u m atau dengan menggunakan notasi kompleks )
BAB 6 Ikatan Atom dan Susunan Atom
6.1. Energi Ikat
6.2.1. Ikatan Primer
Ada tiga macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan primer yaitu ikatan ion, ikatan kovalen, dan ikatan metal. Ketiga macam ikatan ini disebut sebagai ikatan primer karena ikatan ini kuat.
Ikatan Ion. Sesuai dengan namanya, ikatan ini terjadi karena adanya tarik-menarik antara dua ion yang berlawanan tanda. Ion itu sendiri terbentuk karena salah satu atom yang akan membentuk ikatan memberikan elektron kepada atom pasangannya yang memang memiliki kemampuan untuk menerima elektron. Dengan demikian terjadilah pasangan ion positif dan ion negatif, dan mereka saling terikat.
Atom nonmetal memiliki orbital p yang setengah terisi dan ia mampu
menarik elektron luar ke dalam salah satu orbital yang setengah kosong tersebut. Atom F misalnya dengan konfigurasi 1s2 2s2 2p5 hanya
memiliki satu dari tiga orbital p yang terisi satu elektron. Atom ini
mampu menarik satu elektron luar untuk memenuhi orbital p dan
menjadi ion F−. Sebaliknya, atom metal memiliki satu atau lebih elektron yang terikat longgar yang berada di suatu tingkat energi yang terletak di atas tingkat energi yang terisi penuh; misalnya Li dengan konfigurasi 1s2
2s1 memiliki satu elektron di orbital 2s yang berada di atas orbital 1s
yang terisi penuh; atom Li mudah melepaskan satu elektron dan menjadi ion Li+. Li dan F membentuk ikatan ion menjadi LiF.
Jarak antar atom, r n m r r B r a V ====−−−− ++++ n tolak r b V ==== m tarik r a V ====−−−− Vmin r0 Vr
Ikatan ion terbentuk oleh adanya gaya tarik elektrostatik antara ion positif dan ion negatif. Energi potensial V dari pasangan ion akan
menjadi lebih negatif jika jarak radial r semakin kecil. Dengan m = 1,
energi yang terkait dengan gaya tarik antar ion adalah
r a
Vtarik = − (6.2)
Walaupun demikian, jika jarak semakin pendek awan elektron di kedua ion akan mulai tumpang-tindih. Pada tahap ini, sesuai dengan prinsip Pauli, beberapa elektron harus terpromosi ke tingkat yang lebih tinggi. Kerja harus dilakukan pada ion-ion ini agar mereka saling mendekat; kerja ini berbanding terbalik dengan pangkat tertentu dari jarak antara pusat ion. Dengan demikian energi potensial total dari kedua ion dapat dinyatakan sebagai E r b r a V n r =− + +∆ (6.3)
dengan ∆E adalah energi yang diperlukan untuk mengubah kedua atom
yang semula netral menjadi ion.
Bagaimana ikatan ion terbentuk antara atom A dan B dapat diuraikan secara singkat sebagai berikut. Jika −EA adalah energi elektron s terluar
dari atom A, diperlukan energi sebesar 0−(−EA)=EA untuk
melepaskan elektron dari atom A sehingga atom A menjadi ion; EA disebut potensial ionisasi. Setelah lepas dari atom A elektron tersebut
menjadi elektron-bebas dengan potensial 0. Jika elektron ini kemudian masuk ke atom B, energinya akan menurun dari 0 menjadi −EB; EB
disebut afinitas elektron. Jadi perubahan energi netto adalah
)
( A
B E
E
E=− − −
∆ = EA −EB yang akan bernilai positif jika potensial
ionisasi atom A lebih besar dari afinitas elektron atom B. Gb.6.2. memperlihatkan perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion.
Gb.6.2. Perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion. Pada gambar ini terlihat bahwa jika energi yang mengikat cukup besar
(Vtarik), maka akan terjadi jumlah energi minimum dan energi minimum
ini terjadi pada jarak antar ion r0. Pada jarak inilah terjadi keseimbangan antara gaya tarik dan gaya tolak antar ion. Penyimpangan jarak antar ion dari r0, baik mengecil maupun membesar, akan meningkatkan energi potensial sehingga selalu terjadi gaya yang mengarah ke posisi keseimbangan.
Ikatan ion adalah ikatan tak berarah. Setiap ion positif menarik semua ion negatif yang berada di sekelilingnya dan demikian pula sebaliknya. Jadi setiap ion akan dikelilingi oleh ion yang berlawanan sebanyak yang masih dimungkinkan; pembatasan jumlah ion yang mengelilingi ion lainnya akan terkait dengan faktor geometris dan terpeliharanya kenetralan listrik pada padatan yang terbentuk.
Ikatan Kovalen. Contoh yang paling sederhana untuk ikatan kovalen adalah ikatan dua atom H membentuk molekul hidrogen, H2. Atom H pada ground state memiliki energi paling rendah. Namun karena elektron
bermuatan negatif, maka jika ada atom H kedua yang mendekat, elektron di atom yang pertama dapat lebih dekat ke inti atom H kedua. Demikian pula halnya dengan elektron di atom H kedua dapat lebih dekat ke inti atom H pertama. Kejadian ini akan menurunkan total energi dari kedua atom dan terbentuklah molekul H2. Syarat yang diperlukan untuk terjadinya ikatan semacam ini adalah bahwa kedua elektron yang terlibat dalam terbentuknya ikatan tersebut memiliki spin yang berlawanan agar
prinsip eksklusi Pauli dipenuhi.
Jarak antar atom, r
0 Vto ta l ∆E E r b r a V m r ====−−−− ++++ ++++∆ m tolak r b V ==== E r a E Vtarik ++++∆ ====−−−− ++++∆ Emin r0
Energi total terendah dari dua atom H yang berikatan tersebut tercapai bila kedua elektron menempati orbital s dari kedua atom. Hal ini terjadi
pada jarak tertentu, yang memberikan energi total minimum. Apabila kedua inti atom lebih mendekat lagi akan terjadi tolak-menolak antar intinya; dan jika saling menjauh energi total akan meningkat pula. Oleh karena itu ikatan ini stabil.
Kombinasi Ikatan. Pada umumnya elektron valensi dari dua atom yang membentuk ikatan berada dalam orbital kedua atom. Oleh karena itu posisi elektron selalu berubah terhadap inti atomnya. Ketika kedua elektron berada di antara kedua atom dan menempati orbital s, ikatan
kedua atom itu disebut kovalen. Namun sewaktu-waktu kedua elektron
bisa berada lebih dekat ke salah satu inti atom dibandingkan dengan inti atom yang lain; pada saat demikian ini ikatan atom yang terjadi didominasi oleh gaya tarik antara ion positif dan ion negatif, yang disebut ikatan ion. Situasi seperti ini, yaitu ikatan atom merupakan
kombinasi dari dua macam jenis ikatan, merupakan hal yang biasa terjadi. Ikatan kovalen murni dan ikatan ion murni merupakan dua keadaan ekstrem dari bentuk ikatan yang bisa terjadi antar atom.
Apakah suatu molekul terbentuk karena ikatan kovalen atau ikatan ion, tergantung dari mekanisme mana yang akan membuat energi total lebih kecil. Pada umumnya, makin elektropositif metal dan makin elektronegatif nonmetal maka ikatan ion akan makin dominan. Sebagai contoh: LiF berikatan ion; MgO berikatan ion dengan sedikit karakter ikatan kovalen; SiO2 memiliki ikatan ion dan ikatan kovalen yang hampir berimbang.
Ikatan Metal. Terbentuknya ikatan metal pada dasarnya mirip dengan ikatan kovalen yaitu menurunnya energi total pada waktu terbentuknya ikatan. Perbedaannya adalah bahwa ikatan metal terjadi pada sejumlah besar atom sedangkan ikatan kovalen hanya melibatkan sedikit atom bahkan hanya sepasang. Perbedaan yang lain adalah bahwa ikatan metal merupakan ikatan tak berarah sedangkan ikatan kovalen merupakan ikatan berarah. Kumpulan dari sejumlah besar atom yang membentuk ikatan ini menyebabkan terjadinya tumpang-tindih tingkat-tingkat energi. Atom metal memiliki elektron valensi yang tidak begitu kuat terikat pada intinya. Oleh karena itu jarak rata-rata elektron valensi terhadap inti atom metal (yang belum terikat dengan atom lain) bisa lebih besar dari jarak antar atom pada padatan metal. Hal ini berarti bahwa dalam padatan,
elektron valensi selalu lebih dekat dengan salah satu inti atom lain dibandingkan dengan jarak antara elektron valensi dengan inti atom induknya dalam keadaan belum berikatan. Hal ini menyebabkan energi potensial dalam padatan menurun. Selain dari itu, energi kinetik elektron valensi juga menurun dalam padatan karena fungsi Ψ*Ψ lebih menyebar dalam ruang. Penurunan energi, baik energi potensial maupun energi kinetik, inilah yang menyebabkan terbentuknya ikatan metal. Karena setiap elektron valensi tidak terikat (tidak terkait) hanya antara dua inti atom (tidak seperti pada ikatan kovalen) maka ikatan metal merupakan ikatan tak berarah, dan elektron valensi bebas bergerak dalam padatan. Elektron pada padatan metal sering digambarkan sebagai “gas elektron” yang mempertahankan ion-ion positif tetap terkumpul.
Secara umum, makin sedikit elektron valensi yang dimiliki oleh satu atom dan makin longgar tarikan dari intinya, akan semakin mudah terjadi ikatan metal. Material dengan ikatan metal seperti tembaga, perak dan emas, memiliki konduktivitas listrik dan konduktivitas panas yang tinggi karena elektron valensi yang sangat mudah bergerak. Metal-metal ini tak
tembus pandang karena “elektron-bebas” ini menyerap energi photon.
Mereka juga memiliki reflektivitas tinggi karena “elektron-bebas” melepaskan kembali energi yang diserapnya pada waktu mereka kembali pada tingkat energi yang lebih rendah.
Makin banyak elektron valensi yang dimiliki atom dan makin erat terikat pada inti atom, ikatan atom cenderung menuju ikatan kovalen walaupun ikatan metal masih terjadi. Metal-metal transisi (yaitu atom-atom dengan orbital d yang tidak penuh terisi elektron seperti besi, nikel, tungten, dan
titanium) memiliki karakter ikatan kovalen yang melibatkan hibridisasi elektron pada orbital yang lebih dalam.