Orbital dan Peranannya dalam Ikatan Kovalen (1)

A. Sifat Gelombang

Sebuah teori struktur atom dan molekul maju secara independen dan hampir bersamaan oleh tiga orang pada tahun 1926; Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, dan Paul Dirac. Teori ini, yang disebut gelombang mekanik oleh Schrodinger dan mekanika kuantum oleh Heisenberg, telah menjadi dasar dari mana kita berasal pemahaman modern ikatan dalam molekul. Di jantung mekanika kuantum persamaan disebut fungsi gelombang (dilambangkan dengan huruf psi Yunani, ψ).

Setiap fungsi gelombang sesuai dengan keadaan energi yang berbeda untuk sebuah elektron.

Setiap keadaan energi adalah sublevel dimana satu atau dua elektron dapat berada.

Energi yang berkaitan dengan keadaan elektron dapat dihitung dari fungsi gelombang.

Probabilitas relatif menemukan sebuah elektron dalam suatu wilayah ruang dapat dihitung dari fungsi gelombang.

 

Gelombang bergerak melintasi palung dilihat bersama sepotong melalui palung. Untuk gelombang ini fungsi gelombang, adalah plus (+) di puncak dan minus (-) di palung. Pada tingkat rata-rata danau itu adalah nol; Tempat ini disebut node. Besarnya puncak-puncak dan palung adalah amplitudo (a) gelombang. Jarak dari puncak satu gelombang ke puncak berikutnya adalah panjang gelombang (λ, atau lambda).

• Tanda pase dari persamaan gelombang menunjukkan apakah solusinya adalah positif atau negatif bila dihitung untuk titik tertentu dalam ruang relatif terhadap inti.

Fungsi gelombang, apakah mereka adalah untuk gelombang suara, gelombang danau, atau energi elektron, memiliki kemungkinan interferensi konstruktif dan interferensi destruktif.

• Gangguan konstruktif terjadi berfungsi bila gelombang dengan tanda fase berinteraksi sama.

Ada efek memperkuat dan amplitudo meningkat fungsi gelombang.

• Gangguan destruktif terjadi ketika fungsi gelombang dengan tanda-tanda fase berlawanan berinteraksi. Ada efek subtraktif dan amplitudo fungsi gelombang pergi ke nol atau perubahan tanda.

Percobaan telah menunjukkan bahwa elektron memiliki sifat gelombang dan partikel, yang merupakan ide pertama diajukan oleh Louis de Broglie pada tahun 1923.

B. Orbital Ikatan dan Anti Ikatan

Atomic orbital provide a means for understanding how atoms form covalent bonds. Let us consider a very simple case formation of a bond between two hydrogen atoms to form a hydrogen molecule.

Potensi energi dari molekul hidrogen sebagai fungsi jarak internuclear.

Ketika dua atom hidrogen yang relatif berjauhan total energi mereka atom hidrogen hanya bahwa dua terisolasi. Pembentukan ikatan kovalen mengurangi energi secara keseluruhan sistem, namun. Sebagai dua atom hidrogen bergerak lebih dekat bersama-sama, masing-masing inti semakin menarik elektron lain. Atraksi ini lebih dari mengkompensasi untuk gaya tolak antara dua inti (atau dua elektron). Hasilnya adalah ikatan kovalen, sehingga jarak internuclear adalah keseimbangan yang ideal yang memungkinkan dua elektron untuk dibagi antara kedua atom sementara pada saat yang sama menghindari interaksi menjijikkan antara inti mereka. Ini internuclear jarak ideal antara atom hidrogen adalah 0,74 Å, dan kita sebut ini panjang ikatan dalam molekul hidrogen. Jika inti dipindahkan lebih dekat bersama-sama tolakan dari dua inti bermuatan positif mendominasi, dan energi dari sistem naik.

Daerah-daerah yang diarsir pada diagram kita mewakili orbital, dan mereka hasil dari menerapkan prinsip-prinsip mekanika kuantum. Memplot kuadrat dari fungsi gelombang (ψ²) memberi kita suatu wilayah tiga dimensi disebut orbital mana menemukan sebuah elektron sangat mungkin.

• Orbital atom merupakan daerah ruang di mana satu atau dua elektron dari sebuah arom terisolasi yang mungkin ditemukan.

Dalam kasus model hidrogen kita di atas, bola berbayang repsresent orbital 1s dari setiap atom hidrogen. Sebagai pendekatan atom dua hidrogen sama lain 1s mereka orbital mulai tumpang tindih sampai orbital atom mereka bergabung membentuk orbital molekul.

• Sebuah orbital molekul mewakili daerah ruang di mana satu atau dua elektron dari molekul yang mungkin ditemukan.
• Orbital (atom atau molekul) dapat berisi maksimal dua spin-berpasangan elektron (prinsip eksklusi Pauli).
• Ketika orbital atom bergabung membentuk orbital molekul, jumlah orbital molekul yang dihasilkan selalu sama dengan jumlah orbital atom yang menggabungkan.

Dengan demikian, dalam pembentukan molekul hidrogen dua orbital atom ψ1s bergabung untuk menghasilkan dua orbital molekul. Dua orbital menghasilkan karena sifat matematis dari fungsi gelombang mengizinkan mereka untuk digabungkan dengan baik Selain pengurangan. Artinya, mereka dapat menggabungkan baik dalam atau keluar dari fase.

• Sebuah ikatan molekul orbital (ψmolec) hasil ketika dua orbital dari fase tumpang tindih sama
• Sebuah antiobonding orbital molekul (ψ * molec) hasil ketika dua orbital dari fase tumpang tindih berlawanan

Tumpang tindih dua 1s atom hidrogen orbital dengan tanda fase yang sama (ditandai dengan warna identik mereka) untuk membentuk ikatan molekul orbital.

Ikatan molekul orbital molekul hidrogen dalam energi terendah mengandung kedua elektron dari atom hidrogen individu. Nilai ψ (dan karena itu juga ψ²) besar antara inti, tepat seperti yang diharapkan karena elektron bersama oleh kedua inti untuk membentuk ikatan kovalen.

Anti ikatan orbital molekul mengandung elektron dalam keadaan dasar molekul hidrogen. Selanjutnya, nilai ψ (dan karena itu juga ψ²) pergi ke antara inti, menciptakan sebuah node (ψ = 0). Orbital anti ikatan tidak menyediakan kerapatan elektron antara atom, dan karenanya tidak terlibat dalam ikatan.

Apa yang kita miliki hanya menjelaskan memiliki rekan dalam perawatan matematika disebut LCAO (kombinasi linear orbital atom) metode. Dalam pengobatan LCAO, fungsi gelombang orbital atom menggabungkan secara linear (dengan penambahan atau pengurangan) untuk mendapatkan fungsi gelombang baru untuk orbital molekul.

Orbital molekul, seperti orbital atom, sesuai dengan keadaan energi tertentu untuk sebuah elektron. Perhitungan menunjukkan bahwa energi relatif elektron dalam ikatan molekul orbital molekul hidrogen secara substansial kurang dari energi di ψ_1s atom orbital. Perhitungan ini juga menunjukkan bahwa energi dari sebuah elektron dalam anti ikatan molekul orbital secara substansial lebih besar dari energi dalam atom orbital ψ_1s.

Diagram energi untuk orbital molekul dari molekul hidrogen ditampilkan

diagram energi untuk molekul hidrogen. Kombinasi dari dua orbital atom, ψ1s, memberikan dua orbital molekul, ψmolec dan ψ * molec. Energi ψmolec lebih rendah dibandingkan dengan orbital atom yang terpisah, dan di negara energi elektronik termurah dari molekul hidrogen ikatan MO mengandung kedua elektron.

Perhatikan bahwa elektron ditempatkan di orbital molekul dengan cara yang sama bahwa mereka berada dalam orbital atom. Dua elektron (dengan spin mereka menentang) menempati orbital ikatan molekul, di mana total energi mereka kurang dari dalam orbital atom yang terpisah. Sebuah elektron dapat menempati orbital molekul anti ikatan dalam apa yang disebut keadaan tereksitasi untuk molekul. Ini bentuk= ketika molekul dalam keadaan dasar menyerap foton cahaya memiliki energi yang tepat (ΔE).

C. Orbital Hibrida Karbon 

Hibridasi  adalah konsep pencampuran orbital atom menjadi orbital hibrida yang seusai dengan pasangan electron untuk membentuk ikatan kimia. Orbital hibrida biasanya mempunyai perbedaan energy dan bentuk. Hibridasi berguna untuk menjelaskan struktur molekuler ketika teori ikatan valensi gagal untuk menjelaskan

Karbon merupakan contoh yang baik untuk penjelasan orbital hibrida. Konfigurasi atom karbon dalam keadaan ground state adalah:

Berdasarkan teori ikatan valensi, karbon seharusnya membentuk ikatan kovalen, menghasilkan CH2, karena karbon mempunya dua electron tak berpasangan secara konfigurasi electron. Meskipun demikian, melalui eksperimen dapat ditunjukkan bahwa CH2 bersifat sangat reaktif dan tidak dapat terbentuk setelah akhir reaksi (meskipun hal ini juga tidak menjelaskan bagaimana CH4 dapat terbentuk). Untuk membentuk empat ikatan, konfigurasi karbon harus mempunyai empat electron tidak berpasangan.

 Dengan demikian karbon telah mempunyai empat electron tidak berpasangan, sehingga empat eenergi ikatan yang sama. Hibridasi orbital juga lebih disukai karena mempunyai energy lebih kecil dibandingkan dengan orbital terpisah. Hal tersebut menghasilkan senyawa yang lebih stabil ketika terjadi hibridisasi dan ikatan yang terbentuk juga lebih baik.

Sumber:
Solomons, G.T.W., Organic Chemistry, Jld 1, 10ed, Revised Printing, John Wiley & Sons, New York, 2011.