Ikatan kimia: ion, kovalen, logam, dan kepolaran

Seorang teknisi mesin pencuci piring menjelaskan kepada pelanggan mengapa mesin harus memakai deterjen dan tidak cukup air panas saja. Pelanggan membantah: air panas melarutkan gula dan garam dengan mudah, jadi mengapa tidak melarutkan lemak? Teknisi itu tahu jawabannya dari pengalaman, tetapi sulit menjelaskan alasannya.

Alasannya terletak pada cara atom saling terikat. Garam tersusun dari ion. Gula tersusun dari molekul yang punya bagian bermuatan parsial. Lemak tersusun dari molekul yang hampir tidak bermuatan sama sekali. Air sendiri adalah molekul yang kutubnya kuat. Bab ini menjelaskan jenis-jenis ikatan dan bagaimana jenis ikatan menentukan sifat bahan: larut atau tidak, menghantar listrik atau tidak, keras atau lunak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas alasan atom berikatan, ikatan ion, ikatan kovalen, struktur Lewis sederhana, kepolaran ikatan dan molekul, bentuk molekul dasar, ikatan logam, dan hubungan jenis ikatan dengan sifat bahan. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat bab ikatan kimia dari buku Kimia Dasar berbahasa Indonesia, diktat Kimia Dasar, buku kimia umum, dan panduan kimia tingkat lanjut sekolah menengah.

Struktur atom dan elektron valensi dibahas di bab struktur atom, dan keelektronegatifan beserta tabel nilainya di bab tabel periodik. Gaya antarmolekul, termasuk ikatan hidrogen, dibahas di bab berikutnya dalam kerangka rak ini. Cara surfaktan melarutkan lemak dibahas di Bab 6 · Laundry dan di tingkat lanjut rak ini. Struktur logam dan paduan sebagai bahan teknik ada di Bab 1 · Material.

Mengapa atom berikatan

Atom berikatan karena susunan yang terikat punya energi lebih rendah daripada atom-atom yang terpisah. Bab struktur atom menunjukkan bahwa atom gas mulia, dengan kulit terluar penuh, hampir tidak bereaksi. Atom lain mencapai susunan serupa dengan dua cara: memindahkan elektron dari satu atom ke atom lain, atau berbagi pasangan elektron. Untuk unsur periode 2 dan 3, susunan yang dicapai biasanya delapan elektron di kulit terluar, yang dikenal sebagai aturan oktet. Hidrogen cukup dengan dua elektron. Aturan oktet adalah pegangan, bukan hukum; banyak senyawa, terutama dari unsur periode 3 ke bawah dan logam transisi, tidak mengikutinya.

Buku Kimia Dasar dalam sumber membagi ikatan kimia menjadi dua kategori besar, yaitu ikatan ion dan ikatan kovalen. Bab ini menambahkan kategori ketiga yang penting untuk bahan teknik, yaitu ikatan logam.

Ikatan ion

Ikatan ion terbentuk ketika atom yang mudah melepas elektron, biasanya logam di kiri tabel periodik, bertemu atom yang kuat menarik elektron, biasanya nonlogam di kanan. Elektron berpindah, terbentuk kation dan anion, lalu ion-ion yang berlawanan muatan saling tarik. Natrium memberikan satu elektron kepada klor, dan Na⁺ serta Cl⁻ saling tarik.

Senyawa ion padat tidak terdiri atas pasangan-pasangan terpisah. Setiap ion dikelilingi ion berlawanan muatan dalam susunan teratur yang berulang ke segala arah, disebut kisi kristal. Panduan kimia tingkat lanjut dalam sumber mencatat bahwa besar energi kisi bergantung pada kekuatan ikatan ion. Kekuatan itu naik dengan muatan ion dan turun dengan ukurannya. Magnesium oksida, dengan ion Mg²⁺ dan O²⁻ yang kecil dan bermuatan dua, meleleh sekitar 2.800 °C, sedangkan natrium klorida dengan ion bermuatan satu meleleh pada 801 °C. Angka titik leleh ini adalah nilai baku dari literatur kimia umum.

Sifat senyawa ion mengikuti dari susunan kisi:

• Titik leleh tinggi, karena banyak tarikan kuat harus diputus.
• Keras tetapi rapuh. Bila lapisan kisi bergeser sedikit, ion bermuatan sama menjadi berhadapan dan saling tolak, sehingga kristal pecah.
• Tidak menghantar listrik dalam keadaan padat, karena ion terkunci di tempatnya. Menghantar setelah dilelehkan atau dilarutkan, karena ion dapat bergerak.
• Banyak yang larut dalam air, walaupun tidak semua. Kalsium karbonat, yang menjadi kerak, adalah senyawa ion yang sukar larut.

Ikatan kovalen

Ikatan kovalen terbentuk ketika dua atom, biasanya sama-sama nonlogam, berbagi pasangan elektron. Sepasang elektron yang dibagi membentuk ikatan tunggal. Dua pasang membentuk ikatan rangkap dua, dan tiga pasang ikatan rangkap tiga. Makin banyak pasangan yang dibagi, makin pendek dan kuat ikatannya.

Struktur Lewis menggambarkan elektron valensi sebagai titik atau garis. Satu garis menyatakan satu pasang elektron ikatan; dua titik menyatakan pasangan elektron bebas yang tidak dipakai untuk ikatan. Cara menyusunnya:

1. Hitung jumlah elektron valensi semua atom. Tambahkan satu elektron untuk setiap muatan negatif dan kurangi satu untuk setiap muatan positif pada ion.
2. Letakkan atom pusat, biasanya atom yang paling sedikit jumlahnya atau yang paling rendah keelektronegatifannya selain hidrogen, lalu hubungkan atom lain dengan ikatan tunggal.
3. Bagikan sisa elektron sebagai pasangan bebas sampai setiap atom memenuhi oktet, kecuali hidrogen.
4. Bila elektron tidak cukup, ubah pasangan bebas menjadi ikatan rangkap.

Molekul air punya 8 elektron valensi: dua ikatan O-H dan dua pasangan bebas pada oksigen. Buku kursus kimia dalam sumber menyebut air sebagai zat yang tersusun dari molekul kovalen H₂O. Karbon dioksida punya 16 elektron valensi: dua ikatan rangkap dua C=O. Molekul hidrogen, klor, dan oksigen tersusun dari dua atom sejenis yang berbagi elektron; buku Kimia Dasar dalam sumber menyebut ikatan dalam H₂, Cl₂, dan O₂ sebagai kovalen nonpolar.

Pada tingkat yang lebih rinci, ikatan kovalen dijelaskan sebagai tumpang tindih orbital. Buku Kimia Dasar dalam sumber menyebut ikatan sigma yang terbentuk dari tumpang tindih orbital s dan p, serta hibridisasi orbital. Model ini dibutuhkan untuk kimia organik di tingkat lanjut rak ini, tetapi tidak diperlukan untuk bab dasar.

Sebagian zat kovalen tidak membentuk molekul kecil, tetapi jaringan raksasa yang setiap atomnya terikat kovalen ke tetangganya. Intan, grafit, dan silika (pasir kuarsa) adalah contohnya. Zat seperti ini sangat keras, titik lelehnya sangat tinggi, dan tidak larut dalam air. Pasir filter di unit pengolahan air bertahan bertahun-tahun karena ikatan jaringan silika itu.

Ion poliatom: kovalen di dalam, ion di luar

Banyak senyawa yang dijumpai di lapangan memakai dua jenis ikatan sekaligus. Natrium hidroksida terdiri atas ion Na⁺ dan ion hidroksida OH⁻. Di dalam ion hidroksida, oksigen dan hidrogen terikat kovalen; antara Na⁺ dan OH⁻ yang ada adalah ikatan ion. Kalsium karbonat terdiri atas Ca²⁺ dan ion karbonat CO₃²⁻, yang di dalamnya karbon dan oksigen terikat kovalen. Natrium hipoklorit dalam pemutih terdiri atas Na⁺ dan ClO⁻, dengan ikatan kovalen Cl-O di dalam anionnya.

Akibatnya, ketika senyawa seperti itu larut, yang terpisah adalah ion-ion utuhnya, bukan atom-atomnya. Natrium hidroksida dalam air memberi Na⁺ dan OH⁻; ion OH⁻ itulah yang membuat larutannya alkali. Rumus seperti $\text{Ca(OH)}_2$ dan $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$ memakai tanda kurung untuk menandai ion poliatom yang tetap utuh, dan angka di luar kurung menyatakan berapa ion itu dibutuhkan untuk menyeimbangkan muatan, seperti di bab struktur atom.

Kepolaran ikatan

Bila dua atom yang berbagi elektron punya keelektronegatifan berbeda, pasangan elektron lebih dekat ke atom yang lebih elektronegatif. Atom itu menjadi sedikit negatif, ditulis δ−, dan pasangannya sedikit positif, δ+. Ikatan seperti itu disebut kovalen polar. Buku kimia umum dalam sumber menyebut deret keelektronegatifan sebagai alat yang banyak dipakai untuk menilai kepolaran ikatan.

Ikatan ion dan ikatan kovalen sebenarnya dua ujung satu rentang. Pegangan yang sering dipakai, dengan nilai skala Pauling dari bab tabel periodik:

Batas 0,4 dan 1,7 adalah kesepakatan buku teks dan bervariasi antarbuku; yang penting adalah arahnya. Makin besar selisihnya, makin besar sifat ionnya.

Kepolaran molekul dan bentuknya

Molekul dengan ikatan polar belum tentu polar secara keseluruhan. Yang menentukan adalah apakah pusat muatan positif dan negatif berimpit. Buku Kimia Dasar dalam sumber menyatakan bahwa agar molekul bersifat polar, molekul itu harus merupakan dipol.

Bentuk molekul ditentukan oleh tolak-menolak pasangan elektron di sekitar atom pusat; pasangan-pasangan itu menjauh satu sama lain sejauh mungkin. Empat bentuk dasar sudah cukup untuk bab ini:

• Linear, seperti karbon dioksida O=C=O. Dua ikatan polar saling berlawanan arah dan saling meniadakan, sehingga molekulnya nonpolar.
• Bengkok, seperti air. Dua ikatan O-H dan dua pasangan bebas membuat molekul membentuk sudut sekitar 104,5°. Kepolaran ikatan tidak saling meniadakan, sehingga air sangat polar.
• Segitiga piramida, seperti amonia NH₃, dengan satu pasangan bebas di atas. Molekulnya polar.
• Tetrahedral, seperti metana CH₄. Empat ikatan simetris membuat molekulnya nonpolar.

Kepolaran air adalah sifat terpenting untuk seluruh rak Kimia dan rak Laundry: air melarutkan zat ion dan zat polar, tetapi tidak melarutkan zat nonpolar seperti minyak dan lemak.

Ikatan logam

Pada logam, atom-atom melepaskan elektron valensinya ke "lautan" elektron yang bergerak bebas di antara ion-ion logam positif. Ikatan logam adalah tarikan antara ion-ion itu dan lautan elektron di sekitarnya. Model ini menjelaskan sifat logam:

• Menghantar listrik dan panas dengan baik, karena elektron bebas bergerak membawa muatan dan energi.
• Dapat ditempa dan ditarik, karena lapisan atom dapat bergeser tanpa memutus ikatan; lautan elektron tetap mengikat lapisan baru.
• Berkilap, karena elektron bebas memantulkan cahaya.

Elektron yang mudah lepas pada logam juga menjelaskan mengapa logam mudah teroksidasi. Ketika logam bersentuhan dengan air dan oksigen, atom di permukaan melepas elektron dan menjadi ion yang terikat secara ion dengan oksigen atau hidroksida. Itulah karat pada besi. Logam seperti emas dan platina sangat enggan melepas elektron, sehingga hampir tidak berkarat. Korosi sebagai proses elektrokimia dibahas di tingkat lanjut rak ini.

Paduan seperti baja tahan karat dan kuningan adalah campuran logam yang juga terikat dengan ikatan logam. Bab 1 · Material membahas bagaimana struktur ini menentukan kekuatan dan ketahanan korosi bahan.

Energi ikatan dan panas reaksi

Memutus ikatan selalu memerlukan energi, dan membentuk ikatan selalu melepaskan energi. Reaksi kimia memutus sebagian ikatan dan membentuk ikatan baru. Bila ikatan yang terbentuk lebih kuat daripada ikatan yang diputus, selisih energinya dilepaskan sebagai panas, dan reaksi itu eksoterm. Bila sebaliknya, reaksi menyerap panas dan disebut endoterm.

Kekuatan ikatan dinyatakan sebagai energi ikatan rata-rata, yaitu energi untuk memutus satu jenis ikatan dalam keadaan gas, biasanya dalam kilojoule per mol. Mol adalah satuan jumlah zat yang dibahas di bab mol dan stoikiometri; untuk sekarang cukup dipahami sebagai jumlah ikatan yang tetap dan sangat besar. Energi ikatan memberi perkiraan panas reaksi, seperti di Contoh 8, dan menjelaskan mengapa pembakaran bahan bakar melepas banyak panas: ikatan dalam karbon dioksida dan air jauh lebih kuat daripada ikatan dalam bahan bakar dan oksigen. Perhitungan panas reaksi yang lebih teliti memakai data entalpi pembentukan dan dibahas di bab termokimia pada rak ini.

Dari jenis ikatan ke sifat bahan

Zat kovalen molekul kecil punya titik leleh rendah walaupun ikatan kovalen di dalam molekulnya kuat. Saat meleleh atau mendidih, yang diputus adalah gaya tarik antarmolekul, bukan ikatan di dalam molekul. Diktat Kimia Dasar dalam sumber menekankan bahwa ikatan hidrogen, salah satu gaya antarmolekul, jauh lebih lemah daripada ikatan kovalen. Bab gaya antarmolekul pada rak ini membahas gaya-gaya itu.

Contoh kerja

Contoh 1. Menggolongkan ikatan dari selisih keelektronegatifan. NaCl: $3{,}16 - 0{,}93 = 2{,}23$, ion. MgO: $3{,}44 - 1{,}31 = 2{,}13$, ion. O-H: $3{,}44 - 2{,}20 = 1{,}24$, kovalen polar. H-Cl: $3{,}16 - 2{,}20 = 0{,}96$, kovalen polar. C-H: $2{,}55 - 2{,}20 = 0{,}35$, hampir nonpolar. Cl-Cl: 0, nonpolar.

Contoh 2. Struktur Lewis amonia. Nitrogen punya 5 elektron valensi dan tiga hidrogen masing-masing 1, total 8. Tiga ikatan N-H memakai 6 elektron, dan 2 elektron sisanya menjadi satu pasangan bebas pada nitrogen. Nitrogen memenuhi oktet: 3 pasang ikatan dan 1 pasang bebas.

Contoh 3. Struktur Lewis karbon dioksida. Karbon 4 dan dua oksigen masing-masing 6, total 16. Dengan dua ikatan tunggal, karbon hanya punya 4 elektron di sekitarnya. Mengubah satu pasangan bebas pada setiap oksigen menjadi ikatan menghasilkan O=C=O, dan semua atom memenuhi oktet dengan 16 elektron.

Contoh 4. Karbon dioksida dan air. Kedua molekul punya ikatan polar. Karbon dioksida linear, sehingga kedua dipol saling meniadakan dan molekulnya nonpolar. Air bengkok, sehingga dipolnya tidak meniadakan dan molekulnya polar. Akibatnya air cair pada suhu ruang dan melarutkan garam, sedangkan karbon dioksida gas dan hanya sedikit larut.

Contoh 5. Hantaran listrik. Kristal garam kering tidak menghantar. Air garam menghantar karena ion Na⁺ dan Cl⁻ bergerak. Air gula hampir tidak menghantar karena gula larut sebagai molekul utuh tanpa melepas ion. Kawat tembaga menghantar dalam keadaan padat karena elektron bebas. Perbedaan ini adalah dasar alat ukur daya hantar yang dipakai di Bab 6 · Dispensing Kimia dan rak Air.

Contoh 6. Titik leleh dan muatan ion. Natrium klorida meleleh pada 801 °C, magnesium oksida sekitar 2.800 °C. Muatan ion pada magnesium oksida dua kali lipat dan ionnya lebih kecil, sehingga tarikan dalam kisi jauh lebih kuat. Itu sebabnya magnesium oksida dipakai sebagai bahan tahan api dan isolator di dalam elemen pemanas berselubung.

Contoh 7. Lemak di nampan. Lemak terutama tersusun dari rantai C-H yang hampir nonpolar. Air panas melelehkan lemak, tetapi tidak melarutkannya; begitu dingin, lemak kembali menempel. Deterjen bekerja dengan dua cara yang dibahas di Bab 6 · Laundry: alkali kuat mengubah lemak secara kimia menjadi sabun yang larut, dan surfaktan menjembatani zat nonpolar dengan air.

Contoh 8. Memperkirakan panas pembakaran metana dari energi ikatan. Reaksinya $\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$, dalam keadaan gas. Dengan energi ikatan rata-rata dari literatur kimia umum (C-H 413, O=O 498, C=O dalam CO₂ 799, O-H 463 kJ/mol), ikatan yang diputus bernilai $4 \times 413 + 2 \times 498 = 2.648$ kJ dan ikatan yang terbentuk $2 \times 799 + 4 \times 463 = 3.450$ kJ. Panas reaksinya kira-kira $2.648 - 3.450 = -802$ kJ per mol metana; tanda negatif berarti panas dilepaskan. Nilai energi ikatan adalah rata-rata, sehingga hasilnya perkiraan.

Kondisi berhenti

Bab ini tidak memuat prosedur berbahaya. Dua akibat praktisnya perlu diingat:

1. Larutan senyawa ion menghantar listrik. Tumpahan air garam, larutan deterjen, atau air sadah di dekat peralatan listrik bukan isolator; ikuti Bab 37 · Kelistrikan & Kendali untuk ruang basah.
2. Melarutkan beberapa senyawa ion, terutama natrium hidroksida padat, melepaskan panas yang besar dan dapat membuat larutan memercik. Larutkan sedikit demi sedikit ke dalam air, jangan sebaliknya, dengan pelindung mata; kalor pelarutan dibahas di bab termokimia pada rak ini.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Garam menghantar listrik." Garam padat tidak menghantar. Yang menghantar adalah garam lebur atau larutan garam, karena ionnya dapat bergerak.

"Ikatan selalu ion murni atau kovalen murni." Keduanya ujung satu rentang. Banyak ikatan berada di antaranya.

"Molekul dengan ikatan polar pasti polar." Bentuk molekul dapat membuat dipol saling meniadakan, seperti pada karbon dioksida.

"Ikatan hidrogen adalah ikatan kovalen dengan hidrogen." Ikatan O-H dalam air kovalen. Ikatan hidrogen adalah tarikan antarmolekul yang jauh lebih lemah.

"Memutus ikatan melepaskan energi." Memutus ikatan selalu memerlukan energi. Energi dilepaskan ketika ikatan baru terbentuk. Reaksi melepas panas bila ikatan yang terbentuk lebih kuat daripada ikatan yang diputus.

"Air panas melarutkan lemak." Air panas melelehkan lemak. Lemak yang nonpolar tetap tidak larut dalam air.

"Logam berikatan ion karena atomnya melepas elektron." Pada logam murni, elektron tidak berpindah ke atom lain, tetapi menjadi lautan elektron bersama. Itu ikatan logam.

Hubungan dengan bab lain

Bab struktur atom memberi elektron valensi, dan bab tabel periodik memberi keelektronegatifan. Bab gaya antarmolekul pada rak ini melanjutkan dari kepolaran molekul ke titik didih dan kelarutan. Bab 6 · Laundry memakai kepolaran untuk menjelaskan surfaktan dan saponifikasi, Bab 1 · Material membahas logam sebagai bahan, dan Bab 6 · Dispensing Kimia serta rak Air memakai hantaran ion.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan alasannya. Nilai keelektronegatifan diambil dari bab tabel periodik.

1. Golongkan ikatan berikut: K-Cl, C-O, N-H, O-O.
2. Gambarkan struktur Lewis metana CH₄ dan sebutkan bentuk serta kepolaran molekulnya.
3. Mengapa gula larut dalam air tetapi larutannya tidak menghantar listrik, sedangkan garam larut dan larutannya menghantar?
4. Kalsium oksida dan kalium klorida sama-sama senyawa ion. Mana yang titik lelehnya lebih tinggi, dan mengapa?
5. Mengapa kristal garam pecah bila dipukul, sedangkan kawat tembaga dapat dibengkokkan?
6. Mengapa karbon dioksida nonpolar walaupun ikatan C=O polar?

Kunci jawaban beralasan

1. K-Cl: $3{,}16 - 0{,}82 = 2{,}34$, ion. C-O: $3{,}44 - 2{,}55 = 0{,}89$, kovalen polar. N-H: $3{,}04 - 2{,}20 = 0{,}84$, kovalen polar. O-O: 0, kovalen nonpolar.
2. Karbon 4 dan empat hidrogen 4, total 8 elektron: empat ikatan C-H tanpa pasangan bebas. Bentuknya tetrahedral dan simetris, sehingga dipol yang kecil saling meniadakan dan molekulnya nonpolar.
3. Gula adalah zat kovalen polar yang larut sebagai molekul utuh tanpa melepas ion, sehingga tidak ada pembawa muatan. Garam adalah senyawa ion yang terurai menjadi Na⁺ dan Cl⁻ yang bergerak bebas dan membawa muatan.
4. Kalsium oksida, karena ionnya Ca²⁺ dan O²⁻ bermuatan dua, sedangkan kalium klorida tersusun dari K⁺ dan Cl⁻ bermuatan satu. Muatan lebih besar memberi tarikan kisi lebih kuat dan titik leleh lebih tinggi.
5. Pada kristal garam, pergeseran lapisan membuat ion bermuatan sama berhadapan dan saling tolak, sehingga kristal pecah. Pada tembaga, lapisan atom dapat bergeser karena lautan elektron tetap mengikat lapisan di posisi baru.
6. Molekulnya linear. Dua dipol C=O sama besar dan berlawanan arah, sehingga saling meniadakan dan tidak ada dipol bersih.

Referensi