Polaritas Ikatan dan Keelektronegatifan: Panduan Kimia HSC

Dua atom membentuk ikatan kovalen dengan berbagi elektron. Namun, kata “berbagi” dapat menyesatkan. Jika fluorin berikatan dengan hidrogen, elektronnya memang dibagi, tetapi fluorin menarik elektron tersebut jauh lebih kuat. Jika dua atom fluorin berikatan, tidak ada satu pun yang memiliki keunggulan.

Jadi, pertanyaan yang berguna adalah: bagaimana Anda dapat memprediksi apakah suatu ikatan berbagi elektron secara merata, sedikit tidak merata, atau sangat tidak merata hanya berdasarkan unsur-unsur yang terlibat?

Sebelum melanjutkan, bandingkan ikatan \(\ce{H-F}\) dengan ikatan \(\ce{H-I}\). Menurut Anda, manakah yang memiliki distribusi elektron yang lebih tidak merata?

Jawabannya adalah \(\ce{H-F}\). Alasannya berasal dari posisi fluorin dan iodin dalam tabel periodik, serta dari suatu sifat yang disebut keelektronegatifan.

01Mulailah dengan pembagian yang tidak merata

Bayangkan ikatan kovalen seperti dua orang yang berbagi satu selimut. Jika keduanya menarik dengan kekuatan yang kira-kira sama, selimut akan tetap kurang lebih berada di tengah. Jika satu orang menarik jauh lebih kuat, sebagian besar selimut akan berada di sisinya.

Selimut tersebut mewakili elektron ikatan. Tarikan masing-masing orang mewakili daya tarik atom terhadap elektron tersebut.

Gambaran ini berguna, tetapi hanya merupakan sebuah model. Elektron bukan potongan kain yang berada pada satu titik. Suatu ikatan melibatkan distribusi kerapatan elektron di antara inti atom. “Menarik selimut” hanyalah cara untuk membayangkan satu atom menarik kerapatan elektron tersebut dengan lebih kuat.

Ketika dua atom menarik elektron ikatan dengan kekuatan yang sama, atau hampir sama, ikatannya bersifat nonpolar atau hanya sangat lemah polar.

Ketika satu atom menarik elektron ikatan dengan lebih kuat, kerapatan elektron bergeser ke arah atom tersebut. Ikatannya bersifat polar.

Sebagai contoh, dalam \(\ce{H-Cl}\), klorin menarik elektron ikatan lebih kuat daripada hidrogen. Oleh karena itu, klorin menjadi sedikit bermuatan negatif, sedangkan hidrogen menjadi sedikit bermuatan positif:

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

Simbol \(\delta\), dibaca “delta”, berarti muatan parsial. Hidrogen belum sepenuhnya kehilangan elektron, dan klorin belum sepenuhnya memperoleh elektron. Elektronnya masih dibagi bersama.

Perbedaan ini penting karena polaritas ikatan merupakan sebuah spektrum, bukan pilihan antara hanya “kovalen sempurna” dan “ionik sepenuhnya”.

02Tabel periodik memberi Anda prediksi pertama

Sifat yang mengendalikan pembagian tidak merata ini adalah keelektronegatifan.

Keelektronegatifan adalah kemampuan suatu atom untuk menarik elektron yang dibagi bersama dalam ikatan kovalen.

Anda tidak perlu menghafal keelektronegatifan setiap unsur untuk membuat prediksi yang berguna. Tabel periodik memberi Anda kecenderungan utama:

• keelektronegatifan secara umum meningkat dari kiri ke kanan sepanjang suatu periode
• keelektronegatifan secara umum menurun ketika bergerak ke bawah suatu golongan
• fluorin, yang berada dekat bagian kanan atas tabel periodik, memiliki keelektronegatifan tertinggi
• logam di sebelah kiri umumnya memiliki keelektronegatifan rendah, sedangkan nonlogam di bagian kanan atas umumnya memiliki keelektronegatifan lebih tinggi

Mengapa hal ini terjadi?

Sepanjang suatu periode, jumlah proton dalam inti meningkat sementara elektron tambahan memasuki kulit elektron utama yang sama. Oleh karena itu, inti cenderung menarik elektron ikatan dengan lebih kuat.

Ke bawah suatu golongan, atom memperoleh tambahan kulit elektron yang terisi. Elektron ikatan berada lebih jauh dari inti dan mengalami efek perisai yang lebih besar dari elektron bagian dalam, sehingga atom secara umum menarik elektron yang dibagi bersama dengan lebih lemah.

Hal ini memberi kita aturan prediksi yang berguna:

Semakin besar perbedaan keelektronegatifan antara dua atom yang berikatan, semakin tidak merata elektron ikatannya cenderung dibagi.

Sekarang kembali ke \(\ce{H-F}\) dan \(\ce{H-I}\). Fluorin berada jauh lebih tinggi daripada iodin dalam Golongan 17, sehingga fluorin lebih elektronegatif. Hal ini membuat perbedaan keelektronegatifan pada \(\ce{H-F}\) lebih besar, dan ikatan \(\ce{H-F}\) lebih polar.

03Mengukur perbedaannya

Keelektronegatifan biasanya dilambangkan dengan simbol \(\chi\), huruf Yunani chi.

Untuk atom A dan B, perbedaan keelektronegatifannya adalah

\[
\Delta \chi = |\chi_{\mathrm{A}}-\chi_{\mathrm{B}}|
\]

dengan:

• \(\Delta \chi\) adalah perbedaan keelektronegatifan
• \(\chi_{\mathrm{A}}\) adalah keelektronegatifan atom A
• \(\chi_{\mathrm{B}}\) adalah keelektronegatifan atom B

Garis vertikal tersebut berarti mengambil nilai mutlak, sehingga \(\Delta \chi\) bernilai positif terlepas dari unsur mana yang Anda tulis terlebih dahulu.

Misalkan atom A memiliki keelektronegatifan \(3.0\), sedangkan atom B memiliki keelektronegatifan \(2.0\).

Maka

\[
\Delta \chi = |3.0-2.0|=1.0
\]

Atom A menarik elektron ikatan dengan lebih kuat, sehingga A menjadi bermuatan parsial negatif dan B menjadi bermuatan parsial positif.

Sebuah spektrum, bukan tiga kotak terpisah

Anda terkadang akan melihat ikatan dibagi menjadi kategori seperti kovalen nonpolar, kovalen polar, dan ionik. Kategori-kategori ini berguna, tetapi batas di antara kategori tersebut bukanlah hukum alam.

Model mental yang lebih baik adalah spektrum kontinu:

Seiring meningkatnya \(\Delta \chi\), ikatan secara umum mengalami pemisahan muatan yang semakin besar.

Beberapa buku teks menetapkan batas angka yang tepat untuk kategori-kategori ini. Perlakukan angka-angka tersebut sebagai pedoman, bukan aturan universal. Nilai \(1.69\) tidak menghasilkan jenis ikatan yang secara mendasar berbeda dari nilai \(1.71\).

Perubahan sifat kimianya berlangsung secara bertahap.

04Posisi kedua atom dalam ikatan sama-sama penting

Anda mungkin tergoda untuk hanya berfokus pada unsur mana yang lebih elektronegatif. Namun, untuk polaritas ikatan, Anda perlu memperhatikan perbedaan antara kedua unsur.

Perhatikan tiga ikatan berikut:

• \(\ce{C-F}\)
• \(\ce{Si-F}\)
• \(\ce{Si-Cl}\)

Anda mungkin langsung menyadari bahwa fluorin sangat elektronegatif. Itu benar. Namun, silikon juga kurang elektronegatif daripada karbon, sehingga perubahan atom di ujung lain ikatan juga penting.

05Memprediksi polaritas tanpa diberi angka

Dalam banyak soal, Anda dapat menalar berdasarkan posisi dalam tabel periodik sebelum menggunakan nilai keelektronegatifan.

Misalkan Anda perlu membandingkan \(\ce{C-Cl}\) dan \(\ce{Si-Cl}\).

Karbon dan silikon berada dalam golongan yang sama, dengan karbon di atas silikon. Keelektronegatifan menurun ke bawah golongan, sehingga karbon lebih elektronegatif daripada silikon.

Artinya, keelektronegatifan karbon lebih dekat dengan klorin daripada keelektronegatifan silikon dengan klorin.

Jadi, Anda akan memprediksi:

\[
\Delta \chi_{\ce{Si-Cl}}>\Delta \chi_{\ce{C-Cl}}
\]

dan oleh karena itu \(\ce{Si-Cl}\) seharusnya lebih polar.

Hal ini memberi Anda proses praktis.

1. Tentukan posisi kedua unsur dalam tabel periodik.
2. Tentukan atom mana yang seharusnya lebih elektronegatif.
3. Pertimbangkan seberapa besar kemungkinan perbedaan keelektronegatifan keduanya.
4. Jika nilai numerik diberikan, hitung \(\Delta \chi\).
5. Atom yang lebih elektronegatif memperoleh \(\delta-\), sedangkan atom yang kurang elektronegatif memperoleh \(\delta+\).

Bagian yang penting adalah langkah 3. Hanya mengatakan “fluorin bersifat elektronegatif” tidaklah cukup. Polaritas bergantung pada perbedaan, bukan pada nilai satu atom saja.

06Kesalahpahaman yang menggoda: unsur yang berbeda pasti membentuk ikatan polar

Berikut adalah prediksi yang patut diperiksa. Jika dua unsur yang berbeda membentuk ikatan kovalen, apakah salah satunya pasti menarik elektron secara jelas lebih kuat?

Tidak.

Ambil contoh fosfor dan hidrogen. Keelektronegatifan Pauling keduanya kira-kira

\[
\chi_{\ce{P}}=2.19
\]

dan

\[
\chi_{\ce{H}}=2.20
\]

Maka

\[
\Delta \chi=|2.20-2.19|=0.01
\]

Perbedaan tersebut sangat kecil.

Oleh karena itu, berdasarkan ukuran ini, ikatan \(\ce{P-H}\) pada dasarnya nonpolar, meskipun fosfor dan hidrogen merupakan unsur yang berbeda.

Bandingkan dengan ikatan antara atom-atom identik seperti \(\ce{Cl-Cl}\). Perbedaan keelektronegatifannya tepat nol karena kedua atom memiliki keelektronegatifan yang sama.

Jadi, ada dua gagasan berguna yang perlu dipisahkan:

• ikatan antara atom-atom identik bersifat nonpolar karena \(\Delta\chi=0\)
• ikatan antara atom-atom yang berbeda masih dapat hampir nonpolar jika keelektronegatifannya sangat mirip

Nama unsurnya tidak menentukan polaritas. Perbedaan daya tariknya terhadap elektron ikatanlah yang menentukannya.

07Kesalahpahaman lain: ikatan polar membuat seluruh molekul menjadi polar

Polaritas ikatan dan polaritas molekul saling berkaitan, tetapi keduanya bukan pertanyaan yang sama.

Untuk suatu ikatan, pertanyaannya adalah: “Apakah kerapatan elektron terdistribusi secara tidak merata di antara kedua atom ini?”

Untuk suatu molekul, pertanyaannya adalah: “Ketika semua polaritas ikatannya digabungkan dalam tiga dimensi, apakah terdapat distribusi muatan keseluruhan yang tidak merata?”

Sebagai contoh, setiap ikatan \(\ce{C=O}\) dalam \(\ce{CO2}\) bersifat polar. Oksigen lebih elektronegatif daripada karbon.

Namun, \(\ce{CO2}\) berbentuk linear, dengan dua polaritas ikatan identik yang mengarah ke arah berlawanan. Efek keduanya saling meniadakan, sehingga molekul tersebut tidak memiliki dipol permanen secara keseluruhan.

Sebaliknya, air mengandung ikatan \(\ce{O-H}\) yang polar, dan bentuk molekulnya yang bengkok berarti polaritas ikatan tersebut tidak saling meniadakan.

Jadi, polaritas ikatan adalah salah satu komponen dalam polaritas molekul. Bentuk molekul menentukan bagaimana komponen-komponen tersebut bergabung.

Hal ini menjadi penting ketika Anda melanjutkan ke gaya antarmolekul dan sifat-sifat seperti kelarutan dan titik didih.

08Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Keelektronegatifan Pauling nitrogen, fosfor, dan hidrogen masing-masing adalah \(3.04\), \(2.19\), dan \(2.20\).

Bandingkan polaritas ikatan \(\ce{N-H}\) dengan ikatan \(\ce{P-H}\). Identifikasi atom yang bermuatan parsial negatif dalam setiap ikatan, jika terdapat muatan parsial yang bermakna.

Solusi 1

Ikatan \(\ce{N-H}\) jauh lebih polar daripada ikatan \(\ce{P-H}\). Nitrogen bermuatan parsial negatif dalam \(\ce{N-H}\), sedangkan ikatan \(\ce{P-H}\) pada dasarnya nonpolar.

Untuk \(\ce{N-H}\),

\[
\Delta\chi
=|3.04-2.20|
=0.84
\]

Nitrogen lebih elektronegatif, sehingga kerapatan elektron bergeser ke arah nitrogen:

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

Untuk \(\ce{P-H}\),

\[
\Delta\chi
=|2.19-2.20|
=0.01
\]

Perbedaannya sangat kecil, sehingga hampir tidak ada pembagian elektron yang tidak merata.

Jebakannya adalah menganggap bahwa dua unsur yang berbeda pasti secara otomatis menghasilkan ikatan yang sangat polar. Yang penting adalah perbedaan keelektronegatifannya.

Pertanyaan 2

Oksigen dan sulfur berada dalam Golongan 16. Karbon membentuk ikatan dengan kedua unsur tersebut.

Dengan menggunakan keelektronegatifan \(C=2.55\), \(O=3.44\), dan \(S=2.58\):

1. hitung perbedaan keelektronegatifan untuk \(\ce{C-O}\) dan \(\ce{C-S}\)
2. tentukan ikatan mana yang lebih polar
3. jelaskan bagaimana hasil tersebut sesuai dengan kecenderungan tabel periodik

Solusi 2

Ikatan \(\ce{C-O}\) jauh lebih polar, sedangkan ikatan \(\ce{C-S}\) hampir nonpolar.

Untuk \(\ce{C-O}\),

\[
\Delta\chi_{\ce{C-O}}
=|3.44-2.55|
=0.89
\]

Untuk \(\ce{C-S}\),

\[
\Delta\chi_{\ce{C-S}}
=|2.58-2.55|
=0.03
\]

Oleh karena itu,

\[
\Delta\chi_{\ce{C-O}}>\Delta\chi_{\ce{C-S}}
\]

sehingga \(\ce{C-O}\) lebih polar.

Dalam ikatan \(\ce{C-O}\), oksigen bermuatan parsial negatif karena lebih elektronegatif:

\[
\ce{C^{\delta+}-O^{\delta-}}
\]

Karbon dan sulfur memiliki keelektronegatifan yang hampir sama, sehingga ikatan \(\ce{C-S}\) memiliki pemisahan muatan yang sangat kecil.

Kecenderungan periodik menjelaskan alasannya. Oksigen berada di atas sulfur dalam Golongan 16, dan keelektronegatifan secara umum menurun ke bawah suatu golongan. Oleh karena itu, oksigen menarik elektron ikatan jauh lebih kuat daripada sulfur.

Pertanyaan 3

Pertimbangkan ikatan antara klorin dan tiga unsur Periode 3: natrium, magnesium, dan aluminium.

Keelektronegatifan Pauling unsur-unsur tersebut adalah \(Na=0.93\), \(Mg=1.31\), \(Al=1.61\), dan \(Cl=3.16\).

Urutkan interaksi \(\ce{Na-Cl}\), \(\ce{Mg-Cl}\), dan \(\ce{Al-Cl}\) berdasarkan perbedaan keelektronegatifan dari yang terbesar ke yang terkecil. Jelaskan apa yang ditunjukkan hal ini tentang karakter ionik relatifnya.

Solusi 3

Urutan perbedaan keelektronegatifan dari yang terbesar ke yang terkecil adalah \(\ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl}\), sehingga model keelektronegatifan sederhana memprediksi karakter ionik yang menurun sepanjang urutan tersebut.

Untuk \(\ce{Na-Cl}\),

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

Untuk \(\ce{Mg-Cl}\),

\[
\Delta\chi
=|3.16-1.31|
=1.85
\]

Untuk \(\ce{Al-Cl}\),

\[
\Delta\chi
=|3.16-1.61|
=1.55
\]

Oleh karena itu,

\[
\ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl}
\]

dalam hal perbedaan keelektronegatifan.

Kecenderungan ini mengikuti tabel periodik. Ketika bergerak dari natrium ke magnesium lalu ke aluminium sepanjang Periode 3, keelektronegatifan meningkat. Keelektronegatifan klorin tetap, sehingga perbedaan antara klorin dan unsur lainnya menjadi semakin kecil.

Perbedaan keelektronegatifan yang lebih besar secara umum berkaitan dengan pemisahan muatan yang lebih besar dan karakter ionik yang lebih kuat.

Jebakannya adalah memperlakukan “ionik” dan “kovalen” sebagai kotak-kotak yang sepenuhnya terpisah hanya berdasarkan batas angka. Ikatan dan struktur senyawa yang sebenarnya bergantung pada lebih dari sekadar \(\Delta\chi\), tetapi perbedaan keelektronegatifan berguna untuk memprediksi kecenderungannya.

Pertanyaan 4

Seorang siswa membuat argumen berikut:

Fluorin adalah unsur yang paling elektronegatif, jadi setiap ikatan yang mengandung fluorin pasti lebih polar daripada setiap ikatan yang mengandung klorin.

Uji pernyataan ini menggunakan \(\ce{F-F}\) dan \(\ce{Na-Cl}\). Gunakan \(F=3.98\), \(Na=0.93\), dan \(Cl=3.16\).

Solusi 4

Pernyataan tersebut salah. Polaritas ikatan bergantung pada perbedaan antara kedua atom yang berikatan, bukan pada apakah salah satu atom memiliki keelektronegatifan tinggi jika dipertimbangkan sendirian.

Untuk \(\ce{F-F}\), kedua atom memiliki keelektronegatifan yang sama:

\[
\Delta\chi_{\ce{F-F}}
=|3.98-3.98|
=0
\]

Ikatan tersebut bersifat nonpolar.

Untuk \(\ce{Na-Cl}\),

\[
\Delta\chi_{\ce{Na-Cl}}
=|3.16-0.93|
=2.23
\]

Interaksi ini memiliki perbedaan keelektronegatifan yang sangat besar dan pemisahan muatan yang besar.

Oleh karena itu, \(\ce{Na-Cl}\) memiliki polaritas atau karakter ionik yang jauh lebih besar daripada \(\ce{F-F}\), meskipun fluorin sendiri lebih elektronegatif daripada klorin.

Kesalahan siswa tersebut adalah hanya mempertimbangkan satu ujung ikatan. Keelektronegatifan memberi tahu Anda seberapa kuat suatu atom menarik elektron ikatan. Polaritas ikatan membandingkan daya tarik yang bersaing dari kedua atom.

Pertanyaan 5

Seorang siswa diberi dua ikatan kovalen yang tidak diketahui, X-Y dan M-N. Kedua pasangan memiliki perbedaan keelektronegatifan hasil perhitungan yang sama.

Siswa tersebut menyimpulkan:

Kedua ikatan tersebut pasti memiliki distribusi kerapatan elektron yang persis sama dan dipol ikatan yang persis sama.

Apakah kesimpulan tersebut dapat dibenarkan? Jelaskan apa yang dapat dan tidak dapat diberitahukan oleh perbedaan keelektronegatifan.

Solusi 5

Tidak. Perbedaan keelektronegatifan yang sama menunjukkan kecenderungan yang serupa terhadap pembagian elektron yang tidak merata, tetapi tidak menjamin distribusi elektron atau dipol ikatan yang identik.

Keelektronegatifan adalah model yang digunakan untuk membandingkan seberapa kuat atom menarik elektron ikatan. Jika dua ikatan memiliki \(\Delta\chi\) yang sama, model tersebut memberi kita alasan untuk memperkirakan tingkat polaritas yang serupa.

Namun, \(\Delta\chi\) bukan pengukuran langsung terhadap muatan parsial. Distribusi elektron yang sebenarnya bergantung pada atom-atom yang terlibat dan lingkungan ikatannya.

Dipol ikatan juga bergantung pada jumlah muatan yang terpisah dan jarak pemisahan muatan tersebut. Dua ikatan yang berbeda tidak harus memiliki panjang ikatan atau muatan parsial yang identik hanya karena perbedaan keelektronegatifan yang tercantum sama.

Jadi, kesimpulan yang dapat dibenarkan terbatas pada hal berikut:

nilai \(\Delta\chi\) yang sama menunjukkan polaritas yang serupa, tetapi tidak membuktikan bahwa dua ikatan yang berbeda secara fisik identik.

Jebakannya adalah mengubah model prediktif yang berguna menjadi hukum yang pasti.

09Apa yang dapat Anda pahami selanjutnya dari polaritas ikatan

Polaritas ikatan memberi Anda bagian pertama dari rangkaian penalaran yang lebih besar.

Setelah Anda mengetahui ikatan mana yang polar, Anda dapat menggabungkan arah polaritas ikatan tersebut dengan bentuk molekul untuk menentukan apakah polaritas-polaritas ikatan saling memperkuat atau saling meniadakan. Dari situ, Anda memperoleh polaritas molekul.

Selanjutnya, Anda dapat membuat prediksi yang lebih baik tentang gaya antarmolekul, kelarutan, titik didih, dan bagaimana zat berperilaku di sekitar air serta pelarut lainnya.

Urutan yang berguna adalah:

\[
\text{posisi periodik}
\rightarrow
\text{keelektronegatifan}
\rightarrow
\Delta\chi
\rightarrow
\text{polaritas ikatan}
\rightarrow
\text{polaritas molekul}
\rightarrow
\text{perilaku antarmolekul}
\]

Jadi, ketika Anda melihat dua unsur yang berikatan, jangan mulai dengan bertanya, “Apakah ikatan ini ionik atau kovalen?”

Mulailah dengan pertanyaan yang lebih berguna: atom mana yang menarik elektron yang dibagi bersama dengan lebih kuat, dan seberapa besar perbedaannya?