Kimia Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

3Struktur Lewis, Resonansi, dan VSEPR

Molekul ozon, $\ce{O3}$ , terdiri atas tiga atom oksigen dalam rantai yang bengkok. Gambarlah molekul itu dengan aturan-aturan Buku 1, maka satu ikatan menjadi rangkap dua dan yang lain tunggal: satu ikatan semestinya pendek, yang lain panjang. Namun, spektroskopi gelombang mikro mendapati kedua ikatan $\ce{O-O}$ ozon tepat sama panjang, yaitu $127.8\,\mathrm{pm}$ , di antara ikatan rangkap dua $\ce{O2}$ ( $120.8\,\mathrm{pm}$ ) dan ikatan tunggal hidrogen peroksida ( $147.5\,\mathrm{pm}$ ). Tidak ada satu gambar pun yang benar; dua gambar bersama-samalah yang benar. Bab ini mempertajam model Lewis — muatan formal, oktet yang tidak lengkap atau terlampaui, resonansi antara beberapa struktur — lalu memakainya untuk meramalkan bentuk molekul dan momen dipol yang mengikutinya.

Yang sudah kamu ketahui

Buku 1 (kelas 10) memerikan ikatan kovalen sebagai pasangan elektron yang dipakai bersama, menggambar struktur Lewis dengan pasangan elektron ikatan dan pasangan elektron bebas, dan meramalkan empat bentuk molekul (linear, bengkok, segitiga datar, tetrahedral). Keelektronegatifan dan selisihnya dikuantitatifkan pada Bab 2; elektron valensi sebuah atom dibaca dari konfigurasinya (Definisi 1.11).

3.1 Struktur Lewis dan muatan formal

Definisi 3.1 (Ikatan kovalen, struktur Lewis)

Ikatan kovalen adalah sepasang elektron yang dipakai bersama oleh dua atom, yaitu pasangan elektron ikatan; dua atau tiga pasang membentuk ikatan rangkap dua atau rangkap tiga. Sepasang elektron valensi yang dimiliki satu atom saja adalah pasangan elektron bebas. Sebuah struktur Lewis memperlihatkan setiap elektron valensi sebuah molekul atau ion, sebagai ikatan (garis antaratom) dan pasangan elektron bebas (garis atau sepasang titik pada sebuah atom). Menurut aturan oktet, atom-atom periode 2 (C, N, O, F) dalam struktur yang stabil dikelilingi empat pasang, yaitu delapan elektron; menurut aturan duplet, hidrogen dikelilingi satu pasang.

Definisi 3.2 (Muatan formal)

Muatan formal sebuah atom dalam struktur Lewis adalah

q_F = N_v - N_{\text{bebas}} - \tfrac12 N_{\text{ikatan}},

dengan $N_v$ banyaknya elektron valensi atom bebas, $N_{\text{bebas}}$ banyaknya elektron pada pasangan-pasangan elektron bebasnya, dan $N_{\text{ikatan}}$ banyaknya elektron pada ikatan-ikatan yang dibentuknya. Muatan ini ditulis $\oplus$ atau $\ominus$ di samping atomnya jika tidak sama dengan nol.

Proposisi 3.3 (Jumlah muatan formal sama dengan muatan spesies)

Jumlah muatan formal atom-atom sebuah struktur Lewis sama dengan muatan total molekul atau ion itu.

Bukti. Menjumlahkan $q_F$ untuk semua atom menghasilkan $\sum N_v - (\text{elektron pada pasangan bebas} + \text{elektron pada ikatan})$ , karena elektron setiap ikatan dihitung separuh pada masing-masing kedua atomnya. Isi kurung itu adalah banyaknya elektron valensi yang digambar dalam struktur, yang sama dengan $\sum N_v$ dikurangi muatan $z$ spesies itu. Karena itu $\sum q_F = z$ . ∎

Metode 3.4 (Menggambar struktur Lewis)

Untuk menggambar struktur Lewis sebuah molekul atau ion:

hitung elektron valensi $N = \sum N_v - z$ dan banyaknya pasangan $N/2$ ;
gambarlah kerangkanya: atom yang paling tidak elektronegatif (bukan H) biasanya menjadi atom pusat; hidrogen dan fluorin selalu berada di ujung;
lengkapi oktet atom-atom ujung dengan pasangan elektron bebas, lalu tempatkan pasangan yang tersisa pada atom pusat;
jika atom pusat belum mencapai oktet, ubahlah pasangan elektron bebas atom-atom tetangganya menjadi ikatan rangkap;
hitunglah muatan formalnya; di antara struktur-struktur yang mungkin, pilihlah yang muatan formalnya paling sedikit, dengan muatan negatif pada atom-atom yang paling elektronegatif.

Contoh 3.5 (Asam nitrat)

$\ce{HNO3}$ : $N = 1 + 5 + 3 \times 6 = 24$ elektron, 12 pasang. Kerangka: nitrogen di pusat, terikat pada tiga oksigen, salah satunya membawa hidrogen. Melengkapi oktet dengan ikatan tunggal menyisakan enam elektron pada nitrogen; satu pasangan elektron bebas oksigen menjadi ikatan $\ce{N=O}$ . Muatan formal: nitrogen $5 - 0 - 4 = +1$ ; oksigen berikatan tunggal tanpa hidrogen $6 - 6 - 1 = -1$ ; yang lain 0. Jumlahnya 0, sebagaimana dituntut Proposisi 3.3.

Struktur Lewis dengan pasangan elektron bebas dan muatan formal.

3.2 Melampaui oktet

Definisi 3.6 (Molekul kekurangan elektron dan molekul hipervalen)

Molekul yang salah satu atomnya mempunyai kurang dari delapan elektron valensi disebut kekurangan elektron: dalam $\ce{BF3}$ , boron mempunyai enam. Molekul yang salah satu atomnya, dari periode 3 atau sesudahnya, dikelilingi lebih dari empat pasang disebut hipervalen: dalam $\ce{PCl5}$ fosfor membentuk lima ikatan, dalam $\ce{SF6}$ belerang enam. Molekul dengan jumlah elektron ganjil, seperti $\ce{NO}$ dan $\ce{NO2}$ , tidak dapat memenuhi aturan oktet pada setiap atom: satu elektron tidak berpasangan.

Catatan 3.7 (Mengapa periode 3 dan bukan periode 2)

Nitrogen membentuk $\ce{NF3}$ tetapi tidak pernah $\ce{NF5}$ , sedangkan fosfor membentuk $\ce{PF3}$ dan juga $\ce{PF5}$ . Atom periode 2 terlalu kecil untuk berikatan dengan lebih dari empat tetangga; atom periode 3 cukup besar untuk menampung lima atau enam. Gambar $\ce{SO4^{2-}}$ atau $\ce{H2SO4}$ dengan ikatan rangkap pada belerang (12 elektron di sekitar S) maupun dengan ikatan tunggal dan muatan formal (sebuah oktet) sama-sama dijumpai; gambar kedua lebih mencerminkan sebaran muatannya, dan keduanya menghasilkan geometri yang benar.

Definisi 3.8 (Asam Lewis, basa Lewis, ikatan datif)

Asam Lewis adalah spesies yang mampu menerima sepasang elektron ke dalam tempat kosong pada kulit valensinya ( $\ce{BF3}$ , $\ce{AlCl3}$ , $\ce{H+}$ , kation logam); basa Lewis adalah spesies yang mempunyai pasangan elektron bebas yang dapat dipakainya bersama ( $\ce{NH3}$ , $\ce{H2O}$ , $\ce{F-}$ ). Jika basa memberikan pasangan itu kepada asam, ikatan yang terbentuk adalah ikatan datif: ikatan kovalen yang kedua elektronnya berasal dari satu pihak.

Contoh 3.9 (Amonia dan boron trifluorida)

$\ce{NH3 + BF3 -> H3NBF3}$ . Dalam aduknya, boron melengkapi oktetnya; nitrogen, yang kini memakai bersama pasangan elektron bebasnya, membawa muatan formal $+1$ dan boron $-1$ . Setelah terbentuk, ikatan $\ce{N-B}$ adalah ikatan kovalen biasa.

Ikatan datif: pasangan elektron bebas amonia (basa Lewis) mengisi tempat kosong boron trifluorida (asam Lewis). Pasangan elektron bebas fluorin tidak digambar.

3.3 Resonansi

Definisi 3.10 (Struktur resonansi, hibrida resonansi)

Jika elektron-elektron sebuah molekul dapat ditempatkan dalam beberapa struktur Lewis yang hanya berbeda dalam letak ikatan $\pi$ dan pasangan elektron bebasnya — sementara inti-inti tetap di tempatnya — setiap struktur itu adalah sebuah struktur resonansi (atau bentuk mesomeri), yang dihubungkan dengan struktur lainnya oleh panah berkepala dua $\leftrightarrow$ . Molekul yang sebenarnya bukan salah satu di antaranya: molekul itu adalah hibrida resonansi, satu struktur tunggal yang sebaran elektronnya merupakan rata-rata berbobot sebaran struktur-struktur itu.

Catatan 3.11 (Sebuah panah, bukan kesetimbangan)

Panah $\leftrightarrow$ tidak memerikan sebuah reaksi: ozon tidak beralih dari satu struktur ke struktur yang lain. Hibrida itu adalah satu molekul, yang dipaparkan dengan beberapa gambar karena satu gambar tidak cukup. Jangan pernah memakai $\rightleftharpoons$ di antara struktur-struktur resonansi.

Metode 3.12 (Menulis dan menimbang struktur resonansi)

Untuk menemukan struktur-struktur resonansi sebuah spesies:

mulailah dari satu struktur Lewis; carilah pasangan elektron bebas atau ikatan $\pi$ yang bersebelahan dengan ikatan $\pi$ , tempat kosong, atau muatan positif;
pindahkan pasangan-pasangan elektron dengan panah lengkung (pasangan bebas menjadi ikatan $\pi$ , ikatan $\pi$ menjadi pasangan bebas), tanpa pernah memindahkan inti dan tanpa pernah melampaui oktet atom periode 2;
hitung ulang muatan formalnya;
timbanglah struktur-struktur itu: yang paling penting mematuhi aturan oktet, mempunyai muatan formal paling sedikit, dan menempatkan muatan negatif pada atom-atom yang paling elektronegatif; struktur-struktur yang ekuivalen berbobot sama.

Contoh 3.13 (Ozon, nitrat, benzena)

Ozon mempunyai dua struktur yang ekuivalen: setiap ikatan $\ce{O-O}$ rangkap dua pada struktur yang satu dan tunggal pada struktur yang lain, sehingga keduanya mempunyai orde ikatan $1.5$ dan panjang yang sama, $127.8\,\mathrm{pm}$ , di antara $\ce{O=O}$ dan $\ce{O-O}$ . Ion nitrat $\ce{NO3-}$ mempunyai tiga struktur yang ekuivalen; setiap ikatan $\ce{N-O}$ berorde $4/3$ . Benzena, $\ce{C6H6}$ , mempunyai dua struktur Kekulé; keenam ikatan $\ce{C-C}$ -nya sama panjang, $139.7\,\mathrm{pm}$ , di antara ikatan tunggal etana ( $153.6\,\mathrm{pm}$ ) dan ikatan rangkap dua etena ( $133.9\,\mathrm{pm}$ ).

Resonansi pada ozon (satu pasangan elektron bebas oksigen kanan menjadi ikatan π sementara ikatan π di kiri menjadi pasangan bebas) dan pada benzena, serta salah satu dari tiga struktur ekuivalen ion nitrat, yang muatannya terbagi pada ketiga oksigen. — Resonansi pada ozon (satu pasangan elektron bebas oksigen kanan menjadi ikatan $\pi$ sementara ikatan $\pi$ di kiri menjadi pasangan bebas) dan pada benzena, serta salah satu dari tiga struktur ekuivalen ion nitrat, yang muatannya terbagi pada ketiga oksigen.

Definisi 3.14 (Ikatan $\sigma$ , ikatan $\pi$ )

Ikatan tunggal adalah ikatan $\sigma$ : pasangan elektronnya terletak di sepanjang sumbu yang menghubungkan kedua inti, hasil tumpang tindih ujung-ke-ujung dua orbital. Ikatan kedua dan ketiga pada ikatan rangkap adalah ikatan $\pi$ : pasangan-pasangannya terletak di kedua sisi sumbu, hasil tumpang tindih sisi-ke-sisi dua orbital p yang tegak lurus pada sumbu itu. Ikatan rangkap dua terdiri atas satu ikatan $\sigma$ dan satu ikatan $\pi$ ; ikatan rangkap tiga atas satu $\sigma$ dan dua $\pi$ .

Dua jenis tumpang tindih. Ikatan memungkinkan rotasi mengelilingi sumbunya; ikatan π tidak, itulah sebabnya ikatan rangkap dua kaku (). — Dua jenis tumpang tindih. Ikatan $\sigma$ memungkinkan rotasi mengelilingi sumbunya; ikatan $\pi$ tidak, itulah sebabnya ikatan rangkap dua kaku (Bab 16).

3.4 Model VSEPR

Definisi 3.15 (Model VSEPR, bilangan sterik)

Dalam model VSEPR (tolakan pasangan elektron kulit valensi), pasangan-pasangan elektron di sekitar atom pusat A saling tolak dan mengambil susunan yang membuat mereka sejauh mungkin satu sama lain. Sebuah molekul ditulis $\ce{AX_nE_m}$ , dengan $n$ banyaknya atom yang terikat pada A (ikatan rangkap dihitung sekali) dan $m$ banyaknya pasangan elektron bebas A. Bilangan sterik $n + m$ menentukan susunan pasangan-pasangan itu: 2 linear, 3 segitiga datar, 4 tetrahedral, 5 bipiramida segitiga, 6 oktahedral. Bentuk molekul adalah susunan atom-atomnya saja.

Proposisi 3.16 (Geometri VSEPR)

Model VSEPR meramalkan bentuk dan sudut ideal pada tabel di bawah ini; sudut-sudut terukur mendekatinya.

tipe	susunan pasangan	bentuk	contoh	sudut terukur
$\ce{AX2}$	linear	linear	$\ce{CO2}$	$180^\circ$
$\ce{AX3}$	segitiga datar	segitiga datar	$\ce{BF3}$	$120^\circ$
$\ce{AX2E}$	segitiga datar	bengkok	$\ce{SO2}$	$119.5^\circ$
$\ce{AX4}$	tetrahedral	tetrahedral	$\ce{CH4}$	$109.5^\circ$
$\ce{AX3E}$	tetrahedral	piramida segitiga	$\ce{NH3}$	$106.7^\circ$
$\ce{AX2E2}$	tetrahedral	bengkok	$\ce{H2O}$	$104.5^\circ$
$\ce{AX5}$	bipiramida segitiga	bipiramida segitiga	$\ce{PCl5}$	$90^\circ$ , $120^\circ$
$\ce{AX4E}$	bipiramida segitiga	jungkat-jungkit	$\ce{SF4}$	$101.6^\circ$ , $173.1^\circ$
$\ce{AX3E2}$	bipiramida segitiga	bentuk T	$\ce{ClF3}$	$87.5^\circ$
$\ce{AX2E3}$	bipiramida segitiga	linear	$\ce{XeF2}$	$180^\circ$
$\ce{AX6}$	oktahedral	oktahedral	$\ce{SF6}$	$90^\circ$
$\ce{AX5E}$	oktahedral	piramida segi empat	$\ce{BrF5}$	—
$\ce{AX4E2}$	oktahedral	segi empat datar	$\ce{XeF4}$	—

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Proposisi 3.17 (Pasangan elektron bebas menyempitkan sudut)

Pasangan elektron bebas, yang hanya diikat oleh satu inti, lebih menyebar daripada pasangan elektron ikatan dan menolak lebih kuat: tolakan berkurang menurut urutan pasangan bebas/pasangan bebas $>$ pasangan bebas/pasangan ikatan $>$ pasangan ikatan/pasangan ikatan. Karena itu sudut antarikatan menyempit ketika pasangan elektron bebas bertambah ( $109.5^\circ$ pada $\ce{CH4}$ , $106.7^\circ$ pada $\ce{NH3}$ , $104.5^\circ$ pada $\ce{H2O}$ ), dan dalam bipiramida segitiga pasangan elektron bebas menempati posisi ekuatorial, tempat pasangan itu hanya mempunyai dua tetangga pada $90^\circ$ .

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Bentuk-bentuk yang diramalkan VSEPR. Baji tebal mengarah ke pembaca, baji bergaris menjauhi pembaca; ikatan biasa terletak pada bidang halaman. Pasangan elektron bebas atom pusat digambar sebagai sepasang titik; XeF4 digambar tampak muka, dengan kedua pasangan bebasnya mengarah ke dan menjauhi pembaca. — Bentuk-bentuk yang diramalkan VSEPR. Baji tebal mengarah ke pembaca, baji bergaris menjauhi pembaca; ikatan biasa terletak pada bidang halaman. Pasangan elektron bebas atom pusat digambar sebagai sepasang titik; $\ce{XeF4}$ digambar tampak muka, dengan kedua pasangan bebasnya mengarah ke dan menjauhi pembaca.

Metode 3.18 (Meramalkan bentuk molekul)

Untuk meramalkan bentuk di sekitar sebuah atom pusat:

gambarlah struktur Lewisnya (Metode 3.4);
hitunglah atom-atom yang terikat pada atom pusat ( $n$ ) dan pasangan elektron bebasnya ( $m$ ); tuliskan $\ce{AX_nE_m}$ ;
bacalah susunannya dari $n + m$ dan bentuknya dari posisi $n$ atom itu;
koreksilah sudut-sudut idealnya: pasangan elektron bebas dan ikatan rangkap memerlukan ruang lebih banyak daripada ikatan tunggal.

Definisi 3.19 (Hibridisasi)

Hibridisasi sebuah atom adalah deskripsi ikatan-ikatannya dengan orbital-orbital yang mengarah sepanjang arah yang diramalkan VSEPR: atom dengan bilangan sterik 4 disebut sp $^3$ (empat orbital ekuivalen pada $109.5^\circ$ ), dengan bilangan sterik 3 sp $^2$ (tiga orbital pada $120^\circ$ dalam satu bidang, dengan satu orbital p tersisa yang tegak lurus pada bidang itu), dengan bilangan sterik 2 sp (dua orbital pada $180^\circ$ , dengan dua orbital p tersisa). Orbital-orbital p yang tersisa membentuk ikatan-ikatan $\pi$ .

Contoh 3.20 (Atom-atom karbon dalam kimia organik)

Dalam etana setiap karbon sp $^3$ , tetrahedral; dalam etena sp $^2$ , keenam atomnya dalam satu bidang dengan sudut mendekati $120^\circ$ ( $\ce{H-C-H}$ terukur $117.6^\circ$ ); dalam etuna sp, keempat atomnya pada satu garis. Panjang ikatannya menyusut dari 153.6 ke 133.9 ke $120.3\,\mathrm{pm}$ seiring ditambahkannya ikatan $\pi$ .

Catatan 3.21 (Sebuah deskripsi, bukan sebab)

Hibridisasi memerikan geometri yang sudah diketahui; hibridisasi tidak menjelaskannya, dan gagal untuk energi elektron, yang dijelaskan oleh teori orbital molekul dalam jilid Tahun 2. Namun, hibridisasi tetap menjadi bahasa sehari-hari kimia organik: “karbon sp $^2$ ” berarti karbon datar dengan satu orbital p yang bebas untuk ikatan $\pi$ .

3.5 Molekul polar: momen dipol

Definisi 3.22 (Dipol ikatan, momen dipol)

Dalam ikatan antara atom-atom yang keelektronegatifannya berbeda, elektron-elektron condong ke atom yang lebih elektronegatif, yang membawa muatan parsial $-\delta e$ , sementara pasangannya membawa $+\delta e$ ( $0 < \delta < 1$ ). Dipol ikatan adalah vektor $\vec\mu = \delta e\, \vec d$ , dengan norma $\delta e d$ , yang mengarah dari muatan parsial negatif ke muatan parsial positif, dengan $\vec d$ vektor di antara keduanya. Momen dipol sebuah molekul adalah jumlah vektor dipol-dipol ikatannya (dan sumbangan pasangan-pasangan elektron bebasnya); momen dipol dinyatakan dalam coulomb meter atau dalam debye, $1\,\mathrm{D} = 3.336 \times 10^{-30}\,\mathrm{C}\,\mathrm{m}$ . Molekul dengan momen dipol yang tidak nol adalah molekul polar.

Catatan 3.23 (Konvensi arah)

Fisika menggambar vektor dipol dari muatan negatif ke muatan positif, konvensi yang dipakai di sini. Buku-buku kimia yang lebih tua menggambar panah berekor silang yang mengarah ke ujung negatif; hanya arahnya yang berbeda.

Proposisi 3.24 (Dipol molekul simetris)

Molekul $\ce{AX_n}$ tanpa pasangan elektron bebas pada A ( $\ce{AX2}$ linear, $\ce{AX3}$ segitiga, $\ce{AX4}$ tetrahedral, …) mempunyai momen dipol nol, betapa pun polarnya ikatan-ikatannya. Molekul $\ce{AX2}$ bengkok bersudut $\theta$ yang ikatan-ikatannya mempunyai dipol $\mu_b$ mempunyai momen dipol

\mu = 2\mu_b \cos\frac{\theta}{2} .

Bukti. Dalam bentuk-bentuk simetris, vektor-vektor ikatan sama normanya dan arahnya tersusun simetris di sekitar A, sehingga jumlahnya nol (untuk $\ce{AX2}$ linear vektor-vektornya berlawanan; untuk $\ce{AX3}$ pada $120^\circ$ tiga vektor yang sama normanya berjumlah nol; untuk $\ce{AX4}$ jumlahnya invarian terhadap rotasi-rotasi tetrahedron, sehingga sama dengan nol). Untuk molekul yang bengkok, setiap vektor ikatan membentuk sudut $\theta/2$ dengan garis bagi sudutnya; komponen-komponen yang tegak lurus pada garis bagi saling meniadakan dan komponen-komponen sepanjang garis bagi saling menjumlah: $2\mu_b\cos(\theta/2)$ . ∎

Dipol-dipol ikatan (jingga, dari muatan parsial negatif ke muatan parsial positif) dan jumlahnya (merah). Pada air yang bengkok dipol-dipol itu saling menjumlah; pada karbon dioksida yang linear saling meniadakan.

Contoh 3.25 (Molekul polar dan nonpolar)

$\ce{CO2}$ , $\ce{BF3}$ , $\ce{CH4}$ , dan $\ce{CCl4}$ mempunyai momen dipol nol. $\ce{H2O}$ ( $1.86\,\mathrm{D}$ ), $\ce{NH3}$ ( $1.48\,\mathrm{D}$ ), dan $\ce{SO2}$ ( $1.63\,\mathrm{D}$ ) bersifat polar. Sepanjang $\ce{CH3Cl}$ , $\ce{CH2Cl2}$ , $\ce{CHCl3}$ , momennya turun, 1.87, 1.62, $1.04\,\mathrm{D}$ , hingga lenyap pada $\ce{CCl4}$ : dipol-dipol ikatan $\ce{C-Cl}$ makin saling meniadakan. Di antara hidrogen halida, momen itu mengikuti selisih keelektronegatifan: HF 1.83, HCl 1.09, HBr 0.83, HI $0.45\,\mathrm{D}$ .

3.6 Latihan

Latihan 3.1 ★

Gambarlah struktur Lewis $\ce{H2O}$ , $\ce{NH3}$ , $\ce{CO2}$ , $\ce{HCN}$ , $\ce{CH2O}$ (metanal), dan $\ce{NH4+}$ , lalu tentukan muatan formalnya.

Solusi

Solusi Latihan 3.1.

$\ce{H2O}$ : dua ikatan $\ce{O-H}$ , dua pasangan elektron bebas pada O. $\ce{NH3}$ : tiga ikatan $\ce{N-H}$ , satu pasangan bebas pada N. $\ce{CO2}$ : $\ce{O=C=O}$ , dua pasangan bebas pada setiap O. $\ce{HCN}$ : $\ce{H-C#N}$ , satu pasangan bebas pada N. $\ce{CH2O}$ : karbon terikat pada dua H dan berikatan rangkap dua dengan O, dua pasangan bebas pada O. Semua muatan formal kelima molekul ini nol. $\ce{NH4+}$ : empat ikatan $\ce{N-H}$ , tanpa pasangan bebas; nitrogen $5 - 0 - 4 = +1$ , yaitu muatan ion itu.

Latihan 3.2 ★

Tentukan tipe $\ce{AX_nE_m}$ , bentuk, dan sudut perkiraan $\ce{H2S}$ , $\ce{PCl3}$ , $\ce{BF3}$ , $\ce{SiH4}$ , dan $\ce{CO3^{2-}}$ (atom pusat ditulis pertama dalam setiap rumus).

Solusi

Solusi Latihan 3.2.

$\ce{H2S}$ : $\ce{AX2E2}$ , bengkok, di bawah $109.5^\circ$ (terukur $92^\circ$ ). $\ce{PCl3}$ : $\ce{AX3E}$ , piramida segitiga, sekitar $100^\circ$ . $\ce{BF3}$ : $\ce{AX3}$ , segitiga datar, $120^\circ$ . $\ce{SiH4}$ : $\ce{AX4}$ , tetrahedral, $109.5^\circ$ . $\ce{CO3^{2-}}$ : $\ce{AX3}$ (ikatan rangkap dihitung sekali), segitiga datar, $120^\circ$ .

Latihan 3.3 ★

Manakah di antara molekul-molekul berikut yang polar: $\ce{CCl4}$ , $\ce{CH2Cl2}$ , $\ce{BF3}$ , $\ce{NH3}$ , $\ce{CO2}$ , $\ce{SO2}$ ? Berikan alasannya dari bentuknya.

Solusi

Solusi Latihan 3.3.

Nonpolar: $\ce{CCl4}$ ( $\ce{AX4}$ tetrahedral), $\ce{BF3}$ ( $\ce{AX3}$ ), $\ce{CO2}$ ( $\ce{AX2}$ linear): dipol-dipol ikatannya saling meniadakan. Polar: $\ce{CH2Cl2}$ (dua jenis ikatan yang berbeda pada sebuah tetrahedron), $\ce{NH3}$ (piramida), $\ce{SO2}$ (bengkok).

Latihan 3.4 ★

Tentukan asam Lewis dan basa Lewis dalam $\ce{H+ + H2O -> H3O+}$ dan dalam $\ce{Cu^{2+} + 4NH3 -> [Cu(NH3)4]^{2+}}$ . Ikatan manakah yang datif?

Solusi

Solusi Latihan 3.4.

$\ce{H+}$ adalah asam Lewis dan $\ce{H2O}$ basanya: ikatan $\ce{O-H}$ baru pada $\ce{H3O+}$ bersifat datif ketika terbentuk (sesudahnya ketiga ikatan $\ce{O-H}$ identik). $\ce{Cu^{2+}}$ adalah asamnya dan setiap $\ce{NH3}$ sebuah basa: keempat ikatan $\ce{Cu-N}$ bersifat datif.

Latihan 3.5 ★★

Tuliskan dua struktur resonansi ion etanoat $\ce{CH3COO-}$ . Apa yang diramalkan struktur-struktur itu tentang panjang kedua ikatan $\ce{C-O}$ ? Bandingkan dengan asam metanoat $\ce{HCOOH}$ , yang kedua ikatan $\ce{C-O}$ -nya berukuran 120.2 dan $134.3\,\mathrm{pm}$ .

Solusi

Solusi Latihan 3.5.

$\leftrightarrow$ . Kedua struktur itu ekuivalen: kedua ikatan $\ce{C-O}$ berorde 1.5 dan sama panjang, di antara ikatan rangkap dua dan ikatan tunggal. Pada asam metanoat kedua oksigennya berbeda (satu membawa H), struktur-strukturnya tidak ekuivalen, dan ikatan-ikatannya tetap berbeda panjang, 120.2 ( $\ce{C=O}$ ) dan $134.3\,\mathrm{pm}$ ( $\ce{C-OH}$ ).

Latihan 3.6 ★★

Gambarlah struktur Lewis ion sulfat $\ce{SO4^{2-}}$ dengan empat ikatan tunggal $\ce{S-O}$ , hitunglah muatan formalnya, dan ramalkan bentuknya. Berapa banyak struktur resonansi dengan dua ikatan $\ce{S=O}$ dan tanpa muatan pada belerang yang dapat ditulis?

Solusi

Solusi Latihan 3.6.

$N = 6 + 4 \times 6 + 2 = 32$ elektron. Dengan empat ikatan tunggal dan tiga pasangan bebas pada setiap oksigen: belerang $6 - 0 - 4 = +2$ , setiap oksigen $6 - 6 - 1 = -1$ ; jumlahnya $+2 - 4 = -2$ . Bentuk $\ce{AX4}$ , tetrahedral. Dengan dua ikatan $\ce{S=O}$ , memilih dua dari keempat oksigen yang berikatan rangkap dua menghasilkan $\binom{4}{2} = 6$ struktur.

Latihan 3.7 ★★

Gunakan VSEPR untuk meramalkan bentuk $\ce{SF4}$ , $\ce{ClF3}$ , $\ce{XeF2}$ , dan $\ce{XeF4}$ . Jelaskan mengapa pasangan-pasangan elektron bebas sebuah bipiramida segitiga berada pada bidang ekuatorial.

Solusi

Solusi Latihan 3.7.

$\ce{SF4}$ : $\ce{AX4E}$ , jungkat-jungkit. $\ce{ClF3}$ : $\ce{AX3E2}$ , bentuk T. $\ce{XeF2}$ : $\ce{AX2E3}$ , linear. $\ce{XeF4}$ : $\ce{AX4E2}$ , segi empat datar. Dalam bipiramida segitiga, posisi aksial mempunyai tiga tetangga pada $90^\circ$ , posisi ekuatorial hanya dua: pasangan-pasangan bebas yang besar menempati tempat yang tolakan $90^\circ$ -nya paling sedikit.

Latihan 3.8 ★★

Sudut $\ce{H-X-H}$ adalah $104.5^\circ$ pada $\ce{H2O}$ dan $92.1^\circ$ pada $\ce{H2S}$ ; $106.7^\circ$ pada $\ce{NH3}$ dan $93.3^\circ$ pada $\ce{PH3}$ . Kemukakan penjelasannya berdasarkan ukuran dan keelektronegatifan atom pusat.

Solusi

Solusi Latihan 3.8.

Belerang dan fosfor lebih besar dan kurang elektronegatif daripada oksigen dan nitrogen: pasangan-pasangan elektron ikatan terletak lebih jauh dari atom pusat dan tertarik ke arah hidrogen, sehingga kurang saling tolak, dan pasangan-pasangan bebas menekan ikatan-ikatan itu ke arah $90^\circ$ .

Latihan 3.9 ★★

Tentukan hibridisasi setiap karbon dan nitrogen dalam $\ce{CH3-C#N}$ (etananitril) dan dalam $\ce{CH2=CH-CH3}$ , serta banyaknya ikatan $\sigma$ dan $\pi$ dalam setiap molekul.

Solusi

Solusi Latihan 3.9.

$\ce{CH3-C#N}$ : karbon $\ce{CH3}$ sp $^3$ , karbon nitril sp, nitrogen sp; 5 ikatan $\sigma$ (tiga $\ce{C-H}$ , $\ce{C-C}$ , satu dalam $\ce{C#N}$ ) dan 2 ikatan $\pi$ . $\ce{CH2=CH-CH3}$ : kedua karbon alkena sp $^2$ , karbon metil sp $^3$ ; 8 ikatan $\sigma$ (enam $\ce{C-H}$ , dua $\ce{C-C}$ ) dan 1 ikatan $\pi$ .

Latihan 3.10 ★★★

Momen dipol $\ce{NF3}$ hanya $0.24\,\mathrm{D}$ , dibandingkan dengan $1.48\,\mathrm{D}$ untuk $\ce{NH3}$ , padahal ikatan $\ce{N-F}$ lebih polar daripada ikatan $\ce{N-H}$ . Dengan dipol-dipol ikatan dan pasangan elektron bebas nitrogen, jelaskan perbedaan itu.

Solusi

Solusi Latihan 3.10.

Kedua molekul berbentuk piramida dengan sepasang elektron bebas pada nitrogen. Pasangan bebas itu memberi sumbangan yang mengarah (dari negatif ke positif) dari pasangan bebas menuju inti. Pada $\ce{NH3}$ , nitrogen adalah ujung negatif setiap ikatan: dipol-dipol ikatan mengarah dari N ke hidrogen-hidrogen, searah dengan sumbangan pasangan bebas, dan saling menjumlah. Pada $\ce{NF3}$ , fluorin adalah ujung negatif: dipol-dipol ikatan mengarah dari fluorin-fluorin ke N, berlawanan dengan sumbangan pasangan bebas, dan keduanya hampir saling meniadakan.

Latihan 3.11 ★★★

Molekul $\ce{SO2}$ mempunyai sudut $119.5^\circ$ dan momen dipol $1.63\,\mathrm{D}$ . Hitunglah dipol satu ikatan $\ce{S-O}$ ; dengan panjang ikatan $143.2\,\mathrm{pm}$ , turunkan muatan parsial $\delta$ pada setiap oksigen.

Solusi

Solusi Latihan 3.11.

$\mu_b = \mu/(2\cos(\theta/2)) = 1.63/(2\cos 59.75^\circ) = 1.62\,\mathrm{D} = 5.40 \times 10^{-30}\,\mathrm{C}\,\mathrm{m}$ . Maka $\delta = \mu_b/(e\,d) = 5.40 \times 10^{-30}/(1.602 \times 10^{-19} \times 143.2 \times 10^{-12}) = 0.24$ .

Latihan 3.12 ★★★

Gambarlah struktur-struktur Lewis terpenting dinitrogen monoksida $\ce{N2O}$ (linear, $\ce{N-N-O}$ ) dan hitunglah muatan formalnya. Panjang ikatan terukurnya $\ce{N-N}$ $112.8\,\mathrm{pm}$ dan $\ce{N-O}$ $118.4\,\mathrm{pm}$ ; dalam $\ce{N2}$ ikatan rangkap tiganya berukuran $109.8\,\mathrm{pm}$ . Struktur manakah yang lebih berbobot?

Solusi

Solusi Latihan 3.12.

$\ce{N=N=O}$ dengan muatan formal $-1$ , $+1$ , $0$ ; $\ce{N#N-O}$ dengan $0$ , $+1$ , $-1$ . Ikatan $\ce{N-N}$ ( $112.8\,\mathrm{pm}$ ) mendekati ikatan rangkap tiga $\ce{N2}$ ( $109.8\,\mathrm{pm}$ ): struktur $\ce{N#N-O}$ lebih berbobot, dan struktur itu menempatkan muatan negatif pada oksigen, atom yang lebih elektronegatif. Namun, ikatan $\ce{N-O}$ lebih pendek daripada ikatan tunggal: struktur yang lain juga turut menyumbang.

3.7 Soal: Molekul-Molekul Sambaran Petir

Soal 3.1

Soal akhir pekan — spesies nitrogen dan oksigen yang terbentuk ketika petir memanaskan udara: struktur Lewis, resonansi, bentuk molekul, dan muatan parsial air

Sambaran petir memanaskan udara hingga ribuan derajat: $\ce{N2}$ dan $\ce{O2}$ menghasilkan $\ce{NO}$ , lalu $\ce{NO2}$ , $\ce{N2O}$ , ozon, dan akhirnya asam nitrat di dalam hujan. Data: $1\,\mathrm{D} = 3.336 \times 10^{-30}\,\mathrm{C}\,\mathrm{m}$ , $e = 1.602 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}$ . Nilai-nilai terukur diberikan bila diperlukan.

Bagian I — Struktur Lewis.

Hitunglah elektron valensi $\ce{N2}$ , $\ce{NO}$ , $\ce{NO2}$ , $\ce{N2O}$ , $\ce{O3}$ , dan $\ce{HNO3}$ .
Gambarlah struktur Lewis $\ce{N2}$ .
Gambarlah sebuah struktur Lewis $\ce{NO}$ . Mengapa aturan oktet tidak dapat dipenuhi pada kedua atomnya?
Gambarlah dua struktur Lewis $\ce{N2O}$ , dengan $\ce{N=N=O}$ dan dengan $\ce{N#N-O}$ , lalu tentukan muatan formalnya.
Gambarlah sebuah struktur Lewis ozon dan tentukan muatan formalnya.
Gambarlah sebuah struktur Lewis $\ce{HNO3}$ dan tentukan muatan formalnya.
Manakah di antara keenam spesies itu yang mempunyai elektron tak berpasangan?

Bagian II — Resonansi dan panjang ikatan.

Tuliskan dua struktur resonansi ozon. Orde ikatan berapakah yang diramalkannya?
Ikatan $\ce{O-O}$ berukuran $127.8\,\mathrm{pm}$ pada ozon, $120.8\,\mathrm{pm}$ pada $\ce{O2}$ , dan $147.5\,\mathrm{pm}$ pada $\ce{H2O2}$ . Apakah ramalan itu terbukti?
Tuliskan tiga struktur resonansi $\ce{NO3-}$ dan tentukan orde setiap ikatan $\ce{N-O}$ .
Dalam $\ce{HNO3}$ ketiga ikatan $\ce{N-O}$ berukuran 140.6, 121.1, dan $119.9\,\mathrm{pm}$ . Pasangkan nilai-nilai itu dengan ikatannya dan jelaskan dengan resonansi.
Jelaskan mengapa sudut $\ce{O-N-O}$ pada $\ce{NO2}$ ( $134^\circ$ ) lebih besar daripada $120^\circ$ .
Manakah di antara kedua struktur pada pertanyaan 4 yang menempatkan muatan formal negatif pada atom yang lebih elektronegatif?

Bagian III — Bentuk dan kepolaran.

Tentukan tipe $\ce{AX_nE_m}$ atom pusat $\ce{O3}$ , $\ce{N2O}$ , $\ce{NO3-}$ , dan nitrogen $\ce{HNO3}$ , beserta bentuknya.
Sudut ozon adalah $116.8^\circ$ . Jelaskan mengapa sudut itu di bawah $120^\circ$ .
Ozon mempunyai momen dipol $0.53\,\mathrm{D}$ , $\ce{N2O}$ $0.16\,\mathrm{D}$ , $\ce{N2}$ tidak ada. Jelaskan.
Mengapa $\ce{CO2}$ nonpolar sedangkan $\ce{SO2}$ polar?
Ramalkan sudut $\ce{NH3}$ relatif terhadap $109.5^\circ$ , lalu bandingkan dengan nilai terukur $106.7^\circ$ .
Pertanyaan yang sama untuk air ( $104.5^\circ$ ).

Bagian IV — Muatan parsial air. Momen dipol air adalah $1.857\,\mathrm{D}$ , sudutnya $104.48^\circ$ , dan panjang ikatan $\ce{O-H}$ -nya $95.8\,\mathrm{pm}$ .

Nyatakan momen dipol air sebagai fungsi dipol ikatan $\mu_{OH}$ dan sudutnya.
Hitunglah $\mu_{OH}$ dalam debye.
Ubahlah nilai itu menjadi coulomb meter.
Seandainya dipol ikatan itu terbentuk dari dua muatan penuh $\pm e$ pada kedua inti, berapa nilainya?
Turunkan sifat ion fraksional $\delta$ ikatan $\ce{O-H}$ , yaitu rasio dipol ikatan terukur terhadap dipol muatan penuh.

Solusi

Solusi Soal 3.1.

1. $\ce{N2}$ 10, $\ce{NO}$ 11, $\ce{NO2}$ 17, $\ce{N2O}$ 16, $\ce{O3}$ 18, $\ce{HNO3}$ 24. 2. $\ce{N#N}$ dengan satu pasangan elektron bebas pada setiap nitrogen. 3. $\ce{N=O}$ dengan dua pasangan bebas pada oksigen, satu pasangan bebas dan satu elektron tunggal pada nitrogen. Dengan 11 elektron, bilangan ganjil, selalu ada satu atom yang jumlah elektronnya ganjil: nitrogen dikelilingi 7 elektron. 4. $\ce{N=N=O}$ : $-1$ , $+1$ , $0$ ; $\ce{N#N-O}$ : $0$ , $+1$ , $-1$ . 5. $\ce{O=O-O}$ : oksigen pusat $+1$ (satu pasangan bebas, tiga ikatan), oksigen ujung yang berikatan tunggal $-1$ , yang lain 0. 6. Seperti pada Contoh 3.5: nitrogen $+1$ , oksigen yang berikatan tunggal dan tanpa hidrogen $-1$ , yang lain 0. 7. $\ce{NO}$ dan $\ce{NO2}$ (11 dan 17 elektron). 8. Dua struktur ekuivalen, dengan ikatan rangkap dua pada salah satu sisi: orde 1.5 untuk setiap ikatan. 9. Ya: $127.8\,\mathrm{pm}$ terletak di antara ikatan rangkap dua ( $120.8\,\mathrm{pm}$ ) dan ikatan tunggal ( $147.5\,\mathrm{pm}$ ). 10. Ikatan rangkap dua bergiliran pada ketiga oksigen; setiap ikatan $\ce{N-O}$ rangkap dua pada satu dari tiga struktur: orde $4/3$ . 11. Ikatan yang panjang, $140.6\,\mathrm{pm}$ , adalah $\ce{N-OH}$ , ikatan tunggal. Kedua oksigen tanpa hidrogen berbagi satu ikatan $\pi$ melalui dua struktur resonansi yang ekuivalen: dua ikatan berorde 1.5, 121.1 dan $119.9\,\mathrm{pm}$ . 12. Nitrogen membawa satu elektron tunggal, bukan sepasang elektron bebas: elektron itu menolak pasangan-pasangan ikatan lebih lemah daripada sepasang elektron, dan ikatan-ikatan itu membuka melewati $120^\circ$ . 13. $\ce{N#N-O}$ , dengan muatan negatif pada oksigen. 14. $\ce{O3}$ : $\ce{AX2E}$ , bengkok. $\ce{N2O}$ : $\ce{AX2}$ (N pusat), linear. $\ce{NO3-}$ : $\ce{AX3}$ , segitiga datar. Nitrogen $\ce{HNO3}$ : $\ce{AX3}$ , segitiga datar. 15. Pasangan elektron bebas oksigen pusat menolak pasangan-pasangan ikatan lebih kuat daripada tolakan di antara pasangan-pasangan ikatan itu sendiri. 16. Ozon bengkok dan atom pusatnya berbeda dari atom-atom ujung (muatan formal positif di tengah, muatan negatif terbagi pada kedua ujung): sebuah dipol kecil sepanjang garis bagi sudutnya. $\ce{N2O}$ linear, tetapi kedua ujungnya atom yang berbeda: sebuah dipol kecil. $\ce{N2}$ simetris: tanpa dipol. 17. $\ce{CO2}$ linear ( $\ce{AX2}$ ): dipol-dipol ikatannya saling meniadakan. $\ce{SO2}$ bengkok ( $\ce{AX2E}$ ): dipol-dipolnya saling menjumlah. 18. $\ce{AX3E}$ : pasangan bebas menyempitkan sudut-sudutnya di bawah $109.5^\circ$ ; terukur $106.7^\circ$ . 19. $\ce{AX2E2}$ : dua pasangan bebas menyempitkannya lebih jauh; $104.5^\circ$ . 20. $\mu = 2\mu_{OH}\cos(\theta/2)$ (Proposisi 3.24). 21. $\mu_{OH} = 1.857/(2\cos 52.24^\circ) = 1.857/1.2246 = 1.52\,\mathrm{D}$ . 22. $1.516 \times 3.336 \times 10^{-30} = 5.06 \times 10^{-30}\,\mathrm{C}\,\mathrm{m}$ . 23. $e\,d = 1.602 \times 10^{-19} \times 95.8 \times 10^{-12} = 1.535 \times 10^{-29}\,\mathrm{C}\,\mathrm{m}$ , yaitu $4.60\,\mathrm{D}$ . 24. $\delta = 5.06 \times 10^{-30}/1.535 \times 10^{-29} = \textbf{0.33}$ : ikatan $\ce{O-H}$ air membawa sepertiga muatan yang akan dibawa oleh ikatan yang sepenuhnya ionik.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium