10. BENTUK MOLEKUL 10.1 Menggambar Molekul dan Ion dengan Struktur Lewis Untuk mengetahui seperti apa molekul itu, langkah pertama adalah dengan mengubah rumus suatu molekul menjadi Struktur Lewis. Menggunakan Aturan Oktet Menurut aturan octet, dalam setiap atom maksimal berisi 8 elektron. Struktur Lewis Molekul Rantai Tunggal (single Bond) Perhatikan langkah membuat struktur Lewis molekul dengan ikatan tunggal NF 3 sebagai contoh. Step 1.Place atom with lowest EN in center. Dalam NF 3, N(gol.5A ; EN= 3) dan F (gol. 7A ; EN = 4). EN N < EN F, sehingga atom N merupakan atom pusat. Nomor golongan suatu atom sama dengan electron valensinya (EV), sehingga atom N memiliki EV 5. Supaya memenuhi aturan oktet, maka atom N membutuhkan 3 elektron, sedangkan pada atom F yang memiliki EV 7, memerlukan 1 elektron agar memenuhi aturan oktet. Jika masing- masing atom berasal dari golongan yang sama, maka atom dengan nomor periode lebih tinggi berkedudukan sebagai atom pusat. Sebagai contoh SO 3 dan ClF 3. Step 2. Hitung jumlah seluruh electron valensi.[1 x N(5e -) ] + [3 x F(7e - )] = 26e - Untuk ion poliatom, tambah 1 e - untuk setiap ion negatif, dan kurangi 1 e - untuk setiap ion positif.
Step 3.Gambar ikatan tunggal antara atom pusat dan atom yang mengelilinginya. Satu ikatan tunggal terdiri dari 2e - 3 N F x 2e - = 6 e -, jadi sisa e - adalah 26e - - 6e - = 20e - Step 4. Letakkan elektron sisa secara berpasangan sehingga setiap atom memiliki 8e -.(untuk atom H 2e - ). Pertama, letakkan pasangan e - pada atom yang mengelilingi atom pusat, jika ada e - sisa, tempatkan pada atom pusat. Kemudian cek bahwa setiap atom memiliki 8e -. Soal.gambarlah struktur lewis dari CCl 2 F 2. Solusi. Step 1.Carbon memiliki EN terendah, C sebagai atom pusat. Step 2. Hitung jumlah seluruh electron valensi. (C gol 4A ; F gol.7a ; Cl gol 7A). [1 x C(4e - )] + [2 x F(7 e - )] + [2 x Cl(7 e - )] = 32 e - Step 3. Hubungkan rantai tunggal ke atom pusat. Ada 4 ikatan (4 x 2e - =8e - ), masih ada 24e - sisa (32 e - - 8 e - ) Step 4. Letakkan e - sehingga setiap atom memiliki 8e - sisa secara berpasangan, dimulai dari atom yang mengelilingi atom pusat,
Bagaimana jika atom pusat lebih dari satu atom? Tulislah struktur lewis dari methanol (CH 4 O)! Solusi. Step 1.tempatkan atom penyusun. H hanya memiliki 1 ikatan, C memiliki 4 ikatan, dan O memiliki 2 ikatan, sehingga C dan O harus berdekatan. Step 2. Hitung jumlah electron valensi. [1 x C(4e - )] + [1 x O(6 e - )] + [4 x H(1 e - )] = 14 e - Step 3. Hitung jumlah electron sisa, kurangi 2 e - untuk setiap ikatan. Ada lima ikatan tunggal, sehingga 5 x 2 e - = 10 e -, sehingga masih tersisa 4 e - Step 4. Tempatkan electron sisa secara berpasangan. Atom C dan H telah memenuhi aturan octet, sehingga 4 electron sisa membentuk dua pasang electron pada atom O. Struktur Lewis untuk Molekul Ikatan Rangkap (Multiple Bond) Terkadang kamu akan menemukan bahwa setelah step 1 sampai 4, jumlah electron untuk atom pusat belum memenuhi aturan octet, kemungkinan bahwa atom pusat tersebut memiliki ikatan rangkap, sehingga step masih berlanjut. Step 5. Jika setelah step 4 atom pusat belum memenuhi aturan oktet, maka ubahlah ikatan tunggal atom pusat menjadi ikatan rangkap. Gambarlah struktur lewis dari: a) Etilen (C 2 H 4 ) dan b) Nitrogen (N 2 ) Solusi
a. Etilen Step 1. Tempatkan C sebagai atom pusat, karena EN C paling kecil. Step 2. Hitung jumlah electron valensi. [2 x C(4e - )] + [4 x H(1 e - )] = 12 e - Step 3. Hitung electron sisa. 12 e - - (5 x 2 e - ) = 2 e - step 4. Tempatkan sisa electron pada atom pusat sehingga memenuhi aturan oktet. Jika 2 e - tersebut diletakkan pada salah satu atom C, maka atom C tersebut telah memenuhi aturan octet, tetapi atom C yang lain masih belum memenuhi aturan octet. Sehingga, harus berlanjut ke step 5. Step 5. Ubahlah ikatan tunggal menjadi ikatan ganda. Dari gambar di atas dapat dihitung bahwa jumlah electron dalam masing-masing atom ada 8 e - (telah memenuhi aturan oktet) a. Nitrogen Setelah step 1 sampai 4, struktur yang diperoleh yaitu Step 5. Ubahlah rantai tunggal menjadi rantai ganda, yaitu terpenuhi. Jadi, ubahlah rantai ganda menjadi rantai rangkap 3,., namun aturan octet belum Resonansi : Ikatan Pasangan Elektron Terdelokalisasi Satu senyawa dapat memiliki lebih dari satu struktur lewis, dengan penempatan atom yang sama, tetapi berbeda dalam hal letak ikatan dan electron pair, inilah yang disebut dengan resonansi. Membuat resonansi dilakukan dengan memindah lokasi ikatan/bond dan juga memindah electron pair.
Namun, struktur resonansi tersebut tidaklah menggambarkan ikatan yang sebenarnya. Molekul yang sebenarnya adalah resonansi hybrid, yaitu rata-rata dari bentuk resonansi keduanya. Contoh lain adalah benzene (C 6 H 6 ), memiliki dua resonansi. Molekul yang sebenarnya memiliki enam ikatan carbon identik, karena ada 6 ikatan C-C dan tiga pasangan electron terdelokalisasi dalam 6C tersebut. Ikatan parsial seperti yang terjadi dalam resonansi hybrid, menyebabkan adanya farksi bond order. Untuk O 3, bond order =, untuk benzene, bond order = Contoh. Tulislah struktur resonansi dari ion nitrat,no - 3. Solusi. Langkah pertama adalah gambarkan struktur lewisnya. Ingat senyawa ionic, tambahkan 1e - dalam jumlah seluruh electron valensi. Jumlah electron valensi = [1 x N(5e - ) + 3 x O(6 e - ) + 1 e - ] = 24 e - Lakukan step 1 sampai 4, sehingga diperoleh Step 5. Karena N hanya memiliki 6 e -, kita ubah satu ikatan tunggal O menjadi ikatan rangkap, sehingga memenuhi aturan octet. Untuk memperoleh struktur resonansi, pindahlah letak ikatan rangkap tersut dengan tetap memperhatikan aturan octet. Sehingga diperoleh,
Muatan Formal : Memilih Struktur Resonansi yang Lebih Penting No. of unshared valence e - No. of shared valence - Dalam O 3, formal charge dari oksigen A = 6 valence e - - (4 unshared e - + 4 shared e - ) = 0 O A [ 6 4 - (4)] = 0 O A [ 6 6 - (2)] = -1 O B [ 6 2 - (6)] = +1 O B [ 6 2 - (6)] = +1 O C [ 6 6 - (2)] = -1 O A [ 6 4 - (4)] = 0 Tiga criteria untuk memilih struktur resonansi terpenting : 1. Muatan formal terkecil (positif atau negative) lebih dipilih 2. Muatan sama yang bersebelahan tidak disukai/ditolak 3. Muatan formal yang lebih negative terletak pada atom yang lebih elektronegatif Contoh : Menentukan struktur resonansi yang lebih penting dari ion sianat, NCO -
Eliminasi bentuk I, karena jumlah formal charge paling banyak (tanda negative tidak berpengaruh). Diantara atom N, C, dan O yang paling elektronegatif adalah atom O. Bandingkan formal charge O dalam bentuk II dan III, yang lebih negatif itulah merupakan struktur resonansi yang lebih penting. Jadi, struktur resonansi yang lebih penting adalah bentuk II. Formal charge yang digunakan untuk menentukan struktur resonansi tidak sama dengan nomor oksidasi yang digunakan dalam reaksi redoks. Perhatikan bahwa nomor oksidasi tidak berubah dari resonansi satu ke resonansi yang lain (karena elektronegatifitasnya tidak berubah), tetapi formal charge berubah (karena ikatan ganda dan ikatan tunggalnya berubah). Struktur Lewis untuk Pengecualian terhadap Aturan Oktet 1. Molekul Kekurangan Elektron Dari gambar di atas, atom Be dan B memiliki electron kurang dari 8 elektron, Be hanya memiliki empat electron dan B hanya memiliki enam electron. Agar keduanya sesuai dengan aturan octet, mengapa ikatan tunggal dari unsur halogen yang mengelilingi atom pusat tidak diubah menjadi ikatan ganda?? Unsur halogen lebih elektronegatif daripada Be dan B, dan formal charge yang diperoleh tidaklah sesuai dengan strukturnya.
(data dari BF 3 menunjukkan bahwa ikatan lebih pendek dari yang diharapkan, dan ini menunjukkan adanya ikatan ganda, sehingga menjadi minus contributor dalam resonansi hybrid). Langkah utama atom yang kekurangan jumlah electron agar memenuhi aturan octet adalah dengan bereaksi dengan molekul lain sehingga terbentuk ikatan tambahan. Misal BF 3 bereaksi dengan NH 3 2. Molekul Elektron Ganjil Beberapa atom pusat dalam suatu molekul memiliki electron valensi ganjil,atau disebut radikal bebas, sehingga tidak dapat membentuk pasangan electron. Inilah yang membuat mereka bersifat paramagnetic dan reaktif. Maka digunakanlah formal charge untuk menentukan posisi dari electron tunggal tersebut. Sebagai contoh NO 2, memiliki dua sruktur resonansi. Dari gambar di atas, bentuk electron tunggal di N lebih penting disbanding dengan elktron tunggal pada O. Ini karena jika molekul NO 2 bertemu dengan NO 2 yang lain, maka electron tunggal N akan berpasangan membentuk dalam dinitrogen tetraoksida (N 2 O 4 ). 3. Ekspansi Kulit valensi Molekul dengan atom pusat yang memiliki lebih dari delapan electron akan mengekpansikan kulit valensinya untuk membentuk lebih banyak ikatan, dan melepaskan energi. Ekspansi kulit valensi terjadi hanya pada atom pusat dari golongan nonlogam dari periode 3 atau lebih tinggi, salah satu electron berada pada orbital d. Misalnya sulfur
heksafluorida, SF 6. Atom pusat S dikelilingi oleh enam ikatan tunggal dengan atom F, sehingga total electron dalam atom S adalah 12. Contoh lain adalah PCl 5, terbentuk dari reaksi PCl 3 dengan gas klorin. Pada atom P terdapat lima ikatan tunggal dengan atom Cl, sehingga total electron pada atom P adalah sepuluh electron. Contoh lain yaitu asam sulfat, dapat membentuk dua resonansi. Utuk menentukan resonansi yang lebih penting pilih formal charge pada atom pusat yang lebih kecil. Dari gambar di atas, maka yang lebih penting adalah bentuk II,dan sulfur memiliki ekspansi kulit electron sebanyak 12 elektron. Contoh. Gambarlah struktur lewis dari: a.h 3 PO 4 dan b.bfcl 2 Rencana. Tulislah masing-masing truktur lewisnya dan periksalah apakah termasuk dalam pengecualian aturan octet. Pada soal a.,atom pusat berasal dari periode 3, jadi dapat menggunakan orbital d, sehingga lebih dari aturan octet. Pada soal b.atom pusat B, memiliki electron kurang dari delapan. Solusi. A.untuk H 3 PO 4, ada dua struktur resonansi yang mungkin. Struktur II memiliki formal charge yang lebih kecil, sehingga merupakan bentuk resonansi yang lebih penting.
B,untuk BFCl 2, pada atom B hanya ada enam elekton yang mengelilinginya. 10.2 Teori Tolakan Pasangan Elektron Kulit Valensi (Valence-Shell Elektron-Pair Repulsion/VSEPR) dan Bentuk Molekul Untuk meramalkan suatu bentuk molekul dari struktur lewis, ilmu kimia menggunkan Valence- Shell Elektron-Pair Repulsion/VSEPR teori. Prinsip dasarnya adalah setiap group electron valensi yang mengelilingi atom pusat terletak sejauh mungkin dari yang lainnya untuk meminimalisasi gaya tolakan. Setiap grup electron valensi menolak grup yang lainnya untuk memaksimalkan sudut yang terbentuk diantara keduanya. Susunan Elektron Grup dan Bentuk Molekul Rumus Bangun = AXmEn Dimana : A : atom pusat X : atom yang mengelilingi atom pusat E : Pasangan Elektron Bebas (PEB) Jumlah grup elektron = m + n Sudut ikatan adalah sudut yang terbentuk oleh dua inti atom yang mengelilingi atom pusat dengan inti atom yang mengelilingi atom pusat. Berikut sudut ikatan ideal dari bentuk molekul.
Bentuk Molekul dengan Dua Grup Elektron (Bentuk Linear) Rumus bangunnya adalah AX 2, berarti ada dua pasang elektron ikatan, dan tidak ada pasangan elektron bebas. Sudut ikatannya yaitu 180 o. Contoh molekul BeCl 2. Atom Be mempunyai 2 elektron valensi dan Cl mempunyai 7 elektron valensi, sehingga struktur lewisnya : Pada CO 2, atom C mempunyai 4 elektron valensi dan O mempunyai 6 elektron valensi, sehingga struktur lewisnya Bentuk Molekul denagn Tiga Grup Elektron (Bentuk Trigonal Planar) Rumus bangun : AX 3 Sudut Ikatan adalah 120 o : 120 o, jika dalam satu lingkaran penuh ada 360 0, maka jika dibagi tiga hasilnya Dari kerangka dasar trigonal planar, ada dua kemungkinan bentuk molekul :
Trigonal Planar (AX 3 ), ada 3 PEI(pasangan elektron ikatan) dan 0 PEB(pasangan elektron bebas). Contoh boron trifluorida, BF 3. Atom B memiliki 3elektron valensi dan F memilki 7 elektronvalensi. Contoh lain, ion nitrat NO 3 -. Efek Ikatan Ganda. Sudut ikatan menyimpang dari sudut ideal karena ikatan ganda, dengan densitas elektron yang lebih besar, menolak dua ikatan tunggal lebih kuat daripada menolak satu sama lain. Efek Ikatan Tunggal. Ikatan tunggal menolak ikatan ganda dengan lebih kuat daripada ikatan ganda menolak satusama lain.bentuk V. Contoh. PbCl 2.Pb memiliki 4 elektron valensi, dan Cl mempunyai 7 elektron valensi. Jika digambar struktur lewisnya, ada 2 pasang electron ikatan antara Pb dan Cl, dan ada 1 pasang electron bebas. Sehingga bentuk dasarnya adalah trigonal planar. Karena ada 1 pasang electron bebas, maka bentuknya adalah V. (lihat gambar : dari 3 garis, salah satu garis tersebut merupakan electron bebas). Bentuk Molekul dengan Empat Grup Elektron (Bentuk Tetrahedral) Dari kerangka dasar empat grup electron, ada beberapa bentuk molekul yang dapat dibuat. Tetrahedral (AX 4 ). Untuk mengetahui bentuk ini, kita bayangkan bentuk tetrahedral seperti kerangka limas segitiga bagian yang tegak ditambah satu batang berada di atasnya. Contoh CCl 2 F 2. Atom pusat adalah C yang mempunyai 4 EV, Cl dan F mempunyai 7 EV. Sehingga struktur lewisnya,
Dari gambar terlihat ada 4 grup electron, yaitu 4 pasang elektron ikatan (PEI) dan 0 pasangan electron bebas(peb). Trigonal pyramid (AX 3 E). Contoh NH 3. Atom pusat N (5EV), H(1 EV). Dari gambar di atas, ada 4 grup electron ( 3 PEI dan 1 PEB). Ini berarti memiliki kerangka dasar tetrahedral. Karena ada satu PEB, maka batang yang di atas tersebut dihilangkan, sehingga terbentuklah trigonal pyramid. Sudut ikatannya adalah 107.3 o. jika electron bebas dalam N bereaksi dengan H + menghasilkan ion NH + 4 dan bentuk molekulnya adalah tetrahedral dengan sudut ikatan 109.5 o. Bentuk V (AX 2 E 2 ). Contoh H 2 O. atom pusat O (6 EV), dan atom H (1 EV). Jika digambar struktur lewisnya, ada 4 grup electron (1 PEI dan 2 PEB). Karena ada 2 PEB, maka kita lepas batang yang disebelah atas dan sebelah samping, sehingga terbentuk huruf V. Bentuk Molekul dengan Lima Grup Elektron (Bentuk Trigonal Bipyramida) Dari kerangka dasar lima grup electron, ada lima bentuk molekul yang dapat dibuat. Trigonal Bipyramida (AX 5 ). Untuk mengetahui bentuk ini, kita bayangkan ada lima batang, dua batang kea rah vertical (grup axial) dan tiga batang kea rah horizontal (grup equatorial). Sudut antara satu axial dengan
satu equatorial adalah 90 o, dan sudut antar equatorial adalah 120 o. Contoh.PCl 5,atom pusat P (5 EV), atom Cl (7 EV). Dari gambar terdapat lima grup electron (5 PEI dan 0 PEB). Bentuk Jungkat-Jungkit (AX 4 E). Contoh SF 4. Atom pusat S (6 EV), atom F (7 EV). Dari gambar, ada lima grup electron (4 PEI dan 1 PEB). Karena ada 1 PEB, maka dari kerangka trigonal bipyramid kita hilangkan 1 batang equatorial, sehingga akan tampak seperti sebuah jungkat jungkit. Bentuk T (AX 3 E 2 ). Contoh Bromin Trifluorida (BrF 3 ). Atom pusat Br (7 EV), dan atom F (7 EV). Dari gambar, ada lima grup electron (3 PEI dan 2 PEB). Dari kerangka dasar trigonal bipyramida, kita hilangkan 2 batang equatorial, karena ada 2 PEB. Sehingga akan menghasilkan bentuk seperti huruf T. Linear (AX 2 E 3 ). Contoh XeF 2. Atom pusat Xe (8 EV), dan atom F(7 EV). Jika digambarkan struktur lewisnya, maka akan terbentuk lima grup electron (2 PEI dan 3 PEB), sehingga dari kerangka dasar trigonal bipyramida, kita hilangkan 3 batang equatorial, dan masih tersisa batang axial, sehingga bentuknya adalah linear.
Bentuk Molekul dengan Enam Grup Elektron (Bentuk Oktahedral) Dari kerangka dasar enam grup electron, ada tiga bentuk molekul yang dapat dibuat. Octahedral (AX 6 ). Untuk mengetahui bentuk ini kita bayangkan ada enam batang, empat batang di tengah ke arah horizontal(membetuk segi empat), dan dua batang ke arah vertical. Contoh sulfur heksafluorida (SF 6 ). Atom pusat S (6 EV), atom F (7 EV). Dari struktur lewis di atas, ada enam grup electron (6 PEI dan 0 PEB).sehingga bentuk molekulnya adalah octahedral. Pyramida Segiempat (AX 5 E). Contoh Iodin pentafluorida,if 5. Atom pusat I (7 EV), atom F (7 EV). Dari struktur lewis di atas, ada enam grup electron (5 PEI dan 1 PEB). Dari kerangka dasar octahedral, kita hilangkan satu batang yang ke bawah, sehingga terbentuk bentuk molekul piramida segiempat. Segiempat Planar (AX 4 E 2 ). Contoh Xenon tetrafluorida (XeF 4 ). Atom pusat Xe (8 EV), atom F (7 EV).
