Struktur Molekuler Kovalen dan Gaya Antarmolekul

Didihkan segelas beker berisi air dan cairan tersebut berubah menjadi gas. Jelas ada sesuatu yang terpisah. Namun, apa?

Sebelum melanjutkan membaca, buatlah prediksi: ketika air mendidih, apakah ikatan kovalen O-H yang kuat di dalam setiap molekul \(\ce{H2O}\) terputus, atau apakah molekul-molekulnya hanya saling menjauh?

Jawaban kedua benar. Molekul air tetap berupa \(\ce{H2O}\) saat memasuki fase gas. Pendidihan mengatasi gaya tarik antara molekul-molekul air. Pendidihan biasanya tidak memutus ikatan kovalen di dalam molekul-molekul tersebut.

Perbedaan ini merupakan kunci untuk memahami zat molekuler kovalen. Sifat-sifat yang dapat diamati bergantung pada dua tingkat struktur yang berbeda: ikatan kovalen kuat yang menyatukan setiap molekul, dan gaya antarmolekul yang jauh lebih lemah yang bekerja di antara molekul-molekul terpisah.

01Apa yang membuat suatu zat bersifat molekuler kovalen?

Bayangkan suatu zat yang tersusun dari jutaan paket kecil yang terpisah. Setiap paket adalah sebuah molekul.

Di dalam setiap molekul, atom-atom berbagi elektron melalui ikatan kovalen. Ikatan tersebut kuat. Namun, satu molekul tidak terikat secara kovalen dengan setiap molekul tetangganya.

Partikel-partikel terpisah ini disebut molekul diskret.

Sebagai contoh, karbon dioksida terdiri atas molekul-molekul \(\ce{CO2}\) individual:

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

Setiap atom karbon terikat secara kovalen dengan kuat pada dua atom oksigen di dalam molekulnya. Namun, satu molekul \(\ce{CO2}\) tidak terhubung dengan molekul \(\ce{CO2}\) berikutnya melalui ikatan kovalen lain.

Gagasan dasar yang sama berlaku untuk zat-zat seperti:

• \(\ce{H2O}\), air
• \(\ce{NH3}\), amonia
• \(\ce{CH4}\), metana
• \(\ce{CO2}\), karbon dioksida
• \(\ce{I2}\), iodin
• \(\ce{CH3OH}\), metanol

Hal ini berbeda dari struktur jaringan kovalen, yaitu ikatan kovalen membentang secara berkesinambungan melalui suatu struktur raksasa. Intan adalah contoh zat jaringan kovalen.

Perbedaan ini menjadi sangat penting ketika kita mencoba menjelaskan titik leleh dan titik didih.

02Ada dua jenis gaya tarik yang harus dibedakan

Misalkan dua molekul air berada bersebelahan.

Di dalam setiap molekul, atom oksigen dan hidrogen disatukan oleh ikatan kovalen. Di antara kedua molekul tersebut terdapat gaya tarik antarmolekul.

Bayangkan dua orang saling berpegangan tangan saat berdiri di dalam kereta yang penuh sesak. Genggaman tangan mereka melambangkan ikatan kovalen di dalam suatu molekul. Kerumunan yang mendorong mereka ke arah orang-orang di sekitarnya melambangkan gaya antarmolekul.

Jika kereta menjadi kosong dan pasangan tersebut menjauh dari orang lain, mereka tidak perlu berhenti berpegangan tangan. Dengan cara yang sama, ketika suatu zat molekuler mendidih, molekul-molekulnya terpisah tanpa biasanya memutus ikatan kovalen internalnya.

Analogi ini memiliki keterbatasan: molekul tidak memilih dengan siapa mereka berikatan, dan gaya antarmolekul berasal dari interaksi elektrostatik yang melibatkan muatan serta distribusi elektron. Namun, analogi ini menangkap perbedaan struktural yang penting.

Gaya intramolekul

Intramolekul berarti di dalam suatu molekul.

Dalam zat molekuler kovalen, gaya ini terutama berupa ikatan kovalen yang menghubungkan atom-atom.

Memutus ikatan kovalen mengubah molekul secara kimia. Memutus ikatan O-H dalam air, misalnya, bukan sekadar mendidihkan air.

Gaya antarmolekul

Antarmolekul berarti di antara molekul-molekul.

Gaya tarik ini memengaruhi sifat fisik seperti:

• titik leleh
• titik didih
• volatilitas
• apakah suatu zat berwujud padat, cair, atau gas pada kondisi tertentu
• kelarutan
• viskositas, dalam banyak kasus

Kesalahan yang sangat umum adalah menulis, “Air memiliki titik didih tinggi karena ikatan kovalennya kuat.”

Ikatan kovalen dalam air memang kuat, tetapi bukan ikatan tersebut yang diatasi selama pendidihan. Gaya tarik yang relevan adalah gaya antarmolekul di antara molekul-molekul air.

03Dari mana gaya antarmolekul berasal?

Elektron dan inti atom membawa muatan. Jadi, bahkan ketika suatu molekul tidak memiliki muatan total, distribusi muatannya dapat menimbulkan gaya tarik dengan molekul di dekatnya.

Untuk Kimia HSC, tiga gaya antarmolekul yang penting adalah:

Satu molekul dapat mengalami lebih dari satu jenis gaya.

Sebagai contoh, air memiliki gaya dispersi London dan ikatan hidrogen. Kita biasanya berfokus pada ikatan hidrogen ketika menjelaskan titik didih air yang luar biasa tinggi karena interaksi inilah yang memberikan pengaruh terbesar dalam perbandingan ini.

04Gaya dispersi London terjadi pada setiap zat molekuler

Mulailah dengan molekul seperti \(\ce{I2}\).

Secara keseluruhan, molekul ini nonpolar. Karena itu, Anda mungkin memperkirakan bahwa dua molekul iodin tidak dapat saling tarik-menarik.

Namun, keduanya memang saling tarik-menarik.

Elektron terus-menerus bergerak. Pada suatu saat tertentu, awan elektron sebuah molekul dapat menjadi sedikit tidak merata. Satu sisi menjadi sementara lebih negatif dan sisi lainnya sementara lebih positif.

Dipol sementara ini dapat mendistorsi awan elektron molekul di dekatnya, sehingga menghasilkan dipol terinduksi. Kedua molekul tersebut kemudian saling tarik-menarik.

Gaya tarik ini disebut gaya dispersi London.

Gaya ini ada di antara semua partikel karena setiap atom dan molekul mengandung elektron.

Apa yang membuat gaya dispersi lebih kuat?

Sebagai aturan umum yang berguna, gaya dispersi menjadi lebih kuat ketika partikel memiliki awan elektron yang lebih besar dan lebih mudah terdistorsi.

Bandingkan unsur-unsur halogen berikut:

• \(\ce{F2}\)
• \(\ce{Cl2}\)
• \(\ce{Br2}\)
• \(\ce{I2}\)

Ketika molekul menjadi lebih besar dan mengandung lebih banyak elektron, awan elektronnya menjadi lebih mudah dipolarisasi. Gaya dispersinya menjadi lebih kuat.

Hal ini membantu menjelaskan mengapa \(\ce{F2}\) dan \(\ce{Cl2}\) berwujud gas pada kondisi ruang, \(\ce{Br2}\) berwujud cair, dan \(\ce{I2}\) berwujud padat.

“Lebih banyak elektron berarti gaya dispersi lebih kuat” merupakan pedoman yang berguna, tetapi jangan mengubahnya menjadi hukum mutlak untuk setiap perbandingan. Bentuk molekul dan seberapa dekat molekul-molekul dapat saling mendekat juga dapat berpengaruh.

05Molekul polar memiliki gaya tarik dipol-dipol tambahan

Sekarang perhatikan hidrogen klorida, \(\ce{HCl}\).

Klorin menarik elektron ikatan yang digunakan bersama lebih kuat daripada hidrogen. Oleh karena itu, kerapatan elektron dalam ikatan H-Cl tidak merata.

Kita menggambarkan hidrogen sebagai bermuatan parsial positif, \(\delta+\), dan klorin sebagai bermuatan parsial negatif, \(\delta-\).

Molekul tersebut memiliki dipol permanen.

Molekul-molekul \(\ce{HCl}\) yang berdekatan cenderung tersusun sehingga suatu daerah yang bermuatan parsial positif tertarik ke arah daerah yang bermuatan parsial negatif. Gaya tarik ini disebut gaya dipol-dipol.

Yang penting, \(\ce{HCl}\) juga memiliki gaya dispersi. Molekul polar tidak membuat gaya dispersi tiba-tiba hilang.

06Ikatan polar tidak secara otomatis membuat suatu molekul menjadi polar

Ini adalah salah satu perbedaan paling berguna dalam topik ini.

Perhatikan karbon dioksida. Setiap ikatan C=O bersifat polar karena oksigen menarik elektron ikatan lebih kuat daripada karbon.

Jadi, prediksikan sifat keseluruhan molekulnya: apakah \(\ce{CO2}\) bersifat polar?

Secara keseluruhan, molekul ini nonpolar.

Molekul tersebut berbentuk linear:

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

Kedua dipol ikatan mengarah ke arah yang berlawanan dengan besar yang sama. Efek keduanya saling meniadakan.

Air berbeda. Ikatan O-H-nya juga polar, tetapi molekul \(\ce{H2O}\) berbentuk bengkok. Dipol ikatannya tidak mengarah tepat berlawanan satu sama lain, sehingga tidak saling meniadakan.

Oleh karena itu, air memiliki dipol molekul secara keseluruhan.

Hal ini memberikan proses pengambilan keputusan yang penting:

1. Tentukan apakah masing-masing ikatan bersifat polar.
2. Tentukan bentuk molekul.
3. Pertimbangkan arah dipol ikatan.
4. Tentukan apakah dipol-dipol tersebut saling meniadakan.
5. Gunakan polaritas molekul secara keseluruhan untuk mengidentifikasi gaya antarmolekul yang relevan.

07Ikatan hidrogen adalah gaya tarik antarmolekul yang sangat kuat

Air berperilaku tidak biasa jika dibandingkan dengan molekul kecil serupa.

Massa molarnya hanya sekitar \(18.0\ \text{g mol}^{-1}\), tetapi air berwujud cair pada suhu ruang biasa. Banyak molekul yang berukuran sama kecilnya berwujud gas.

Mengapa?

Ikatan O-H dalam air sangat polar. Oksigen memiliki muatan parsial negatif yang cukup besar, sedangkan hidrogen yang terikat padanya memiliki muatan parsial positif.

Atom hidrogen yang terikat pada oksigen dalam satu molekul air dapat tertarik kuat pada pasangan elektron bebas di atom oksigen dari molekul air di dekatnya.

Gaya tarik ini disebut ikatan hidrogen.

Dalam senyawa yang biasanya dipelajari pada tingkat HSC, ikatan hidrogen terjadi ketika hidrogen terikat secara kovalen langsung pada:

• nitrogen, N
• oksigen, O
• fluorin, F

Molekul di dekatnya juga harus menyediakan daerah N, O, atau F yang sesuai dan kaya elektron.

Berhati-hatilah dengan istilahnya. Ikatan hidrogen bukanlah ikatan kovalen O-H di dalam molekul air. Ikatan hidrogen adalah gaya tarik antarmolekul yang melibatkan molekul-molekul berbeda.

08Bagaimana gaya antarmolekul memengaruhi titik leleh dan titik didih

Untuk melelehkan atau mendidihkan suatu zat molekuler, molekul-molekulnya harus memperoleh energi yang cukup untuk mengatasi sebagian gaya tarik yang menahan mereka tetap berdekatan.

Gaya antarmolekul yang lebih kuat biasanya berarti diperlukan lebih banyak energi.

Jadi, jika faktor-faktor lain cukup sebanding:

\[ \text{gaya antarmolekul yang lebih kuat} \longrightarrow \text{titik leleh atau titik didih yang lebih tinggi} \]

Untuk pendidihan, hubungan ini sangat berguna karena molekul-molekul harus menjadi sangat berjauhan dalam fase gas.

Titik leleh dapat lebih sulit diprediksi. Cara molekul tersusun dalam kristal padat juga berpengaruh, sehingga dua senyawa yang serupa kadang-kadang dapat memiliki titik leleh yang tidak mengikuti kecenderungan sederhana yang Anda perkirakan.

Ini merupakan contoh yang baik tentang bagaimana suatu model awal yang berguna memerlukan satu lapisan ketepatan tambahan.

09Gaya antarmolekul yang lebih kuat biasanya berarti volatilitas yang lebih rendah

Cairan yang volatil mudah menguap.

Agar sebuah molekul dapat keluar dari cairan dan memasuki fase gas, molekul tersebut harus mengatasi gaya tarik dari molekul-molekul di sekitarnya.

Jika gaya tarik tersebut kuat, lebih sedikit molekul yang memiliki energi cukup untuk keluar pada suhu tertentu.

Jadi, gaya antarmolekul yang lebih kuat secara umum berarti:

• volatilitas lebih rendah
• tekanan uap lebih rendah pada suhu yang sama
• titik didih lebih tinggi

Ketiganya merupakan pengamatan berbeda yang berkaitan dengan gagasan dasar yang sama.

Sebagai contoh, jika cairan A menguap jauh lebih cepat daripada cairan B pada kondisi yang sama, hipotesis awal yang masuk akal adalah bahwa A mengalami gaya tarik antarmolekul yang lebih lemah. Variabel lain, termasuk suhu dan luas permukaan yang terpapar, perlu dikendalikan sebelum membuat perbandingan yang adil.

10Mengapa sebagian besar zat molekuler tidak menghantarkan listrik

Konduksi listrik memerlukan partikel bermuatan yang dapat bergerak.

Zat molekuler kovalen murni terutama terdiri atas molekul netral. Elektronnya terlokalisasi di dalam ikatan dan awan elektron, bukan bebas bergerak melalui zat seperti elektron terdelokalisasi dalam logam.

Oleh karena itu, sebagian besar zat molekuler murni merupakan penghantar listrik yang buruk.

Namun, ada jebakan penting di sini.

“Tersusun dari molekul” tidak berarti “tidak pernah dapat menghasilkan larutan yang menghantarkan listrik”.

Hidrogen klorida bersifat molekuler sebagai zat murni, tetapi ketika larut dalam air, zat tersebut bereaksi menghasilkan ion:

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

Ion-ion berair yang dapat bergerak tersebut memungkinkan larutan menghantarkan listrik.

Jadi, selalu tanyakan partikel apa yang sebenarnya ada pada kondisi yang dinyatakan.

11Kelarutan bergantung pada interaksi dengan pelarut

Siswa sering diajarkan prinsip “like dissolves like”, atau “yang serupa melarutkan yang serupa”.

Prinsip ini berguna, tetapi merupakan jalan pintas, bukan hukum fisika yang lengkap.

Ketika suatu zat larut, ada tiga perubahan umum yang penting:

1. sebagian gaya tarik di antara partikel zat terlarut harus terganggu
2. sebagian gaya tarik di antara molekul pelarut harus terganggu
3. gaya tarik baru antara zat terlarut dan pelarut terbentuk

Pelarutan cenderung lebih menguntungkan ketika interaksi baru cukup mengimbangi interaksi yang harus terganggu.

Inilah sebabnya zat molekuler polar sering larut dengan baik dalam pelarut polar seperti air.

Sebagai contoh, metanol mudah bercampur dengan air. Daerah O-H polarnya dapat berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dengan molekul air.

Molekul nonpolar umumnya berinteraksi lebih lemah dengan air. Molekul seperti ini sering lebih mudah larut dalam pelarut nonpolar, karena interaksi gaya dispersinya lebih sesuai dengan interaksi yang sudah ada di dalam pelarut tersebut.

Jangan menyederhanakannya menjadi “zat polar selalu larut dalam zat polar”. Ukuran molekul juga penting. Sebuah molekul dapat memiliki satu gugus polar tetapi juga memiliki daerah nonpolar yang sangat besar, yang dapat sangat mengurangi kelarutannya dalam air.

12Metode yang andal untuk menghubungkan struktur dengan sifat

Ketika soal HSC meminta Anda menghubungkan struktur molekul dengan sifat yang dapat diamati, hindari langsung melompat dari rumus ke sifat.

Ikuti urutan berikut:

\[ \text{struktur} \rightarrow \text{polaritas} \rightarrow \text{gaya antarmolekul} \rightarrow \text{energi yang diperlukan} \rightarrow \text{sifat} \]

Untuk perbandingan titik didih, urutan tersebut mungkin menjadi:

Molekul X mengandung ikatan O-H dan dapat membentuk ikatan hidrogen di antara molekul-molekulnya. Molekul Y tidak dapat membentuk ikatan hidrogen di antara molekul-molekulnya sendiri. Oleh karena itu, X memiliki gaya tarik antarmolekul yang lebih kuat, sehingga lebih banyak energi diperlukan untuk memisahkan molekul-molekulnya ke dalam fase gas. Akibatnya, X memiliki titik didih yang lebih tinggi.

Penjelasan tersebut jauh lebih kuat daripada sekadar menulis, “X memiliki ikatan hidrogen, jadi titik didihnya lebih tinggi.”

Langkah tengah yang hilang adalah penjelasan fisiknya: lebih banyak energi diperlukan untuk memisahkan molekul-molekul tersebut.

13Kesalahpahaman yang paling menggoda: “ikatan kovalen yang kuat berarti titik didih tinggi”

Misalkan metana, \(\ce{CH4}\), sedang dididihkan.

Seorang siswa mungkin beralasan bahwa karena ikatan C-H adalah ikatan kovalen dan ikatan kovalen itu kuat, metana seharusnya memiliki titik didih yang sangat tinggi.

Pernyataan pertama benar. Kesimpulannya tidak benar.

Selama pendidihan, molekul-molekul metana saling menjauh:

\[ \ce{CH4(l) -> CH4(g)} \]

Ikatan kovalen C-H tetap utuh. Perubahan fase tersebut terutama mengatasi gaya tarik antarmolekul di antara molekul-molekul metana yang terpisah.

Metana berukuran kecil dan nonpolar, sehingga gaya tarik antarmolekulnya berupa gaya dispersi London yang relatif lemah. Inilah sebabnya metana memiliki titik didih rendah meskipun memiliki ikatan kovalen yang kuat di dalam setiap molekul.

Bandingkan hal tersebut dengan intan. Intan mengandung jaringan kovalen yang berkesinambungan. Untuk mengganggu strukturnya, Anda tidak dapat sekadar memisahkan molekul-molekul diskret karena molekul diskret tersebut tidak ada. Perbedaan inilah yang menyebabkan zat molekuler dan zat jaringan kovalen dapat memiliki sifat fisik yang sangat berbeda.

14Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Iodin, \(\ce{I2}\), adalah zat molekuler nonpolar. Identifikasi gaya antarmolekul utama di antara molekul-molekul iodin dan jelaskan mengapa gaya ini dapat ada meskipun molekul-molekul tersebut nonpolar.

Solusi 1

Gaya tarik antarmolekul utama di antara molekul-molekul \(\ce{I2}\) adalah gaya dispersi London.

Elektron di dalam molekul iodin terus-menerus bergerak. Pada suatu saat, elektron-elektron tersebut dapat terdistribusi secara tidak merata sehingga menciptakan dipol sementara. Dipol sementara ini dapat mendistorsi awan elektron molekul \(\ce{I2}\) di dekatnya dan menginduksi dipol lain.

Muatan parsial berlawanan yang bersifat sementara tersebut saling tarik-menarik.

Jebakan pentingnya adalah menganggap bahwa nonpolar berarti “tidak ada gaya antarmolekul”. Semua atom dan molekul mengalami gaya dispersi London karena semuanya mengandung elektron yang bergerak.

Pertanyaan 2

Metana, \(\ce{CH4}\), dan etana, \(\ce{C2H6}\), keduanya merupakan molekul nonpolar. Etana memiliki titik didih yang lebih tinggi.

Jelaskan perbedaan ini dengan menggunakan struktur molekul dan gaya antarmolekul.

Solusi 2

Etana memiliki titik didih yang lebih tinggi karena awan elektronnya yang lebih besar menghasilkan gaya dispersi London yang lebih kuat.

Metana dan etana sama-sama nonpolar, sehingga gaya tarik antarmolekul keduanya didominasi oleh gaya dispersi. Molekul etana mengandung lebih banyak elektron dan memiliki awan elektron yang lebih besar serta lebih mudah dipolarisasi dibandingkan molekul metana.

Hal ini membuat dipol sementara dan dipol terinduksi pada etana secara umum lebih kuat.

Oleh karena itu, lebih banyak energi diperlukan untuk memisahkan molekul-molekul etana ke dalam fase gas, sehingga etana memiliki titik didih yang lebih tinggi.

Jebakannya adalah menganggap bahwa karena kedua zat memiliki jenis gaya antarmolekul yang sama, keduanya pasti memiliki titik didih yang serupa. Kekuatan gaya tersebut tetap dapat berbeda.

Pertanyaan 3

Karbon dioksida, \(\ce{CO2}\), mengandung ikatan C=O polar. Air, \(\ce{H2O}\), mengandung ikatan O-H polar.

Jelaskan mengapa \(\ce{CO2}\) secara keseluruhan nonpolar sedangkan \(\ce{H2O}\) polar, dan identifikasi jenis gaya tarik antarmolekul terkuat yang biasanya ditekankan untuk masing-masing zat.

Solusi 3

Secara keseluruhan, \(\ce{CO2}\) bersifat nonpolar karena dipol ikatannya saling meniadakan, sedangkan \(\ce{H2O}\) bersifat polar karena dipol ikatannya tidak saling meniadakan.

Karbon dioksida berbentuk linear. Kedua dipol ikatan C=O yang sama besar mengarah ke arah yang berlawanan, sehingga jumlah vektornya nol. Oleh karena itu, \(\ce{CO2}\) tidak memiliki dipol molekul permanen, dan gaya tarik antarmolekulnya didominasi oleh gaya dispersi London.

Air berbentuk bengkok. Kedua dipol ikatan O-H-nya mengarah dengan suatu sudut, bukan tepat berlawanan satu sama lain, sehingga keduanya tidak saling meniadakan. Air memiliki dipol molekul permanen.

Karena hidrogen terikat langsung pada oksigen, molekul-molekul air juga dapat membentuk ikatan hidrogen satu sama lain. Oleh karena itu, ikatan hidrogen merupakan gaya tarik antarmolekul yang biasanya ditekankan ketika menjelaskan sifat fisik air.

Jebakannya adalah menentukan polaritas molekul hanya dari polaritas ikatan. Bentuk molekul juga harus dipertimbangkan.

Pertanyaan 4

Dua cairan molekuler, P dan Q, memiliki massa molar yang serupa.

P mengandung molekul dengan struktur \(\ce{CH3CH2OH}\).

Q mengandung molekul dengan struktur \(\ce{CH3OCH3}\).

Seorang siswa berkata:

“Kedua senyawa mengandung oksigen, jadi keduanya seharusnya membentuk ikatan hidrogen yang sama kuat di antara molekul-molekulnya sendiri.”

Evaluasi alasan siswa tersebut dan prediksikan cairan mana yang seharusnya memiliki titik didih lebih tinggi.

Solusi 4

Alasan siswa tersebut tidak benar, dan P, \(\ce{CH3CH2OH}\), seharusnya memiliki titik didih yang lebih tinggi.

P mengandung ikatan O-H. Hidrogennya terikat langsung pada atom oksigen yang sangat elektronegatif, sehingga molekul-molekul P dapat membentuk ikatan hidrogen satu sama lain.

Q mengandung atom oksigen dengan pasangan elektron bebas, tetapi atom-atom hidrogennya terikat pada karbon dan bukan langsung pada oksigen. Oleh karena itu, Q tidak dapat membentuk jenis interaksi ikatan hidrogen yang sama di antara molekul-molekulnya sendiri.

Kedua zat tetap mengalami gaya dispersi London, dan keduanya cukup polar untuk mengalami interaksi dipol-dipol. Namun, P memiliki tambahan interaksi ikatan hidrogen yang kuat.

Oleh karena itu, lebih banyak energi diperlukan untuk memisahkan molekul-molekul P selama pendidihan, sehingga P memiliki titik didih yang lebih tinggi.

Kesalahpahamannya adalah bahwa hanya dengan mengandung N, O, atau F, suatu zat murni secara otomatis dapat membentuk ikatan hidrogen. Posisi atom hidrogen juga penting.

Pertanyaan 5

Seorang siswa diberikan tiga zat:

• A terdiri atas molekul diskret kecil yang nonpolar.
• B terdiri atas molekul diskret polar yang mampu membentuk ikatan hidrogen.
• C terdiri atas atom-atom yang dihubungkan oleh ikatan kovalen dalam jaringan tiga dimensi yang berkesinambungan.

Siswa tersebut memperkirakan bahwa urutan titik didih pasti:

\[ A < B < C \]

Jelaskan mengapa alasan di balik perbandingan A dan B masuk akal, tetapi juga jelaskan mengapa menggambarkan perilaku C hanya sebagai “gaya antarmolekul yang lebih kuat” tidak benar.

Solusi 5

Perbandingan \(A < B\) masuk akal jika ukuran molekulnya cukup sebanding, tetapi C harus dijelaskan menggunakan ikatan jaringan kovalen, bukan gaya antarmolekul yang lebih kuat.

A terdiri atas molekul-molekul kecil nonpolar, sehingga molekul-molekulnya terutama disatukan oleh gaya dispersi London yang relatif lemah.

B dapat membentuk ikatan hidrogen di antara molekul-molekulnya. Gaya tarik antarmolekul yang lebih kuat ini secara umum memerlukan lebih banyak energi untuk diatasi, sehingga B biasanya memiliki titik didih yang lebih tinggi daripada zat molekuler nonpolar kecil yang sebanding.

C berbeda secara mendasar. Zat tersebut tidak terdiri atas molekul diskret yang disatukan oleh gaya tarik antarmolekul. Sebaliknya, ikatan kovalen membentang di seluruh jaringan yang berkesinambungan.

Jebakannya adalah mencoba menempatkan setiap zat kovalen pada satu skala gaya antarmolekul. Gaya antarmolekul menggambarkan gaya tarik di antara molekul-molekul terpisah. Dalam jaringan kovalen, tidak ada molekul-molekul terpisah yang memainkan peran tersebut.

Akibatnya, mengganggu struktur C memerlukan pengatasan ikatan kovalen yang luas, bukan sekadar memisahkan molekul-molekul yang tetap utuh.

Pertanyaan 6

Hidrogen klorida murni, \(\ce{HCl}\), merupakan zat molekuler kovalen. Karena itu, seorang siswa memprediksi:

“Sampel yang mengandung HCl seharusnya tidak menghantarkan listrik karena zat molekuler kovalen tidak mengandung ion yang dapat bergerak.”

Prediksi tersebut benar untuk \(\ce{HCl}\) berwujud gas, tetapi larutan HCl dalam air menghantarkan listrik dengan kuat.

Jelaskan mengapa kedua pengamatan tersebut tidak saling bertentangan.

Solusi 6

Tidak ada pertentangan karena partikel-partikel yang ada berubah ketika \(\ce{HCl}\) bereaksi dengan air.

Hidrogen klorida berwujud gas terutama terdiri atas molekul \(\ce{HCl}\) netral. Molekul-molekul tersebut tidak menyediakan ion bergerak yang dapat membawa arus listrik.

Namun, di dalam air, hidrogen klorida memindahkan proton kepada air:

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

Oleh karena itu, larutan dalam air mengandung ion \(\ce{H3O+}\) dan \(\mathrm{Cl}^{-}\) yang dapat bergerak. Partikel bermuatan ini dapat bergerak melalui larutan dan membawa arus listrik.

Asumsi tersembunyi dalam argumen siswa tersebut adalah bahwa suatu zat harus mengandung partikel yang persis sama setelah dilarutkan seperti sebelum dilarutkan. Hal itu tidak selalu benar. Ketika menjelaskan konduktivitas, identifikasi partikel-partikel yang benar-benar ada pada kondisi yang dinyatakan, bukan hanya mengandalkan jenis ikatan zat asal.

15Hal yang dapat Anda jelaskan selanjutnya

Setelah Anda dapat dengan yakin menghubungkan bentuk molekul dengan polaritas, gaya antarmolekul, dan sifat yang dapat diamati, beberapa gagasan lanjutan menjadi lebih mudah dipahami.

Anda dapat menjelaskan mengapa zat-zat dengan rumus yang serupa dapat memiliki titik didih yang sangat berbeda, mengapa beberapa zat molekuler mudah larut dalam air sedangkan yang lain tidak, dan mengapa suatu zat molekuler murni dapat berperilaku berbeda setelah bereaksi dengan pelarut.

Perbandingan berguna berikutnya adalah dengan struktur ionik dan jaringan kovalen. Dalam kasus tersebut, pertanyaannya berubah dari “apa yang menahan molekul-molekul agar tetap bersama?” menjadi “apakah memang ada molekul-molekul terpisah?” Keputusan struktural tersebut sering kali merupakan cara tercepat untuk menjelaskan titik leleh, konduktivitas, kelarutan, dan wujud fisik suatu zat.