Teori Ikatan Valensi (Valence Bond)

WANIBESAKc -Menggunakan teori VSEPR, geometri suatu molekul dapat ditentukan secara tepat. Walaupun demikian teori VSEPR tidak menjelaskan bagaimana terbentuknya ikatan kovalen melalui penggunaan bersama pasangan elektron. Pembentukan ikatan kovalen dapat dijelaskan menggunakan dua teori yaitu teori ikatan valensi dan teori orbital molekul. Teori orbital molekul tidak dikaji pada buku ini karena lebih sukar dibanding terori ikatan valensi.

Berdasarkan teori ikatan valensi, ikatan kovalen dapat terbentuk jika terjadi tumpang tindih orbital valensi dari atom yang berikatan. Orbital valensi merupakan orbital terluar dari suatu atom dan merupakan tempat terletaknya elektron valensi. Orbital valensi inilah yang bergabung membentuk ikatan kovalen.

Berikut beberapa syarat terjadinya ikatan kovalen berdasarkan teori ikatan valensi.

1.      Dua atom yang akan berikatan masing-masing memiliki orbital valensi dan terdapat elektron tidak berpasangan.

2.      Agar terbentuk ikatan kovalen, maka harus terjadi tumpang tindih (overlap) orbital valensi dua buah atom sehingga elektron yang terdapat pada masing-masing orbital valensi berpasangan. Spin yang telah overlap dianggap satu orbital. Setelah terbentuk ikatan kovalen, elektron yang berpasangan tetap mengalami gaya tarik dari inti masing-masing atom.

3.      Sesuai larangan Pauli, maka kedua elektron yang berpasangan tersebut harus memiliki spin yang berlawanan karena berada pada satu orbital.

Dalam teori ikatan valensi, terdapat dua jenis orbital valensi yang digunakan dalam pembentukan ikatan kovalen yaitu orbital asli dan orbital hibridisai. Jenis orbital yang digunakan dapat ditentukan berdasarkan geometri, terutama besar sudut ikatan yang ada disekitar atom pusat.

a.      Pembentukan Ikatan Kovalen Menggunakan Orbital Asli

Contoh molekul yang terbentuk menggunakan orbital asli yaitu hidrogen (H₂) dan hidrogen klorida (HCl). Atom hidrogen hanya memiliki 1 elektron. Maka orbital valensi hidrogen (1s¹) terdapat satu elektron tidak berpasangan. Berdasarkan teori ikatan valensi, ikatan H-H pada molekul hidrogen (H₂) terbentuk karena terjadinya tumpang tindih dua orbital 1s yang masing-masing berisi satu elektron, Gambar.

Gambar Proses tumpang tindih orbital 1s atom hidrogen membentuk molekul H₂

Konfigurasi elektron masing-masing atom dalam HCl sebagai berikut.

Dari konfigurasi elektron atom Cl pada keadaan dasar dapat diketahui bahwa pada orbital 2p masih kekurangan satu elektron, demikian pula atom H masih kekurangan satu elektron pada orbital 1s. Oleh sebab itu, kedua orbital akan overlap ketika terbentuk HCl, Gambar.

Gambar Proses tumpang tindih orbital 1s atom hidrogen dengan orbital p membentuk molekul HCl

b.      Pembentukan Ikatan Kovalen Menggunakan Orbital Hibrida

Pembentukan ikatan kovalen menggunakan orbital asli hanya terjadi pada molekul-molekul tertentu saja. Sebagian besar molekul terbentuk melalui orbital-orbital hibrida yang dijelaskan menggunakan teori hibridisasi. Teori ini pertama kali dijelaskan oleh Lewis dan Langmuir. Orbital-orbital hibrida terbentuk melalui proses hibridisasi. Hibridisasi merupakan proses penggabungan orbital-orbital asli yang tingkat energinya berbeda menjadi orbital-orbital baru yang tingkat energinya sama (degenerate). Orbital-orbital baru yang terbentuk inilah yang disebut orbital hibrida.  Sebelum terjadi hibridisasi, didahului dengan terjadinya eksitasi atau promosi elektron dari keadaan dasar ke keadaan terksitasi. Agar terjadi eksitasi maka dibutuhkan sejumlah energi. Perlu diperhatikan bahwa jumlah orbital hibrida hasil hibridisasi sama dengan jumlah orbital yang mengadakan hibridisasi. Jumlah orbital hibrida menunjukan jumlah domain elektron molekul itu.

Contohnya pembentukan molekul CH₄. Berdasarkan eksperimen diperoleh panjang dan sudut semua ikatan sama besar (109,8º). Hal ini membuktikan bahwa semua ikatan C-H dalam molekul CH₄ adalah ekivalen. Untuk menjelaskan hal ini maka diperlukan konsep hibridisasi. Konfigurasi elektron atom karbon pada keadaan dasar sebagai berikut.

Dari konfigurasi elektron atom karbon pada keadaan dasar dapat diketahui bahwa, jika atom karbon menggunakan orbital asli untuk membentuk ikatan dengan atom H maka hanya terbentuk CH₂. CH₂ merupakan spesi yang sangat tidak stabil. Kenyataannya yang dijumpai adalah CH₄. Hal ini membuktikan bahwa CH₄ lebih stabil dibanding CH₂.  Oleh sebab itu, agar 1 atom karbon dapat mengikat 4 atom hidrogen, maka pada atom karbon harus terdapat 4 buah elektron tidak berpasangan atau terdapat 4 buah orbital setengah penuh. Hal ini dapat diperoleh melalui proses eksitasi atau promosi elektron dari keadaan dasar menuju keadaan tereksitasi.

Setelah terjadi hibridisasi, penulisan orbital 2s dan 3p atom karbon tidak diberi jarak atau pemisah karena tingkat energi kedua orbital telah sama. Orbital-orbital hibrida atom karbon ditulis sebagai 4 orbital hibrida sp³, biasanya hanya disebut sp³. Disebut sp³ karena orbital tersebut diperoleh dari 1 orbital s dan 3 orbital p. Setelah terjadi hibridisasi bukan hanya tingkat energi yang berubah tetapi bentuk orbital juga berubah.

Pembentukan orbital 4 orbital hibrida sp³ dan perubahan bentuk orbital asal ditunjukan pada Gambar.

             

Gambar Pembentukan orbital sp³ dan perubahan bentuk orbital asal

 Dengan adanya 4 elektron yang belum berpasangan dari atom karbon, maka CH₄ dapat terbentuk melalui tumpang tindih orbital sp³ dengan 4 orbital 1s dari 4 atom H, Gambar. Pembentukan CH₄ yang ditunjukan menggunakan diagram orbital sebagai berikut.

Gambar Tumpang tindih 4 orbital hibrida sp³ atom C dengan 4 orbital 1s dari 4 atom H dan molekul CH₄

Secara ringkas konfigurasi elektron dari atom karbon sebagai atom pusat pada pembentukan ikatan kovalen dengan 4 atom hidrogen dalam CH₄, sebagai berikut.

Molekul CH₄ berbentuk tetrahedral. Hal ini disebabkan tumpang tindih 4 orbital hibrida sp³ dari atom C dengan 4 orbital 1s dari 4 atom H mengarah pada pojok-pojok tetrahdral. Dari penjelasan ini dapat disimpulkan bahwa bentuk molekul ditentukan oleh orientasi orbital atom pusat yang mengadakan overlap dengan orbital atom lain. Perlu diketahui bahwa bentuk tetrahedral molekul CH₄ telah lama diketahui sebelum ada konsep hibridisasi. Berbagai jenis hibridisasi serta geometri molekul yang diperoleh disajikan pada Tabel.

Tabel Berbagai jenis hibridisasi dan geometri orbital hibrida

Orbital Asal	Jenis Hibridisasi	Geometri Orbital Hibrida	Gambar Geometri Orbital Hibrida
s, p	sp	Linier
s, p, p	sp2	Segitiga planar
s, p, p, p	sp3	Tetrahedral
s, p, p, p, d	sp3d	Bipiramida trigonal
s, p, p, p, d, d	sp3d2	Oktahedral

 Dengan memperhatikan arah orientasi orbital yang mengadakan overlap dan geometri molekul, jenis hibridisasi suatu molekul mudah ditentukan. Geometri molekul dapat ditentukan menggunakan teori VSEPR.

Contoh Soal menentukan Jenis hibridisasi berdasarkan teori VSEPR

Geometri molekul NH₃ adalah piramida trigonal dengan sudut ikatan H-N-H sebesar 107°. Jika diketahui pula semua ikatan N-H sama panjang (ekivalen). Tentukan jenis hibridisasi dalam NH₃.

Penyelesaian

 Konfigurasi elektron atom nitrogen sebagai berikut.

Sesuai dengan konfigurasi elektron di atas dapat dilihat bahwa atom N dapat berikatan dengan 3 atom H melalui 3 orbital 2p dan akan memiliki sudut ikatan 90. Namun kenyataannya sudut ikatan NH₃ tidak berbeda jauh dengan sudut tetrahedral (109,5°). Oleh sebab itu, orbital 2s dan 2p atom N harus berhibridisasi membentuk 4 orbital hibrida sp³. Sudut ikatan yang lebih kecil dari sudut tetrahedral disebabkan oleh 1 pasang elektron bebas pada atom N. Analog dengn NH₃, molekul H₂O terbentuk melalui hibridisasi sp³. Sudut ikatan NH₃ lebih besar dibanding sudut ikatan H₂O (104,5°) dapat dijelaskan menggunakan jumlah PEB yang terdapat pada atom pusat kedua molekul.

Gambar :

(a) Molekul NH₃

(b) Tumpang tindih 3 orbital sp³ atom N dengan 3 orbital s atom H  

(c) Tumpang tindih 2 orbital sp³ atom O dengan 2 orbital s atom H

Contoh Soal menentukan Jenis hibridisasi berdasarkan teori VSEPR

Berdasarkan teori VSEPR molekul SF₆ berbentuk oktahedral. Tentukan jenis hibridisasi pada molekul tersebut?

Penyelesaian

Molekul-molekul yang atom pusatnya lebih dari delapan elektron maka dalam membentuk ikatan atom pusat memanfaatkan orbital s, p dan d. Konfigurasi elektron atom belerang sebagai berikut.

₁₆S : 1s² 2s²  2p⁶  3s²  3p⁴  3d⁰

Molekul SF₆ berbentuk oktahedral, menunjukan bahwa semua ikatan dan sudut ikatan yang dimiliki ekivalen. Agar belerang dapat membentuk 6 ikatan yang ekivalen maka elektron pada 3s dan 3p dipromosikan ke orbital d yang masih kosong. Kemudian dilanjutkan dengan proses hibridisasi. Secara ringkas proses pembentukan SF₆ sebagai berikut.

Konfigurasi elektron atom:

                     

Gambar Molekul SF₆ dengan geometri Oktahedral

Dari uraian di atas dapat dilihat bahwa jumlah orbital yang mengadakan hibridisasi sebanyak 6 buah yakni 1 orbital s, 3 orbital p dan 2 orbital d. Jadi jenis hibridisasinya adalah sp³d². Orientasi enam orbital sp³d² mengarah ke sudut-sudut oktaheral sehingga geometri molekul SF₆ berbentuk oktahedral.  

Contoh Soal menentukan Jenis hibridisasi ion poliatomik

Molekul NH₄⁺ diketahui berbentuk tetrahedral dan sudut semua ikatan H-N-H 109,5°. Tunjukan tipe hibridisasinya molekul tersebut?

Penyelesaian

Langkah penyelesaian seperti pada contoh yang telah diselesaiakan di atas. Namun konfigurasi elektron atom pusat pada keadaan dasar ion poliatomik sedikit berbeda pada keadaan eksitasi. Konfigurasi elektron atom pusat pada keadaan eksitasi ditambah elektron jika dalam bentuk anion dan dikurangi elektron jika dalam bentuk kation. Jumlah elektron yang dikurangi atau ditambahkan sama dengan muatan yang dimiliki ion tersebut. Untuk memperjelas hal ini perhatikan penulisan konfigurasi elektron dalam pembentukan NH₄⁺ berikut.

Konfigurasi elektron

UJI KOMPETENSI

1. Jelaskan kembali apa yang dimaksud dengan hibridisasi orbital-orbital atom? Apakah yang dimaksud dengan promosi elektron?

2. Gunakan kata-kata anda sendiri untuk menjelaskan pengertian dari:

(a) bentuk molekul 

(b) hibridisasi

(c) orbital hibrida

3. Dari molekul-molekul di bawah ini, tentukanlah bentuk molekulnya, baik berdasarkan teori VSEPR maupun berdasarkan teori hibridisasi.

a. CO         

b. CCl₄       

c. NO₂

4. Tunjukan jenis hibridisasi dalam dalam H₃O⁺ jika diketahui sudut ikatan H-O-H 107°.