Muatan Formal dan Resonansi Yang Digunakan Untuk Merawal Struktur Molekul Yang Paling Stabil

A. MUATAN FORMAL

Sebagian besar senyawa kovalen berupa molekul netral tetapi sebagian bermuatan positif atau bermuatan negatif berupa anion atau kation poliatomik yang memiliki ikatan kovalen. Salah satu cara untuk menghitung jumlah muatan keseluruhan yang dimiliki oleh suatu kation atau anion poliatom dikenal sebagai konsep muatan formal.

Muatan formal yaitu muatan yang dimiliki oleh atom-atom yang terdapat dalam suatu molekul atau ion poliatomik. Konsep muatan formal tidak lain adalah perhitungan jumlah elektron yang terdapat di dalam molekul.

Berikut beberapa langkah yang dapat digunakan untuk menghitung muatan formal suatu molekul atau ion poliatomik.

1.     Tentukan elektron valensi masing-masing atom penyusun molekul atau ion.

2.     Gambarkan semua kerangka dan struktur Lewis yang mungkin untuk mengetahui jumlah elektron bebas dan elektron ikatan.

3.     Hitunglah muatan formal masing-masing atom menggunakan rumus berikut.

4.     Jumlahkan muatan formal masing-masing atom untuk untuk memperoleh muatan keseluruhan yang dimiliki molekul atau ion.

Contoh Soal

Tentukan muatan formal pada masing-masing spesi yang terdapat dalam  ion NH₄⁺?.

Penyelesaian

Elektron valensi H = 1

Elektron valensi N = 5

Rumus Lewis

Jadi muatan +1 pada ion NH₄⁺ berasal dari atom N bukan dari atom H.

B. MERAMAL STRUKTUR MOLEKUL MENGGUNAKAN KONSEP MUATAN FORMAL

Konsep muatan formal dapat digunakan untuk meramalkan atau menentukan struktur yang benar dari suatu molekul.

Berikut beberapa aturan yang dapat digunakan untuk menentukan struktur molekul yang benar atau struktur yang stabil dari suatu senyawa berdasarkan muatan formal yang dimiliki.

1. Struktur yang stabil adalah struktur yang tidak memiliki muatan formal pada masing-masing atom.

2. Jika dua atau lebih struktur memiliki muatan formal, maka struktur yang benar adalah struktur yang muatan formal negatif berada di atom yang lebih elektronegatif dan muatan formal positif berada di atom yang lebih elektropositif.

3. Jika dua atau lebih struktur terdapat muatan formal, maka struktur yang benar adalah struktur yang jumlah muatan formal dari masing-masing atom paling kecil.

4. Senyawa yang dalam struktur molekulnya memiliki muatan formal sama (misalnya positif semua atau negatif semua maka senyawa tersebut sangat tidak stabil (sangat reaktif).

Contoh Soal

Gambarkan struktur yang benar dari asam nitrat, HNO₃?

Penyelesaian

Langkah 1:  konfigurasi elektron dan elektron valensi masing-masing atom dalam senyawa

1H = 1

8O = 2 6

6C = 2 4

7N = 2 5

Langkah 2 : struktur Lewis yang mungkin untuk HNO₃

Berdasarkan struktur di atas dapat dilihat bahwa struktur b dan c adalah sama. Oleh sebab itu, hanya digunakan struktur (a) dan (b) dalam penentuan muatan formal dari masing-masing atom menggunakan rumus penentuan muatan formal di atas.

Berdasarkan penjumlahan keseluruhan muatan formal pada masing-masing atom dapat disimpulkan bahwa struktur (a) lebih masuk atau merupakan struktur yang benar dari HNO₃ karena jumlah keseluruhan muatan formal yang dimiliki sama dengan 0 (nol).

C. RESONANSI

Kadangkala molekul suatu senyawa atau ion poliatomik memiliki struktur lebih dari satu. Struktur sebenarnya molekul atau ion seperti ini merupakan gabungan atau hibrida dari dua atau lebih struktur yang dapat digambarkan. Gejala seperti ini disebut resonansi. Struktur-struktur yang dapat digambarkan disebut struktur resonansi atau struktur kanonis.

Dalam menggambar struktur resonansi, digunakan anak panah kepala dua (↔) untuk menunjukan struktur resonansi yang satu dengan yang lain. Anak panah tersebut menyatakan struktur-struktur tersebut ekuivalen.  

Contohnya SO₃ dapat digambarkan dalam tiga struktur sebagai berikut.

Gambar Struktur resonansi atau struktur kanonis belerang trioksida (SO₃)

Ketiga struktur di atas merupakan struktur yang ekivalen karena berdasarkan eksperimen, semua ikatan antara S dengan O dalam SO₃ adalah sama baik panjang maupun sifatnya. Karena hal inilah struktur yang benar merupakan gabungan dari struktur-struktur tersebut.

Gabungan dari struktur-struktur tersebut digambar menggunakan tanda titik-titik yang menyatakan hibrida dari beberapa struktur. Struktur hibrida SO₃ seperti yang tertera pada Gambar.

Gambar Struktur hibrida SO₃

Walaupun struktur molekul yang benar adalah gabungan dari beberapa struktur resonansi, namun umumnya digunakan salah satu struktur resonansi sebagai struktur molekul atau struktur ion. 
Sebenarnya struktur SO₃ dapat pula digambar hanya dengan satu struktur, dimana semua ikatan S dengan O merupakan ikatan rangkap, seperti yang ditunjukan pada Gambar. 
Hal ini disebabkan S termasuk unsur dengan oktet berkembang dan struktur ini memiliki muatan formal minimal. Gunakan rumus penentuan muatan formal untuk menghiitung muatan formal masing-masing atom dalam molekul SO₃ pada gambar (b).

Gambar Struktur SO₃ dengan muatan formal minimal

LATIHAN SOAL

1. Berdasarkan konsep muatan formal dan resonansi gambarlah struktur yang benar dari HCN dan H₂SO₄.

2. Gunakan konsep muatan formal dan resonansi, untuk menjelaskan mengapa struktur CO₂ ditulis sebagai O=C=O bukan O=C-O?

3. Berikan muatan formal pada masing-masing atom dan jumlahkan muatan formal yang ada agar diperoleh muatan keseluruhan spesi tersebut.

4. Gambarkan struktur resonansi dan hibrida dari :

 (a) Benzena

 (b) Dinitrogen tetraoksida

 (c) BF₃

 (d) Ion CO₃^2-