Gaya antarmolekul dan sifat zat: gaya dispersi, dipol, ikatan hidrogen, titik didih, dan kelarutan

Seorang petugas laundry membersihkan noda minyak dengan pelarut penghilang noda. Beberapa menit kemudian bekas basah pelarut itu sudah hilang, dan tangannya terasa dingin. Linen yang baru keluar dari mesin cuci, sebaliknya, tetap basah berjam-jam di udara dan memerlukan pengering yang memakai listrik atau gas dalam jumlah besar. Petugas itu bertanya kepada teknisi: mengapa air begitu sulit menguap, padahal molekul air lebih kecil daripada molekul pelarut?

Jawabannya tidak terletak pada ikatan di dalam molekul air, tetapi pada gaya tarik di antara molekul-molekulnya. Molekul air saling menarik jauh lebih kuat daripada molekul pelarut itu. Gaya yang sama menjelaskan mengapa minyak tidak larut dalam air, mengapa gula dan garam larut, mengapa es mengapung, dan mengapa deterjen membuat air membasahi kain. Bab ini menjelaskan gaya antarmolekul dan cara memakainya untuk memperkirakan sifat zat.

Batas pembahasan

Bab ini membahas perbedaan ikatan kimia dan gaya antarmolekul, gaya dispersi, gaya dipol-dipol, ikatan hidrogen, gaya ion-dipol, serta hubungan gaya-gaya itu dengan titik didih, kalor penguapan, tegangan permukaan, kekentalan, kelarutan, dan pengaruh suhu pada kelarutan.

Ikatan ion, ikatan kovalen, dan kepolaran molekul dibahas di Bab 4 tentang ikatan kimia, dan bab ini memakai hasilnya. Kalor laten dan perubahan fase dari sisi fisika dibahas di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, dan energi pengeringan linen di Bab 15 · Laundry tentang pengeringan dan finishing. Cara surfaktan mengangkat minyak dibahas di Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih, dan aturan kelarutan garam serta pengendapan di Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air.

Ikatan di dalam molekul dan gaya di antara molekul

Ikatan kovalen mengikat atom-atom di dalam satu molekul. Gaya antarmolekul (intermolecular force) adalah tarikan antara satu molekul dan molekul di sebelahnya. Keduanya berasal dari tarikan listrik antara muatan, tetapi kekuatannya sangat berbeda. Ikatan hidrogen, gaya antarmolekul yang paling kuat di antara yang umum, jauh lebih lemah daripada ikatan kovalen.

Perbedaan itu punya akibat langsung. Ketika air mendidih, molekul air tidak terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Yang terputus hanya tarikan antarmolekul, sehingga uap air tetap tersusun dari molekul H₂O yang utuh. Untuk menguraikan molekul air diperlukan energi jauh lebih besar, misalnya dengan elektrolisis. Jadi titik leleh, titik didih, kekentalan, dan kelarutan zat molekuler ditentukan terutama oleh gaya antarmolekul, sedangkan reaksi kimia memutus atau membentuk ikatan di dalam molekul.

Gaya antarmolekul juga memengaruhi tekanan yang diberikan oleh gas. Pada gas nyata, molekul yang saling menarik menumbuk dinding sedikit lebih lemah daripada yang diramalkan model gas ideal. Pada cairan dan padatan, gaya itu jauh lebih menentukan, karena molekul-molekulnya berdekatan.

Gaya dispersi dan gaya dipol-dipol

Gaya dispersi

Gaya dispersi (dispersion force), yang juga disebut gaya London, adalah tarikan antara dipol sesaat pada satu molekul dan dipol yang diinduksinya pada molekul tetangga. Semua molekul, polar maupun tidak, saling menarik melalui gaya ini. Elektron dalam molekul selalu bergerak, sehingga pada satu saat sebaran muatannya tidak merata dan molekul menjadi dipol sesaat. Dipol sesaat itu menginduksi dipol pada molekul tetangga, dan kedua dipol saling menarik. Gaya ini juga disebut gaya van der Waals atau gaya dipol terinduksi, dan merupakan satu-satunya gaya yang bekerja di antara molekul nonpolar.

Sifat molekul apa yang menentukan kekuatan gaya dispersi? Jawabannya: jumlah elektron dan ukuran molekul. Molekul yang besar dengan banyak elektron mudah dideformasi awan elektronnya, sehingga dipol sesaatnya besar dan gaya dispersinya kuat. Bentuk molekul juga berpengaruh. Molekul panjang dan lurus bersentuhan pada permukaan yang lebih luas daripada molekul bulat dengan jumlah atom yang sama, sehingga gaya dispersinya lebih kuat.

Itulah sebabnya deret hidrokarbon berubah dari gas menjadi cairan, lalu padatan, seiring bertambahnya panjang rantai. Metana dan propana berupa gas pada suhu ruang, oktana dalam bensin berupa cairan, dan rantai yang sangat panjang dalam lilin parafin berupa padatan.

Gaya dipol-dipol

Molekul polar punya ujung bermuatan parsial positif dan ujung bermuatan parsial negatif yang tetap. Gaya dipol-dipol (dipole-dipole interaction) adalah gaya tarik yang bekerja di antara molekul-molekul polar: ujung positif satu molekul menarik ujung negatif molekul di sebelahnya. Suatu molekul hanya bersifat polar bila ia membentuk dipol, dan besar kepolaran itu dinyatakan dengan momen dipol yang dapat dibaca dari tabel momen dipol senyawa.

Untuk molekul yang ukurannya mirip, molekul polar biasanya punya titik didih lebih tinggi daripada molekul nonpolar, karena gaya dipol-dipol bekerja di atas gaya dispersi. Namun gaya dispersi molekul yang besar dapat melampaui gaya dipol-dipol molekul kecil. Karena itu perbandingan titik didih paling bermakna untuk molekul dengan jumlah elektron yang mirip.

Ikatan hidrogen

Ikatan hidrogen (hydrogen bond) adalah gaya dipol-dipol yang sangat kuat. Ikatan ini terbentuk bila atom hidrogen terikat pada atom kecil yang sangat elektronegatif, yaitu nitrogen, oksigen, atau fluor, lalu tertarik pada pasangan elektron bebas atom N, O, atau F di molekul lain. Atom hidrogen yang terikat pada atom seperti itu hampir tidak punya elektron di sisi luarnya, sehingga muatan parsial positifnya terpusat pada titik yang kecil.

Air adalah contoh terpenting. Setiap molekul air dapat membentuk sampai empat ikatan hidrogen: dua melalui atom hidrogennya dan dua melalui pasangan elektron bebas oksigennya. Jaringan ikatan hidrogen itulah yang memberi air titik didih 100 °C, jauh di atas molekul lain yang ukurannya mirip. Bila suhu air naik, ikatan hidrogen putus dan terbentuk lagi dengan cepat. Pada air cair, jaringan itu terus berubah. Pada es, jaringan itu tetap.

Ikatan hidrogen antarmolekul terutama yang mempertahankan kisi tiga dimensi es. Kisi itu terbuka dan berongga, sehingga es punya massa jenis lebih kecil daripada air cair, sekitar 917 kg/m³ dibanding 1.000 kg/m³. Karena itu es mengapung, dan air yang membeku di dalam pipa atau wadah tertutup memuai dan dapat memecahkannya. Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal membahas anomali air antara 0 dan 4 °C, yang berasal dari jaringan yang sama.

Ikatan hidrogen juga bekerja di antara molekul yang berbeda. Alkohol, gula, dan urea membentuk ikatan hidrogen dengan air, dan itulah sebabnya zat-zat itu mudah larut dalam air. Serat kapas tersusun dari selulosa yang punya banyak gugus OH, sehingga kapas menyerap dan menahan banyak air melalui ikatan hidrogen. Air yang terikat itu harus dilepas di pengering, dan energinya dihitung di Bab 15 · Laundry tentang pengeringan dan finishing.

Gaya ion-dipol

Ketika garam dilarutkan dalam air, ion-ionnya dikelilingi molekul air. Ujung negatif molekul air, yaitu oksigen, menghadap ion positif, dan ujung positifnya, yaitu hidrogen, menghadap ion negatif. Ion cenderung mengarahkan dipol-dipol pelarut di sekitarnya. Gaya ion-dipol (ion-dipole force) adalah tarikan antara ion dan dipol pelarut itu, dan biasanya lebih kuat daripada ikatan hidrogen.

Gaya ion-dipol menjelaskan mengapa banyak senyawa ion larut dalam air, walaupun kisi kristalnya kuat seperti dibahas di Bab 4 tentang ikatan kimia. Air dapat melarutkan garam bila energi yang dilepas ketika ion-ion dikelilingi air cukup untuk mengimbangi energi untuk memecah kisi. Bila tidak cukup, garam itu sukar larut, dan Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air memakai sifat ini untuk menjelaskan pengendapan dan kerak.

Titik didih dan tekanan uap

Molekul di permukaan cairan yang energinya cukup besar dapat lolos ke udara. Tekanan uap (vapor pressure) adalah tekanan yang diberikan oleh molekul-molekul yang lolos dari cairan itu ke ruang di atasnya pada suhu tertentu. Makin lemah gaya antarmolekul, makin banyak molekul yang lolos pada suhu tertentu, sehingga tekanan uap cairan itu makin tinggi. Cairan mendidih ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan di atasnya: titik didih (boiling point) adalah suhu ketika keadaan itu tercapai. Karena itu zat dengan gaya antarmolekul lemah punya tekanan uap tinggi dan titik didih rendah, dan zat dengan gaya antarmolekul kuat sebaliknya.

Perbandingan titik didih pada tekanan atmosfer memperlihatkan pola itu:

Metana, amonia, dan air punya jumlah elektron yang sama, sepuluh per molekul, sehingga gaya dispersinya mirip. Perbedaan titik didih metana dan air yang lebih dari 250 derajat itu sepenuhnya berasal dari gaya antarmolekul. Hidrogen sulfida punya massa molar hampir dua kali air, tetapi mendidih 160 derajat lebih rendah, karena belerang tidak cukup elektronegatif untuk membentuk ikatan hidrogen yang berarti. Oktana mendidih di atas air walaupun tidak punya ikatan hidrogen, karena molekulnya jauh lebih besar dan gaya dispersinya kuat.

Kalor penguapan

Kalor penguapan (heat of vaporization) adalah energi untuk mengubah cairan menjadi uap tanpa menaikkan suhunya. Energi itu dipakai untuk memutus gaya antarmolekul, sehingga kalor penguapan adalah ukuran langsung kekuatan gaya itu. Pada titik didih normal, kalor penguapan air sekitar 40,7 kJ/mol, etanol sekitar 38,6 kJ/mol, dan aseton sekitar 29 kJ/mol.

Dihitung per mol, air dan etanol tidak terlalu berbeda. Dihitung per kilogram, air jauh di atas, karena molekul air ringan sehingga satu kilogram air berisi jauh lebih banyak molekul. Kalor penguapan air sekitar 2,26 MJ/kg, angka yang juga dipakai di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan Bab 15 · Laundry tentang pengeringan, sedangkan etanol sekitar 0,84 MJ/kg. Itulah jawaban untuk kasus pembuka: setiap kilogram air memerlukan hampir tiga kali energi etanol untuk menguap, dan pelarut yang menguap cepat mengambil energi dari kulit sehingga tangan terasa dingin.

Tegangan permukaan dan kekentalan

Molekul di dalam cairan ditarik ke segala arah oleh tetangganya, sedangkan molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam dan ke samping. Akibatnya permukaan cairan berperilaku seperti selaput yang menegang. Tegangan permukaan (surface tension) adalah ukuran gejala selaput yang menegang itu. Air punya tegangan permukaan tinggi, sekitar 72 mN/m pada 25 °C, karena jaringan ikatan hidrogennya.

Tegangan permukaan yang tinggi membuat air membentuk butiran di atas kain berlemak dan sulit masuk ke celah-celah serat. Surfaktan dalam deterjen berkumpul di permukaan air dan menurunkan tegangan permukaan sampai sekitar 30 mN/m, sehingga air dapat membasahi dan masuk ke kain. Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih membahas cara surfaktan bekerja.

Kekentalan, atau viskositas (viscosity), adalah ukuran hambatan cairan untuk mengalir. Gaya antarmolekul yang kuat dan molekul yang panjang menaikkan kekentalan. Gliserol, dengan tiga gugus OH per molekul, jauh lebih kental daripada air. Bahan kimia pekat yang kental, seperti sebagian deterjen cair, mengalir lebih lambat melalui selang dispenser, dan kekentalan itu turun ketika suhu naik karena molekul punya energi lebih besar untuk saling melewati.

Kelarutan: sejenis melarutkan sejenis

Kelarutan (solubility) adalah banyaknya zat yang dapat larut dalam sejumlah pelarut pada suhu tertentu sampai larutannya jenuh. Pegangan praktis untuk kelarutan adalah "sejenis melarutkan sejenis" (like dissolves like). Zat polar dan zat ion cenderung larut dalam pelarut polar seperti air. Zat nonpolar cenderung larut dalam pelarut nonpolar seperti minyak atau pelarut hidrokarbon. Alasannya adalah keseimbangan gaya. Agar zat larut, molekul pelarut harus memisahkan diri satu sama lain untuk memberi tempat, dan molekul zat terlarut juga harus terpisah. Hal itu mudah terjadi bila gaya baru antara pelarut dan zat terlarut sebanding dengan gaya lama yang diputus.

Gula dan garam sama-sama larut dalam air. Garam larut melalui gaya ion-dipol, dan gula melalui ikatan hidrogen antara gugus OH-nya dan air. Minyak tidak larut dalam air, bukan karena air menolak minyak, tetapi karena molekul air lebih tertarik satu sama lain melalui ikatan hidrogen daripada kepada molekul minyak yang hanya punya gaya dispersi. Dari struktur molekulnya dapat ditentukan apakah suatu vitamin lebih larut dalam air atau dalam lemak, dan penalaran yang sama dipakai untuk menentukan apakah suatu noda dapat dilepas dengan air atau memerlukan pelarut atau surfaktan.

Pegangan itu bukan hukum. Banyak senyawa ion sukar larut dalam air. Magnesium oksida hampir tidak larut dalam air, dan kalsium karbonat, bahan utama kerak, juga sukar larut. Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air membahas aturan kelarutan garam secara lebih rinci.

Suhu dan kelarutan

Kelarutan sebagian besar padatan dalam air naik ketika suhu naik. Timbal klorida, misalnya, tidak larut dalam air dingin tetapi larut dalam air panas. Itulah sebabnya bubuk deterjen larut lebih cepat dan lebih banyak dalam air hangat. Ada pengecualian penting: beberapa garam kalsium, termasuk kalsium karbonat dan kalsium sulfat, justru kurang larut pada suhu tinggi. Sifat itu ikut menjelaskan mengapa kerak paling banyak terbentuk di pemanas dan permukaan panas, seperti dibahas di Bab 9 · Dishwashing tentang kerak dan descaling mesin pencuci piring.

Gas berperilaku sebaliknya. Kelarutan gas dalam air turun ketika suhu naik, karena molekul gas yang energinya lebih besar lebih mudah lolos. Air yang jenuh udara pada 20 °C mengandung oksigen terlarut sekitar 9,1 mg/L, dan pada 40 °C sekitar 6,4 mg/L. Ketika air dipanaskan, sebagian udara terlarut keluar sebagai gelembung. Gelembung itu terkumpul di titik tertinggi pipa air panas dan pemanas, dan itulah sebabnya sistem air panas memerlukan katup pembuang udara.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: deret hidrokarbon. Titik didih metana, etana, propana, dan butana adalah $-161$, $-89$, $-42$, dan sekitar $-1$ °C. Setiap tambahan satu atom karbon menambah elektron dan panjang molekul, sehingga gaya dispersi naik dan titik didih naik. Butana, yang mendidih sedikit di bawah 0 °C, dapat disimpan sebagai cairan dalam tabung bertekanan, tetapi langsung menguap ketika dilepas.

Contoh 2: energi menguapkan air dan etanol. Kalor penguapan air $40{,}7$ kJ/mol dengan massa molar $18{,}02$ g/mol memberi $40{,}7/18{,}02 = 2{,}26$ kJ/g, atau 2,26 MJ/kg. Etanol $38{,}6$ kJ/mol dengan massa molar $46{,}07$ g/mol memberi $38{,}6/46{,}07 = 0{,}84$ MJ/kg. Per kilogram, air memerlukan sekitar 2,7 kali energi etanol.

Contoh 3: dua zat dengan rumus yang sama. Etanol dan dimetil eter sama-sama berumus C₂H₆O. Etanol punya gugus OH dan membentuk ikatan hidrogen, sehingga mendidih pada 78 °C. Dimetil eter punya atom oksigen di tengah tanpa hidrogen yang terikat padanya, sehingga tidak membentuk ikatan hidrogen di antara molekulnya sendiri dan mendidih pada sekitar $-24$ °C. Atom yang sama, susunan berbeda, sifat sangat berbeda.

Contoh 4: memperkirakan kelarutan. Natrium klorida (ion) dan sukrosa (banyak gugus OH) larut dalam air. Minyak goreng dan lilin parafin (nonpolar) tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut hidrokarbon. Etanol larut dalam air dan juga bercampur dengan banyak pelarut organik, karena molekulnya punya bagian polar (OH) dan bagian nonpolar (C₂H₅). Molekul yang punya dua bagian semacam itu adalah dasar cara kerja surfaktan di Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih.

Contoh 5: naiknya air di pori sempit. Kenaikan kapiler di pori berjari-jari $r$ untuk cairan yang membasahi sempurna adalah

$$h = \frac{2\gamma}{\rho g r}$$

dengan $h$ tinggi kenaikan dalam meter, $\gamma$ tegangan permukaan dalam N/m, $\rho$ massa jenis cairan dalam kg/m³, $g$ percepatan gravitasi 9,81 m/s², dan $r$ jari-jari pori dalam meter. Untuk air ($\gamma = 0{,}072$ N/m) di pori berjari-jari 0,5 mm, $h = 2 \times 0{,}072/(1.000 \times 9{,}81 \times 0{,}0005) = 0{,}029$ m, sekitar 29 mm. Rumus ini mengandaikan air membasahi permukaan pori dengan sempurna. Pada serat berlemak yang tidak dibasahi air, air tidak naik sama sekali sampai surfaktan membuat permukaan itu dapat dibasahi. Rumus ini dipakai di sini untuk memperlihatkan pengaruh tegangan permukaan.

Contoh 6: air yang membeku memuai. Satu liter air pada 0 °C bermassa sekitar 1 kg. Setelah membeku dengan massa jenis es 917 kg/m³, volumenya menjadi $1/0{,}917 = 1{,}09$ L, bertambah 9 persen. Pipa air di ruang pendingin atau di mesin es yang membeku tidak punya tempat untuk tambahan volume itu, dan pipa dapat pecah.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas pekerjaan bila:

1. Pelarut yang mudah menguap dipakai di ruang tertutup atau di dekat sumber api atau percikan listrik. Gaya antarmolekul yang lemah membuat pelarut cepat menguap dan membentuk uap yang dapat terbakar; ikuti lembar data keselamatan produk dan Bab 10 tentang SDS, kelas fungsi, dan batas perbandingan produk.
2. Wadah tertutup berisi cairan dengan titik didih rendah dipanaskan atau dijemur. Tekanan uap naik cepat seiring suhu.
3. Pipa air di ruang pendingin atau mesin es akan dibiarkan berisi air dalam keadaan membeku. Kosongkan pipa lebih dulu.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 tentang ikatan kimia memberi dasar kepolaran molekul. Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase membahas kalor laten dan anomali air dari sisi fisika, dan Bab 15 · Laundry tentang pengeringan dan finishing memakai kalor penguapan air untuk menghitung energi pengeringan. Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih memakai gagasan bagian polar dan nonpolar untuk menjelaskan surfaktan. Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air membahas aturan kelarutan garam, pengendapan, dan kerak, dan Bab 9 · Dishwashing tentang kerak dan descaling mesin pencuci piring membahas kerak yang terbentuk di permukaan paling panas ketika air dipanaskan. Bab 10 tentang SDS membahas cara membaca lembar data keselamatan yang dirujuk Kondisi berhenti 1. Bab 6 tentang rumus kimia, tata nama, dan persamaan reaksi melanjutkan rak ini.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, sebutkan jenis gaya antarmolekul yang menentukan jawaban. Nilai yang diperlukan ada di bab ini.