Jenis-Jenis Gaya Antarmolekul, Kekuatan Gaya Antarmolekul dan Pengaruhnya terhadap sifat fisika dan kimia zat

A. GAYA ANTARMOLEKUL

WANIBESAKc - Dalam satu molekul terdiri dari inti atom dan elektron-elektron yang selalu dalam keadaan bergerak dan bertabrakan secara acak. Materi yang berwujud padat, atom ataupun molekul penyusun cenderung tetap tetapi elektron yang ada selalu bergerak. Namun gerakan-gerakan ini tidak dapat dilihat dengan mata karena ukuran partikel-partikel tersebut sangat kecil. Unsur paling ringan adalah helium dan tidak membentuk ikatan kimia dengan mantap. Kenyataan ini merupakan suatu alasan untuk menerima bahwa helium akan tetap berwujud gas pada semua suhu sampai pada suhu nol mutlak. Ternyata helium dapat dicairkan. Hal ini menunjukan bahwa terjadi gaya antar atom helium ketika dicairkan.

Gaya yang terjadi dalam satu molekul kovalen disebut gaya intramolekul yang menstabilkan molekul tersebut. Jika beberapa molekul berada pada satu tempat, maka selain gaya intramolekul terjadi pula gaya antarmolekul atau gaya intermolekul (intermolecule force). Gaya antarmolekul adalah gaya aksi di antara molekul-molekul yang menimbulkan tarikan antarmolekul dengan berbagai tingkat kekuatan. Pada suhu tertentu, kekuatan tarikan antarmolekul menentukan wujud zat, yaitu gas, cair, atau padat. Gaya intramolekul lebih kuat dibanding gaya antarmolekul. Hal ini dapat dijelaskan dari energi yang dibutuhkan untuk mengahkan gaya-gaya tersebut. 

Misalnya:

·         Energi yang dibutuhkan untuk menguapkan 1 mol air (O-H-O) sebesar 41 kJ.

·         Energi yang dibutuhkan untuk mengalahkan atau memutuskan gaya yang terjadi antara O dengan H (ikatan O-H) dalam 1 mol air sebesar 930 kJ.

Dari contoh di atas dapat diketahui bahwa, energi yang dibutuhkan untuk mengalahkan gaya antarmolekul lebih kecil dibanding energi yang dibutuhkan untuk mengalahkan gaya intramolekul.

Gaya antarmolekul secara umum disebut sebagai gaya Van der Waals. Nama tersebut diambil dari nama Johannes Diderik Van der Waals, sebagai orang pertama yang menjelaskan adanya gaya antarmolekul. Konsep mengenai gaya antarmolekul diajukan ketika Van der Waals meneliti suhu kritis gas.

Molekul dibagi menjadi dua golongan yaitu molekul polar dan nonpolar. Ukuran kepolaran molekul dinyatakan dengan momen dipol (dipole moment), yang dilambangkan dengan simbol μ. Molekul nonpolar memiliki moment dipol nol (μ= 0), molekul polar memiliki momen dipol lebih besar dari nol (μ> 0) atau tidak sama dengan nol (μ≠ 0).

Berdasarkan perbedaan polaritas molekul, gaya antarmolekul digolongkan menjadi 4 jenis seperti yang disajikan pada tabel berikut ini.

Jenis gaya antarmolekul	Jenis molekul yang terlibat dalam interaksi	Contoh
Gaya London atau gaya dispersi atau gaya dipol sesaat-dipol induksian	Molekul nonpolar yang sejenis	·   Gaya antarmolekul antara molekul Br2 dalam cairan bromin. ·   Gaya antarmolekul antara molekul I2 dalam padatan iodin.
	Molekul nonpolar yang berbeda	Gaya antarmolekul antara molekul karbon disullfida (CS2) dan molekul karbon tetraklorida (CCl4) pada larutan CS2 dalam CCl4.
Gaya dipol-dipol	Molekul polar yang sejenis dan tidak dapat membentuk ikatan hidrogen	Gaya antarmolekul antara molekul diklorometana (CH2Cl2) dalam cairan diklorometana.
	Molekul polar yang berbeda dan tidak dapat membentuk ikatan hidrogen	Gaya antarmolekul antara molekul kloroform (CHCl3) dan molekul diklorometana (CH2Cl2) pada larutan kloroform dalam diklorometna.
Gaya dipol-dipol induksian	Molekul polar dan molekul nonpolar	Gaya antarmolekul antara molekul etanol dan molekul I2 pada larutan I2 dalam C2H5OH.
Ikatan hidrogen	Molekul polar yang sama dan dapat membentuk ikatan hidrogen	Gaya antarmolekul antara molekul etanol dalam cairan etanol.
	Molekul polar yang berbeda dan tidak dapat membentuk ikatan hidrogen	Gaya antarmolekul antara molekul etanol dan molekul air pada larutan etanol dalam air.

1. Gaya Antarmolekul Polar

Gaya yang terjadi antarmolekul polar disebut gaya dipol-dipol. Dalam satu molekul polar, terdapat kutub negatif pada atom yang lebih elektronegatif dan kutub positif pada atom yang kurang elektronegatif. Oleh sebab itu, kumpulan dari molekul-molekul polar akan membentuk suatu susunan, agar kutub positif selalu dekat dengan kutub negatif dan juga sebaliknya kutub negatif selalu dekat dengan kutub positif, perhatikan Gambar.

G

Gambar Gaya tarik dipol-dipol pada molekul polar dalam fasa cair dan padat

Dengan posisi seperti ini, gaya tarik antarmolekul lebih kuat dibanding gaya tolak. Dalam fasa cair molekul-molekul selalu bergerak dan bertumbukan dengan molekul-molekul lain. Oleh sebab itu posisi molekul-molekul selalu berubah, namun perubahan posisi molekul tidak mengubah letak kutub negatif dan kutub positif. Artinya kutub positif tetap berdekatan dengan kutub negatif bergitupun sebaliknya.

Jika suatu cairan polar dipanaskan, maka molekul-molekul cairan akan bergerak dengan cepat, sehingga tumbukan antarmolekul makin sering terjadi. Hal ini mengebabkan posisi molekul-molekul menjadi tidak teratur (random), walaupun gaya tarik masih lebih kuat dibanding gaya tolak. Pada saat gaya tarik dan gaya tolak antarmolekul seimbang maka cairan tersebut akan mendidih, artinya cairan tersebut telah mencapai titik didih.

Kekuatan gaya dipol-dipol dipengaruhi oleh momen dipol molekul. Makin besar momen dipol makin polar molekul tersebut. Semakin polar molekul semakin kuat gaya dipol-dipol yang terjadi.

2. Gaya antar molekul nonpolar

Gaya yang terjadi pada molekul nonpolar dijelaskan pertama kali oleh London ahli kimia Inggirs, sehingga gaya ini disebut juga gaya London. Seperti yang dijelaskan pada ikatan kovalen nonpolar, bahwa elektron-elektron ikatan terdistribusi merata pada kedua inti atom yang berikatan (tidak menglami polarisasi). Hal ini menyebabkan pusat muatan positif dan negatif berimpit pada satu tempat sehingga molekul tersebut bersifat nonpolar. Namun, karena elektron-elektron dalam molekul selalu bergerak, maka pada saat-saat tertentu elektron-elektron dalam molekul nonpolar akan tersebar tidak merata atau mengalami polarisasi. Akibatnya pusat muatan positif dan muatan negatif yang awalnya berimpit akan memisah, seperti yang ditunjukan pada Gambar berikut.

G

Pemisahan muatan positif dan negatif ini terjadi dalam waktu yang sangat cepat, kemudian hilang atau kembali lagi ke keadan awal. Hal ini terjadi terus menerus-menerus, sehingga molekul tersebut dikatakann memiliki dipol sesaat atau dipol sekejap. Dipol sesaat yang timbul pada satu molekul nonpolar, tentu saja akan mempengaruhi atau menginduksi molekul-molekul lain yang ada di dekatnya. Akibatnya, molekul-molekul disekitarnya yang muatan positif dan negatif masih berimpit (belum mengalami polarisasi) akan memisah juga. Karena pemisahan muatan dipengaruhi oleh molekul yang mengalami dipol sesaat, maka dipol yang dihasilkan disebut dipol imbasan atau dipol induksian. Gaya tarik antara molekul yang mengalami dipol sesaat dengan molekul yang mengalami dipol imbasan atau dipol induksian inilah yang disebut gaya London.

G

Kemudahan molekul nonpolar untuk mengalami dipol sesaat tergantung pada jumlah semua elektron dalam molekul. Jumlah elektron yang dimiliki berbanding lurus dengan massa molekul relatif (Mr) atau massa atom relatif (Ar) untuk gas mulia. Makin besar Mr atau Ar maka jumlah elektron yang dimiliki semakin banyak, sehingga gaya tarik inti atau pengaruh inti atom terhadap awan elektron semakin lemah. Akibatnya awan elektron yang ada makin mudah mengalami polarisasi. Kemudahan awan elektron untuk mengalami polarisasi dinyatakan dengan kebolehpolaran (polarizabilities). Oleh sebab itu, molekul-molekul nonpolar dengan Mr dan Ar besar lebih mudah mengalami dipol sesaat dan dipol induksian. Hal ini menyebabkan polarizabilities molekul tersebut semakin tinggi sehingga gaya London yang terjadi makin kuat. Semakin kuat gaya london semakin besar energi yang dibutuhkan untuk mengalahkan gaya yang terjadi.

Unsur-unsur gas mulia bersifat nonpolar sehingga gaya yang terjadi merupakan gaya London. Untuk dalam tabel periodik dari atas kebawah jumlah elektron unsur-unsur gas mulia makin banyak. Sehingga dipol sesaat dan dipol induksian makin mudah terbentuk. Akibatnya titik didih dan titik lebur gas mulia dari atas ke bawah makin tinggi.

Uji Kompetensi

1. Jelaskan bagaimana terjadinya gaya tarik dipol-dipol dan gaya London.

2. Diketahui massa molekul dari beberapa zat sebagai berikut. N₂ = 28, O₂ = 48, F₂ = 38 Ar = 40, dan Cl₂ = 71. Susunlah zat-zat itu berdasarkan titik didihnya dan jelaskan alasan Anda.

3. Ramalkan titik didih unsur-unsur halogen, dari atas ke bawah bertambah atau berkurang? Jelaskan jawaban Anda.

3. Gaya antar molekul polar dan nonpolar

Jika molekul polar dan nonpolar berada pada suatu tempat, misalnya hidrogen fluorida (HF) dicampur dengan karbon tetraklorida (CCl₄). Ketika dicampur, molekul polar yang memiliki dipol parmanen akan menginduksi molekul nonpolar sehingga pada molekul nonpolar tersebut terjadi dipol induksian. Setelah proses induksian berlangsung, maka antara kedua molekul tersebut terjadi gaya tarik elektrostatik yang disebut gaya dipol permanen-dipol induksian atau gaya dipol-dipol induksian. Dipol permanen pada molekul polar biasanya hanya disebut dipol. Terjadinya gaya dipol-dipol induksian ditunjukan dengan Gambar berikut ini.

G

Uji Kompetensi

Jelaskan terjadinya gaya dipol permanen-dipol induksian atau gaya dipol-dipol induksian.

4. Ikatan Hidrogen

Ikatan hidrogen merupakan ikatan yang tebentuk karena dua buah atom sama-sama mengikat satu atom hidrogen. Umumnya ikatan hidrogen terbentuk jika atom hidrogen diikat oleh atom yang memiliki keelektronegatifan tinggi seperti atom N, O dan F. Atom N, O dan F sangat elektronegatif sehingga ikatan N–H, O–H dan F–H sangat polar. Ikatan hidrogen terbentuk karena proton dari atom hidrogen ditarik oleh atom yang berkeelektronegatifan tinggi yang memiliki pasangan elektron bebas.

Untuk memperjelas ikatan hidogen perhatikan contoh berikut, misalnya A dan B merupakan atom dengan keeletronegatifan tinggi, ikatan hidrogen yang terbentuk dapat digambar sebagai berikut.

Pada gambar di atas ikatan A-H merupakan ikatan kovalen dan selalu lebih pendek dibanding dibanding ikatan H-B yang merupakan ikatan hidrogen. Jika A adalah N maka B dapat berupa N, O atau F. Selain tiga atom tersebut, maka ikatan yang terbentuk bukan merupakan ikatan hidrogen. Contoh tiga zat yang memiliki ikatan hidrogen yaitu air (H₂O), amonia (NH₃), dan hidrogen fluorida (HF).

Pada air, setiap satu molekul membentuk empat ikatan hidrogen dengan empat molekul air yang paling dekat dengannya. Dua ikatan hidrogen terbentuk dari dua atom H dan dua ikatan hidrogen terbentuk melalui dua pasang elektron bebas yang terdapat pada atom O. Pada NH₃ dan HF setiap molekul hanya mampu membentuk dua ikatan hidrogen dengan dua molekul lain yang ada di dekatnya.

                 

G

Gambar Ikatan hidrogen dalam dimer molekul H₂O dan molekul H₂O

Ikatan hidrogen juga terdapat dalam zat berwujud padat misalnya dalam es.

G

Gambar Ikatan hidrogen dalam es

Dalam es, setiap molekul H₂O membentuk empat ikatan hidrogen dengan empat molekul H₂O yang berada disekitarnya dalam bentuk tetrahedral. Molekul-molekul H₂O melalui ikatan-ikatan hidrogen antarmolekul tersebut membentuk jaringan tiga dimensi yang di dalamnya terdapat lorong-lorong berupa ruang kosong. Adanya ruang kosong ini menyebabkan es menjadi lebih ringan dari air sehingga bisa mengapung di atas permukaan air. Ikatan hidrogen yang terjadi antara dua atau lebih molekul yang berbeda seperti pada contoh di atas disebut ikatan hidrogen antamolekul atau intermolekul.

Berdasarkan perbedaan keelektronegatifan dapat diketahui bahwa, keelektronegatifan  sehingga kekuatan ikatan hidrogen yang terbentuk dari atom . Namun berdasarkan eksperimen, dalam keadaan cair titik didih H₂O > HF > NH₃. Hal ini disebabkan, jumlah ikatan hidrogen yang dapat dibentuk oleh setiap molekul berbeda. Ikatan hidrogen yang dibentuk oleh setiap molekul air lebih banyak di banding ikatan hidrogen yang dibentuk oleh setiap molekul HF maupun molekul NH₃. Sedangkan HF titik didihnya lebih tinggi daripada titik didih NH₃ karena keelektronegatifan F > N.

Uji Kompetensi

1. Jelaskan pembentukan ikatan hidrogen dalam molekul air.

2. Sebutkan 3 unsur yang membentuk ikatan hidrogen dan berilah contoh senyawanya.

5. Gaya Antar Molekul Polar atau Molekul Nonpolar dengan Ion

Bila suatu ion dilarutkan dalam suatu pelarut polar, maka ion positif (kation) akan didekati oleh dipol negatif dari molekul pelarut, begitupun sebaliknya ion negatif (anion) akan didekati oleh dipol positif dari molekul pelarut. Misalnya melarutkan NaCl dalam air.

G

Gambar Gaya tarik antara molekul air yang bersifat polar dengan kation Na⁺ dan anion Cl^-

Jika suatu senyawa ionik dimasukan ke dalam pelarut nonpolar, maka pembentukan dipol sesaat dan dipol induksian dapat terjadi karena:

1.     - gerakan elektron dalam molekul itu sendiri

2.   -  diinduksi oleh molekul yang telah mengalami dipol sesaat atau disebabkan oleh dipol sesaat dari molekul pada nomor 1.

3.     - Karena diinduksi oleh ion baik anion maupun kation

4.     - Molekul nomor 3 dapat menginduksi molekul lain yang ada di dekatnya sehingga mengalami dipol induksian, demikian seterusnya.

Susunan molekul yang mengalmi dipol sesaat dan dipol terimbas sama seperti pada molekul polar yaitu dipol sesaat atau dipol induksi yang bermuatan positif (ujung positif) lebih mengarah ke anion dan begitupun sebaliknya dipol sesaat atau dipol terimbas yang bermuatan negatif (ujung negatif) lebih dekat ke arah kation. Walaupun demikian gaya yang terjadi antar molekul nonpolar dengan suatu molekul polar sangat lemah. Hal inilah yang menyebabkan molekul polar cenderung melarutkan zat-zat yang bersifat ion, karena gaya molekul polar dengan ion lebih kuat dibanding molekul nonpolar. Sedangkan molekul nonpolar cenderung melarutkan molekul atau zat yang bersifat nonpolar.

B. KEKUATAN GAYA ANTARMOLEKUL DAN PENGARUHNYA TERHADAP SIFAT FISIKA DAN KIMIA ZAT

Kekuatan gaya antarmolekul dimulai dari yang terkuat berturut-turut adalah ikatan hidrogen, gaya dipol-dipol dan gaya London. Namun untuk molekul-molekul yang memiliki massa molekul besar, kekuatan gaya London dapat melebihi kekuatan ikatan hidrogen. Hal ini dapat dilihat pada I₂ dan air. Pada tekanan 1 atm suhu 25 °C iod dengan gaya London memiliki fasa padat sedangkan H₂O yang memiliki ikatan hidrogen memiliki fasa cair.

Gaya yang terjadi antarmolekul dapat mempengaruhi sifat fisika dan sifat kimia dari suatu zat. Beberapa sifat fisika yang dipengaruhi oleh gaya antarmolekul yaitu titik didih, titih leleh atau titik lebur, energi penguapan, tekanan uap, kekentalan zat dan kelarutan zat. Sedangkan sifat kimia yang dipengaruhi oleh gaya antarmolekul yaitu sifat asam dan basa suatu zat. Titik didih, titih leleh atau titik lebur, energi penguapan dan tekanan uap suatu makin besar atau makin tinggi jika gaya antarmolekul makin kuat, begitupun sebaliknya.

Viskositas atau kekentalan merupakan kemudahan suatu zat untuk mengalir. Semakin besar viskositas, maka zat tersebut semakin sukar mengalir, begitupun sebaliknya suatu zat akan semakin mudah mengalir bila viskositasnya kecil atau rendah. Contohnya air lebih mudah mengalir dibanding oli sehingga air memiliki viskositas yang lebih kecil atau lebih rendah dibanding oli.  Viskositas zat berkaitan dengan gaya antarmolekulnya. Bila gaya antarmolekul kuat zat memiliki viskositas tinggi begitupun sebaliknya. Oleh sebab itu, viskositas dipengaruhi oleh suhu, suhu makin tinggi viskositas zat akan menurun sehingga lebih mudah mengalir.