10.5 Hibridisasi Ikatan Rangkap Dua dan Ikatan Rangkap Tiga

Konsep hibridisasi berguna baik untuk molekul dengan ikatan rangkap dua maupun rangkap tiga. Perhatikan molekul etilena (C₂H₄) sebagai contoh. Dalam Contoh 10.1 dapat dilihat bahwa C₂H₄ mengandung ikatan rangkap karbon-karbon dan memiliki bentuk geometri planar. Baik geometri dan ikatan dapat dipahami jika kita mengasumsikan bahwa setiap atom karbon dalam etilena merupakan hibridisasi sp². Gambar 10.14 menunjukkan diagram orbital dari proses hibridisasi ini. Kita berasumsi bahwa hanya orbital 2px dan 2py yang bergabung dengan orbital 2s, sedangkan orbital 2pz tidak berubah. Gambar 10.15 menunjukkan bahwa orbital 2pz tegak lurus terhadap bidang orbital hibrida. Sekarang bagaimana kita menjelaskan ikatan atom C? Seperti ditunjukkan pada Gambar 10.16 (a), setiap atom karbon menggunakan tiga orbital hibrida sp² membentuk dua ikatan dengan dua orbital hidrogen 1s dan satu ikatan dengan orbital hibrida sp² dari atom C yang berdekatan. Selain itu, dua orbital 2pz dari kedua atom C yang tidak terhibridisasi membentuk ikatan lain dengan tumpang tindih ke samping [Gambar 10.16 (b)].

Perbedaan dibuat antara dua jenis ikatan kovalen di C₂H₄. Tiga ikatan yang dibentuk oleh masing-masing atom C pada Gambar 10.16 (a) adalah semua ikatan sigma (𝛔), ikatan kovalen yang dibentuk oleh orbital yang tumpang tindih ujung ke ujung, dengan kerapatan elektron yang terkonsentrasi di antara inti atom yang berikatan. Tipe kedua disebut ikatan pi (ikatan 𝛑), yang didefinisikan sebagai ikatan kovalen yang dibentuk oleh orbital yang tumpang tindih dengan kerapatan elektron yang terkonsentrasi di atas dan di bawah bidang inti atom-atom yang berikatan. Kedua atom C membentuk ikatan pi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.16 (b). Pembentukan ikatan pi inilah yang memberikan geometri planar pada senyawa etilena. Gambar 10.16 (c) menunjukkan orientasi ikatan sigma dan pi. Gambar 10.17 adalah cara lain untuk melihat molekul planar C₂H₄ dan pembentukan ikatan pi. Meskipun biasanya digambarkan bahwa ikatan rangkap karbon-karbon sebagai C=C (seperti dalam struktur Lewis), penting untuk diingat bahwa kedua ikatan tersebut adalah jenis yang berbeda: Satu ikatan sigma dan yang lainnya adalah ikatan pi. Bahkan, entalpi ikatan pi dan ikatan sigma karbon-karbon, masing-masing adalah sekitar 270 kJ/mol dan 350 kJ/mol.

Gambar 10.14 Hibridisasi sp² atom karbon. Orbital 2s terhibridisasi dengan hanya dua orbital 2p membentuk tiga orbital hibrida sp² yang setara. Proses ini meninggalkan elektron dalam orbital yang tidak berubah, diasumsika orbital 2pz.

Gambar 10.15 Setiap atom karbon dalam molekul C₂H₄ memiliki tiga orbital hibrida sp² (hijau) dan satu orbital 2pz (abu-abu) yang tidak dihibridisasi, yang tegak lurus terhadap bidang orbital hibrida.

Gambar 10.16 Ikatan dalam etilena (C₂H₄) (a) Tampak atas menunjukkan ikatan sigma antara atom karbon dan antara atom karbon dan hidrogen. Semua atom terletak pada bidang yang sama, menjadikan C₂H₄ sebagai molekul planar. (b) Tampak samping menunjukkan bagaimana dua orbital 2pz pada dua atom karbon tumpang tindih, mengarah pada pembentukan ikatan pi. Garis-garis padat, putus-putus, dan terjepit menunjukkan arah ikatan sigma. (c) Interaksi dalam (a) dan (b) mengarah pada pembentukan ikatan sigma dan ikatan pi dalam etilena. Perhatikan bahwa ikatan pi terletak di atas dan di bawah bidang molekul.

Gambar 10.17 (a) Pandangan lain tentang ikatan pi dalam molekul C₂H₄. Perhatikan bahwa keenam atom berada di bidang yang sama. Ini adalah tumpang tindih orbital 2pz yang menyebabkan molekul dianggap struktur planar. (b) peta potensial elektrostatik C₂H₄.

Molekul asetilena (C₂H₄) mengandung ikatan rangkap karbon-karbon. Karena bentuk molekulnya linier, dapat dijelaskan geometri dan ikatannya dengan mengasumsikan bahwa setiap atom C merupakan hibridisasi sp dengan mencampurkan orbital 2s dengan orbital 2px (Gambar 10.18). Seperti yang ditunjukkan Gambar 10.19, dua orbital hibrida sp dari setiap atom C membentuk satu ikatan sigma dengan orbital 1s hidrogen dan ikatan sigma lainnya dengan atom C lainnya. Selain itu, dua ikatan pi dibentuk oleh orbital 2py dan orbital 2pz yang saling tumpang tindih. Dengan demikian, ikatan rangkap tiga C≡C terdiri dari satu ikatan sigma dan dua ikatan pi.

Gambar 10.18 Hibridisasi sp dari atom karbon. Orbital 2s dicampur dengan hanya satu orbital 2p untuk membentuk dua orbital hibrida sp. Proses ini menyisakan satu elektron di masing-masing dari dua orbital 2p yang tidak terhibridisasi, yaitu orbital 2py dan 2pz.

Aturan berikut membantu kita memprediksi hibridisasi dalam molekul yang mengandung banyak ikatan: Jika atom pusat membentuk ikatan rangkap, atom itu adalah hibridisasi sp²; jika atom itu membentuk dua ikatan rangkap dua atau satu ikatan rangkap tiga, maka itu adalah hibridisasi sp. Perhatikan bahwa aturan ini hanya berlaku untuk atom unsur periode kedua. Atom-atom dari unsur-unsur periode ketiga dan seterusnya membentuk banyak ikatan menghadirkan gambaran yang lebih rumit, dan hal itu tidak akan dibahas di sini.

Gambar 10.19 Ikatan dalam asetilena (C₂H₄). (a) Tampilan atas menunjukkan tumpang tindih orbital sp antara atom C dan tumpang tindih orbital sp dengan orbital 1s antara atom C dan H. Semua atom terletak di sepanjang garis lurus; oleh karena itu, asetilena adalah molekul linear. (b) Tampilan samping menunjukkan tumpang tindih dari dua orbital 2py dan dua orbital 2pz dari dua atom karbon, yang mengarah pada pembentukan dua ikatan pi. (c) Pembentukan ikatan sigma dan ikatan pi sebagai hasil dari interaksi dalam (a) dan (b). (d) Peta potensial elektrostatik C₂H₄.

Contoh 10.5
Jelaskan ikatan dalam molekul formaldehid yang struktur Lewis-nya

Asumsikan bahwa atom O merupakan hibridisasi sp².

Strategi
Ikuti prosedur yang ditunjukkan pada Contoh 10.3.

Penyelesaian

Ada tiga pasang elektron di sekitar atom C; oleh karena itu, pengaturan pasangan elektron adalah trigonal planar. (Ingat bahwa ikatan rangkap diperlakukan sebagai ikatan tunggal dalam model VSEPR.) Kita menyimpulkan bahwa C menggunakan orbital hibrida sp² dalam ikatan, karena orbital hibrida sp² memiliki susunan trigonal planar (lihat Tabel 10.4). Dapat dibayangkan proses hibridisasi untuk C dan O sebagai berikut:

Karbon memiliki satu elektron di masing-masing dari tiga orbital sp², yang digunakan untuk membentuk ikatan sigma dengan atom H dan atom O. Ada juga elektron dalam orbital 2pz, yang membentuk ikatan pi dengan oksigen. Oksigen memiliki dua elektron dalam dua orbital hibrida sp²-nya. Pasangan ini adalah pasangan elektron bebas. Orbital hibrida sp² yang ketiga dengan satu elektron akan digunakan untuk membentuk ikatan sigma dengan karbon. Orbital 2pz O (dengan satu elektron) tumpang tindih dengan orbital 2pz C membentuk ikatan pi (Gambar 10.20).

Gambar 10.20 Ikatan pada molekul formaldehid. Ikatan sigma terbentuk oleh tumpang tindih orbital hibrida sp² karbon dan orbital hibrida sp² oksigen; ikatan pi dibentuk oleh tumpang tindih orbital 2pz dari atom karbon dan oksigen. Dua pasangan elektron bebas oksigen ditempatkan di dua orbital sp² oksigen lainnya.

Latihan

Jelaskan ikatan dalam molekul hidrogen sianida (HCN). Asumsikan N merupakan hibridisasi sp.

Ulasan Konsep

Manakah dari pasangan orbital atom berikut pada inti berdekatan yang dapat tumpang tindih membentuk ikatan sigma? ikatan pi? Yang tidak bisa tumpang tindih (tidak ada ikatan)? Pertimbangkan sumbu x sebagai sumbu antarinti. (a) 1s dan 2s, (b) 1s dan 2px, (c) 2py dan 2py, (d) 3py dan 3pz, (e) 2px dan 3px.