Kimia Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

4Gaya Antarmolekul dan Pelarut

Seekor cicak berlari menaiki kaca jendela dan bergantung padanya dengan satu jari; tanpa lem, tanpa isapan, hanya tarikan antara molekul-molekul bantalan jarinya dan molekul-molekul kaca. Air, molekul yang lebih ringan daripada karbon dioksida, mendidih pada $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , sedangkan karbon dioksida berwujud gas pada suhu kamar. Minyak mengapung di atas cuka dan tidak pernah bercampur dengannya; garam dapur larut dalam air dan tidak larut dalam bensin. Semua fakta ini ditentukan bukan oleh ikatan di dalam molekul, melainkan oleh gaya-gaya yang jauh lebih lemah di antara molekul. Bab ini menggolongkan gaya-gaya itu, mengukur pengaruhnya terhadap titik didih, dan memakainya untuk memilih pelarut.

Yang sudah kamu ketahui

Buku 1 (kelas 11) memperkenalkan gaya van der Waals dan ikatan hidrogen, dan menjelaskan bahwa padatan ion larut melalui disosiasi dan solvasi. Momen dipol didefinisikan pada Definisi 3.22 dan polarisabilitas pada Definisi 2.19. Dari fisika kita memakai hukum Coulomb: dua muatan $q_1$ dan $q_2$ yang berjarak $r$ di vakum saling tarik atau saling tolak dengan gaya yang normanya $|q_1q_2|/(4\pi \varepsilon_0 r^2)$ .

Seekor cicak pada kaca jendela. Jutaan rambut halus pada bantalan jarinya mendekat sedemikian rapat ke kaca sehingga tarikan lemah antara molekul-molekulnya dan molekul-molekul kaca berjumlah lebih besar daripada beratnya.

4.1 Interaksi van der Waals

Definisi 4.1 (Interaksi van der Waals)

Interaksi van der Waals adalah gaya-gaya tarik antara molekul-molekul netral yang berasal dari interaksi dipol-dipolnya. Dibedakan tiga jenis:

interaksi Keesom (atau interaksi orientasi) antara dua dipol permanen, yang cenderung menyusun diri kepala ke ekor;
interaksi Debye (atau interaksi induksi) antara dipol permanen dan dipol yang diimbasnya pada tetangga yang mudah terpolarisasi;
interaksi London (atau interaksi dispersi) antara dipol-dipol sesaat yang ditimbulkan fluktuasi awan elektron pada dua atom atau molekul mana pun, polar atau tidak, dan yang saling mengimbas.

Tiga interaksi van der Waals. Muatan parsial hitam bersifat permanen (molekul polar); yang jingga bersifat imbas atau sesaat. Dalam setiap kasus muatan-muatan yang berhadapan berlawanan tanda, sehingga molekul-molekulnya saling tarik.

Proposisi 4.2 (Kekuatan dan jangkauan)

Untuk dua molekul yang berjarak $r$ , masing-masing ketiga energi van der Waals berubah sebanding dengan $-1/r^6$ : tarikannya hanya terasa antara tetangga dekat. Energinya berorde beberapa kilojoule per mol, sekitar seratus kali lebih kecil daripada ikatan kovalen. Suku London membesar dengan polarisabilitas kedua pihak; suku ini ada di antara semua molekul dan biasanya yang terbesar di antara ketiganya, kecuali untuk molekul kecil yang sangat polar.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Contoh 4.3 (Gas mulia dan halogen)

Atom-atom gas mulia saling tarik hanya melalui gaya London, yang membesar dengan banyaknya elektron: helium mendidih pada $-268.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , neon pada $-246.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , argon pada $-185.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , kripton pada $-153.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , xenon pada $-108.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Demikian pula, pada suhu kamar difluorin dan diklor berwujud gas, dibrom cair (mendidih pada $58.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), dan diiodin padat.

Titik didih alkana rantai lurus C_nH_2n+2, dari metana sampai dekana. Setiap CH2 yang ditambahkan menambah elektron dan luas permukaan kontak, sehingga menambah tarikan London; pertambahannya mengecil perlahan, dari sekitar 75\, C pada awalnya menjadi 25\, C pada dekana. — Titik didih alkana rantai lurus $\ce{C_nH_{2n+2}}$ , dari metana sampai dekana. Setiap $\ce{CH2}$ yang ditambahkan menambah elektron dan luas permukaan kontak, sehingga menambah tarikan London; pertambahannya mengecil perlahan, dari sekitar $75\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ pada awalnya menjadi $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ pada dekana.

4.2 Ikatan hidrogen

Definisi 4.4 (Ikatan hidrogen)

Ikatan hidrogen adalah tarikan $\ce{X-H}\cdots\ce{Y}$ antara atom hidrogen yang terikat pada atom X yang kecil dan sangat elektronegatif ( $\ce{N}$ , $\ce{O}$ , atau $\ce{F}$ ) dan sepasang elektron bebas atom elektronegatif lain Y. Molekul yang membawa $\ce{X-H}$ adalah donor ikatan hidrogen, molekul yang membawa Y akseptornya. Energinya, 10 sampai $40\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , terletak di antara energi interaksi van der Waals dan energi ikatan kovalen; ketiga atom $\ce{X}$ , $\ce{H}$ , $\ce{Y}$ hampir segaris.

Catatan 4.5 (Mengapa N, O, dan F)

Atom X yang sangat elektronegatif meninggalkan muatan parsial positif yang besar pada hidrogen; hidrogen, yang tidak mempunyai elektron dalam, sangat kecil, sehingga pasangan elektron bebas Y dapat mendekatinya sangat rapat. Kedua syarat itu diperlukan: ikatan $\ce{C-H}$ kurang polar, sedangkan ikatan $\ce{S-H}$ atau $\ce{Cl-H}$ melibatkan atom-atom yang terlalu besar dan terlalu lemah keelektronegatifannya untuk membentuk ikatan hidrogen yang kuat.

Ikatan hidrogen (titik-titik merah). Dalam air cair setiap molekul terlibat dalam paling banyak empat ikatan hidrogen; asam karboksilat berpasangan menjadi dimer siklik yang diikat oleh dua ikatan hidrogen.

Proposisi 4.6 (Ikatan hidrogen menaikkan titik didih)

Di antara hidrida golongan 15, 16, dan 17, titik didih naik dari periode 3 ke periode 5, mengikuti interaksi London; hidrida periode 2, $\ce{NH3}$ , $\ce{H2O}$ , dan $\ce{HF}$ , yang membentuk ikatan hidrogen, mendidih jauh di atas ekstrapolasi kecenderungan itu. Hidrida golongan 14 ( $\ce{CH4}$ , $\ce{SiH4}$ , $\ce{GeH4}$ ) tidak membentuk ikatan hidrogen dan mengikuti kecenderungan tersebut.

Titik didih hidrida golongan 14 (bujur sangkar abu-abu), 15 (biru), 16 (merah), dan 17 (hijau). Air akan mendidih di dekat -79\, C seandainya mengikuti analog-analognya yang lebih berat (garis putus-putus); ikatan hidrogennya menaikkan titik didih itu sekitar 180\, C. — Titik didih hidrida golongan 14 (bujur sangkar abu-abu), 15 (biru), 16 (merah), dan 17 (hijau). Air akan mendidih di dekat $-79\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ seandainya mengikuti analog-analognya yang lebih berat (garis putus-putus); ikatan hidrogennya menaikkan titik didih itu sekitar $180\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Contoh 4.7 (Etanol dan isomernya)

Etanol, $\ce{CH3CH2OH}$ , dan metoksimetana, $\ce{CH3OCH3}$ , mempunyai rumus yang sama, $\ce{C2H6O}$ , dan interaksi London yang hampir sama. Etanol, yang gugus $\ce{O-H}$ -nya sekaligus donor dan akseptor, mendidih pada $78.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; metoksimetana, yang hanya dapat menerima, mendidih pada $-25.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

4.3 Pelarut

Definisi 4.8 (Permitivitas relatif)

Di dalam suatu medium, gaya Coulomb antara dua muatan dibagi dengan bilangan $\varepsilon_r \ge 1$ , yaitu permitivitas relatif (atau tetapan dielektrik) medium itu:

F = \frac{|q_1 q_2|}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2} .

