Keelektronegatifan dan Jenis Ikatan: Panduan Kimia HSC

Gas hidrogen, \(\ce{H2}\), hidrogen klorida, \(\ce{HCl}\), dan natrium klorida, \(\ce{NaCl}\), semuanya melibatkan gaya tarik antara atom-atom. Namun, kita menggambarkan ikatan H-H sebagai kovalen nonpolar, H-Cl sebagai kovalen polar, dan Na-Cl sebagai sebagian besar ionik. Apa yang berubah?

Sebelum melanjutkan membaca, buatlah prediksi. Jika dua atom yang berikatan menarik elektron ikatannya dengan kekuatan yang sama, di mana elektron-elektron tersebut seharusnya menghabiskan sebagian besar waktunya? Sekarang bayangkan salah satu atom menarik jauh lebih kuat. Jawaban atas kedua pertanyaan itu merupakan gagasan dasar di balik keelektronegatifan.

01Mulailah dari tarikan terhadap elektron ikatan

Dalam ikatan kovalen, dua atom berbagi sepasang elektron. “Berbagi” tidak selalu berarti “berbagi secara merata”.

Bayangkan dua orang memegang ujung yang berlawanan dari sebuah selimut. Jika keduanya menarik sama kuat, selimut akan tetap kurang lebih berada di tengah. Jika salah satu orang menarik lebih kuat, bagian selimut yang lebih banyak akan berpindah ke sisinya.

Keelektronegatifan bekerja kurang lebih seperti itu. Keelektronegatifan mengukur kemampuan suatu atom untuk menarik elektron ikatan ke arahnya.

Analogi ini memiliki keterbatasan. Elektron bukanlah potongan kain yang berada di satu tempat tetap, dan bahkan ikatan yang sangat ionik pun tidak dapat dijelaskan secara sempurna sebagai satu atom yang secara permanen memiliki sebuah elektron. Bagian analogi yang berguna hanyalah persaingannya: atom-atom yang berikatan dapat menarik kerapatan elektron bersama dengan kekuatan yang berbeda.

Apa arti keelektronegatifan yang tinggi?

Atom dengan keelektronegatifan tinggi menarik elektron ikatan ke arahnya dengan kuat.

Atom dengan keelektronegatifan rendah memiliki daya tarik yang lebih lemah terhadap elektron ikatan tersebut.

Dalam tabel periodik, keelektronegatifan secara umum:

• meningkat dari kiri ke kanan sepanjang satu periode
• menurun saat bergerak ke bawah dalam satu golongan
• paling tinggi di dekat fluorin pada wilayah kanan atas tabel periodik

Hal ini masuk akal jika Anda mengingat dua gagasan sebelumnya. Sepanjang satu periode, muatan inti meningkat sementara elektron ikatan tetap berada kurang lebih pada tingkat energi utama yang sama. Ke bawah dalam satu golongan, penambahan kulit elektron meningkatkan jarak dan efek perisai.

02Perbedaan keelektronegatifan menunjukkan seberapa tidak merata suatu ikatan

Misalkan atom \(A\) dan \(B\) memiliki keelektronegatifan \(\chi_A\) dan \(\chi_B\). Perbedaan keelektronegatifannya adalah

\[ \Delta EN = |\chi_A-\chi_B| \]

Tanda nilai mutlak berarti kita hanya memperhatikan besar perbedaannya, bukan apakah hasil pengurangannya bernilai positif atau negatif.

Nilai keelektronegatifan tidak berdimensi, sehingga \(\Delta EN\) tidak memiliki satuan.

Semakin besar perbedaannya, semakin kuat salah satu atom menarik kerapatan elektron ke arahnya.

Hal ini memberi kita urutan yang berguna:

Batas-batas ini adalah aturan praktis, bukan hukum alam. Tabel dan buku teks yang berbeda dapat menggunakan batas yang sedikit berbeda. Ikatan berada pada suatu kontinum, jadi jangan membayangkan adanya sakelar tak terlihat pada \(\Delta EN=1.70\) yang tiba-tiba mengubah ikatan kovalen menjadi ikatan ionik.

Untuk soal HSC, gunakan nilai keelektronegatifan atau panduan klasifikasi yang diberikan dalam soal jika memungkinkan. Yang lebih penting, jelaskan kecenderungannya: semakin besar perbedaan keelektronegatifan, semakin besar polaritas ikatan dan semakin besar karakter ioniknya.

03Ikatan kovalen nonpolar: tidak ada atom yang memenangkan tarik-menarik

Perhatikan \(\ce{Cl2}\).

Kedua atom klorin memiliki keelektronegatifan yang persis sama. Oleh karena itu,

\[ \Delta EN = |3.16-3.16|=0 \]

Tidak ada atom klorin yang menarik elektron ikatan lebih kuat daripada atom klorin lainnya.

Karena itu, kerapatan elektron terdistribusi secara simetris di antara kedua atom, menghasilkan ikatan kovalen nonpolar.

Hal ini terjadi secara otomatis ketika dua atom yang identik berikatan, seperti \(\ce{H2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\), dan \(\ce{F2}\).

Atom yang berbeda juga dapat membentuk ikatan yang diperlakukan sebagai kurang lebih nonpolar jika keelektronegatifannya sangat mirip.

04Ikatan kovalen polar: elektron dibagi, tetapi tidak merata

Sekarang perhatikan \(\ce{HCl}\).

Klorin jauh lebih elektronegatif daripada hidrogen:

\[ \Delta EN = |3.16-2.20|=0.96 \]

Elektron masih dibagi bersama, sehingga ikatannya bersifat kovalen. Namun, kerapatan elektron bergeser ke arah klorin.

Distribusi yang tidak merata tersebut menghasilkan muatan parsial:

\[ \ce{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

Simbol \(\delta\), huruf Yunani delta, berarti “parsial”. Klorin tidak memperoleh muatan penuh \(-1\), dan hidrogen tidak memperoleh muatan penuh \(+1\). Ikatan tersebut berada di antara pembagian yang benar-benar merata dan pemisahan muatan secara penuh.

Ujung klorin adalah \(\delta-\) karena memiliki kerapatan elektron yang lebih besar. Ujung hidrogen adalah \(\delta+\) karena kerapatan elektron telah tertarik menjauh darinya.

Itulah ikatan kovalen polar.

Kesalahan yang umum adalah memberikan ujung negatif kepada atom yang memiliki lebih banyak elektron secara keseluruhan. Bukan itu aturannya. Bandingkan keelektronegatifan. Atom yang lebih elektronegatif mendapatkan ujung \(\delta-\).

05Ikatan ionik: ketika perbedaannya menjadi sangat besar

Sekarang bandingkan natrium dan klorin.

Dengan menggunakan keelektronegatifan 0.93 untuk natrium dan 3.16 untuk klorin,

\[ \Delta EN = |3.16-0.93|=2.23 \]

Perbedaan ini jauh lebih besar daripada pada H-Cl.

Model sederhana menyatakan bahwa natrium kehilangan satu elektron untuk membentuk \(\mathrm{Na}^{+}\), sedangkan klorin menerima satu elektron untuk membentuk \(\mathrm{Cl}^{-}\):

\[ \ce{Na -> Na+ + e-} \]

\[ \ce{Cl + e- -> Cl-} \]

Ion-ion yang bermuatan berlawanan kemudian saling tarik-menarik melalui gaya elektrostatik. Dalam natrium klorida padat, gaya tarik ini meluas ke seluruh kisi ionik raksasa tiga dimensi, bukan menghasilkan molekul-molekul kecil \(\ce{NaCl}\) yang terpisah.

Itulah sebabnya sekadar mengatakan “ikatan ionik adalah ketika sebuah elektron dipindahkan” belum lengkap. Perpindahan elektron menjelaskan pembentukan ion. Ikatan ionik itu sendiri adalah gaya tarik elektrostatik antara ion-ion yang bermuatan berlawanan.

06Ikatan merupakan suatu kontinum, bukan tiga dunia yang terpisah

Label kovalen nonpolar, kovalen polar, dan ionik berguna, tetapi alam tidak membagi ikatan menjadi tiga kategori yang terpisah sempurna.

Bayangkan keelektronegatifan salah satu atom dalam suatu ikatan meningkat secara bertahap. Kerapatan elektron akan secara bertahap bergeser ke arah atom tersebut. Tidak ada sesuatu yang ajaib terjadi ketika perbedaannya melewati nilai desimal tertentu.

Karena itu, model mental yang paling berguna adalah:

\[ \text{pembagian merata} \longrightarrow \text{pembagian tidak merata} \longrightarrow \text{pemisahan muatan yang semakin besar} \]

atau, dalam istilah ikatan,

\[ \text{kovalen nonpolar} \longrightarrow \text{kovalen polar} \longrightarrow \text{karakter ionik yang semakin besar} \]

Inilah sebabnya ikatan yang dekat dengan batas dalam buku teks tidak seharusnya diklasifikasikan dengan ketepatan semu.

Jika \(\Delta EN=1.69\), secara kimia kurang tepat untuk berargumen bahwa ikatan tersebut pasti secara mendasar berbeda dari ikatan dengan \(\Delta EN=1.71\). Gunakan keelektronegatifan sebagai bukti, lalu pertimbangkan informasi lain tentang zat tersebut jika tersedia.

07Miskonsepsi yang paling menggoda: ionik berarti elektronnya benar-benar hilang sepenuhnya

Siswa sering diperlihatkan diagram yang menunjukkan logam menyerahkan sebuah elektron kepada nonlogam. Model tersebut berguna karena menjelaskan pembentukan ion.

Model itu menjadi menyesatkan jika Anda menafsirkannya terlalu harfiah.

Kerapatan elektron nyata tidak terbagi menjadi bagian-bagian yang dimiliki secara sempurna. Bahkan zat yang kita klasifikasikan sebagai ionik dapat memiliki sebagian karakter kovalen, sedangkan ikatan kovalen yang sangat polar dapat menunjukkan pemisahan muatan yang cukup besar.

Jadi, apa yang sebaiknya Anda tulis dalam ujian?

Untuk perbedaan keelektronegatifan yang besar, aman untuk mengatakan bahwa ikatan tersebut memiliki karakter ionik yang kuat dan bahwa zat tersebut dapat dimodelkan sebagai ion-ion bermuatan berlawanan yang dipertahankan bersama oleh gaya tarik elektrostatik. Hindari menyatakan bahwa keelektronegatifan saja membuktikan adanya perpindahan elektron yang sempurna dan sepenuhnya tuntas.

08Polaritas ikatan tidak sama dengan polaritas molekul

Perbedaan ini menyebabkan banyak kesalahan yang sebenarnya dapat dihindari.

Perbedaan keelektronegatifan memberi tahu Anda apakah suatu ikatan individual bersifat polar. Namun, hal itu saja tidak memberi tahu Anda apakah seluruh molekul bersifat polar.

Sebagai contoh, setiap ikatan C-O dalam karbon dioksida bersifat polar karena oksigen lebih elektronegatif daripada karbon. Namun, \(\ce{CO2}\) berbentuk linear:

\[ \ce{O=C=O} \]

Kedua dipol ikatan mengarah ke arah yang berlawanan dan saling meniadakan.

Jadi, \(\ce{CO2}\) memiliki ikatan kovalen polar tetapi secara keseluruhan merupakan molekul nonpolar.

Hal itu tidak bertentangan dengan keelektronegatifan. Artinya, Anda hanya telah beralih ke pertanyaan berikutnya: setelah mengetahui polaritas setiap ikatan, bagaimana ikatan-ikatan tersebut tersusun dalam ruang tiga dimensi?

09Proses pengambilan keputusan secara cepat

Ketika Anda diberi dua atom yang berikatan dan diminta menentukan jenis ikatannya:

1. Temukan keelektronegatifan masing-masing atom.
2. Hitung \(\Delta EN\) menggunakan selisih nilai mutlak.
3. Gunakan besar \(\Delta EN\) untuk menilai sejauh mana pembagian elektron tidak merata.
4. Tentukan atom yang lebih elektronegatif. Dalam ikatan kovalen polar, atom tersebut menjadi \(\delta-\).
5. Perlakukan batas numerik sebagai perkiraan, bukan nilai mutlak.
6. Jika soal memberikan bukti fisik, seperti konduktivitas atau perilaku peleburan, gunakan bukti tersebut juga.

Gagasan utamanya bukan menghafal \(0.4\) dan \(1.7\). Gagasan utamanya adalah memahami apa yang direpresentasikan oleh angka-angka tersebut: seberapa tidak merata gaya tarik terhadap elektron ikatan telah menjadi.

10Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Fosfor memiliki keelektronegatifan 2.19 dan klorin memiliki keelektronegatifan 3.16. Klasifikasikan ikatan P-Cl dan tentukan atom mana yang membawa muatan negatif parsial.

Solusi 1

Ikatan P-Cl bersifat kovalen polar, dan klorin membawa muatan negatif parsial.

Perbedaan keelektronegatifannya adalah

\[ \Delta EN=|3.16-2.19|=0.97 \]

Perbedaan sebesar \(0.97\) menunjukkan pembagian yang cukup tidak merata, tetapi menurut panduan perkiraan yang biasa digunakan, nilainya belum cukup besar untuk menggambarkan ikatan tersebut sebagai dominan ionik.

Klorin lebih elektronegatif, sehingga menarik kerapatan elektron ikatan ke arahnya:

\[ \ce{P^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

Penalaran yang penting adalah bahwa tanda muatan parsial ditentukan oleh atom mana yang lebih elektronegatif, bukan oleh atom mana yang ditulis lebih dahulu dalam rumus.

Pertanyaan 2

Gunakan nilai keelektronegatifan berikut:

• hidrogen: 2.20
• sulfur: 2.58
• oksigen: 3.44

Bandingkan ikatan S-H dengan ikatan O-H.

Ikatan mana yang lebih polar, dan atom mana yang merupakan \(\delta-\) dalam masing-masing ikatan?

Solusi 2

Ikatan O-H lebih polar. Sulfur adalah \(\delta-\) dalam S-H, sedangkan oksigen adalah \(\delta-\) dalam O-H.

Untuk S-H,

\[ \Delta EN=|2.58-2.20|=0.38 \]

Untuk O-H,

\[ \Delta EN=|3.44-2.20|=1.24 \]

Ikatan O-H memiliki perbedaan keelektronegatifan yang lebih besar, sehingga elektron ikatannya dibagi dengan jauh lebih tidak merata.

Dalam S-H, sulfur sedikit lebih elektronegatif daripada hidrogen, sehingga kerapatan elektron bergeser ke arah sulfur.

Dalam O-H, oksigen jauh lebih elektronegatif daripada hidrogen, sehingga kerapatan elektron bergeser ke arah oksigen.

Jebakan yang umum adalah mengatakan bahwa kedua ikatan sama-sama polar karena keduanya mengandung hidrogen. Polaritas ikatan bergantung pada perbedaan antara kedua atom, bukan hanya pada identitas salah satu atom.

Pertanyaan 3

Seorang siswa menghitung perbedaan keelektronegatifan tepat sebesar \(1.70\) untuk suatu ikatan dan menulis:

“Karena \(1.70\) adalah batas ionik, ikatan ini pasti ionik dan tidak memiliki karakter kovalen.”

Evaluasilah kesimpulan siswa tersebut.

Solusi 3

Kesimpulan siswa tersebut terlalu mutlak. Perbedaan keelektronegatifan sebesar \(1.70\) menempatkan ikatan di dekat batas konvensional, sehingga keelektronegatifan saja tidak membenarkan klaim bahwa ikatan tersebut sepenuhnya ionik tanpa karakter kovalen.

Nilai seperti \(0.4\) dan \(1.7\) adalah panduan klasifikasi perkiraan. Nilai-nilai tersebut membantu kita menggambarkan perubahan berkelanjutan dalam distribusi elektron.

Ikatan dengan \(\Delta EN=1.69\) tidak tiba-tiba menjadi objek fisik yang secara mendasar berbeda dari ikatan dengan \(\Delta EN=1.70\) atau \(1.71\).

Kesimpulan yang lebih baik adalah bahwa ikatan tersebut memiliki polaritas yang besar dan karakter ionik yang signifikan. Jika diberikan bukti tambahan, seperti struktur zat, perilaku peleburan, atau konduktivitas listrik, bukti tersebut juga harus digunakan untuk menentukan model yang paling tepat bagi zat tersebut.

Miskonsepsinya adalah memperlakukan batas praktis di kelas sebagai hukum alam yang tepat dan mutlak.

Pertanyaan 4

Suatu padatan hipotetis, \(\ce{MX}\), mengandung dua unsur berbeda yang memiliki perbedaan keelektronegatifan sebesar \(1.55\).

Karena itu, seorang siswa memprediksi bahwa padatan tersebut pasti terdiri atas molekul kovalen polar yang terpisah-pisah.

Hasil pengamatan eksperimen menunjukkan bahwa padatan tersebut:

• memiliki suhu leleh yang tinggi
• tidak menghantarkan listrik saat padat
• menghantarkan listrik ketika meleleh

Model mana yang lebih didukung oleh seluruh bukti: padatan kovalen molekuler atau kisi ionik? Jelaskan mengapa perhitungan keelektronegatifan saja tidak cukup.

Solusi 4

Kisi ionik lebih didukung oleh keseluruhan bukti.

Nilai \(\Delta EN\) sebesar \(1.55\) terletak di dekat wilayah tempat panduan numerik sederhana mungkin menunjukkan karakter kovalen-polar yang kuat. Namun, batas tersebut hanyalah perkiraan.

Pengamatan fisik memberikan bukti struktural yang lebih kuat.

Suhu leleh yang tinggi konsisten dengan adanya gaya tarik elektrostatik kuat yang membutuhkan energi besar untuk diatasi. Ketidakmampuan menghantarkan listrik dalam keadaan padat juga sesuai dengan kisi ionik karena ion-ionnya terikat pada posisi tertentu.

Ketika zat tersebut meleleh, ion-ion menjadi dapat bergerak. Oleh karena itu, zat cair hasil lelehan dapat menghantarkan listrik karena partikel bermuatan dapat bergerak melaluinya.

Zat kovalen molekuler sederhana biasanya tidak tiba-tiba memperoleh partikel bermuatan yang dapat bergerak hanya karena mengalami peleburan.

Jebakannya adalah menganggap bahwa satu nilai keelektronegatifan mengesampingkan semua pengamatan lainnya. Perbedaan keelektronegatifan adalah bukti mengenai karakter ikatan, bukan uji sempurna yang menggantikan data eksperimen.

Pertanyaan 5

Gunakan nilai keelektronegatifan berikut:

• karbon: 2.55
• nitrogen: 3.04
• fluorin: 3.98

Molekul \(\ce{CF4}\) berbentuk tetrahedral dan simetris sempurna. Molekul \(\ce{NF3}\) berbentuk piramida trigonal.

Bandingkan polaritas ikatan C-F dengan ikatan N-F, kemudian tentukan apakah masing-masing molekul secara keseluruhan bersifat polar atau nonpolar.

Solusi 5

Ikatan C-F lebih polar daripada ikatan N-F, tetapi \(\ce{CF4}\) secara keseluruhan nonpolar sedangkan \(\ce{NF3}\) secara keseluruhan polar.

Pertama, hitung perbedaan keelektronegatifannya.

Untuk C-F,

\[ \Delta EN=|3.98-2.55|=1.43 \]

Untuk N-F,

\[ \Delta EN=|3.98-3.04|=0.94 \]

Kedua ikatan bersifat kovalen polar, dan fluorin merupakan \(\delta-\) dalam kedua kasus. Ikatan C-F memiliki perbedaan keelektronegatifan yang lebih besar, sehingga polaritas ikatannya lebih besar.

Namun, polaritas molekul bergantung pada polaritas ikatan dan bentuk molekul.

Dalam \(\ce{CF4}\) yang berbentuk tetrahedral, keempat dipol ikatan C-F yang identik tersusun secara simetris. Efeknya saling meniadakan, sehingga molekul tidak memiliki dipol keseluruhan dan bersifat nonpolar.

Dalam \(\ce{NF3}\) yang berbentuk piramida trigonal, ketiga dipol ikatan N-F tidak saling meniadakan secara sempurna. Oleh karena itu, molekul memiliki dipol keseluruhan dan bersifat polar.

Kesalahan yang menggoda adalah menganggap bahwa molekul yang memiliki ikatan sangat polar pasti juga bersifat polar secara keseluruhan. Keelektronegatifan pertama-tama memberi tahu Anda tentang setiap ikatan. Geometri molekul menentukan apakah dipol-dipol ikatan tersebut saling memperkuat atau saling meniadakan.

Setelah Anda dapat menggunakan keelektronegatifan untuk memprediksi polaritas ikatan, langkah berguna berikutnya adalah menggabungkan informasi tersebut dengan bentuk molekul. Hal ini memungkinkan Anda memprediksi polaritas seluruh molekul, yang kemudian membantu menjelaskan gaya antarmolekul, suhu didih, kelarutan, dan banyak sifat fisik yang muncul pada bagian-bagian berikutnya dalam Kimia HSC.