ATOM DAN MOLEKUL DALAM KIMIA ORGANIK

Kimia organik adalah bagian dari kehidupan kita setiap saat. Molekul organik terdiri dari jaringan tanaman sebagain besar sebagai kayu merah, menyampaikan sinyal dari satu neuron ke neuron berikutnya pada hewan, menyimpan informasi genetik hidup, dan makanan yang kita makan setiap hari. Pertumbuhan makhluk hidup dari mikroba untuk gajah, bertumpu pada reaksi organik, dan reaksi organik menyediakan energi yang mendorong otot-otot kita dan proses berpikir kita. Hidup kita tergantung pada kimia organik. Setiap bagian dari pakaian yang kita kenakan adalah produk kimia organik, apakah serat alami atau sintetis. Hampir satu menit berlalu ketika kita tidak menggunakan sesuatu yang terbuat dari molekul organik, seperti pena, keyboard komputer, pemutar musik, atau telepon celular. Kami melihat tampilan layar yang terbuat dari array kristal cair organik. Polimer organik alami terdiri kayu dan kertas yang kita baca. molekul organik alami dan sintetis meningkatkan kesehatan kita. Tidak ada aspek kehidupan bergantung pada kimia organik. Tapi apa kimia organik? kimia organik adalah kimia senyawa yang mengandung unsur karbon. Jelas, senyawa karbon adalah pusat untuk kehidupan di planet ini.

A. STRUKTUR ELEKTRON DARI ATOM
     Unsur-unsur yang paling penting bagi ahli kimia organic adalah karbon, hydrogen, oksigen, dan nitrogen. 

           Keempat unsure ini ada dikedua periode pertama dari susunan berkala dan elektronnya terdapat dalam

           dua kulit eleKtron yang terdekat ke inti. Alhasil, pemabahasan mengenai struktur elektron dari atom akan

           di pusatkan terutama pada unsur-unsur dengan elektron yang hanya ada dalam dua kulit elektron ini

           Setiap kulit electron berhubungan dengan sejumlah energy tertentu. Elektron yang dekat keinti lebih

           tertarik oleh proton dalam inti dari pada elektron yang lebih jauh kedudukannya. Karena itu, semakin

          dekat elektro terdapat keinti, semakin rendah energinya, dan elektron iini sukar berpindah dalam reaksi

          kimia. Kulit elektron yang terdekat ke inti adalah kulit yang terendah energinya dan elektron dalam kulit ini

          dikatakan berada pada tingkat energy pertama. Elektron dalam kulit kedua, yaitu pada tingkat enrgi

          kedua, mempunyai energi yang lebih tinggi dari pada elektron dalam tingkat pertama, elektron dalam

          tingkat ketiga , yaitu pada tingkat energi ketiga, mempunyai energ yang lebih tinggi lagi.

•  Orbital Atom                                                                                                                            

Kita tidak dapat menetapkan dengan tepat posisi relative sebuah electron terhadap ini atom. Sebagai gantinya kita harus mengandalkan teori kuantum untuk menggabarkan posisi yang paling mungkin dari sebuah electron. Tiap kuliat electron suatu atom dibagi menjadi orbital atom; orbital atom adalah bagian dari ruang di mana keboleh jadian ditemukannya sebuah electron dengan kadar energy yang khas adalah tinggi (90-95%). Rapat electron adalah istilah lain yang digunakan untuk menggambarkan kebolehjadian ditemukannya electron pada titik tertentu; rapat electron yang lebih tinggi, berarti kebolehjadiannya lebih tinggi, sedangkan rapat electron lebih rendah berarti kebolehjadiannya juga rendah. 

.

Dari grafik terlihat bahwa orbital 1s dan 2s tak mempunyai permukaan yang tajam, tetapi rapat elektronnya bertambah dan berkurang melalui daerah jarak dari inti. Hasilnya adalah bahwa orbital 1s dan 2s saling tumpang tindih.

•       Pengisian Orbital                                                                                                                                   Elektron mempunyai spin, yang dapat berputar menurut arah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam (+1/2 dan - 1/2). Spin dari partikel bermuatan, menimbulkan medan magnet kecil atau moment magnet, dan dua electron dengan spin berlawanan mempunyai momen magnet berlawanan. Suatu pemberian mengenai struktur electron dari unsur disebut konfigurasi electron.

B.   Jari-jari atom dan keelektronegatifan

      Jari-jari atom adalah jarak dari pusati inti ke elektron paling luar. Jari-jari atom ditentukan dengan mengukur panjang ikatan (jarak antara inti) dalam senyawa. Jari-jari atom berubah-ubah bergantung pada besarnya tarikan antara inti dan elektron-nya. Makin besar tarikan, makin kecil jari-jari atomnya. Faktor-faktor yang paling penting adalah jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron. Bila kita bergerak dari atas ke bawah dalam satu golongan dari susunan berkala, maka jumlah kulit electron bertambah dan, karenanya, jari-jari atom bertambah juga. Inti dengan jumlah proton yang lebih besar mempunyai tarikan yang lebih besar terhadap electron-elektronnya, termasuk electron paling luar. Pada setiap tahap, inti mempunyai tarikan untuk electron yang lebih besar dari jari-jari atom berkurang.

      Dalam kimia organik, atom saling berkaitan satu dengan yang lain dalam kedekatan yang dekat oleh ikatan kovalen. Konsep jari-jari atom akan berguna dalam memperkirakan tarikan dan tolakan antara atom dan dalam membahas kekuatan ikatan kovalen.

      Keelektronegatifan  adalah ukuran kemampuan atom untuk menarik electron luarnya, atau elektron valensi. Karena elektron luar dari atom yang digunakan untuk ikatan, maka keelektronegatifan berguna dalam meramalkan dan menerangkan kereaktifan kimia. Seperti jari-jari atom, keelektronegatifan dipengaruhi oleh jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron. Makin besar jumlah proton berarti makin besar muatan inti positif, dan dengan demikian tarikan untuk electron ikatan bertambah. Karena keelektronegatifan bertambah dari kiri kekanan untuk periode tertentu dari susunan berkala.

Tarikan antara partikel yang berlawanan muatan bertambah dengan berkurangnya jari-jari antara partikel.

Skala puling adalah skala numerik dari keelektronegatifan . skala ini diturunkan dari perhitungan energy-ikatan untuk berbagai unsure yang terikat oleh ikatan kovalen. Dalam skala pauling flour, unsure yang paling elektronegatif, mempunyai nilai keelektronegatifan 4. Litium, keelektronegatifannya rendah, mempunyai nilai 1. Suatu unsure dengan keelektronegatifan yang sangat rendah (seperti litium) kadang-kadang disebut unsure elektropositif. Karbon mempunyai nilai keelektronegatifan menengah 2,5.

(Keelektronegatifan dari beberapa unsur (skala Pauling))

C.   Panjang ikatan dan sudut ikatan

     Jarak yang memisahkan inti dari dua atom yang terikat kovalen disebut panjang ikatan. Panjang ikatan kovalen yang dapat ditentukan secara eksperimental, mempunyai selang harga dari 0,74 Ǻ sampai 2 Ǻ.

      Bila ada lebih dari dua atom dalam molekul, ikatan membentuk sudut, yang disebut sudut ikatan. Sudut ikatan bervarisi dari kira-kira 60⁰ sampai 180⁰.

                                                                                                                                              
Kebanyakan struktur organik mengandung lebih dari tiga atom, dan lebih bersifat berdimensi-tiga dari pada berdimensi-dua. Rumus struktur terdahulu untuk amoniak (NH₃) menggambarkan satu teknik untuk menyatakan suatu struktur dimensi-tiga. Ikatan garis (-) menyatakan ikatan dalam bidang kertas. Baji padat (−−)menyatakan ikatan yang keluar dari kertas menuju pengamat; H pada ujung yang lebar dari baji padat ada di muka kertas. Baji yang patah-patah (−−−) menyatakan ikatan yang menunjuk ke belakang kertas; H pada ujung yang sempit dari baji yang patah-patah ada di belakang kertas.

D.   Energy disosiasi 

     Bila atom saling terikat membentuk molekul, energy dilepaskan (biasanya sebagai kalor atau cahaya). Jadi, untuk molekul agar terdisosiasi menjadi atom-atomnya harus diberikan energy. Ada dua cara agar ikatan dapat terdisosiasi. Satu cara adalah karena pemaksapisahan heterolitik (heterolytic cleavega) (yunani, hetero,”berbeda”), dalam mana kedua elaktron ikatan dipertahankan pada satu atom, hasil pembelahan heterolitik adalah sepasang ion.

Suatu panah lengkung digunakan dalam persamaan-persamaan ini untuk menunjukkan arah ke mana pasangan elektron bergerak selama pemutusan ikatan. Pemaksapisahan hetereolitik dari HCl atau H₂O₂ elektron ikatan dipindahkan ke Cl atau O yang lebih elektronegatif

                                                                                                                                                       
Proses lain yang meungkinkan suatu ikatan terdisosiasi adalah pemaksapisahan homolitik (yunani, homo,”sama”). Dalam hal ini setiap atom yang turut dalam ikatan kovalen menerima satu electron dari pasangan yang saling berbagi yang asli. Yang dihasilkan adalah atom yyang secara listrik netral atau gugus atom.

Perhatikan bahwa panah lengkung dalam persamaan-persamaan ini hanya mempunyai separo kepala panahnya. Jenis panah seperti ini, disebut kait ikan, dan digunakan untuk menunjukkan arah pergeseran dari satu elektron, sedangkan panah lengkung dengan kepala lengkap digunakan untuk menunjukkan arah pergeseran sepasang elektron.

                                                                                                                                                      
Energy disosiasi memungkinkan ahli kimia untuk menghitung kestabilan relative  dari senyawa dan meramalkan (sampai taraf tertentu) sebab-sebab reaksi kimia. Misalnya:satu reaksi yang akan dibahas kemudian dalam teks ini adalah khlorinasi metana, CH₄:

CH₄  +  Cl₂   -------->  CH₃Cl  +  HCl

                                                                                                                                            
Apakah reaksi ini eksoterm (melepaskan energi) atau endoterm (menyerap energi)? Reaksi dapat dipecah menjadi bagian-bagian komponennya dan dihitung dari energi disosiasi ikatan masing-masing, apakah energi akan dilepaskan atau diperlukan. Makin besar jumlah energi yang dilepaskan, makin menguntungkan bagi reaksi. (Perhatikan bahwa dalam persamaan ini, +ΔH menyatakan energi yang dimasukkan ke dalam reaksi, sedangkan - ΔH menyatakan energi yang dilepaskan)

Dari perhitungan reaksi ini harus eksoterm. Apabila reaksi ini dilaksanakn di laboratorium, didapatkan bahwa memang benar eksoterm.

E.  Konsep asam dan basa dalam kimia organik

     Menurut konsep Bronsted Lowry mengenai asam dan basa, suatu asam adalah zat yang dapat memberikan ion hydrogen yang bermuatan positif, atau proton (H⁺). Basa didefenisikan sebagai zat yang dapat  menerima H⁺. Meskipun dibahas mengenai “donor proton” dan “akseptor proton”, dalam kimia organic digunakan panah lengkung untuk menyatakan aksi electron. Karena itu, dalam persamaan berikut, suatu panah lengkung digambarkan dari electron dari basa ke proton yang menerimanya.

•  Asam dan basa kuat dan lemah                                                                                                       

Ingat kembali dari kuliah kimia dasar bahwa asam kuat adalah asam yang dasarnya mengalami ionisasi sempurna dalam air. Asam kuat yang representative adalah HCl, HNO₃, dan H₂SO₄. Ionisasi dari asam-asam kuat ini adalah reaksi asam—basa yang khas. Asam (HCl, misalnya) memberikan proton kepada basa (H₂O). Kesetimbangan terletak jauh ke kanan (ionisasi sempurna dari HCl) karena H₂O merupakan basa lebih kuat dari Cl^- dan HCl merupakan asam lebih kuat daripada H₃O⁺. Asam lemah, sebaliknya hanya terionisasi sebagian dalam air. Asam karbonat adalah asam anorganik yang lemah yang khas. Kesetimbangannya letaknya jauh ke kiri karena H₃O⁺ adalah asam yang lebih kuatdan HCO₃^- adalah basa yang lebih kuat. Juga ingat kembali bahwa basa digolongkan sebagat kuat (seperti OH^-) atau lemah (NH₃), bergntung pada afinitasnya terhadap proton. Marilah kita tinjau sekarang beberapa senyawa organic yang dapar berfungsi sebagai asam dan basa. Amina adalah golongan senyawa organic yang secara structural sama dengan ammonia: suatu amina mengandung atom nitrogen yang terikat secara kovalen dengan satu atau lebih atom karbon dan mempunyai sepasang electron menyendiri. Amina seperti ammonia adalah basa lemah dan mengalami reaksi reversible dengan air atau asam lemah lainnya. (Penggunaan asam kuat mendorong reaksi sampai berkesudahan) Senyawa organic yang mengandung gugus karboksilat adalah asam lemah. Senyawa-senyawa yang mengandung gugus karboksilat disebut asam karboksilat. Asam asetat, CH₃CO₂H, adalah contohnya. Salah satu alasan untuk keasaman asam karboksilat adalah kepolaran ikatan O-H.  Dengan adanya basa, H⁺ ditarik dari gugus karboksilat dan terbentuklah anion karboksilat, karena asam karboksilathanya asam lemah, reaksi ini tak berlangsung sampai sempurna kecuali bila digunkan basa yang lebih kuat dari air.

•  Asam dan basa Konjugat                                                                                                             

Konsep adam dan basa konjugat berguna untuk pembandingan keasaman dan kebasaan. Basa konjugat dari asam adalah ion atau molekul yang dihasilkan setelah kehilangan H+ dari asamnya. Misalnya, ion klorida adalah basa konjugat dari HCl. Asam konjuat dari NH₃ adalah NH_4. Di lain pihak, bila asam lemah atau sangat lemah, basa konjugatnya adalah sedang kuatnya atau kuat, bergantung pada afinitas basa konjugat untuk H⁺. Jadi, bila kekuatan asam dari deret senyawa bertambah, kekuatan basa dari basa konjugnya juga berkurang.

• Asam dan basa lewis                                                                                                                

Meskipun banyak reaksi asam-basa mencakup perpindahan proton dari asam ke basa, beberapa reaksi asam basa tidak mencakup perpindahan proton. Dengan alasan ini, telah dikembangkan konsep lewis yang lebih umum mengenai asam dan basa. Asam lewis adalah zat yang dapat menerima sepasang electron. Setiap sepsis dengan atom yang kekurangan electron dapat berfungsi sebagai asam lewis; misalnya H⁺ adalah asam lewis. Kebanyakan asam lewis selain H⁺ yang dijumpai dalam buku ini adalah garam logam anhidrat (misalnya ZnCL₂, FeCl₃, dan AlBr₃). Basa lewis adalah zat yang dapat memberikan sepasang electron. Contoh dari basa lewis adalah NH₃ dan OH^-, masing-masing mempunyai sepasang electron valensi yang menyendiri yang dapat disumbangkan ke H⁺ atau semua asam lewis lain.

• Tetapan Keasaman                                                                                                                          

Suatu reaksi kimia mempunyai tetapan keseimbangan K yang menggambarkan seberapa jauh reaksi berlangsung sampai berkesudahan. Untuk ionisasi dari suatu asam dalam air, tetapan ini disebut tetapan keasaman Ka. Semakin terionisasi suatu asam, semakin besar nilai Ka karena nilai dalam pembilang makin besar. Asam yang lebih kuat mempunyai nilai Ka yang lebih besar. Setiap asam dengan Ka > 10 dianggap sebagat asam kuat. Seperti dalam hal Ph yang merupakan logaritma negative dari konsentrasi ion hydrogen, maka pKa merupakan logaritma negative dari Ka. Bila Ka semakin besar (asam yang lebih kuat) pKa menjadi lebih kecil, makin kecil nilai pKa makin kuat asamnya.

• Tetapan kebasaan                                                                                                                          

Reaksi reversible dari basa lemah dengan air, seperti reaksi dari asam lemah dengan H₂O menghasilkan konsentrasi ion yang kecil, tetapi tetap pada kesetimbangan. Tetapan kebasaan Kb adalah tetapan setimbang untuk reaksi ini. Seperti dalam hal Ka, nilai [H₂O] tercakup dalam Kb dalam ungkapan kesetimbangan. Dengan bertambahnya kekuatan basa, nilai Kb bertambah dan nilai pKb berkurang. Semakin kecil nilai untuk pKb, semakin berat basanya.

 Sumber:

  Fessenden RJ and JS. Fessenden. Kimia Organik, Jld 1, 3ed. Terjemahan A.H Pudjatmaka. Erlangga. 2005