Nilainya besar untuk zat cair yang molekulnya polar, yang mengorientasikan diri di sekitar muatan-muatan dan menapisnya: $78.4$ untuk air pada $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $1.89$ untuk heksana pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Definisi 4.9 (Pelarut polar, protik, dan aprotik)

Pelarut polar terdiri atas molekul-molekul dengan momen dipol besar dan mempunyai permitivitas relatif yang besar (di atas sekitar 15); pelarut apolar mempunyai permitivitas yang kecil. Pelarut protik mempunyai molekul-molekul yang membawa atom hidrogen yang mampu membentuk ikatan hidrogen ( $\ce{O-H}$ atau $\ce{N-H}$ ); pelarut aprotik tidak mempunyainya.

pelarut	$\varepsilon_r$	$\mu$ (D)	kepolaran	keprotikan
air	78.4	1.86	polar	protik
metanol	32.6	1.67	polar	protik
etanol	24.3	1.52	polar	protik
asetonitril, $\ce{CH3CN}$	37.5	3.92	polar	aprotik
propanon (aseton)	20.7	2.88	polar	aprotik
diklorometana	9.08	1.62	agak polar	aprotik
etil etanoat	6.02	1.78	agak polar	aprotik
etoksietana	4.34	1.15	agak polar	aprotik
benzena	2.28	0	apolar	aprotik
heksana	1.89	0	apolar	aprotik

Definisi 4.10 (Solvasi, daya pengion, dan daya disosiasi)

Solvasi sebuah partikel zat terlarut adalah pengelilingannya oleh molekul-molekul pelarut yang terorientasi dan terikat padanya oleh gaya-gaya antarmolekul (hidrasi, di dalam air). Daya pengion sebuah pelarut adalah kemampuannya mengubah ikatan kovalen polar zat terlarut menjadi pasangan ion, sifat pelarut polar dengan momen dipol yang besar; daya disosiasi pelarut itu adalah kemampuannya memisahkan ion-ion sebuah pasangan, yang diukur dengan permitivitas relatifnya.

Proposisi 4.11 (Pelarutan dalam tiga tahap)

Pelarutan sebuah elektrolit di dalam pelarut dapat dipaparkan dalam tiga tahap: ionisasi (untuk zat terlarut molekuler seperti $\ce{HCl}$ ), disosiasi pasangan-pasangan ion, dan solvasi ion-ion yang terpisah. Sebuah pelarut melarutkan zat terlarut ionik atau sangat polar dengan baik jika pelarut itu polar (mengionkan), berpermitivitas tinggi (mendisosiasikan), dan mampu menyolvasi kedua ion — kation melalui pasangan elektron bebasnya, anion melalui ikatan hidrogen jika pelarut itu protik. Air melakukan ketiganya.

Contoh 4.12 (Hidrogen klorida dalam air dan dalam heksana)

Dalam air, $\ce{HCl}$ terionisasi dan terdisosiasi sempurna: $\ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)}$ ; larutannya menghantarkan listrik. Dalam heksana, yang apolar dan berpermitivitas rendah, zat itu larut sebagai molekul $\ce{HCl}$ dan larutannya tidak menghantarkan listrik.

Hidrasi kedua ion natrium klorida (hanya lapisan pertama, digambar pada bidang). Air menghadapkan ujung negatifnya, oksigen, ke kation, dan satu hidrogennya ke anion.

4.4 Kelarutan, sifat dapat bercampur, dan amfifil

Proposisi 4.13 (Yang sejenis melarutkan yang sejenis)

Sebuah zat terlarut larut dengan baik dalam suatu pelarut jika interaksi antara molekul-molekul zat terlarut dan pelarut sebanding dengan interaksi yang hilang: zat terlarut polar atau pembentuk ion dalam pelarut polar, zat terlarut apolar dalam pelarut apolar, zat terlarut pembentuk ikatan hidrogen dalam pelarut protik.

Penalaran. Pelarutan memutus interaksi zat terlarut–zat terlarut dan pelarut–pelarut serta membentuk interaksi zat terlarut–pelarut. Jika zat terlarutnya apolar dan pelarutnya air, molekul-molekul air kehilangan ikatan hidrogen untuk memberi tempat baginya dan sebagai gantinya hanya memperoleh interaksi London yang lemah: pelarutan tidak menguntungkan. Jika keduanya apolar, interaksi London yang hilang dan yang diperoleh sebanding, dan pencampuran didorong oleh ketidakteraturan yang ditimbulkannya. ∎

Definisi 4.14 (Zat cair yang dapat bercampur)

Dua zat cair disebut dapat bercampur jika keduanya bercampur dalam segala perbandingan menjadi satu fase cair; jika tidak, keduanya membentuk dua lapisan, dengan yang kurang rapat di atas.

Contoh 4.15 (Air dengan etanol, air dengan heksana)

Etanol dapat bercampur dengan air: keduanya protik dan polar, dan etanol membentuk ikatan hidrogen dengan air seperti halnya dengan dirinya sendiri. Heksana dan air tidak dapat bercampur. Diiodin, sebuah padatan molekuler, nyaris tidak larut dalam air, tetapi mudah larut dalam heksana atau diklorometana: jika dikocok dengan pelarut semacam itu, iodin dari fase berair berpindah ke lapisan organik, prinsip ekstraksi cair–cair (Bab 29).

Saus salad yang didiamkan: minyak zaitun, yang apolar, mengapung di atas cuka, sebuah larutan berair; kedua zat cair itu tidak dapat bercampur.

Definisi 4.16 (Hidrofilik, hidrofobik, amfifilik)

Sebuah gugus bersifat hidrofilik jika berinteraksi secara menguntungkan dengan air (gugus ionik atau polar: $\ce{-COO^-}$ , $\ce{-OH}$ , $\ce{-SO3^-}$ ) dan hidrofobik jika tidak (rantai hidrokarbon). Sebuah molekul bersifat amfifilik jika membawa sekaligus kepala yang hidrofilik dan ekor yang hidrofobik.

Contoh 4.17 (Sabun)

Natrium dodekanoat, $\ce{CH3(CH2)10COO- Na+}$ , bersifat amfifilik. Di permukaan air, molekul-molekulnya berdiri dengan kepala di dalam air dan ekor di udara. Di bagian dalam cairan, di atas suatu konsentrasi yang kecil, molekul-molekul itu berkumpul membentuk bola — misel — dengan ekor di dalam dan kepala di luar. Lemak, yang apolar, larut dalam inti hidrofobik misel dan terbawa pergi oleh air.

Molekul-molekul amfifilik (kepala hidrofilik merah, ekor hidrofobik zig-zag) di permukaan air dan berkumpul menjadi misel, digambar dalam penampang; misel dipelajari dalam jilid Tahun 3.

Metode 4.18 (Memilih pelarut)

Untuk memilih pelarut bagi sebuah zat terlarut atau sebuah reaksi:

cirikan zat terlarutnya: ionik, polar, mampu memberi atau menerima ikatan hidrogen, atau apolar;
pilihlah pelarut yang sejenis (Proposisi 4.13), yang permitivitasnya tinggi jika ion-ion harus dipisahkan;
untuk reaksi antara anion dan molekul, utamakan pelarut polar aprotik, yang melarutkan garamnya tanpa mengikat anion melalui ikatan hidrogen (Bab 19);
untuk ekstraksi, pilihlah pelarut yang tidak dapat bercampur dengan pelarut pertama dan yang jauh lebih banyak melarutkan zat terlarutnya.

4.5 Latihan

Latihan 4.1 ★

Sebutkan interaksi yang ada di antara partikel-partikel argon cair, hidrogen klorida cair, air cair, metana cair, dan diiodin padat, lalu nyatakan interaksi mana yang dominan pada masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 4.1.

Argon: hanya London. Hidrogen klorida: Keesom, Debye, dan London, dengan London yang dominan (Latihan 4.8); klor terlalu besar untuk membentuk ikatan hidrogen yang kuat. Air: ikatan hidrogen dominan, disertai ketiga suku van der Waals. Metana: hanya London. Diiodin: hanya London, yang kuat karena molekulnya besar dan sangat mudah terpolarisasi.

Latihan 4.2 ★

Manakah di antara zat-zat berikut yang membentuk ikatan hidrogen di antara molekul-molekulnya sendiri: $\ce{CH3OH}$ , $\ce{CH3OCH3}$ , $\ce{CH3NH2}$ , $\ce{CH3F}$ , $\ce{HF}$ , $\ce{CH4}$ ? Manakah yang hanya dapat menerima ikatan hidrogen dari molekul lain?

Solusi

Solusi Latihan 4.2.

Di antara molekul-molekulnya sendiri: $\ce{CH3OH}$ ( $\ce{O-H}$ ), $\ce{CH3NH2}$ ( $\ce{N-H}$ ), dan $\ce{HF}$ . $\ce{CH3OCH3}$ dan $\ce{CH3F}$ mempunyai pasangan elektron bebas pada O atau F, tetapi tidak ada hidrogen yang terikat padanya: keduanya hanya dapat menerima ikatan hidrogen, misalnya dari air. $\ce{CH4}$ tidak memberi dan tidak menerima.

Latihan 4.3 ★

Dengan tabel pelarut, golongkan air, etanol, propanon, heksana, diklorometana, dan asetonitril sebagai polar atau apolar, protik atau aprotik.

Solusi

Solusi Latihan 4.3.

Air dan etanol: polar, protik. Propanon dan asetonitril: polar, aprotik. Diklorometana: agak polar, aprotik. Heksana: apolar, aprotik.

Latihan 4.4 ★

Jelaskan mengapa diiodin jauh lebih mudah larut dalam heksana daripada dalam air, dan mengapa natrium klorida justru sebaliknya.

Solusi

Solusi Latihan 4.4.

Diiodin apolar: di dalam heksana ia menukar interaksi London dengan interaksi London, sedangkan di dalam air ia harus memutus ikatan hidrogen tanpa menggantinya. Natrium klorida bersifat ionik: hanya pelarut berpermitivitas tinggi yang dapat memisahkan ion-ionnya dan hanya pelarut polar yang dapat menyolvasinya; heksana ( $\varepsilon_r = 1.89$ ) tidak dapat melakukan keduanya.

Latihan 4.5 ★★

Metanol mendidih pada $64.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , etanol pada $78.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , asam etanoat pada $118.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dan metoksimetana pada $-25.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Jelaskan urutan itu.

Solusi

Solusi Latihan 4.5.

Metoksimetana tidak mempunyai $\ce{O-H}$ : zat ini tidak dapat memberi ikatan hidrogen dan mendidih paling rendah. Metanol dan etanol sama-sama membentuk ikatan hidrogen; etanol, dengan satu $\ce{CH2}$ lebih banyak, mempunyai interaksi London yang lebih kuat. Asam etanoat membentuk dimer berikatan hidrogen dan paling berat: zat ini mendidih paling tinggi.

Latihan 4.6 ★★

Hitunglah gaya Coulomb antara ion $\ce{Na+}$ dan ion $\ce{Cl-}$ yang berjarak $500\,\mathrm{pm}$ di vakum ( $\varepsilon_0 = 8.854 \times 10^{-12}\,\mathrm{F}/\mathrm{m}$ , $e = 1.602 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}$ ), lalu di dalam air ( $\varepsilon_r = 78.4$ ) dan di dalam heksana ( $\varepsilon_r = 1.89$ ). Berikan komentar.

Solusi

Solusi Latihan 4.6.

Di vakum $F = e^2/(4\pi\varepsilon_0 r^2) = (1.602 \times 10^{-19})^2/(4\pi \times 8.854 \times 10^{-12} \times (5.00 \times 10^{-10})^2) = 9.23 \times 10^{-10}\,\mathrm{N}$ . Di dalam air $F/78.4 = 1.18 \times 10^{-11}\,\mathrm{N}$ ; di dalam heksana $F/1.89 = 4.88 \times 10^{-10}\,\mathrm{N}$ . Air melemahkan tarikan itu 41 kali lebih banyak daripada heksana: air dapat menjaga ion-ion tetap terpisah, heksana tidak.

Latihan 4.7 ★★

Propanon dan air dapat bercampur dalam segala perbandingan; heksana dan air tidak. Jelaskan, dengan memperhatikan interaksi yang diputus dan yang dibentuk.

Solusi

Solusi Latihan 4.7.

Mencampur propanon dengan air memutus sebagian ikatan hidrogen air–air, tetapi membentuk ikatan hidrogen baru antara air dan oksigen $\ce{C=O}$ , ditambah interaksi dipol–dipol: neracanya menguntungkan. Heksana hanya menawarkan interaksi London yang lemah kepada air sebagai ganti ikatan hidrogen yang harus diputus: kedua zat cair itu tetap terpisah.

Latihan 4.8 ★★

$\ce{HCl}$ mempunyai momen dipol $1.09\,\mathrm{D}$ dan mendidih pada $-85.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; $\ce{HBr}$ mempunyai $0.83\,\mathrm{D}$ dan mendidih pada $-66.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Mengapa molekul yang kurang polar mendidih pada suhu yang lebih tinggi?

Solusi

Solusi Latihan 4.8.

$\ce{HBr}$ mempunyai lebih banyak elektron dan awan elektron yang lebih besar dan lebih mudah terpolarisasi: interaksi Londonnya melampaui interaksi London $\ce{HCl}$ lebih banyak daripada kekurangan interaksi Keesomnya. London yang dominan.

Latihan 4.9 ★★

Gambarlah dimer siklik asam etanoat. Dalam larutan benzena, asam etanoat berperilaku seakan-akan massa molarnya sekitar dua kali $60\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; dalam air tidak demikian. Jelaskan kedua fakta itu.

Solusi

Solusi Latihan 4.9.

berhadapan dengan pasangannya, dua ikatan $\ce{O-H}\cdots\ce{O=C}$ menutup sebuah cincin beranggota delapan. Dalam benzena, yang apolar dan aprotik, tidak ada yang menyaingi ikatan-ikatan ini: asam itu terdimerisasi dan berperilaku sebagai partikel bermassa sekitar $120\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Dalam air, setiap molekul asam justru membentuk ikatan hidrogen dengan air: dimer-dimernya terurai.

Latihan 4.10 ★★★

Paparkan pelarutan natrium klorida dalam air dari segi disosiasi dan solvasi, dan pelarutan hidrogen klorida dalam air dari segi ionisasi, disosiasi, dan solvasi. Mengapa hidrogen klorida dalam heksana menghasilkan larutan yang tidak menghantarkan listrik?

Solusi

Solusi Latihan 4.10.

Natrium klorida tersusun atas ion-ion: air, yang permitivitasnya tinggi, memisahkannya (disosiasi) dan menghidrasinya (oksigen ke arah $\ce{Na+}$ , hidrogen ke arah $\ce{Cl-}$ ). Hidrogen klorida adalah molekul polar: air, yang polar, mengubah ikatan $\ce{H-Cl}$ menjadi pasangan ion $\ce{H3O+ Cl-}$ (ionisasi), memisahkan pasangan itu (disosiasi), dan menghidrasi ion-ionnya. Heksana apolar dan berpermitivitas rendah: pelarut ini tidak mengionkan dan tidak mendisosiasikan, sehingga tidak ada ion yang membawa arus.

Latihan 4.11 ★★★

Dari titik didih alkana rantai lurus (pentana $36.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dekana $174.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), hitunglah kenaikan rata-rata per gugus $\ce{CH2}$ antara $\ce{C5}$ dan $\ce{C10}$ , lalu perkirakan titik didih undekana. Mengapa pertambahannya mengecil sepanjang deret itu?

Solusi

Solusi Latihan 4.11.

$(174.1 - 36.1)/5 = 27.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per $\ce{CH2}$ . Pertambahan terakhir (nonana ke dekana) adalah $23.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , sehingga undekana semestinya mendidih di dekat $174 + 22 \approx 196\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Setiap $\ce{CH2}$ menambah sumbangan London yang sama, tetapi merupakan bagian yang makin kecil dari keseluruhan molekul, sementara suhu yang diperlukan untuk mengatasi interaksi itu sudah tinggi.

Latihan 4.12 ★★★

Natrium dodesil sulfat, $\ce{CH3(CH2)11OSO3^- Na+}$ , adalah sebuah deterjen. Tentukan bagian hidrofilik dan hidrofobiknya, sketsalah susunannya di permukaan air dan di dalam misel, lalu jelaskan bagaimana zat itu menghilangkan noda berminyak dari kain.

Solusi

Solusi Latihan 4.12.

Bagian hidrofilik: kepala sulfat $\ce{-OSO3^-}$ dengan ion lawannya, $\ce{Na+}$ ; bagian hidrofobik: rantai dua belas karbon. Di permukaan, kepala di dalam air dan ekor di udara; di dalam misel, ekor di dalam dan kepala di luar. Ekor-ekornya larut dalam lemak noda, kepala-kepalanya menjaga noda itu tetap bersentuhan dengan air, dan lemaknya terangkat dalam bentuk misel.

4.6 Soal: Seandainya Air Tidak Mempunyai Ikatan Hidrogen

Soal 4.1

Soal akhir pekan — gaya London pada gas mulia dan alkana, pemilihan pelarut, dan titik didih yang akan dimiliki air tanpa ikatan hidrogen

Titik didih pada $1\,\mathrm{atm}$ (dalam ${}^{\circ}\mathrm{C}$ ): $\ce{He}$ $-268.9$ , $\ce{Ne}$ $-246.1$ , $\ce{Ar}$ $-185.9$ , $\ce{Kr}$ $-153.4$ , $\ce{Xe}$ $-108.1$ ; pentana 36.1, heksana 68.8; $\ce{CH4}$ $-161.5$ , $\ce{SiH4}$ $-112.0$ , $\ce{GeH4}$ $-88.1$ ; $\ce{NH3}$ $-33.4$ , $\ce{PH3}$ $-87.8$ , $\ce{AsH3}$ $-62.5$ ; $\ce{H2O}$ 100.0, $\ce{H2S}$ $-60.3$ , $\ce{H2Se}$ $-41.3$ ; $\ce{HF}$ 19.6, $\ce{HCl}$ $-85.0$ , $\ce{HBr}$ $-66.4$ .

Bagian I — Hanya London.

Interaksi apakah yang mengikat atom-atom argon cair?
Jelaskan kenaikan titik didih dari helium sampai xenon.
Mengapa titik didih helium paling rendah di antara semua zat?
Bandingkan pentana dan heksana: apa yang ditambahkan oleh satu gugus $\ce{CH2}$ ?
Metana, silana, dan germana tidak mempunyai momen dipol. Interaksi apakah yang menjelaskan urutan titik didihnya?
Mengapa tidak mungkin ada ikatan hidrogen dalam metana?

Bagian II — Memilih pelarut. Gunakan tabel pelarut dalam bab ini.

Pelarut manakah dalam tabel itu yang paling baik melarutkan natrium klorida, dan mengapa?
Dengan faktor berapakah tarikan antara dua ion lebih kecil di dalam air daripada di dalam heksana pada jarak yang sama?
Sebuah reaksi antara anion $\ce{CN-}$ dan sebuah molekul organik harus dijalankan dalam pelarut yang melarutkan garamnya tetapi tidak mengikat anion itu melalui ikatan hidrogen. Pilihlah satu.
Untuk mengekstraksi diiodin dari larutan berair, pelarut manakah dalam tabel yang akan dipilih, dan di lapisan manakah iodin akan berakhir?
Jelaskan mengapa etanol tidak dapat dipakai untuk ekstraksi itu.
Etoksietana hampir tidak dapat bercampur dengan air walaupun bersifat polar. Kemukakan sebuah penjelasan.

Bagian III — Hidrida-hidrida lainnya.

Untuk golongan 17, hitunglah perubahan titik didih dari $\ce{HCl}$ ke $\ce{HBr}$ , lalu ekstrapolasikan perubahan yang sama mundur ke periode 2.
Bandingkan nilai ekstrapolasi itu dengan titik didih $\ce{HF}$ .
Dua pertanyaan yang sama untuk golongan 15 ( $\ce{PH3}$ , $\ce{AsH3}$ , dan $\ce{NH3}$ ).
Untuk golongan 14, apakah $\ce{CH4}$ terletak di atas atau di bawah ekstrapolasi dari $\ce{SiH4}$ dan $\ce{GeH4}$ ? Mengapa hal itu tidak mengherankan?
Urutkan kelebihan $\ce{NH3}$ , $\ce{HF}$ , dan air.
Hitunglah ikatan hidrogen yang dapat diberikan dan diterima oleh setiap molekul $\ce{NH3}$ , $\ce{HF}$ , dan $\ce{H2O}$ , lalu jelaskan urutan itu.

Bagian IV — Air tanpa ikatan hidrogen.

Mengapa $\ce{H2S}$ dan $\ce{H2Se}$ cocok untuk ekstrapolasi, dan mengapa air sendiri tidak?
Hitunglah perubahan titik didih dari $\ce{H2S}$ ke $\ce{H2Se}$ .
Tuliskan persamaan garis lurus yang melalui kedua titik ini, dengan periode $p$ sebagai variabel.
Turunkan titik didih yang akan dimiliki air pada $p = 2$ .
Seberapa besar ikatan hidrogen menaikkan titik didih air?
Simpulkan: pada suhu berapakah air akan mendidih seandainya molekul-molekulnya saling tarik seperti molekul-molekul $\ce{H2S}$ ?

Solusi

Solusi Soal 4.1.

1. Interaksi London, satu-satunya interaksi antara atom-atom apolar. 2. Dari helium sampai xenon, banyaknya elektron dan ukurannya bertambah, sehingga polarisabilitas dan tarikan London juga bertambah. 3. Helium mempunyai dua elektron yang diikat erat oleh intinya: atom yang paling sukar terpolarisasi, dengan tarikan London yang paling lemah. 4. $68.8 - 36.1 = 32.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : satu $\ce{CH2}$ menambah elektron dan luas permukaan kontak, sehingga menambah tarikan London. 5. London, yang membesar dengan polarisabilitas: $\ce{CH4} < \ce{SiH4} < \ce{GeH4}$ . 6. Karbon kurang elektronegatif untuk memolarisasi $\ce{C-H}$ dengan kuat, dan metana tidak mempunyai pasangan elektron bebas untuk menerima ikatan hidrogen. 7. Air: polar, protik, dengan permitivitas tertinggi; air memisahkan dan menyolvasi kedua ion. 8. $78.4/1.89 = 41$ : tarikannya 41 kali lebih lemah di dalam air. 9. Asetonitril (atau propanon): cukup polar untuk melarutkan garamnya, dan aprotik sehingga anionnya tetap bebas. 10. Heksana: tidak dapat bercampur dengan air, apolar seperti diiodin. Iodin berpindah ke dalam heksana, lapisan atas (heksana kurang rapat daripada air). 11. Etanol dapat bercampur dengan air: tidak terbentuk lapisan kedua. 12. Oksigennya menerima ikatan hidrogen dari air, tetapi etoksietana tidak dapat memberi satu pun dan kedua gugus etilnya hidrofobik: zat ini hanya sedikit larut. 13. $-66.4 - (-85.0) = 18.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per periode; $\ce{HF}$ hasil ekstrapolasi: $-85.0 - 18.6 = -103.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 14. $\ce{HF}$ mendidih pada $19.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $123\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ di atas ekstrapolasi. 15. $-62.5 - (-87.8) = 25.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; $\ce{NH3}$ hasil ekstrapolasi: $-113.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; nilai sebenarnya $-33.4$ , $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ lebih tinggi. 16. $-88.1 - (-112.0) = 23.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; $\ce{CH4}$ hasil ekstrapolasi: $-135.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; nilai sebenarnya $-161.5$ , di bawahnya. Metana tidak membentuk ikatan hidrogen; molekulnya hanya kecil dan sukar terpolarisasi. 17. Air (sekitar $179\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) $>$ $\ce{HF}$ (123) $>$ $\ce{NH3}$ (80). 18. $\ce{NH3}$ dapat memberi tiga tetapi hanya menerima satu (satu pasangan bebas); $\ce{HF}$ dapat menerima tiga tetapi hanya memberi satu. Air memberi dua dan menerima dua: setiap molekul dapat terlibat dalam empat ikatan hidrogen, sebuah jejaring tiga dimensi yang lengkap. 19. $\ce{H2S}$ dan $\ce{H2Se}$ tidak membentuk ikatan hidrogen yang berarti: titik didihnya mengikuti kecenderungan London yang akan diikuti air tanpa ikatan hidrogen. Air sendiri adalah anomali yang sedang diukur. 20. $-41.3 - (-60.3) = 19.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per periode. 21. $T(p) = -60.3 + 19.0\,(p - 3)$ dalam ${}^{\circ}\mathrm{C}$ . 22. $T(2) = -60.3 - 19.0 = -79.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 23. $100.0 - (-79.3) = 179\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 24. Tanpa ikatan hidrogennya air akan mendidih di dekat $-79\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dan akan berwujud gas di Bumi.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium