Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

24Struktur Lewis dan Bentuk Molekul

Molekul karbon dioksida lurus; molekul air bengkok. Satu perbedaan bentuk itu adalah salah satu alasan mengapa air, yang molekulnya lebih ringan daripada molekul karbon dioksida, berwujud cair pada suhu kamar sedangkan karbon dioksida berwujud gas. Atom-atom dalam sebuah molekul terikat bersama oleh elektron-elektron yang digunakan bersama, dan cara elektron-elektron itu digunakan bersama menentukan bentuknya. Bab ini menggambar elektron-elektron yang digunakan bersama itu, lalu dari gambar itu meramalkan bentuknya.

Yang sudah kamu ketahui

Elektron valensi adalah elektron pada kulit terluar; atom-atom cenderung mencapai konfigurasi gas mulia, delapan elektron di kulit terluar (aturan oktet) atau dua untuk hidrogen (aturan duplet) (Bab 23). Model molekul menggambarkan atom sebagai bola dan ikatan sebagai tongkat (Bab 11).

24.1 Ikatan kovalen

Definisi 24.1 (Ikatan kovalen)

Sebuah ikatan kovalen adalah sepasang elektron yang digunakan bersama oleh dua atom; biasanya setiap atom menyumbang satu elektron dari pasangan itu. Kedua atom menghitung pasangan bersama itu di kulit terluarnya, sehingga keduanya dapat mencapai duplet atau oktet.

Definisi 24.2 (Pasangan elektron ikatan dan pasangan elektron bebas)

Dalam sebuah molekul, elektron valensi setiap atom berkelompok berpasangan. Sebuah pasangan elektron ikatan digunakan bersama oleh dua atom dan membentuk ikatan kovalen; sebuah pasangan elektron bebas dimiliki satu atom saja dan tidak ikut membentuk ikatan.

Proposisi 24.3 (Berapa ikatan yang dibentuk sebuah atom)

Sebuah atom membentuk ikatan kovalen sebanyak elektron yang masih kurang untuk melengkapi duplet atau oktetnya:

atom	elektron valensi	ikatan	pasangan bebas	contoh
H	1	1	0	$\ce{H2}$
C	4	4	0	$\ce{CH4}$
N	5	3	1	$\ce{NH3}$
O	6	2	2	$\ce{H2O}$
Cl	7	1	3	$\ce{HCl}$

24.2 Struktur Lewis

Definisi 24.4 (Struktur Lewis)

Yang disebut struktur Lewis sebuah molekul adalah gambar yang menunjukkan atom-atomnya dengan lambangnya, setiap pasangan elektron ikatan dengan sebuah garis di antara dua atom, dan setiap pasangan elektron bebas dengan sepasang titik di samping atomnya.

Definisi 24.5 (Ikatan rangkap dua dan rangkap tiga)

Dua atom dapat menggunakan bersama dua pasang elektron, yaitu ikatan rangkap dua, yang digambar sebagai dua garis, atau tiga pasang, yaitu ikatan rangkap tiga, yang digambar sebagai tiga garis.

Metode 24.6 (Menggambar struktur Lewis)

Jumlahkan elektron valensi semua atom, lalu bagi dua untuk memperoleh banyaknya pasangan.
Hubungkan atom-atom dengan ikatan tunggal (hidrogen, yang membentuk satu ikatan, selalu berada di luar; karbon biasanya di tengah).
Tempatkan pasangan-pasangan yang tersisa sebagai pasangan bebas, mula-mula pada atom-atom luar, untuk melengkapi oktetnya.
Jika sebuah atom masih belum mencapai oktet, ubahlah sebuah pasangan bebas milik atom tetangganya menjadi pasangan bersama yang kedua (atau ketiga).
Periksalah: setiap hidrogen memiliki 2 elektron, setiap atom lainnya 8, dan semua pasangan telah terpakai.

Contoh 24.7 (Karbon dioksida)

$\ce{CO2}$ : $4 + 2 \times 6 = 16$ elektron valensi, 8 pasang. Ikatan tunggal $\ce{O-C-O}$ memakai 2 pasang; 6 pasangan bebas pada atom-atom oksigen melengkapinya, tetapi karbon lalu hanya memiliki 4 elektron. Mengubah satu pasangan bebas setiap oksigen menjadi pasangan bersama menghasilkan dua ikatan rangkap dua: setiap atom kini memiliki oktet.

Struktur Lewis sebelas molekul. Setiap atom selain hidrogen dikelilingi empat pasang (ikatan dan pasangan bebas): sebuah oktet.

24.3 Bentuk molekul

Proposisi 24.8 (Pasangan-pasangan elektron saling menjauh sejauh mungkin)

Di sekeliling sebuah atom pusat, kelompok-kelompok elektron — setiap ikatan tunggal, rangkap dua, atau rangkap tiga, dan setiap pasangan bebas — saling tolak-menolak dan menempati kedudukan sejauh mungkin satu sama lain. Bentuk molekulnya mengikuti:

kelompok di sekitar pusat	termasuk pasangan bebas	bentuk	contoh
2	0	linear, sudut $180{}^{\circ}$	$\ce{CO2}$ , $\ce{HCN}$
3	0	segitiga datar, sudut $120{}^{\circ}$	$\ce{CH2O}$ , $\ce{C2H4}$
4	0	tetrahedron, sudut $109.5{}^{\circ}$	$\ce{CH4}$
4	1	piramida	$\ce{NH3}$
4	2	bengkok	$\ce{H2O}$

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Catatan 24.9 (Asal aturan ini)

Aturan ini adalah sebuah model, dan model itu bekerja sangat baik untuk molekul-molekul kecil; model itu dipertajam, dan sebagian dijelaskan, dalam buku Tahun Pertama universitas. Pasangan bebas memerlukan ruang sedikit lebih besar daripada pasangan ikatan: sudut pada amonia ( $106.7{}^{\circ}$ ) dan pada air ( $104.5{}^{\circ}$ ) sedikit lebih kecil daripada sudut $109.5{}^{\circ}$ pada metana.

Bentuk empat molekul (pasangan bebas digambarkan sebagai cuping berarsir). Metana berbentuk tetrahedron, amonia piramida, air bengkok, karbon dioksida lurus.

Empat balon yang diikat bersama saling mendorong sejauh mungkin; di dalam ruang, balon-balon itu mengarah ke sudut-sudut sebuah tetrahedron, seperti keempat pasangan elektron di sekeliling atom karbon.

24.4 Menggambar molekul dalam ruang

Notasi 24.10 (Baji pejal dan baji putus-putus)

Untuk menggambar molekul dalam ruang di atas kertas datar, ikatan yang terletak pada bidang kertas digambar sebagai garis biasa, ikatan yang mengarah ke pembaca sebagai baji pejal, dan ikatan yang menjauhi pembaca sebagai baji putus-putus. Metana lalu digambar seperti di bawah ini: dua ikatan pada bidang kertas, satu ke arah pembaca dan satu menjauhinya.

24.5 Latihan

Latihan 24.1 ★

Apa itu ikatan kovalen? Apa itu pasangan elektron bebas?

Solusi

Solusi Latihan 24.1.

Sepasang elektron yang digunakan bersama oleh dua atom. Sepasang elektron valensi yang hanya dimiliki satu atom, tidak digunakan bersama.

Latihan 24.2 ★

Berapa ikatan kovalen yang biasanya dibentuk hidrogen, karbon, nitrogen, dan oksigen? Jelaskan dengan aturan oktet dan aturan duplet.

Solusi

Solusi Latihan 24.2.

H: 1 (kurang satu elektron untuk duplet). C: 4, N: 3, O: 2 (kurang 4, 3, dan 2 elektron untuk oktet).

Latihan 24.3 ★

Gambarlah struktur Lewis hidrogen klorida, $\ce{HCl}$ , lalu hitung elektron di sekeliling klorin.

Solusi

Solusi Latihan 24.3.

: klorin memiliki pasangan bersama dan tiga pasangan bebas, 8 elektron.

Latihan 24.4 ★

Berapa elektron valensi seluruhnya yang dimiliki molekul $\ce{NH3}$ ? Berapa pasang?

Solusi

Solusi Latihan 24.4.

$5 + 3 \times 1 = 8$ elektron, 4 pasang (tiga ikatan, satu pasangan bebas).

Latihan 24.5 ★

Sebutkan bentuk $\ce{CH4}$ , $\ce{NH3}$ , $\ce{H2O}$ , dan $\ce{CO2}$ .

Solusi

Solusi Latihan 24.5.

$\ce{CH4}$ : tetrahedron. $\ce{NH3}$ : piramida. $\ce{H2O}$ : bengkok. $\ce{CO2}$ : linear.

Latihan 24.6 ★★

Gambarlah struktur Lewis hidrogen sulfida, $\ce{H2S}$ (belerang segolongan dengan oksigen), dan ramalkan bentuknya.

Solusi

Solusi Latihan 24.6.

: seperti air, empat kelompok di sekeliling belerang, dua di antaranya pasangan bebas: bengkok.

Latihan 24.7 ★★

Gambarlah struktur Lewis nitrogen, $\ce{N2}$ , dengan mengikuti metode itu langkah demi langkah.

Solusi

Solusi Latihan 24.7.

$2 \times 5 = 10$ elektron, 5 pasang. Satu ikatan tunggal dan 4 pasangan bebas membuat setiap nitrogen hanya memiliki 6 elektron; mengubah dua pasangan bebas menjadi pasangan bersama menghasilkan ikatan rangkap tiga dan satu pasangan bebas pada setiap atom: .

Latihan 24.8 ★★

Gambarlah struktur Lewis metanol, $\ce{CH3OH}$ , dan sebutkan bentuk di sekeliling karbon dan di sekeliling oksigen.

Solusi

Solusi Latihan 24.8.

: empat ikatan di sekeliling karbon, tetrahedral; di sekeliling oksigen dua ikatan dan dua pasangan bebas, bengkok.

Latihan 24.9 ★★

Mengapa $\ce{CO2}$ linear dan $\ce{H2O}$ bengkok, padahal keduanya memiliki atom pusat yang terhubung dengan dua atom lain?

Solusi

Solusi Latihan 24.9.

Pada $\ce{CO2}$ , karbon memiliki dua kelompok (dua ikatan rangkap dua) dan tidak ada pasangan bebas: keduanya mengarah berlawanan. Pada $\ce{H2O}$ , oksigen memiliki empat kelompok (dua ikatan, dua pasangan bebas) dalam susunan tetrahedral: kedua ikatannya membentuk sudut.

Latihan 24.10 ★★

Gambarlah struktur Lewis etena, $\ce{C2H4}$ , dan sebutkan bentuk di sekeliling setiap atom karbon.

Solusi

Solusi Latihan 24.10.

: di sekeliling setiap karbon, tiga kelompok (satu ikatan rangkap dua, dua ikatan tunggal): segitiga datar, dengan sudut mendekati $120{}^{\circ}$ .

Latihan 24.11 ★★

Gambarlah struktur Lewis tetraklorometana, $\ce{CCl4}$ , dan ramalkan bentuknya.

Solusi

Solusi Latihan 24.11.

Karbon di pusat, empat ikatan tunggal ke atom-atom klorin yang masing-masing memiliki tiga pasangan bebas: empat kelompok di sekeliling karbon, sebuah tetrahedron.

Latihan 24.12 ★★★

Dua molekul memiliki rumus $\ce{C2H6O}$ . Gambarlah struktur Lewis untuk masing-masing (yang satu memiliki ikatan O–H, yang lain rantai C–O–C).

Solusi

Solusi Latihan 24.12.

Etanol, , dan metoksimetana, .

Latihan 24.13 ★★★

Jelaskan, dengan pasangan bebas, mengapa sudut pada amonia ( $106.7{}^{\circ}$ ) lebih kecil daripada pada metana ( $109.5{}^{\circ}$ ), dan pada air ( $104.5{}^{\circ}$ ) lebih kecil lagi.

Solusi

Solusi Latihan 24.13.

Pasangan bebas memerlukan ruang sedikit lebih besar daripada pasangan ikatan dan mendorong ikatan-ikatan saling mendekat. Amonia memiliki satu pasangan bebas, air dua: sudutnya menyempit dari metana ke amonia ke air.

Latihan 24.14 ★★★

Gambarlah struktur Lewis hidrogen sianida, $\ce{HCN}$ , dan metanal, $\ce{CH2O}$ , lalu sebutkan bentuknya.

Solusi

Solusi Latihan 24.14.

: dua kelompok di sekeliling karbon, linear. : tiga kelompok di sekeliling karbon, segitiga datar.

Latihan 24.15 ★★★

Ozon, $\ce{O3}$ , adalah rantai tiga atom oksigen. Hitung banyaknya pasangan valensinya dan gambarlah sebuah struktur Lewis yang setiap oksigennya memiliki oktet (satu ikatan rangkap dua, satu ikatan tunggal). Ramalkan apakah molekul itu linear atau bengkok.

Solusi

Solusi Latihan 24.15.

$3 \times 6 = 18$ elektron, 9 pasang: . Oksigen yang di tengah memiliki tiga kelompok (satu ikatan rangkap dua, satu ikatan tunggal, satu pasangan bebas): molekulnya bengkok.

24.6 Soal: Sebuah Molekul di dalam Kubus

Soal 24.1

Soal akhir pekan — merancang bola-bola karbon sebuah perangkat model molekul: pada sudut berapa lubang-lubangnya harus dibor?

Sebuah perusahaan membuat perangkat model molekul. Bola-bola karbon yang hitam harus memiliki empat lubang, agar metana, etana, dan molekul-molekul karbon lainnya terbentuk dengan bentuk yang benar. Sang insinyur memakai sebuah siasat: sebuah tetrahedron beraturan pas di dalam sebuah kubus, keempat titik sudutnya berada pada empat titik sudut kubus, dan tidak ada dua di antaranya pada rusuk yang sama.

Bagian I — Struktur Lewis.

Gambarlah struktur Lewis metana $\ce{CH4}$ , amonia $\ce{NH3}$ , dan air $\ce{H2O}$ .
Berapa kelompok elektron yang mengelilingi atom pusat pada masing-masing?
Berapa di antaranya yang berupa pasangan bebas?
Mengapa bola karbon memerlukan empat lubang, sedangkan bola oksigen (untuk air) hanya dua?
Model etana, $\ce{C2H6}$ , memakai dua bola karbon. Gambarlah struktur Lewis-nya. Berapa tongkat yang menghubungkan kedua bola karbon, dan berapa bola hidrogen yang diperlukan?

Bagian II — Bentuk.

Sebutkan bentuk masing-masing ketiga molekul itu.
Sudut yang terukur adalah $106.7{}^{\circ}$ pada amonia dan $104.5{}^{\circ}$ pada air. Jelaskan mengapa sudut-sudut itu lebih kecil daripada sudut pada metana.
Mengapa bola oksigen untuk air tidak bisa sekadar berupa bola karbon dengan dua lubang yang dibiarkan kosong, jika perangkat itu harus memperlihatkan sudut yang sebenarnya?
Pada karbon dioksida, atom karbon membentuk dua ikatan rangkap dua. Sudut berapa yang harus memisahkan keduanya dalam model?

Bagian III — Kubusnya. Ambillah sebuah kubus dengan rusuk $a$ . Atom karbon berada di pusatnya; keempat atom hidrogen berada pada empat titik sudut kubus, tidak ada dua di antaranya pada rusuk yang sama.

Tunjukkan bahwa setiap dua atom hidrogen ini berada di kedua ujung sebuah diagonal sisi kubus. Dengan teorema Pythagoras, hitung jarak antara keduanya dalam $a$ .
Diagonal ruang kubus (dari satu titik sudut ke titik sudut di seberangnya) panjangnya $a\sqrt{3}$ . Simpulkan jarak dari atom karbon ke sebuah atom hidrogen.
Ambillah $a = 1\,\mathrm{cm}$ dalam sebuah model: berikan kedua jarak itu dalam sentimeter, sampai dua angka di belakang koma.
Mengapa keempat jarak C–H sama?

Bagian IV — Sudutnya. Atom karbon C dan dua atom hidrogen H $_1$ , H $_2$ membentuk segitiga sama kaki. Misalkan M titik tengah H $_1$ H $_2$ .

Jelaskan mengapa segitiga C M H $_1$ siku-siku di M.
Hitung, dalam segitiga siku-siku ini, sinus sudut $\widehat{\text{M\,C\,H}_1}$ , yaitu setengah sudut H–C–H.
Simpulkan setengah sudut itu, lalu sudut H–C–H, sampai satu angka di belakang koma.
Bandingkan dengan sudut pada tabel dalam bab ini.
Nyatakan sudut yang harus dipakai untuk mengebor lubang-lubang sebuah bola karbon.

Solusi

Solusi Soal 24.1.

1. , , .

2. Empat kelompok pada masing-masing.

3. Tidak ada pada metana, satu pada amonia, dua pada air.

4. Karbon membentuk empat ikatan; oksigen membentuk dua (dua kelompok lainnya adalah pasangan bebas, yang tidak digambarkan dengan tongkat dalam perangkat model).

5. : satu tongkat menghubungkan kedua bola karbon, dan diperlukan enam bola hidrogen.

6. Tetrahedron, piramida, bengkok.

7. Pasangan bebas memerlukan lebih banyak ruang daripada pasangan ikatan dan menekan ikatan-ikatan saling mendekat; air, dengan dua pasangan bebas, memiliki sudut terkecil.

8. Lubang-lubang bola karbon membentuk sudut $109.5{}^{\circ}$ ; sudut air yang sebenarnya $104.5{}^{\circ}$ : bola oksigen memerlukan dua lubangnya sendiri pada $104.5{}^{\circ}$ .

9. $180{}^{\circ}$ : dua kelompok di sekeliling karbon mengarah berlawanan, dan molekulnya linear.

10. Dua titik sudut yang tidak pada rusuk yang sama adalah titik sudut yang berhadapan pada satu sisi: jaraknya adalah diagonal sisi, $\sqrt{a^2 + a^2} = a\sqrt{2}$ .

11. Pusat kubus terletak di tengah-tengah diagonal ruang: $a\sqrt{3}/2$ .

12. H–H: $\sqrt{2} \approx 1.41\,\mathrm{cm}$ ; C–H: $\sqrt{3}/2 \approx 0.87\,\mathrm{cm}$ .

13. Setiap hidrogen berada di sebuah titik sudut kubus dan karbon di pusatnya: setiap titik sudut berjarak sama dari pusat.

14. Segitiga C H $_1$ H $_2$ sama kaki (C H $_1$ = C H $_2$ ); garis dari puncaknya ke titik tengah alasnya tegak lurus pada alas itu.

15. $\sin \widehat{\text{M\,C\,H}_1} = \dfrac{\text{M\,H}_1}{\text{C\,H}_1} = \dfrac{a\sqrt{2}/2}{a\sqrt{3}/2} = \sqrt{2/3} \approx 0.816$ .

16. Setengah sudut $\approx 54.7{}^{\circ}$ ; sudut H–C–H $\approx 2 \times 54.7 = 109.5{}^{\circ}$ .

17. Itulah sudut $109.5{}^{\circ}$ tetrahedron pada tabel.

18. Lubang-lubang itu harus dibor dengan sudut $109.5{}^{\circ}$ satu sama lain.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium