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

40Mekanisme Reaksi: Panah Lengkung

Persamaan setara itu ibarat foto pertama dan foto terakhir sebuah film: persamaan itu memperlihatkan pereaksi sebelumnya dan produk sesudahnya, tetapi tidak memperlihatkan apa pun di antaranya. Padahal molekul tidak sekadar bertukar atom. Ikatan putus dan terbentuk satu per satu, ketika pasangan-pasangan elektron berpindah dari satu tempat ke tempat lain, melalui spesies berumur pendek yang tidak pernah muncul dalam persamaan. Ahli kimia menggambarkan perpindahan itu dengan panah lengkung. Dengan beberapa aturan, panah-panah ini menjelaskan mengapa sebuah reaksi terjadi di tempat ia terjadi, dan meramalkan reaksi yang belum pernah diamati.

Yang sudah kamu ketahui

Keelektronegatifan, ikatan polar, dan muatan parsial (Bab 30). Struktur Lewis: pasangan elektron ikatan dan pasangan elektron bebas (Bab 24). Gugus fungsi dan keluarga senyawa (Bab 33).

40.1 Situs kaya elektron dan situs miskin elektron

Definisi 40.1 (Situs donor elektron dan situs akseptor elektron)

Sebuah situs donor elektron pada sebuah molekul atau ion adalah tempat yang kaya elektron, yang mampu memberikan sepasang elektron untuk membentuk ikatan baru: pasangan elektron bebas, ikatan rangkap, atom yang bermuatan negatif atau bermuatan parsial $\delta^-$ . Sebuah situs akseptor elektron adalah tempat yang miskin elektron, yang mampu menerima sepasang elektron: atom yang bermuatan positif atau bermuatan parsial $\delta^+$ .

Contoh 40.2 (Situs pada dua molekul)

Dalam bromoetana, $\ce{CH3-CH2-Br}$ , brom lebih elektronegatif daripada karbon: karbon yang terikat padanya bermuatan $\delta^+$ (situs akseptor), bromnya $\delta^-$ dan memiliki tiga pasangan elektron bebas. Dalam propanon, oksigen gugus $\ce{C=O}$ bermuatan $\delta^-$ dan memiliki dua pasangan elektron bebas (situs donor), karbonnya $\delta^+$ (situs akseptor). Ion hidroksida $\ce{OH-}$ , dengan muatan negatif dan tiga pasangan elektron bebasnya, adalah donor yang kuat.

Atom-atom karbon yang miskin elektron (+, situs akseptor) di sebelah atom-atom elektronegatif yang kaya elektron (-, dengan pasangan elektron bebas: situs donor). — Atom-atom karbon yang miskin elektron ( $\delta^+$ , situs akseptor) di sebelah atom-atom elektronegatif yang kaya elektron ( $\delta^-$ , dengan pasangan elektron bebas: situs donor).

40.2 Panah lengkung

Definisi 40.3 (Panah lengkung)

Sebuah panah lengkung memperlihatkan perpindahan sepasang elektron selama satu tahap reaksi. Panah itu berawal dari pasangan yang berpindah, yaitu pasangan elektron bebas atau sebuah ikatan, dan berakhir di tempat pasangan itu pergi: pada sebuah atom, tempat pasangan itu membentuk ikatan baru, atau pada atom yang mengambil pasangan elektron sebuah ikatan yang putus.

Metode 40.4 (Menggambar panah lengkung)

Temukan situs donor dan situs akseptornya.
Gambarlah panah dari pasangan donor (pasangan elektron bebas atau sebuah ikatan) ke atom akseptor: di situlah ikatan baru terbentuk.
Jika atom akseptor itu lalu akan memiliki terlalu banyak elektron (lebih dari satu oktet, atau lebih dari dua untuk hidrogen), gambarlah panah kedua yang memutus salah satu ikatannya, dengan pasangannya pergi ke atom yang lebih elektronegatif.
Periksalah muatan sesudah tahap itu: atom yang memberikan pasangan elektron bebas menjadi satu satuan lebih positif, atom yang menerima pasangan sebagai pasangan elektron bebas menjadi satu satuan lebih negatif; muatan totalnya tidak berubah.

Proposisi 40.5 (Muatan kekal dalam setiap tahap)

Muatan listrik total spesies-spesies yang terlibat sama sebelum dan sesudah setiap tahap sebuah mekanisme.

Bukti. Panah lengkung hanya memindahkan elektron yang sudah ada; tidak ada elektron yang diciptakan atau dimusnahkan, dan inti-inti atom tidak berubah. ∎

Contoh 40.6 (Panah pertama)

Sebuah ion hidrogen $\ce{H+}$ bertemu dengan ion hidroksida $\ce{OH-}$ . Sepasang elektron bebas oksigen membentuk ikatan dengan ion hidrogen, yang tidak memiliki elektron: $\ce{H+ + OH- -> H2O}$ . Satu panah, dari pasangan elektron bebas oksigen ke $\ce{H+}$ ; muatan $+1$ dan $-1$ menjadi 0 dalam molekul air.

Tahap yang paling sederhana: sepasang elektron bebas ion hidroksida berpindah dan membentuk ikatan O-H yang baru dengan ion hidrogen. — Tahap yang paling sederhana: sepasang elektron bebas ion hidroksida berpindah dan membentuk ikatan $\ce{O-H}$ yang baru dengan ion hidrogen.

40.3 Tahap elementer dan zat antara

Definisi 40.7 (Mekanisme, tahap elementer, zat antara)

Yang disebut mekanisme reaksi sebuah reaksi adalah rangkaian tahap yang mengubah pereaksi menjadi produk. Setiap tahap elementer adalah satu peristiwa tunggal tempat beberapa pasang elektron berpindah sekaligus. Spesies yang terbentuk dalam satu tahap dan habis terpakai dalam tahap berikutnya disebut zat antara reaksi: spesies itu tidak muncul dalam persamaan keseluruhan.

Contoh 40.8 (Zat antara karbokation)

Ketika hidrogen bromida diadisikan pada etena, reaksinya berlangsung dalam dua tahap. Pada tahap pertama, ikatan rangkap etena memberikan sepasang elektron kepada hidrogen $\ce{HBr}$ , dan pasangan $\ce{H-Br}$ pergi ke brom, yang lepas sebagai $\ce{Br-}$ ; karbon yang kehilangan bagiannya dari ikatan rangkap tinggal memiliki enam elektron saja dan bermuatan positif: sebuah karbokation, $\ce{CH3-CH2+}$ . Pada tahap kedua, sepasang elektron bebas $\ce{Br-}$ membentuk ikatan dengan karbon itu. Karbokation itu adalah zat antara.

40.4 Tiga kategori reaksi

Definisi 40.9 (Substitusi, adisi, eliminasi)

Dalam substitusi, sebuah atom atau gugus pada molekul digantikan oleh atom atau gugus lain. Dalam adisi, dua molekul bergabung menjadi satu, dan sebuah ikatan rangkap menjadi ikatan tunggal. Dalam eliminasi, sebuah molekul kecil (sering kali air) dilepaskan dari sebuah molekul, dan sebuah ikatan tunggal menjadi ikatan rangkap.

Tiga mekanisme. Panah jingga: sepasang elektron donor membentuk ikatan baru. Panah biru: sebuah ikatan putus, pasangannya pergi ke atom yang lebih elektronegatif. Dalam eliminasi, ion hidrogen dikembalikan pada akhirnya.

Catatan 40.10 (Mengubah kerangka atau gugus)

Sebagian reaksi hanya mengubah gugus fungsi dan mempertahankan kerangka karbonnya: substitusi bromoetana mengubah haloalkana menjadi alkohol, dua karbon sebelumnya, dua karbon sesudahnya. Reaksi lain membangun atau memotong kerangka: membentuk ikatan karbon–karbon yang baru memperpanjang rantai, tahap kunci dalam membuat molekul besar dari molekul-molekul kecil. Merencanakan sintesis berarti memilih reaksi dari kedua jenis itu, dengan urutan yang tepat.

40.5 Latihan

Latihan 40.1 ★

Pada setiap spesies, sebutkan sebuah situs donor dan, jika ada, sebuah situs akseptor: $\ce{OH-}$ ; $\ce{H+}$ ; $\ce{CH2=CH2}$ ; $\ce{CH3-Cl}$ ; $\ce{H2O}$ .

Solusi

Solusi Latihan 40.1.

$\ce{OH-}$ : donor (pasangan elektron bebas, muatan negatif); tidak ada situs akseptor. $\ce{H+}$ : akseptor (sama sekali tidak memiliki elektron). $\ce{CH2=CH2}$ : donor (ikatan rangkapnya). $\ce{CH3-Cl}$ : donor (pasangan elektron bebas $\ce{Cl}$ ), akseptor (karbonnya, $\delta^+$ ). $\ce{H2O}$ : donor (pasangan elektron bebas $\ce{O}$ ); atom-atom hidrogennya, $\delta^+$ , adalah situs akseptor yang lemah.

Latihan 40.2 ★

Substitusi, adisi, atau eliminasi? (a) $\ce{CH3-CH2-Cl + OH- -> CH3-CH2-OH + Cl-}$ ; (b) $\ce{CH2=CH2 + H2O -> CH3-CH2-OH}$ ; (c) $\ce{CH3-CH2-OH -> CH2=CH2 + H2O}$ ; (d) $\ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br}$ .

Solusi

Solusi Latihan 40.2.

(a) substitusi; (b) adisi; (c) eliminasi; (d) adisi.

Latihan 40.3 ★

Dari mana panah lengkung berawal, dan di mana panah itu berakhir? Apa arti panah lengkung dari sepasang elektron bebas atom oksigen ke sebuah atom karbon?

Solusi

Solusi Latihan 40.3.

Panah itu berawal dari sepasang elektron (pasangan elektron bebas atau sebuah ikatan) dan berakhir pada atom tempat pasangan itu pergi. Dari sepasang elektron bebas oksigen ke sebuah karbon: pasangan itu menjadi ikatan $\ce{O-C}$ yang baru.

Latihan 40.4 ★

Dalam reaksi $\ce{H+ + NH3 -> NH4+}$ , spesies mana yang memberikan pasangan elektronnya? Gambarlah panahnya. Berapa muatan produknya?

Solusi

Solusi Latihan 40.4.

Amonia memberikan pasangan elektron bebas atom nitrogennya; panahnya berawal dari pasangan itu ke $\ce{H+}$ . Produk $\ce{NH4+}$ bermuatan $+1$ .

Latihan 40.5 ★

Apa itu zat antara reaksi? Sebutkan zat antara pada adisi $\ce{HBr}$ pada etena.

Solusi

Solusi Latihan 40.5.

Spesies yang terbentuk dalam satu tahap dan habis terpakai dalam tahap berikutnya; spesies itu tidak ada dalam persamaan keseluruhan. Di sini, karbokation $\ce{CH3-CH2+}$ .

Latihan 40.6 ★★

Gambarlah panah-panah lengkung substitusi $\ce{CH3-Br + OH- -> CH3-OH + Br-}$ (satu tahap), lalu periksalah muatannya.

Solusi

Solusi Latihan 40.6.

Satu panah dari sepasang elektron bebas oksigen $\ce{OH-}$ ke karbon; satu panah dari ikatan $\ce{C-Br}$ ke brom. Muatan: $-1$ di kiri ( $\ce{OH-}$ ); di kanan, metanol netral dan $\ce{Br-}$ bermuatan $-1$ : totalnya $-1$ di kedua ruas.

Latihan 40.7 ★★

Pada tahap pertama adisi $\ce{HBr}$ pada etena, mengapa pasangan $\ce{H-Br}$ pergi ke brom dan bukan ke hidrogen? Berapa muatan setiap produk tahap itu?

Solusi

Solusi Latihan 40.7.

Brom lebih elektronegatif daripada hidrogen: brom mengambil pasangan itu dan lepas sebagai $\ce{Br-}$ ( $-1$ ); hidrogen berikatan dengan sebuah karbon, dan karbon yang lain tinggal bermuatan positif: $\ce{CH3-CH2+}$ ( $+1$ ).

Latihan 40.8 ★★

Pada dehidrasi etanol, tuliskan ketiga tahapnya dan sebutkan, untuk setiap tahap, spesies mana yang menjadi donor dan mana yang menjadi akseptor. Mengapa ion hidrogen tidak dituliskan dalam persamaan keseluruhan?

Solusi

Solusi Latihan 40.8.

1. $\ce{CH3-CH2-OH + H+ -> CH3-CH2-OH2+}$ : donornya sepasang elektron bebas oksigen; akseptornya $\ce{H+}$ . 2. $\ce{CH3-CH2-OH2+ -> CH3-CH2+ + H2O}$ : pasangan $\ce{C-O}$ pergi ke oksigen yang positif (akseptor), yang lepas bersamanya sebagai air. 3. $\ce{CH3-CH2+ -> CH2=CH2 + H+}$ : pasangan elektron ikatan $\ce{C-H}$ (donor) berpindah ke karbon yang positif (akseptor) untuk membentuk ikatan rangkap, dan $\ce{H+}$ lepas. Ion hidrogen yang dipakai pada tahap 1 dikembalikan pada tahap 3: ion itu muncul di kedua ruas dan saling meniadakan.

Latihan 40.9 ★★

Tahap $\ce{CH3-CH2+ + H2O -> CH3-CH2-OH2+}$ menyusul adisi ion hidrogen pada etena di dalam air. Gambarlah panahnya. Apa yang terbentuk setelah $\ce{H+}$ lepas lagi? Tuliskan persamaan keseluruhannya dan tentukan kategorinya.

Solusi

Solusi Latihan 40.9.

Panah dari sepasang elektron bebas oksigen air ke karbon yang positif. Setelah $\ce{H+}$ lepas, terbentuk etanol $\ce{CH3-CH2-OH}$ . Keseluruhannya: $\ce{CH2=CH2 + H2O -> CH3-CH2-OH}$ , sebuah adisi.

Latihan 40.10 ★★

Bacalah mekanisme substitusi bromoetana: berapa pasang elektron yang berpindah? Ikatan mana yang terbentuk, mana yang putus? Adakah zat antara?

Solusi

Solusi Latihan 40.10.

Dua pasang elektron berpindah, dalam satu tahap: ikatan $\ce{C-O}$ terbentuk, ikatan $\ce{C-Br}$ putus. Tidak ada zat antara.

Latihan 40.11 ★★

Klorometana bereaksi dengan ion hidroksida lebih lambat daripada bromometana. Dengan keelektronegatifan (C 2.55, Cl 3.16, Br 2.96), jelaskan karbon mana yang lebih $\delta^+$ . Apakah hal itu menjelaskan kecepatannya? (Pikirkan juga seberapa mudah ion yang lepas mengambil pasangan elektronnya.)

Solusi

Solusi Latihan 40.11.

Klor lebih elektronegatif ( $3.16 - 2.55 = 0.61$ dibandingkan $2.96 - 2.55 = 0.41$ ): karbon klorometana lebih $\delta^+$ , yang dengan sendirinya akan membuatnya bereaksi lebih cepat. Kenyataannya tidak: kecepatannya juga bergantung pada seberapa mudah halogennya lepas bersama pasangan elektronnya, dan brom, yang lebih besar, lebih mudah lepas.

Latihan 40.12 ★★★

Hidrogen klorida diadisikan pada propena, $\ce{CH2=CH-CH3}$ . Pada tahap pertama, ion hidrogen dapat berikatan dengan karbon mana pun dari ikatan rangkap itu, sehingga ada dua karbokation yang mungkin. Gambarlah keduanya, kedua produk yang mungkin, lalu namailah. (Produk mana yang paling banyak terbentuk dipelajari dalam buku Tahun Pertama universitas.)

Solusi

Solusi Latihan 40.12.

Jika hidrogen berikatan dengan karbon 1: $\ce{CH3-CH+-CH3}$ , yang menghasilkan 2-kloropropana $\ce{CH3-CHCl-CH3}$ . Jika berikatan dengan karbon 2: $\ce{+CH2-CH2-CH3}$ , yang menghasilkan 1-kloropropana $\ce{CH2Cl-CH2-CH3}$ .

Latihan 40.13 ★★★

Seorang siswa menggambar tahap pertama substitusi bromoetana dengan panah dari atom brom ke oksigen $\ce{OH-}$ . Jelaskan kedua kesalahannya.

Solusi

Solusi Latihan 40.13.

Arah panahnya terbalik: panah harus berawal dari donor, yaitu sepasang elektron bebas $\ce{OH-}$ , dan berakhir pada karbon akseptor. Selain itu, ikatan baru terbentuk antara oksigen dan karbon, bukan antara oksigen dan brom: brom lepas, dengan membawa pasangan elektron ikatan $\ce{C-Br}$ .

Latihan 40.14 ★★★

Dalam pembentukan ester dari asam karboksilat dan alkohol, oksigen alkohol menyerang karbon gugus $\ce{C=O}$ . Dengan muatan parsial, jelaskan mengapa karbon itu merupakan situs akseptor dan oksigen itu situs donor. Molekul kecil apa yang dilepaskan secara keseluruhan, dan termasuk kategori apa reaksi keseluruhannya?

Solusi

Solusi Latihan 40.14.

Karbon gugus $\ce{C=O}$ sebuah asam terikat pada dua atom oksigen yang elektronegatif: sangat $\delta^+$ , sebuah akseptor. Oksigen alkohol bermuatan $\delta^-$ dan memiliki dua pasangan elektron bebas: sebuah donor. Secara keseluruhan air dilepaskan; gugus $\ce{-OH}$ asam digantikan oleh gugus $\ce{-O-R}$ alkohol: sebuah substitusi.

Latihan 40.15 ★★★

Etena bereaksi dengan brom $\ce{Br2}$ , sebuah molekul nonpolar. Ketika sebuah molekul $\ce{Br2}$ mendekati ikatan rangkap, elektron-elektron $\ce{Br-Br}$ terdorong menjauh dari atom brom yang dekat. Jelaskan mengapa hal ini menciptakan sebuah situs akseptor, lalu usulkan tahap pertama mekanismenya.

Solusi

Solusi Latihan 40.15.

Karena didorong oleh elektron-elektron ikatan rangkap, pasangan elektron ikatan $\ce{Br-Br}$ berpindah ke arah brom yang jauh: brom yang dekat menjadi $\delta^+$ , sebuah situs akseptor. Tahap pertama: panah dari ikatan rangkap ke brom yang dekat, dan panah dari ikatan $\ce{Br-Br}$ ke brom yang jauh, yang lepas sebagai $\ce{Br-}$ ; muatan positif tertinggal pada karbon lain dari bekas ikatan rangkap itu.

40.6 Soal: Membuat Bromoetana

Soal 40.1

Soal akhir pekan — dari sepuluh gram etena: berapa bromoetana?

Bromoetana, bahan awal bagi banyak sintesis, dibuat dengan mengadisikan hidrogen bromida pada etena: $\ce{CH2=CH2 + HBr -> CH3-CH2-Br}$ . Seorang ahli kimia memakai $10.0\,\mathrm{g}$ etena dan hidrogen bromida berlebih; rendemennya $75\,\%$ .

Bagian I — Situs-situsnya.

Gambarlah struktur Lewis etena dan hidrogen bromida.
Di mana situs donor etena? Mengapa?
Hitung selisih keelektronegatifan ikatan $\ce{H-Br}$ (H 2.20, Br 2.96). Atom mana yang bermuatan $\delta^+$ ?
Atom $\ce{HBr}$ mana yang menjadi situs akseptor?

Bagian II — Mekanismenya.

Gambarlah tahap pertama dengan kedua panah lengkungnya.
Sebutkan kedua spesies yang terbentuk beserta muatannya.
Periksalah kekekalan muatan pada tahap pertama.
Gambarlah tahap kedua dengan panah lengkungnya.
Berapa elektron yang mengelilingi karbon positif zat antara itu? Mengapa karbon itu begitu reaktif?

Bagian III — Reaksi jenis apa?

Apa zat antara mekanisme ini?
Mengapa zat antara itu tidak muncul dalam persamaan keseluruhan?
Termasuk kategori apa reaksi ini?
Apakah reaksi ini mengubah kerangka karbon, atau hanya gugus fungsinya?

Bagian IV — Berapa banyak produknya?

Hitung massa molar etena dan bromoetana.
Hitung jumlah etena.
Isilah tabel kemajuannya. Pereaksi mana yang menjadi pembatas?
Hitung massa maksimum bromoetana.
Hitung massa yang diperoleh dengan rendemen $75\,\%$ .
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa massa bromoetana yang diperoleh ahli kimia itu?

Solusi

Solusi Soal 40.1.

1. Etena: $\ce{H2C=CH2}$ , satu ikatan rangkap dan empat $\ce{C-H}$ . Hidrogen bromida: $\ce{H-Br}$ dengan tiga pasangan elektron bebas pada brom.

2. Ikatan rangkapnya: pasangan elektron keduanya merupakan daerah yang kaya elektron.

3. $2.96 - 2.20 = 0.76$ : $\ce{H}$ bermuatan $\delta^+$ .

4. Atom hidrogennya.

5. Panah dari ikatan rangkap ke hidrogen $\ce{HBr}$ ; panah dari ikatan $\ce{H-Br}$ ke brom.

6. Karbokation $\ce{CH3-CH2+}$ ( $+1$ ) dan $\ce{Br-}$ ( $-1$ ).

7. Sebelum: $0 + 0 = 0$ ; sesudah: $+1 - 1 = 0$ .

8. Panah dari sepasang elektron bebas $\ce{Br-}$ ke karbon yang positif.

9. Enam (tiga ikatan): kurang satu pasang dari oktet, sehingga karbon itu menerima sepasang elektron dari donor mana pun di dekatnya.

10. Karbokation $\ce{CH3-CH2+}$ .

11. Zat antara itu terbentuk pada tahap pertama dan habis terpakai pada tahap kedua.

12. Sebuah adisi.

13. Hanya gugusnya: rantai dua karbon dipertahankan, dan ikatan rangkapnya menjadi ikatan tunggal yang membawa $\ce{H}$ dan $\ce{Br}$ .

14. $28.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $108.9\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

15. $10.0 / 28.0 = 0.357\,\mathrm{mol}$ .

16. Etena: $0.357 - x$ ; $\ce{HBr}$ : berlebih; bromoetana: $x$ . Etena menjadi pembatas: $x_{\max} = 0.357\,\mathrm{mol}$ .

17. $0.357 \times 108.9 = 38.9\,\mathrm{g}$ .

18. $0.75 \times 38.9 = 29.2\,\mathrm{g}$ .

19. Sekitar $29\,\mathrm{g}$ bromoetana.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium