Struktur dan Sifat Senyawa

AP Kimia · Topik 2

Lihat Salindia Latih

Pelajaran video untuk topik ini Buka halaman video

2.1

Jenis Ikatan Kimia

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.1.A: Jelaskan hubungan antara jenis ikatan dengan sifat-sifat unsur yang terlibat dalam ikatan tersebut.

2.1.A.1 Nilai elektronegativitas untuk unsur-unsur perwakilan meningkat dari kiri ke kanan melintasi suatu periode dan menurun dari atas ke bawah dalam suatu golongan. Tren-tren ini dapat dipahami secara kualitatif melalui struktur elektronik atom, model kulit, dan hukum Coulomb.
2.1.A.2 Elektron valensi yang dibagi antara atom-atom dengan elektronegativitas yang serupa membentuk ikatan kovalen nonpolar. Misalnya, ikatan antara karbon dan hidrogen efektifnya nonpolar meskipun karbon sedikit lebih elektronegatif daripada hidrogen.
2.1.A.3 Elektron valensi yang dibagi antara atom-atom dengan elektronegativitas yang berbeda membentuk ikatan kovalen polar.
- i. Atom dengan elektronegativitas yang lebih tinggi akan mengembangkan muatan parsial negatif relatif terhadap atom lainnya dalam ikatan tersebut.
- ii. Dalam ikatan tunggal, perbedaan elektronegativitas yang lebih besar menghasilkan dipol ikatan yang lebih besar.
- iii. Semua ikatan polar memiliki beberapa karakteristik ionik, dan perbedaan antara ikatan ionik dan kovalen tidak tegas melainkan sebuah kontinum.
2.1.A.4 Perbedaan elektronegativitas bukan satu-satunya faktor dalam menentukan apakah sebuah ikatan harus ditetapkan sebagai ionik atau kovalen. Umumnya, ikatan antara logam dan nonlogam bersifat ionik, dan ikatan antara dua nonlogam bersifat kovalen. Pemeriksaan sifat-sifat suatu senyawa adalah cara terbaik untuk mengkarakterisasi jenis ikatan.
2.1.A.5 Dalam padatan logam, elektron valensi dari atom-atom logam dianggap terdelokalisasi dan tidak terkait dengan atom individu mana pun.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Kristal natrium klorida: padatan ionik membentuk kisi-kisi ion bermuatan berlawanan

Ikatan kimia adalah gaya tarik yang mengikat atom-atom bersama. Jenis ikatan yang terbentuk bergantung pada kelektronegatifan atom-atom tersebut:

Ikatan ionik: logam mentransfer elektron valensinya ke nonlogam

Ikatan ionik: transfer elektron dari logam ke nonlogam (perbedaan kelektronegatifan besar).
Ikatan kovalen: nonlogam berbagi elektron (perbedaan kecil). Perbedaan yang besar namun tidak terlalu besar menghasilkan ikatan kovalen polar.
Ikatan logam: atom-atom logam berbagi "laut" elektron yang bergerak bebas.

Kristal berlian: jaringan kovalen raksasa menjelaskan kekerasan ekstrem dan titik leleh tinggi

Jelajahi

Bentuk ikatan ion melalui transfer elektron

Ikatan ion terbentuk ketika logam memberikan elektron ke non-logam, menghasilkan ion bermuatan berlawanan yang saling tarik; ikatan kovalen membagi elektron sebagai gantinya.

2.2

Gaya Intramolekul dan Energi Potensial

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.2.A: Representasikan hubungan antara energi potensial dan jarak antar atom, berdasarkan faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan interaksi.

2.2.A.1 Grafik energi potensial versus jarak antar atom (jarak internuklear) adalah representasi yang berguna untuk menggambarkan interaksi antar atom. Grafik semacam itu mengilustrasikan baik panjang ikatan kesetimbangan (separasi antar atom di mana energi potensial paling rendah) maupun energi ikatan (energi yang diperlukan untuk memisahkan atom-atom tersebut).
2.2.A.2 Dalam ikatan kovalen, panjang ikatan dipengaruhi oleh baik ukuran inti atom maupun urutan ikatan (yaitu, tunggal, ganda, tiga). Ikatan dengan urutan lebih tinggi lebih pendek dan memiliki energi ikatan yang lebih besar.
2.2.A.3 Hukum Coulomb dapat digunakan untuk memahami kekuatan interaksi antara kation dan anion.
- i. Karena kekuatan interaksi sebanding dengan muatan setiap ion, muatan yang lebih besar mengarah pada interaksi yang lebih kuat.
- ii. Karena kekuatan interaksi meningkat seiring berkurangnya jarak antara pusat ion (inti), ion yang lebih kecil menghasilkan interaksi yang lebih kuat.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Saat dua atom mendekat, kurva energi potensial menggambarkan keseimbangan antara tarikan dan tolakan. Kurva ini memuncak ke minimum pada panjang ikatan (jarak stabil) yang kedalamannya adalah energi ikatan. Ikatan yang lebih pendek dan lebih kuat berada dalam sumur yang lebih dalam dan sempit; semakin banyak pasangan yang dibagikan (ikatan rangkap, ikatan tiga), ikatan menjadi lebih pendek dan lebih kuat.

2.3

Struktur Padatan Ionik

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.3.A: Representasikan padatan ionik dengan model partikulat yang konsisten dengan hukum Coulomb dan sifat-sifat ion penyusunnya.

2.3.A.1 Kation dan anion dalam kristal ionik tersusun dalam susunan 3-D yang sistematis dan periodik yang memaksimalkan gaya tarik-menarik di antara kation dan anion sekaligus meminimalkan gaya tolak-menolak.
- Pernyataan Pengecualian: Pengetahuan tentang struktur kristal spesifik tidak penting untuk pemahaman tujuan pembelajaran dan tidak akan diujikan dalam Ujian AP.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Padatan ionik adalah kisi-kisi 3-D berulang dari kation dan anion yang berselang-seling, diikat oleh tarikan elektrostatik yang kuat. Ini menjelaskan titik lelehnya yang tinggi, sifat rapuh, dan mengapa mereka hanya menghantarkan listrik saat cair atau larut (ion-ion terlepas untuk bergerak). Energi kisi-kisi meningkat seiring dengan bertambahnya muatan ion dan ukuran ion yang lebih kecil, sehingga MgO (keduanya $2+/2-$) meleleh jauh lebih tinggi daripada NaCl (keduanya $1+/1-$).

Ion-ion terkemas dalam kisi-kisi raksasa kation dan anion yang berselang-seling

Kosa kata Latih

English	Bahasa Indonesia
lattice/ˈlætɪs/	kisi
delocalized/dɪˈlɒkəlaɪzd/	terdelokalisasi

2.4

Struktur Logam dan Paduan

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.4.A: Representasikan padatan logam dan/atau paduan menggunakan model untuk menunjukkan karakteristik utama struktur dan interaksi yang ada dalam zat tersebut.

2.4.A.1 Ikatan logam dapat direpresentasikan sebagai susunan ion logam positif yang dikelilingi oleh elektron valensi terdelokalisasi (yaitu, "lautan elektron").
2.4.A.2 Paduan interstisial terbentuk antara atom-atom dengan jari-jari yang sangat berbeda, di mana atom-atom yang lebih kecil mengisi ruang interstisial di antara atom-atom yang lebih besar (misalnya, pada baja di mana karbon menempati celah dalam besi).
2.4.A.3 Paduan substitusional terbentuk antara atom-atom dengan jari-jari yang comparable, di mana satu atom menggantikan atom lainnya dalam kisi. (misalnya, pada paduan kuningan tertentu, elemen lain, biasanya seng, menggantikan tembaga.)

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Dalam logam, kation berada dalam kisi-kisi yang dialiri oleh elektron terdelokalisasi, yang menjelaskan konduktivitas, kelenturan, dan kilau. Paduan mencampur logam: paduan substitusional menggantikan atom dengan ukuran serupa; paduan interstisial (seperti baja) memasukkan atom kecil ke dalam celah, menjadikannya lebih keras.

Atom dengan ukuran berbeda dalam paduan menghentikan lapisan bergeser, sehingga lebih keras — Atom berukuran berbeda dalam paduan mencegah lapisan bergeser, sehingga lebih keras

Ikatan logam: ion positif dalam lautan elektron terdelokalisasi

Tembaga alami: ikatan logam memberikan padatan berkilau dan lentur dengan elektron terdelokalisasi

Jelajahi

Geser lapisan dalam kisi logam

Logam adalah ion positif dalam lautan elektron terdelokalisasi. Lapisan dapat bergeser tanpa mematahkan ikatan, sehingga logam bersifat ulet dan konduktif.

Kosa kata Latih

English	Bahasa Indonesia
chemical bond/ˈkemɪkl bɒnd/	Ikatan kimia
Ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/	Ikatan ionik
Covalent bond/ˈkəʊvələnt bɒnd/	Ikatan kovalen
polar covalent/ˈpəʊlə ˈkəʊvələnt/	kovalen polar
Metallic bond/məˈtælɪk bɒnd/	Ikatan logam
potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/	energi potensial
bond length/bɒnd leŋθ/	panjang ikatan
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	tenaga ikatan
ionic solid/aɪˈɒnɪk ˈsɒlɪd/	Padatan ionik
alloy/ˈælɔɪ/	paduan
Lewis diagram/ˈluːɪs ˈdaɪəɡræm/	diagram Lewis
lone pairs/ləʊn peəz/	pasangan elektron bebas
octet/ɒkˈtet/	oktet
resonance/ˈrezənəns/	resonansi
Formal charge/ˈfɔːml tʃɑːdʒ/	Muatan formal

2.5

Diagram Lewis

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.5.A: Mewakili sebuah molekul dengan diagram Lewis.

2.5.A.1 Diagram Lewis dapat disusun sesuai dengan serangkaian prinsip yang telah mapan.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Diagram Lewis menampilkan elektron valensi sebagai pasangan pengikat dan pasangan elektron bebas, memberikan sebagian besar atom oktet (8 elektron valensi; H menginginkan 2). Langkah-langkahnya: hitung total elektron valensi, hubungkan atom dengan ikatan tunggal, lengkapi oktet pada atom terluar, lalu buat ikatan ganda jika atom pusat kekurangan elektron.

Diagram titik dan silang menunjukkan pasangan pengikat dan pasangan elektron bebas dalam molekul

Contoh terpecahkan. Gambarlah karbon dioksida, $\text{CO}_2$. Total elektron valensi $=4+2(6)=16$. Letakkan C di tengah; ikatan tunggal ke masing-masing O menggunakan $4$ elektron dan menyisakan kekurangan elektron pada atom O terluar. Melengkapi oktet memaksa terbentuknya dua ikatan ganda, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$: setiap O kemudian memiliki dua pasangan elektron bebas, C tidak punya, dan semua $16$ elektron telah ditempatkan dengan setiap atom memenuhi oktet.

2.6

Resonansi dan Muatan Formal

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.6.A: Mewakili sebuah molekul dengan diagram Lewis yang memperhitungkan resonansi antar struktur ekuivalen atau yang menggunakan muatan formal untuk memilih di antara struktur tidak ekuivalen.

2.6.A.1 Pada kasus di mana lebih dari satu struktur Lewis ekuivalen dapat disusun, resonansi harus disertakan sebagai penyempurnaan terhadap struktur Lewis. Dalam banyak kasus seperti ini, penyempurnaan diperlukan untuk memberikan prediksi kuantitatif yang akurat mengenai struktur dan sifat molekul.
2.6.A.2 Aturan oktet dan muatan formal dapat digunakan sebagai kriteria untuk menentukan diagram Lewis valid mana di antara beberapa kemungkinan yang menyediakan model terbaik untuk memprediksi struktur dan sifat molekul.
2.6.A.3 Seperti halnya model lainnya, terdapat keterbatasan dalam penggunaan model struktur Lewis, terutama pada kasus dengan jumlah elektron valensi ganjil.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Ketika dua atau lebih diagram Lewis yang valid berbeda hanya dalam penempatan elektron, struktur sejati merupakan rata-rata – resonansi. Muatan formal (elektron valensi dikurangi elektron pasangan bebas dikurangi setengah elektron pengikat) memilih struktur terbaik: yaitu struktur dengan muatan formal yang paling mendekati nol, dan jika ada muatan negatif, harus terletak pada atom yang paling elektronegatif.

Contoh terpecah. Tentukan muatan formal pada ion nitrat, $\text{NO}_3^{-}$ (satu ikatan rangkap, dua ikatan tunggal). Untuk N (4 ikatan, tanpa pasangan elektron bebas): $5-0-4=+1$. Untuk O yang berikatan rangkap (2 pasangan elektron bebas): $6-4-2=0$. Untuk setiap O berikatan tunggal (3 pasangan elektron bebas): $6-6-1=-1$. Totalnya adalah $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, sesuai dengan muatan keseluruhan ion – sebagai verifikasi baik bahwa struktur digambar dengan benar. Karena ketiga atom O setara secara resonansi, ion sejati memiliki tiga ikatan yang identik.

2.7

VSEPR dan Hibridisasi Ikatan

Silabus

Tujuan Pembelajaran 2.7.A: Berdasarkan hubungan antara diagram Lewis, teori VSEPR, order ikatan, dan polaritas ikatan:

i. Jelaskan sifat struktural molekul.
ii. Jelaskan sifat elektronik molekul.
2.7.A.1 Teori VSEPR menggunakan tolakan Coulombik antara elektron sebagai dasar untuk memprediksi susunan pasangan elektron di sekitar atom pusat.
2.7.A.2 Baik diagram Lewis maupun teori VSEPR harus digunakan untuk memprediksi sifat elektronik dan struktural banyak molekul berikatan kovalen dan ion poliatomik, termasuk berikut ini:
- i. Geometri molekul (linear, trigonal planar, tetrahedral, trigonal piramida, bengkok, bipyramidal trigonal, seesaw, berbentuk-T, oktahedral, piramida persegi, planar persegi)
- ii. Sudut ikatan
- iii. Energi ikatan relatif berdasarkan order ikatan
- iv. Panjang ikatan relatif (ikatan rangkap, efek jari-jari atom)
- v. Adanya momen dipol
- vi. Hibridisasi orbital valensi untuk atom-atom dalam molekul atau ion poliatomik
2.7.A.3 Istilah "hibridisasi" dan "orbital atom hibrid" digunakan untuk menggambarkan susunan elektron di sekitar atom pusat. Ketika atom pusat $sp$ terhibridisasi, sudut ikatan idealnya adalah $180°$; untuk atom $sp^2$ terhibridisasi, sudut ikatannya adalah $120°$; dan untuk atom $sp^3$ terhibridisasi, sudut ikatannya adalah $109.5°$.
- Pernyataan eksklusi: Pemahaman tentang turunan dan penggambaran orbital hibrid tidak akan diuji dalam Ujian AP. Kurikulum mencakup pembedaan antara ikatan sigma dan pi, penggunaan VSEPR untuk menjelaskan bentuk molekul, serta nomenklatur $sp$, $sp^2$, dan $sp^3$.
- Pernyataan eksklusi: Hibridisasi yang melibatkan orbital d tidak akan diuji dalam Ujian AP. Ketika suatu atom memiliki lebih dari empat pasangan elektron yang mengelilingi atom pusat, siswa hanya bertanggung jawab atas bentuk molekul yang dihasilkan.
2.7.A.4 Pembentukan ikatan berkaitan dengan tumpang tindih antara orbital atom. Dalam ikatan rangkap, tumpang tindih ini menghasilkan pembentukan ikatan sigma dan pi. Tumpang tindih lebih kuat dalam ikatan sigma daripada ikatan pi, yang tercermin dalam energi ikatan sigma yang lebih besar daripada ikatan pi. Keberadaan ikatan pi juga mencegah rotasi ikatan dan menyebabkan isomer geometri.
- Pernyataan eksklusi: Teori orbital molekul direkomendasikan sebagai cara untuk memberikan wawasan yang lebih mendalam tentang ikatan. Namun, Ujian AP tidak akan secara eksplisit menguji diagram orbital molekul, pengisian orbital molekul, maupun pembedaan antara orbital ikatan, non-ikatan, dan anti-ikatan.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

VSEPR: bentuk molekul

Teori VSEPR memprediksi bentuk: pasangan elektron (ikatan dan pasangan elektron bebas) di sekitar atom pusat menyebar sejauh mungkin. Menghitung domain elektron memberikan geometri (linear, trigonal planar, tetrahedral, …); pasangan elektron bebas mendorong ikatan lebih dekat, melengkungkan bentuk. Hibridisasi ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) menggambarkan orbital hibrida yang sesuai dengan geometri tersebut. Bentuk molekul dan polaritas ikatan bersama-sama menentukan apakah seluruh molekul bersifat polar.

Hibridisasi dan bentuk: sp3 tetrahedral, sp2 planar, sp linear

Bentuk-bentuk VSEPR umum dan sudut ikatannya

Contoh terpecah. Prediksikan bentuk amonia, $\text{NH}_3$. Nitrogen memiliki $3$ pasangan ikatan dan $1$ pasangan elektron bebas – empat domain elektron, sehingga geometri elektron adalah tetrahedral dan hibridisasinya adalah $sp^3$. Pasangan elektron bebas tidak terlihat dalam bentuk tetapi tetap mendorong ikatan saling mendekat, sehingga bentuk molekuler adalah trigonal piramidal dengan sudut ikatannya sekitar $107^{\circ}$ (sedikit kurang dari ideal $109.5^{\circ}$). Tiga dipol N–H tidak saling meniadakan, sehingga molekul bersifat polar.

Ikatan terbentuk ketika orbital atomik tumpang tindih. Setiap ikatan tunggal adalah satu ikatan sigma σ – orbital yang tumpang tindih secara langsung sepanjang garis penghubung kedua atom. Ikatan rangkap menambahkan ikatan pi π, yang terbentuk oleh orbital $p$ yang tumpang tindih menyamping di atas dan bawah garis tersebut: ikatan rangkap terdiri dari satu sigma + satu pi, ikatan rangkap tiga terdiri dari satu sigma + dua pi. Tumpang tindih langsung lebih efektif, sehingga ikatan sigma lebih kuat (energi ikatan lebih tinggi) daripada ikatan pi – inilah sebabnya ikatan rangkap lebih kuat daripada ikatan tunggal tetapi bukan dua kali lipat kekuatannya. Ikatan pi juga mengunci kedua atom sehingga mereka tidak dapat berotasi pada ikatan; oleh karena itu ikatan rangkap C=C memiliki bentuk cis dan trans yang tetap – isomer geometris yang tidak pernah dapat ditunjukkan oleh ikatan tunggal yang berotasi bebas.

Contoh terpecah. Hitung jumlah ikatan dalam etena, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. Keempat ikatan C–H adalah ikatan tunggal (satu sigma masing-masing); C=C adalah satu sigma ditambah satu pi. Jadi etena memiliki 5 ikatan sigma dan 1 ikatan pi, dan ikatan pi tunggal ini persislah yang mencegah kedua ujung $\text{CH}_2$ berputar relatif terhadap satu sama lain.

Jelajahi

Prediksi bentuk molekul dengan VSEPR

VSEPR: pasangan elektron tolak-menolak dan tersebar sejauh mungkin, menentukan bentuk molekul. Tambahkan pasangan ikatan dan pasangan elektron bebas, lalu lihat geometri berubah.

Kosa kata Latih

English	Bahasa Indonesia
VSEPR/ˈvespə/	VSEPR
Hybridization/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/	Hibridisasi
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/	ikatan sigma
pi bond/paɪ bɒnd/	ikatan pi
geometric isomers/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈaɪsəməz/	Isomer geometris

2.7

Tips ujian

Tentukan jenis ikatan berdasarkan atom: ionik (logam + non-logam, transfer elektron), kovalen (non-logam, berbagi), logam (lautan elektron terdelokalisasi).
Padatan ionik hanya menghantarkan listrik saat lebur atau larut (ion bebas bergerak), tidak pernah dalam keadaan padat.
Gambar struktur Lewis untuk memenuhi oktet (H menginginkan 2), lalu gunakan VSEPR – pasangan elektron menyebar sejauh mungkin – untuk memprediksi bentuk.
Pasangan elektron bebas memakan ruang dan mendorong ikatan lebih dekat, melengkungkan bentuk (air berbentuk bengkok, amonia berbentuk piramidal).
Molekul bisa memiliki ikatan polar namun bersifat non-polar secara keseluruhan jika simetrinya membuat dipoles saling meniadakan ($\text{CO}_2$).
Ikatan tunggal adalah 1 sigma; ikatan rangkap adalah 1 sigma + 1 pi, ikatan rangkap tiga 1 sigma + 2 pi. Sigma lebih kuat daripada pi, dan ikatan pi menghalangi rotasi, menghasilkan isomer geometris cis/trans.

Pelajaran interaktif untuk topik ini

Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.

Soal-Soil Masa Lalu

Topik lain dalam AP Kimia