10.3 Teori Ikatan Valensi

Model VSEPR, sebagian besar didasarkan pada struktur Lewis, menyediakan metode yang relatif sederhana dan mudah untuk memprediksi geometri molekul. Tetapi seperti yang kita catat sebelumnya, teori ikatan kimia Lewis tidak menjelaskan dengan jelas mengapa ikatan kimia itu terjadi. Mengaitkan pembentukan ikatan kovalen dengan pasangan elektron adalah langkah ke arah yang benar, tetapi itu tidak cukup jauh menjelaskan. Misalnya, teori Lewis menggambarkan ikatan tunggal antara atom H dalam H₂ dan antara atom F dalam F₂ pada dasarnya dengan cara yang sama — sebagai pasangan dua elektron. Namun kedua molekul ini memiliki entalpi ikatan dan panjang ikatan yang sangat berbeda (436,4 kJ / mol dan 74 pm untuk H₂ dan 150,6 kJ / mol dan 142 pm untuk F₂). Fakta ni dan banyak fakta lainnya tidak dapat dijelaskan oleh teori Lewis. Untuk penjelasan yang lebih lengkap tentang pembentukan ikatan kimia kita mempelajari mekanika kuantum. Faktanya, studi mekanika kuantum tentang ikatan kimia juga menyediakan sarana untuk memahami geometri molekul.

Saat ini, dua teori mekanika kuantum digunakan untuk menggambarkan pembentukan ikatan kovalen dan struktur elektron molekul. Teori ikatan valensi (VB) mengasumsikan bahwa elektron dalam molekul menempati orbital atom masing-masing atom. Ini memungkinkan kita untuk mempertahankan gambar atom individu yang mengambil bagian dalam pembentukan ikatan. Teori kedua, disebut teori orbital molekul (MO), mengasumsikan pembentukan orbital molekul dari orbital atom. Tidak ada teori yang secara sempurna menjelaskan semua aspek ikatan, tetapi masing-masing telah menyumbangkan sesuatu pada pemahaman kita tentang banyak sifat molekul yang diamati.

Mari kita mulai diskusi kita tentang teori ikatan valensi dengan mempertimbangkan pembentukan molekul H₂ dari dua atom H. Teori Lewis menggambarkan ikatan H-H dalam hal pasangan dari dua elektron pada atom H. Dalam kerangka teori ikatan valensi, ikatan H-H kovalen dibentuk oleh tumpang tindih dua orbital 1s dalam atom H. Dengan tumpang tindih, yang saya maksudkan adalah bahwa kedua orbital tersebut memiliki wilayah yang sama di ruang kosong atom.

Apa yang terjadi pada dua atom H ketika keduanya bergerak ke arah satu sama lain dan membentuk ikatan? Awalnya, ketika kedua atom berjauhan, tidak ada interaksi. Kita mengatakan bahwa energi potensial dari sistem ini (yaitu, dua atom H) adalah nol. Ketika atom-atom saling mendekati, masing-masing elektron tertarik oleh inti atom lainnya; pada saat yang sama, elektron saling tolak, seperti halnya inti. Sementara atom masih terpisah, tarik-menarik lebih kuat daripada tolakan, sehingga energi potensial sistem berkurang (yaitu, menjadi negatif) ketika atom saling mendekati (Gambar 10.5). Kecenderungan ini berlanjut hingga energi potensial mencapai nilai minimum. Pada titik ini, ketika sistem memiliki energi potensial terendah, keadaan itu paling stabil. Kondisi ini sesuai dengan tumpang tindih orbital 1s dan pembentukan molekul H₂ yang stabil. Jika jarak antara inti semakin menurun, energi potensial akan naik secara tajam dan akhirnya menjadi positif sebagai akibat dari peningkatan tolakan elektron-elektron dan tolakan inti-inti. Sesuai dengan hukum konservasi energi, penurunan energi potensial sebagai hasil dari pembentukan H₂ harus disertai dengan pelepasan energi. Eksperimen menunjukkan bahwa ketika molekul H₂ terbentuk dari dua atom H, kalor dilepaskan. Kebalikannya juga benar. Untuk memutus ikatan H-H, energi harus disuplai ke molekul. Gambar 10.6 adalah cara lain untuk melihat pembentukan molekul H₂.

Gambar 10.5 Perubahan energi potensial dua atom H dengan jarak pemisahannya. Pada titik energi potensial minimum, molekul H₂ berada dalam kondisi paling stabil dan panjang ikatannya adalah 74 pm. Bola mewakili orbital 1s.

Gambar 10.6 Atas ke bawah: Ketika dua atom H saling mendekati, orbital 1s keduanya mulai berinteraksi dan masing-masing elektron mulai merasakan daya tarik proton lainnya. Secara bertahap, kepadatan elektron menumpuk di wilayah antara dua inti (warna merah). Akhirnya, molekul H₂ stabil terbentuk ketika jarak inti adalah 74 pm.

Dengan demikian, teori ikatan valensi memberikan gambaran yang lebih jelas tentang pembentukan ikatan kimia daripada teori Lewis. Teori ikatan valensi menyatakan bahwa molekul stabil terbentuk dari atom-atom yang bereaksi ketika energi potensial sistem berkurang hingga minimum; teori Lewis mengabaikan perubahan energi dalam pembentukan ikatan kimia.

Konsep orbital atom yang tumpang tindih berlaku sama baiknya untuk molekul diatomik selain H₂. Dengan demikian, molekul F₂ yang stabil terbentuk ketika orbital 2p (mengandung elektron yang tidak berpasangan) dalam dua atom F tumpang tindih untuk membentuk ikatan kovalen. Demikian pula, pembentukan molekul HF dapat dijelaskan dengan tumpang tindih orbital 1s dari atom H dengan orbital 2p dari atom F. Dalam setiap kasus, teori VB menjelaskan perubahan energi potensial karena jarak antara atom yang bereaksi berubah. Karena orbital yang terlibat tidak sama dalam semua kasus, kita dapat melihat mengapa ikatan entalpi dan panjang ikatan dalam H₂, F₂, dan HF mungkin berbeda. Seperti yang telah kita pelajari sebelumnya, teori Lewis memperlakukan semua ikatan kovalen dengan cara yang sama dan tidak memberikan penjelasan untuk perbedaan di antara ikatan kovalen.

Ulasan Konsep

Bandingkan teori Lewis dan teori ikatan valensi tentang ikatan kimia.