Dalam pembuatan struktur Lewis dikenal istilah aturan oktet, aturan oktet inilah yang menjadi panduan dalam menggambarkan ikatan antar atom. Namun terkadang, terdapat beberapa pengecualian dari aturan oktet yang diterapkan dalam penggambaran bentuk molekul.
a. Menggunakan Aturan Oktet Untuk Menulis Struktur Lewis Dalam penulisan struktur Lewis, diperlukan untuk mengerti bahwa kita harus mulai mempelajari ini dari hal yang sangat sederhana, dimulai dengan atom-atom yang berdekatan kemudian membentuk ikatan kimia, sehingga jumlah elektron dari atom itu harus =dibagi-bagikan sesuai dengan aturan yang ada yaitu aturan oktet, dimana dalam aturan oktet setiap atom harus memiliki 8 elektron valensi yang mengitarinya, dan pengecualian untuk atom hidrogen yaitu 2 elektron valensi. Struktur Lewis untuk molekul dengan ikatan tunggal Kita dapat menggunakan nitrogen trifluorida ( ) sebagai contoh dalam pembuatan struktur Lewis. Langkah-langkahnya adalah sebagai berikut : 1. Tempatkan atom-atom berdampingan, tetapi dengan aturan atom yang mempunyai elektron valensi paling kecil menjadi atom pusat. Hal ini dikarenakan semakin sedikit valensinya, maka semakin banyak elektron yang ia perlukan untuk mencapai delapan elektron valensi. Dari hal ini, dapat kita simpulkan bahwa N yang mempunyai lima elektron valensi menjadi atom pusat, karena F mempunyai tujuh elektron valensi. Sebagai tambahan, jika terdapat ikatan dalam satu golongan, maka yang menjadi atom pusat adalah yang periodenya lebih besar. Selain itu, atom H tidak dapat menjadi atom pusat dikarenakan ia hanya mempunyai 1 elektron bebas dan hanya bisa membentuk satu ikatan.
2. Hitung semua elektron valensi yang ada. Sebagai contoh yaitu N mempunyai elektron valensi 5 elektron dan F 7 elektron. [ ]+[ = 26 elektron valensi Tambahan, untuk ion poliatomik, tambahkan pada setiap atom untuk ion yang bermuatan negatif, dan mengurangi untuk ion positif. 3. Selanjutnya, gambarkan ikatan satu diantara N-F dan kurangi dua elektron untuk setiap ikatan tunggal.
Dikarenaka terdapat 3 ikatan tunggal, maka elektron yang terpakai adalah : 3 ikatan N-F X 2
=6
dan elektron yang tersisa adalah 26
-6
= 20
4. Selanjutnya, bagikan sisa elektron ke masing-masing atom, didahului dengan pembagian elektron kepada atom yang mengitari atom pusat untuk menjadikannya sesuai dengan aturan oktet. Jika terdapat sisa setelah atom yang mengitarinya penuh, maka sisa elektron diberikan kepada atom pusat.
Gambar diatas merupakan struktur Lewis dari . Pastikan bahwa jumlah elektron yang berada dalam gambar sudah sama dengan perhitungan awal. Gambar diatas sudah menunjukkan bentuk molekul dari , namun struktur Lewis seharusnya tidak menunjukkan bagaimana bentuk dari suatu molekul, jadi penggambaran yang sesuai adalah:
Struktur Lewis untuk molekul dengan ikatan rangkap (rangkap dua atau rangkap tiga) Terkadang langkah-langkah diatas masih menyisakan elektron tunggal pada atom yang mengelilingi atom pusat atau atom pusat yang menyisakan elektron yang masih bisa digunakan. Karena itu ada beberapa langkah lagi yang bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah tersebut. Masalah ini dapat diselesaikan dengan cara membuat ikatan lagi dari ikatan yang masih tunggal menjadi ikatan rangkap. Contohnya pada molekul etena ( ) . Jika diurutkan sesuai langkah 1-4, maka akan diperoleh gambar akhir sebagai berikut:
Dari gambar diatas didapat bahwa salah satu atom pusat belum memenuhi kaidah oktet. Maka dari itu elektron dari atom C lainnya akan membentuk sebuah ikatan lagi sehingga gambarnya menjadi seperti gambar berikut :
b. Resonansi : Ikatan Berpasangan Yang Tidak Tetap Terkadang suatu molekul mempunyai lebih dari satu struktur Lewis, masing-masing dengan bentuk yang sama namun terdapat perbedaan dalam penempatan ikatan rangkapnya. Contohnya adalah ozon
( ). Jika ditulis dalam struktur Lewis maka gambar akhirnya akan terdapat dua versi yang menunjukkan struktur Lewis ozon, seperti gambar :
Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa perbedaannya hanya pada penempatan ikatan rangkap dan ikatan tunggal dari ozon. Ini dikarenakan gaya ikat O adalah sama, oleh karena itu ozon dapat memiliki dua struktur Lewis yang berbeda. Hal inilah yang dinamakan struktur resonansi, yaitu saat dimana suatu molekul mempunyai dua struktur Lewis yang hanya berbeda pada penempatan iakatan rangkap dan ikatan tunggalnya. Struktur resonansi bukan merupakan penggambaran molekul yang sesungguhnya, karena tidak dapat berpindah begitu saja dari struktur I ke struktur II. Molekul yang sebenarnya adalah resonansi hybird, rata-rata dari bentuk resonansinya. Dalam kasus ini, mempunyai satu ikatan tunggal di setiap atomnya, maka untuk menjelaskan bahwa suatu molekul mempunyai struktur resonansi dalam penggambarannya dibuat garis putus-putus seperti gambar di bawah ini ;
Contoh lainnya adalah benzene ( ), dimana benzene mempunyai 6 atim C yang identik dan mempunyai 3 ikatan rangkap di dalamnya. Maka dari itu, resonansi hybrid menggambarkan struktur benzene sebagai berikut :
Ikatan parsial, yang terjadi di resonansi hybrid seringkali menunjukkan orde ikatan yang kecil. Untuk kita dapat menghitung :
Untuk perhitungan benzene, kita akan mendapatkan hasil
juga. Untuk ion karbonat (
3 resonansi yang terjadi. Maka dari itu perhitungannya akan menjadi yang tidak tetap. Salah satu struktur
), ada
, karena ada 3 pasang atom
adalah sebagai berikut:
Sebagai catatan, ion poliatomik digambarkan dengan menggunakan kurung persegi dengan muatannya diletakkan di luar tanda kurung. c. Muatan Formal : Memilih Struktur Resonansi yang Lebih Penting Salah satu cara untuk menentukan struktur resonansi yang lebih penting adalah dengan menentukan muatan formal setiap atom, muatan itu akan ada jika elektron yang berikatan dibagikan dengan merata. Rumus yang digunakan untuk menentukan muatan formal suatu atom adalah sebagai berikut :
Sebagai contoh, muatan formal yang terkandung dalam molekul O3 adalah :
Tiga kriteria yang membantu kita untuk memilih struktur resonansi yang lebih penting,yaitu :
Muatan formal yang lebih kecil (positif atau negative) lebih baik daripada yang lebih besar. Muatan formal dalam atom yang berdekatan tidak diinginkan (ditolak). Muatan formal yang lebih negative seharusnya diletakkan di atom yang lebih elektronegatif.
d. Pengecualian dalam Aturan Oktet Secara garis besar ada 3 pengecualian dalam aturan oktet , yaitu : 1. Molekul kekurangan elektron Intinya adalah dalam suatu molekul, atom pusatnya memiliki jumlah valensi yang kurang dari 8 buah, sehingga tidak dapat memenuhi kaidah oktet. Salah satu contohnya adalah atom B dan Be. Atom B dan Be cenderung memiliki elektron valensi kurang dari 8. Contoh molekulnya adalah BeCl2 dan BF3 dengan struktur lewis sebagai berikut :
2. Molekul dengan elektron ganjil Intinya adalah dalam suatu molekul, atom pusatnya memiliki elektron valensi ganjil yang menyebabkan molekul ini tidak dapat memenuhi kaidah octet. Contohnya adalah nitrogen dioksida (NO2).
3. Kulit valensi berkembang Intinya adalah dalam suatu molekul, atom pusatnya memiliki elektron valensi yang lebih dari 8 sehingga tidak dapat memenuhi aturan oktet yang seharusnya. Contoh dari pengecualian ini adalah phosphorus pentaklorida (PCl5).
2) Teori Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) dan Bentuk Molekul Jika kita memisalkan struktur lewis sebagai sebuah ‘blue print’ dari sebuah bangunan, yaitu sebuah gambaran kasar mengenai penempatan-penempatan dalam sebuah bangunan, yang dalam hal ini bangunan itu sama dengan bentuk molekul yang tersusun atas atom-atom sebagai bagian dalamnya dan ikatan kimia sebagai struktur bangunannya. Untuk membuat sebuah bentuk molekul, kimia menawarkan teori valence-shell electron-pair repulsion (VSEPR). Pada prinsipnya, teori ini menjelaskan bahwa setiap grup dari elektron valensi di sekitar atom pusat ditempatkan sejauh mungkin dari elektron lainnya untuk mengurangi gaya tolakan. Setiap grup elektron disini bisa merupakan pasangan elektron ikatan tunggal, ikatan rangkap dua, ikatan rangkap tiga, maupun pasangan elektron bebas. Setiap kelompok dari elektron-elektron ini akan memberikan sebuah gaya
tolakan terhadap satu sama lainnya, hal ini terjadi untuk memperbesar sudut diantara setiap kelompok elektron tersebut. Ini merupakan bentuk tiga dimensi dari sebuah bentuk molekul. a. Sususnan pasangan elektron dan bentuk molekul
Gambar di atas menunjukkan bahwa jika dua, tiga, empat, lima, atau enam objek terikat pada suatu pusat, maka akan terbentuk lima gambar berbeda sebagai hasilnya. Selain itu, gambar di atas menunjukkan gaya tolak tiap elektron maksimal yang terjadi terhadap sesamanya jika ikatan setiap elektron berpasangan atau membentuk ikatan.
Gambar di atas menunjukkan bentuk molekul yang terjadi saat setiap elektron dalam molekul membentuk ikatan, dalam arti lain tidak ada pasangan elektron bebas di atom pusatnya. Saat sepasang atau beberapa pasang elektron berkeliaran bebas atau tidak berpasangan di sekitar atom pusat, maka akan terbentuk gambar baru yang berbeda dengan gamba-gambar diatas. Untuk mengenali bentuk-bentuk molekul, kita bisa menuliskannya dalam bentuk AXmEn,dimana m dan n adalah bilangan bulat, A
adalah atom pusat, X adalah pasangan elektron terikat, dan E adalah pasangan elektron bebas. b. Bentuk molekul dengan dua pasang elektron (susunan linear) Ketika dua buah grup elektron terikat dengan sebuah atom pusat dan terpisah sejauh mungkin dengan arah yang berlawan, maka molekul dengan susunan ini mempunyai bentuk molekul linear, dimana dalam bentuk ini, sudut yang terbentuk di antara kedua grup elektron yang mengelilingi atom pusat adalah sebesar 180°.
Seperti bisa dilihat pada gambar di samping, gambar yang paling atas menunjukkan bentuk umum dari susunan linear. Pada gambar yang di tengah, selain menunjukkan bentuk dari susunan linear, juga menunjukkan rumus umum untuk susunan linear, yaitu AX2. Sebagai contoh yaitu gas berilium klorida(BeCl2) yang mempunyai bentuk linear (AX2), hanya dengan dua pasang elektron terikat dengan ikatan tunggal di sekitar atom pusat.
Contoh lainnya yaitu karbondioksida (CO2), tetapi terdapat dua ikatan rangkap dalam molekul ini.
Walaupun kedua atom O membentuk ikatan rangkap, namun sudut yang terbentuk adalah 180°. Hal ini dikarenakan gaya tolak atom O yang sama besar. Sebagai catatan, elektron pada atom O dalam CO2 dan elektron pada atom Cl pada BeCl2 tidak mempengaruhi bentuk molekul, yang mempengaruhi hanya elektron yang berada pada atom pusat sebuah molekul. c. Bentuk molekul dengan tiga pasang elektron (susunan trigonal planar) Ketika tiga buah grup elektron mengelilingi sebuah atom pusat, dan memberikan gaya tolak-menolak satu sama lain, maka akan terbentuk sudut di antara ketiganya yaitu sebesar 120°, yang disebut dengan trigonal planar. Namun, hal itu hanya berlaku jika ketiga grup elektron membentuk ikatan yang sama terhadap atom pusatnya. Maka dari itu, terdapat dua kemungkinan dalam bentuk molekul dengan tiga pasang elektron, yaitu AX3 dan AX2E, seperti pada gambar 10.4. Sebagai contoh yaitu Boron trifluorida (BeF3), seperti yang telah dituliskan sebelumnya bahwa bentuk molekul untuk AX3 adalah bentuk trigonal planar dan bentuk molekulnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Contoh lainnya yaitu ion nitrat (NO3¯), salah satu jenis ion poliatomik yang mempunyai susunan molekul trigonal planar. Gambar di bawah merupakan salah satu bentuk resonansi ion nitrat.
Efek ikatan rangkap dua
Bagaimana sudut yang terbentuk jika grup elektron yang terikat dengan atom pusat tidak mempunyai ikatan yang sama? Contohnya adalah fomaldehid (CH2O), dikarenakan formaldehid mempunyai ikatan tak sejenis yang mengikat atom pusatnya, maka bentuk trigonal planarnya berubah, seperti gambar :
Sudut deviasi dalam bentuk molekul yang sebenarnya lebih besar dari sudut deviasi yang teoritis karena ikatan rangkapnya, dengan densitas elektron yang lebih besar, maka ikatan rangkap menolak pasangan elektron lebih besar.
Efek pasangan elektron bebas
Dalam sebuah molekul yang mempunyai pasangan elektron bebas ( AX2E), bentuknya berubah menjadi lekukan atau bentuk V, bukan trigonal planar. Contohnya adalah gas tin (II) klorida (SnCl2), dengan dua pasang elektron terikat dan sepasang elektron bebas. Sepasang elektron bebas mempunyai kendali yang besar dalam bentuk molekul, hal ini dikarenakan pasangan elektron bebas hanya dikendalikan oleh satu inti atom yang mengakibatkan elektron ini tidak dibatasi sehingga gaya tolakan yang dihasilkan menjadi besar, dan gaya ini mengalahkan gaya tolak antar pasangan elektron terikat.
d. Bentuk molekul dengan empat pasang elektron (susunan tetrahedral) Semua molekul atau ion yang mempunyai empat grup elektron yang mengitarinya, maka molekul atau ion tersebut merupakan molekul yang berbentuk susunan tetrahedral. Hampir sama dengan bentuk molekul sebelumnya, tetrahedral mempunyai beberapa cabang bentuk molekul yang berbeda dikarenakan adanya pengaruh pasangan elektron bebas, diantaranya
yaitu AX4, AX3E, dan AX2E2. Setiap bentuk molekul berbeda-beda berdasarkan pasangan elektro bebasnya. Contohnya saja ammonia (NH3), dimana NH3 mempunyai sudut deviasi yaitu 107.3°, yang lebih kecil dari sudut yang seharusnya yaitu 109.5. Seperti pada reaksi berikut ini yang menunjukkan bahwa sudut deviasi NH3 bertambah dikarenakan pasangan elektron bebas yang dimiliki atom pusat N berkurang karena telah berikatan dengan H+.
e. Bentuk molekul dengan lima pasang elektron (susunan trigonal bipiramidal) Sama saja dengan penjelasan sebelumnya, bentuk molekul dengan lima pasang elektron merupakan susunan trigonal bipiramidal. Susunan ini mempunyai empat kemungkinan bentuk sesuai dengan jumlah pasangan elektron bebasnya, diantaranya yaitu AX5, AX4E, AX3E2, dan AX2E3.
f.
Bentuk molekul dengan enam pasang elektron (susunan octahedral) Penjelasan kurang lebih sama dengan penjelasan bentuk molekul yang sebelumnya, yaitu molekul dengan enam pasang elektron merupakan susunan oktrahedral. Susunan ini mempunyai tiga kemungkinan bentuk molekul berdasarkan banyaknya pasangan elektron bebas di dalam atom intinya, diantaranya yaitu AX6, AX5E, dan AX4E2.
g. Bentuk molekul dengan atom pusat lebih dari satu Jika terdapat molekul yang memiliki atom pusat yang lebih dari satu contohnya aseton(CH3)2C=O, maka dapat dilakukan dengan cara-cara sebgai beriku : 1. Tulis struktur lewisnya. 2. Menyusun grup elektronnya sesuai dengan susunan yang cocok, yaitu dalam hal ini tiap CH3 memiliki bentuk trigonal planar 3. Menentukan sudut ikatannya, yaitu dalam hal ini, ikatan HC-H dalam CH3 memiliki sudut ikatan sebesar 109,5° sesuai dengan susunan tetrahedral. Dan ikatan rangkap C=O harus memiliki sudut yang lebih kecil dari 120°. 4. Pembentukan di sekitar atom pusat.