Dari struktur lewis di atas ada enam grup electron (4 PEI dan 2 PEB). Dari kerangka dasar octahedral, kita hilangkan 2 batang vertical, sehingga terbentuk bentuk molekul segiempat planar.
Ringkasan
Menggunakan VSEPR Teori untuk Meramalkan Bentuk Molekul Step 1. Tulis struktur Lewis Step 2. Hitung semua grup elektron (elektron ikatan da elektron bebas) Step 3. Prediksi sudut ikatan ideal dari susunan grup elektron dan arah deviasi yang disebabkan oleh elektron bebas atau ikatan ganda. Step 4. Gambar dan namai bentuk molekul dengan menghitung grup yang berikatan dan yang tidak berikatan sec ara terpisah. Soal. Gambarlah bentuk molekul dan prediksi sudut ikatan dari : a. PF 3 dan b. COCl 2 c.sbf 5 d.brf 5 Jawab. A. PF 3 Step 1.Tulis struktur lewis. Atom pusat P (5 EV) dan atom F(7 EV) Step 2. Tentukan susunan/jumlah grup electron. Ada 4 grup electron (3 PEI dan 1 PEB), sehingga kerangka dasarnya adalah bentuk tetrahedral. Step 3. Prediksi sudut ikatan. Untuk tetrahedral, sudut idealnya adalah 109.5 o, karena ada pasangan electron bebas, maka sudut relatifnya kurang dari 109.5 o. Step 4. Gambar dan namai bentuk molekul tersebut. Bentuk molekulnya adalah trigonal pyramida (AX 2 E). b. COCl 2 Step 1. Tulis struktur lewisnya. Atom pusat C (4 EV), atom O(6 EV) dan atom Cl (7 EV).
Step 2. Tentukan susunan/jumlah grup electron. Ada 3 grup electron (3 PEI dan 0 PEB), dengan satu diantaranya merupakan ikatan ganda. Sehingga kerangka dasarnya adalah bentuk trigonal planar. Step 3. Prediksi sudut ikatan. Sudut idealnya adalah 120 o, karena ada ikatan ganda maka sudutnya kurang dari 120 o. Step 4. Gambar dan namai bentuk molekul tersebut. Bentuk molekulnya adalah trigonal planar (AX 3 ). c. SbF 5 Step 1.Tulis struktur lewis. Atom pusat Sb(5 EV), atom F(7 EV) Step 2. Tentukan susunan/jumlah grup electron. Ada 5 grup electron (5 PEI dan 0 PEB), sehingga kerangka dasarnya adalah bentuk trigonal bipyramida. Step 3. Prediksi sudut ikatan. Sudut antara kerangka axial dan equatorial adalah 90 o dan sudut antar equatorial adalah 120 o. Step 4. Gambar dan namai bentuk molekul tersebut. Rumus molekul tersebut adalah AX 5, bentuk trigonal bipyramida. d. BrF 5 Step 1.Tulis struktur lewis. Atom pusat Br(7 EV), atom F(7 EV). Step 2. Tentukan susunan/jumlah grup electron. Ada enam grup electron (5 PEI dan 1 PEB), sehingga kerangla dasarnya adalah octahedral. Step 3. Prediksi sudut ikatan. Adanya electron bebas, maka sudut ikatan kurang dari 90 o.
Step 4. Gambar dan namai bentuk molekul tersebut. Bentuk molekulnya adalah piramida segiempat (AX 5 E). Bentuk Molekul dengan Atom Pusat Lebih Dari Satu Atom Contoh. Tentukan bentuk molekul dari aseton (CH 3 ) 2 CO Step 1. Tulis struktur lewis. Step 2. Tentukan jumlah grup electron. Setiap CH 3 memiliki 4 grup electron (octahedral), atom C ke tiga memiliki tiga grup electron (trigonal planar). Step 3. Sudut ikatan. Dalam bentuk octahedral sudut ikatan 109.5 o, sudut ikatan ganda CO kurang dari 120 o. Step 4. Bentuk yang mengelilingi atom pusat. CH 3 yang mengelilingi dua atom C memiliki bentuk tetrahedral (AX 4 ), bentuk yang mengelilingi atom C tengah adalah trigonal planar (AX 3 ).