Struktur Jaringan Kovalen: Berlian, SiO2, dan Molekul

Sebotol oksigen dapat berisi gas, sedangkan berlian merupakan padatan yang sangat keras. Keduanya melibatkan ikatan kovalen. Jadi, mengapa sifat-sifatnya sangat berbeda?

Sebelum membaca lebih lanjut, buatlah prediksi: apakah ini berarti ikatan kovalen dalam oksigen lemah dan ikatan kovalen dalam berlian kuat?

Prediksi itu memang menggoda, tetapi melewatkan bagian yang penting. Perbedaannya bukan sekadar kekuatan satu ikatan kovalen. Yang penting adalah di mana ikatan kovalen tersebut berada. Dalam zat molekuler, ikatan kovalen yang kuat membentuk molekul-molekul terpisah, dengan gaya antarmolekul di antara molekul-molekul tersebut. Dalam jaringan kovalen, ikatan kovalen berlanjut ke seluruh struktur yang sangat besar.

Satu perbedaan struktur itu menjelaskan sebagian besar sifat yang perlu Anda prediksi.

01Mulailah dengan bertanya: apakah ada molekul-molekul terpisah?

Bayangkan sebuah acara formal sekolah yang agak canggung.

Dalam zat kovalen molekuler, orang-orang datang berpasangan. Setiap pasangan saling berpegangan erat, melambangkan ikatan kovalen kuat di dalam suatu molekul. Pasangan yang berbeda berinteraksi jauh lebih longgar, melambangkan gaya antarmolekul di antara molekul-molekul.

Jika semua orang memperoleh cukup energi untuk bergerak lebih bebas, Anda tidak perlu memisahkan setiap pasangan. Anda terutama hanya perlu mengatasi gaya tarik yang lebih lemah antara pasangan-pasangan yang berbeda.

Jaringan kovalen berbeda. Bayangkan semua orang di ruangan terhubung dengan beberapa orang lain sehingga membentuk satu struktur besar yang saling terhubung. Tidak ada kelompok-kelompok kecil terpisah yang dapat begitu saja menjauh satu sama lain. Untuk memisahkan struktur tersebut, Anda harus mengganggu ikatan-ikatan kuat di seluruh jaringan.

Analogi ini memiliki keterbatasan. Ikatan kimia bukanlah penghubung mekanis secara harfiah, dan gaya antarmolekul merupakan interaksi elektrostatik nyata, bukan sekadar kecanggungan sosial yang samar. Namun, perbedaan yang ditunjukkan analogi ini tepat dan penting:

• zat kovalen molekuler mengandung molekul-molekul diskret
• zat jaringan kovalen mengandung jaringan luas atom-atom yang terikat secara kovalen

Anda mungkin juga melihat jaringan kovalen disebut sebagai struktur kovalen raksasa.

02Zat kovalen molekuler memiliki dua tingkat gaya tarik

Perhatikan karbon dioksida, \(\ce{CO2}\).

Di dalam setiap molekul karbon dioksida, atom karbon dan oksigen disatukan oleh ikatan kovalen yang kuat:

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

Namun, satu molekul \(\ce{CO2}\) tidak terikat secara kovalen dengan molekul \(\ce{CO2}\) berikutnya. Sebaliknya, terdapat gaya antarmolekul di antara molekul-molekul tersebut.

Jadi, ada dua hal berbeda yang perlu diperhatikan:

Perbedaan ini sangat penting selama perubahan wujud.

Ketika zat molekuler meleleh atau mendidih tanpa terurai, molekul-molekulnya terpisah atau bergerak lebih bebas. Ikatan kovalen di dalam molekul umumnya tetap utuh. Gaya tarik antarmolekullah yang diatasi.

Itulah sebabnya pernyataan “zat kovalen memiliki titik leleh rendah karena ikatan kovalen lemah” adalah keliru.

Ikatan kovalennya tidak lemah. Dalam zat molekuler, biasanya Anda tidak perlu memutus ikatan tersebut untuk melelehkan atau mendidihkan zat.

03Jaringan kovalen tidak memiliki molekul-molekul terpisah yang dapat ditarik menjauh

Sekarang perhatikan berlian.

Berlian tidak mengandung molekul-molekul kecil \(\ce{C4}\), \(\ce{C20}\), atau molekul karbon lainnya yang tersusun berdampingan. Setiap atom karbon terikat secara kovalen dengan empat atom karbon lain dalam susunan tiga dimensi.

Atom-atom karbon tetangga tersebut terikat dengan lebih banyak atom karbon, yang kembali terikat dengan atom karbon lainnya. Pola ini berlanjut ke seluruh kristal.

Karena itu, tidak ada batas yang berguna untuk menentukan di mana satu “molekul berlian” berakhir dan molekul berikutnya dimulai.

Mengapa berlian sangat keras

Misalkan Anda mencoba mendorong satu lapisan atom melewati lapisan lainnya.

Dalam padatan molekuler, molekul-molekul mungkin dapat bergerak relatif satu sama lain setelah gaya tarik antarmolekul diatasi.

Berlian tidak memiliki lapisan-lapisan molekul terpisah yang terikat lemah. Atom-atom karbonnya ditahan dalam jaringan tiga dimensi yang kaku oleh ikatan kovalen yang kuat.

Karena itu, mengubah bentuk struktur berarti harus melawan atau mengganggu ikatan-ikatan kuat. Inilah yang membuat berlian memiliki kekerasan yang sangat tinggi.

Kekerasan tidak sama dengan ketangguhan. Suatu bahan dapat sangat tahan terhadap goresan tetapi tetap dapat patah jika dikenai gaya yang sesuai. Dalam soal kimia, nyatakan dengan tepat sifat mana yang sedang dibahas.

Mengapa berlian memerlukan suhu ekstrem untuk merusak strukturnya

Tidak ada gaya tarik antarmolekul yang lemah yang menahan molekul-molekul berlian terpisah, karena memang tidak ada molekul berlian yang terpisah.

Memisahkan atom dari struktur memerlukan gangguan terhadap ikatan kovalen di seluruh jaringan. Hal ini membutuhkan energi jauh lebih besar daripada mengatasi gaya antarmolekul dalam zat molekuler biasa.

Inilah sebabnya struktur kovalen raksasa umumnya memiliki suhu yang sangat tinggi untuk proses seperti peleburan, penguraian, atau penguapan.

Mengapa berlian tidak menghantarkan listrik

Suatu bahan hanya dapat menghantarkan listrik jika mengandung partikel bermuatan yang dapat bergerak melalui bahan tersebut.

Dalam berlian, elektron valensi terlokalisasi dalam ikatan kovalen. Tidak ada ion yang dapat bergerak dan tidak ada elektron terdelokalisasi yang dapat bergerak bebas.

Karena itu, berlian merupakan isolator listrik.

Perhatikan cara berpikirnya. Kita tidak mengatakan, “Zat ini kovalen, jadi tidak dapat menghantarkan listrik.” Aturan yang lebih baik adalah:

Carilah pembawa muatan yang dapat bergerak.

Aturan ini akan tetap berguna dalam jauh lebih banyak situasi kimia dibandingkan daftar hubungan struktur-sifat yang sekadar dihafal.

04Silikon dioksida juga merupakan jaringan kovalen

Silikon dioksida, \(\ce{SiO2}\), menghadirkan jebakan yang cukup menjengkelkan bagi siswa.

Anda mungkin melihat rumusnya dan membayangkan molekul seperti karbon dioksida:

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

Untuk silikon dioksida padat biasa seperti kuarsa, gambaran itu salah.

Silikon dioksida membentuk jaringan tiga dimensi yang luas. Setiap atom silikon terikat secara kovalen dengan empat atom oksigen. Setiap atom oksigen bertindak sebagai jembatan antara dua atom silikon.

Jadi, tidak ada molekul \(\ce{SiO2}\) terpisah yang berada berdampingan.

Lalu mengapa rumusnya \(\ce{SiO2}\)?

Rumus tersebut menunjukkan rasio keseluruhan atom, bukan selalu isi satu molekul.

Untuk silikon dioksida:

• setiap silikon terhubung dengan empat atom oksigen
• setiap oksigen dibagi antara dua atom silikon

Jadi, empat atom oksigen tetangga tersebut memberikan kontribusi rata-rata sebesar

\[ \frac{4}{2}=2 \]

atom oksigen per atom silikon.

Dengan demikian, rasio keseluruhannya adalah \(1:2\), sehingga diperoleh \(\ce{SiO2}\).

Ini merupakan perbedaan penting. Rumus kimia tidak secara otomatis berarti bahwa suatu zat terdiri atas molekul-molekul dengan kumpulan atom yang persis seperti rumus tersebut.

05Perbandingan berlian dan silikon dioksida

Berlian dan silikon dioksida sama-sama merupakan jaringan kovalen tiga dimensi, tetapi jaringan keduanya tidak identik.

Sifat-sifatnya berasal dari ikatan yang meluas di seluruh struktur, bukan sekadar dari kata “kovalen”.

08Bagaimana struktur mengendalikan sifat fisik utama

Alih-alih menghafal fakta terpisah untuk setiap zat, tanyakan apa yang secara fisik harus terjadi agar sifat tersebut muncul.

Pelelehan dan pendidihan

Untuk zat kovalen molekuler, perubahan wujud biasanya mengharuskan molekul-molekul bergerak lebih berjauhan atau lebih bebas.

Artinya, gaya antarmolekul harus diatasi.

Untuk jaringan kovalen, tidak ada molekul terpisah yang dapat dilepaskan. Mengganggu strukturnya memerlukan pemutusan atau penyusunan ulang ikatan kovalen kuat di seluruh jaringan.

Jadi, zat jaringan kovalen umumnya memerlukan energi jauh lebih besar untuk merusak strukturnya.

Berhati-hatilah dengan frasa “titik didih tinggi”. Beberapa zat kovalen raksasa dapat terurai, berubah struktur, atau menyublim dalam kondisi tertentu, alih-alih mengalami transisi cair-ke-gas yang sederhana. Prinsip yang berguna adalah bahwa memisahkan atom-atom dalam jaringan memerlukan energi yang sangat besar.

Kekerasan

Padatan molekuler sering memiliki kekerasan yang relatif rendah karena molekul-molekulnya ditahan oleh gaya antarmolekul, bukan oleh ikatan kovalen yang meluas ke seluruh padatan.

Berlian sangat keras karena ikatan kovalen kuat meluas dalam tiga dimensi.

Silikon dioksida juga keras karena deformasi harus mengganggu jaringan Si-O yang luas.

Ini adalah kecenderungan, bukan alasan untuk menyatakan bahwa setiap jaringan kovalen pasti memiliki sifat mekanis yang identik. Susunan rinci jaringan juga penting.

Konduktivitas listrik

Jangan menentukan hal ini hanya berdasarkan jenis ikatan.

Tanyakan:

Apakah ada partikel bermuatan yang dapat bergerak?

Untuk berlian dan silikon dioksida, jawabannya tidak. Elektron-elektronnya terlokalisasi dalam ikatan, dan tidak ada ion yang dapat bergerak.

Karena itu, keduanya menghantarkan listrik dengan sangat buruk.

Hal ini juga menjelaskan mengapa pernyataan “semua jaringan kovalen adalah nonkonduktor” terlalu luas. Beberapa jaringan kovalen dapat mengandung elektron terdelokalisasi. Grafit merupakan contoh yang umum. Susunan atom karbonnya yang berbeda memberinya sifat listrik dan mekanis yang berbeda dari berlian.

Kelarutan

Agar suatu zat larut, pelarut harus mampu memisahkan partikel-partikelnya dan menstabilkannya.

Air terkadang dapat memisahkan molekul satu sama lain karena proses tersebut hanya memerlukan penggantian gaya tarik antarmolekul dengan gaya tarik baru antara zat terlarut dan air.

Jaringan kovalen tiga dimensi jauh lebih sulit dipisahkan. Air tidak dapat begitu saja melepaskan molekul-molekul individual karena tidak ada molekul individual yang dapat dilepaskan.

Karena itu, berlian dan silikon dioksida tidak larut dalam air dalam kondisi biasa.

Jangan mengubah hal itu menjadi aturan “kovalen berarti tidak larut”. Banyak zat kovalen molekuler mudah larut dalam pelarut yang sesuai. Polaritas molekul dan gaya antarmolekul juga penting.

09Perbandingan yang perlu diingat

Karena itu, aturan pengambilan keputusan HSC yang paling cepat adalah:

1. Tentukan apakah zat mengandung molekul-molekul diskret atau jaringan yang luas.
2. Identifikasi gaya tarik apa yang harus diatasi untuk sifat yang sedang dibahas.
3. Untuk konduktivitas listrik, periksa secara terpisah apakah ada pembawa muatan yang dapat bergerak.
4. Gunakan struktur untuk menjelaskan sifat, alih-alih hanya mengutip sifat tersebut dari ingatan.

10Kesalahpahaman yang paling menggoda: “zat kovalen memiliki titik leleh rendah”

Pernyataan ini mencampuradukkan dua struktur yang sangat berbeda.

Seorang siswa mungkin berpikir:

“Zat kovalen mengandung ikatan kovalen. Zat molekuler mudah meleleh. Karena itu, ikatan kovalen pasti mudah diputus.”

Kesalahannya terdapat pada langkah kedua.

Ketika zat molekuler meleleh, ikatan kovalennya biasanya tidak putus. Molekul-molekul tetap utuh sementara gaya antarmolekul diatasi.

Ketika struktur kovalen raksasa dirusak, ikatan kovalen dalam jaringan yang luas benar-benar harus terganggu.

Jadi, perbandingan yang lebih baik adalah:

• kovalen molekuler: ikatan kuat di dalam molekul, gaya tarik yang lebih lemah di antara molekul
• jaringan kovalen: ikatan kovalen kuat yang meluas ke seluruh struktur

Perbedaan ini menjelaskan mengapa dua zat dapat sama-sama disebut kovalen tetapi memiliki sifat fisik yang sepenuhnya berbeda.

11Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Klorin padat terdiri atas molekul-molekul \(\ce{Cl2}\) yang diskret. Ketika klorin padat meleleh, apakah ikatan kovalen Cl-Cl diputus? Jelaskan.

Solusi 1

Tidak. Ikatan kovalen Cl-Cl tetap utuh selama pelelehan.

Klorin padat merupakan zat kovalen molekuler. Setiap molekul mengandung ikatan kovalen Cl-Cl yang kuat, sedangkan molekul-molekul \(\ce{Cl2}\) yang terpisah saling menarik melalui gaya antarmolekul.

Selama pelelehan, cukup banyak gaya tarik antarmolekul yang diatasi sehingga molekul-molekul dapat bergerak melewati satu sama lain. Memutus ikatan Cl-Cl akan menghasilkan atom-atom klorin dan melibatkan perubahan kimia, bukan proses fisik biasa berupa pelelehan.

Jebakan yang umum adalah mengatakan bahwa “ikatan diputus selama pelelehan” tanpa menjelaskan gaya tarik mana yang terlibat. Untuk zat molekuler, pelelehan biasa terutama mengatasi gaya antarmolekul, bukan ikatan kovalen di dalam setiap molekul.

Pertanyaan 2

Suatu struktur kovalen raksasa hipotetis mengandung atom X dan Y. Setiap atom X terikat secara kovalen dengan tiga atom Y, dan setiap atom Y digunakan bersama oleh dua atom X. Tentukan rumus paling sederhana dari struktur tersebut.

Solusi 2

Rumus paling sederhana adalah \(\ce{X2Y3}\).

Misalkan terdapat \(N\) atom X. Setiap X memiliki tiga hubungan X-Y, sehingga menghasilkan

\[ 3N \]

hubungan X-Y.

Setiap atom Y terhubung dengan dua atom X, sehingga setiap Y mewakili dua hubungan. Oleh karena itu, jumlah atom Y adalah

\[ \frac{3N}{2} \]

Rasionya adalah

\[ \text{X:Y}=N:\frac{3N}{2} \]

Dengan mengalikan kedua bagian dengan 2, diperoleh

\[ \text{X:Y}=2:3 \]

sehingga rumus paling sederhananya adalah

\[ \ce{X2Y3} \]

Gagasan pentingnya adalah bahwa atom-atom tetangga dalam suatu jaringan digunakan bersama. Menghitung tiga tetangga Y di sekitar satu X tidak berarti rumusnya harus \(\ce{XY3}\).

Pertanyaan 3

Dua padatan kovalen diperiksa.

Zat A terdiri atas molekul-molekul diskret dan meleleh ketika dipanaskan secara sedang. Zat B merupakan jaringan tiga dimensi tempat setiap atom terhubung dengan atom-atom tetangganya melalui ikatan kovalen.

Seorang siswa berkata, “B memiliki titik leleh lebih tinggi karena ikatan kovalen individunya pasti lebih kuat daripada ikatan kovalen dalam A.”

Evaluasi penjelasan siswa tersebut.

Solusi 3

Kesimpulan mengenai perilaku pelelehan mungkin masuk akal, tetapi penjelasan siswa tersebut tidak tepat. Kita tidak perlu berasumsi bahwa B memiliki ikatan kovalen individual yang lebih kuat.

Dalam zat A, ikatan kovalen menyatukan atom-atom di dalam setiap molekul. Pelelehan terutama memerlukan pengatasan gaya antarmolekul di antara molekul-molekul yang terpisah.

Dalam zat B, tidak terdapat molekul-molekul terpisah. Ikatan kovalen kuat meluas ke seluruh jaringan tiga dimensi. Karena itu, merusak struktur padatan yang teratur memerlukan gangguan luas terhadap ikatan kovalen.

Dengan demikian, perbedaan perilaku pelelehan dapat dijelaskan oleh interaksi mana yang harus diatasi, bukan dengan menyatakan bahwa setiap ikatan kovalen individual dalam B lebih kuat daripada setiap ikatan kovalen dalam A.

Itulah jebakannya: membandingkan kekuatan ikatan sebelum menentukan ikatan mana yang sebenarnya terlibat dalam perubahan fisik tersebut.

Pertanyaan 4

Suatu padatan tak dikenal bersifat keras, memiliki titik leleh sangat tinggi, tidak menghantarkan listrik dalam keadaan padat, dan tidak larut dalam air.

Dapatkah Anda menyimpulkan hanya dari pengamatan tersebut bahwa zat itu pasti merupakan padatan jaringan kovalen? Jelaskan.

Solusi 4

Tidak. Pengamatan tersebut konsisten dengan jaringan kovalen, tetapi tidak secara unik membuktikan struktur tersebut.

Jaringan kovalen tiga dimensi seperti berlian atau silikon dioksida dapat bersifat keras, memiliki titik leleh yang sangat tinggi, tidak larut dalam air, dan tidak menghantarkan listrik.

Namun, beberapa padatan ionik juga dapat bersifat keras, memiliki titik leleh tinggi, tidak larut atau hanya sedikit larut, serta tidak menghantarkan listrik dalam keadaan padat. Dalam padatan ionik, ion-ion memang bermuatan tetapi tetap pada posisinya, sehingga tidak dapat membawa arus selama kisi tetap padat.

Karena itu, diperlukan bukti tambahan. Sebagai contoh, konduktivitas setelah pelelehan dapat membantu membedakan struktur karena zat ionik cair mengandung ion-ion yang dapat bergerak, sedangkan jaringan kovalen tipikal seperti silikon dioksida tidak tiba-tiba menjadi cairan yang berisi ion-ion bebas bergerak.

Asumsi tersembunyinya adalah bahwa satu kumpulan sifat makroskopis pasti hanya berkaitan dengan satu jenis ikatan. Dalam praktiknya, identifikasi struktur sebaiknya menggunakan beberapa bukti.

Pertanyaan 5

Suatu bentuk unsur yang baru ditemukan mengandung ikatan kovalen kuat yang meluas di sepanjang lembaran-lembaran datar. Hanya terdapat gaya tarik lemah di antara lembaran-lembaran yang berdekatan. Beberapa elektron terdelokalisasi dan dapat bergerak di sepanjang setiap lembaran.

Seorang siswa berpendapat, “Zat ini merupakan struktur kovalen raksasa, jadi pasti sangat keras ke segala arah dan tidak mampu menghantarkan listrik.”

Prediksi apakah kedua klaim siswa tersebut harus benar.

Solusi 5

Kedua klaim tersebut tidak harus benar. Bahan itu dapat relatif mudah bergeser di antara lembaran-lembarannya dan dapat menghantarkan listrik di sepanjang lembaran tersebut.

Di dalam setiap lembaran, ikatan kovalen yang kuat akan sangat menahan upaya untuk memisahkan atom-atom yang terikat.

Namun, di antara lembaran hanya terdapat gaya tarik yang lemah. Karena itu, satu lembaran dapat bergeser melewati lembaran lainnya jauh lebih mudah daripada atom dapat bergerak melalui jaringan tiga dimensi berlian. Struktur kovalen raksasa tidak secara otomatis memiliki kekerasan yang sama ke segala arah.

Elektron-elektron terdelokalisasi menyediakan pembawa muatan yang dapat bergerak. Elektron tersebut dapat bergerak melalui lembaran, sehingga konduksi listrik dapat terjadi meskipun zat tersebut terikat secara kovalen.

Kesalahannya adalah menggunakan label kovalen raksasa seolah-olah label tersebut sendiri menentukan setiap sifat. Anda tetap perlu memeriksa geometri jaringan dan perilaku elektronnya.

Pertanyaan 6

Sebuah kristal kuarsa yang tersusun dari \(\ce{SiO2}\) dihancurkan menjadi serbuk yang sangat halus.

Seorang siswa menyatakan bahwa penghancuran tersebut pasti telah mengubah jaringan kovalen raksasa menjadi molekul-molekul \(\ce{SiO2}\) yang terpisah karena potongannya sekarang jauh lebih kecil.

Jelaskan mengapa kesimpulan ini salah.

Solusi 6

Menghancurkan kuarsa menghasilkan potongan-potongan jaringan kovalen yang lebih kecil, bukan kumpulan molekul \(\ce{SiO2}\) yang terpisah.

Pemecahan kristal menciptakan permukaan baru dan tentu saja mengganggu sebagian ikatan Si-O pada lokasi terjadinya retakan. Namun, di dalam setiap butiran kecil, atom silikon dan oksigen tetap terhubung melalui struktur kovalen yang luas.

Mengecilkan ukuran kristal tidak secara otomatis mengubah model ikatannya. Bahkan butiran mikroskopis dapat mengandung jumlah atom yang sangat besar yang saling terhubung sebagai jaringan.

Rumus \(\ce{SiO2}\) tetap menggambarkan rasio keseluruhan silikon terhadap oksigen sebesar \(1:2\). Rumus itu tidak tiba-tiba menjadi rumus molekul dari suatu partikel diskret.

Perbedaan ini menjadi berguna ketika Anda melanjutkan ke jaringan ionik dan struktur logam. Untuk padatan apa pun, pertanyaan awal yang berguna bukan sekadar “Jenis ikatan apa yang dikandungnya?” Melainkan: partikel atau unit struktur apa yang sebenarnya ada, apa yang menyatukannya, dan partikel mana yang dapat bergerak?