10.8 Delokalisasi Orbital Molekul

Sejauh ini kita telah membahas ikatan kimia hanya dalam hal pasangan elektron. Namun, sifat-sifat molekul tidak selalu dapat dijelaskan secara akurat oleh struktur tunggal. Contoh kasusnya adalah molekul O₃, yang dibahas pada Bagian 9.8. Di sana kita mengatasi dilema dengan memperkenalkan konsep resonansi. Pada bagian ini kita akan mengatasi masalah dengan cara lain — dengan menerapkan pendekatan orbital molekul. Seperti pada Bagian 9.8, kita akan menggunakan molekul benzena dan ion karbonat sebagai contoh. Perhatikan bahwa dalam membahas ikatan molekul poliatomik atau ion, akan lebih mudah untuk menentukan terlebih dahulu keadaan hibridisasi atom yang ada (pendekatan ikatan valensi), diikuti oleh pembentukan orbital molekul yang sesuai.

Molekul Benzena

Benzena (C₆H₆) adalah molekul heksagonal planar dengan atom karbon yang terletak di enam sudut. Semua ikatan karbon-karbon memiliki panjang dan kekuatan yang sama, seperti halnya ikatan karbonhidrogen, dan sudut CCC dan HCC semuanya 120°. Oleh karena itu, setiap atom karbon adalah hibridisasi sp²; hibridisasi membentuk tiga ikatan sigma dengan dua atom karbon yang berdekatan dan atom hidrogen (Gambar 10.28). Susunan ini meninggalkan orbital 2pz yang tidak terhibridisasi pada setiap atom karbon, tegak lurus terhadap bidang molekul benzena, atau cincin benzena, seperti yang sering disebut. Sejauh ini deskripsinya menyerupai konfigurasi etilena (C₂H₄), yang dibahas dalam Bagian 10.5, kecuali bahwa dalam kasus ini ada enam orbital 2pz yang tidak dihibridisasi dalam pengaturan siklik.

Gambar 10.28 Kerangka ikatan sigma dalam molekul benzena. Setiap atom karbon adalah hibridisasi sp² dan membentuk ikatan sigma dengan dua atom karbon yang berdekatan dan ikatan sigma lainnya dengan atom hidrogen.

Karena bentuk dan orientasinya yang serupa, masing-masing orbital 2pz tumpang tindih dengan dua lainnya, satu pada setiap atom karbon yang berdekatan. Menurut aturan yang tercantum pada bagian 10.7, interaksi enam orbital 2pz mengarah pada pembentukan enam orbital molekul pi, yang tiga di antaranya orbital ikatan dan tiga lainnya anti ikatan. Molekul benzena dalam keadaan dasar memiliki enam elektron dalam tiga orbital molekul ikatan pi, dua elektron pasangan berpasangan di setiap orbital (Gambar 10.29).

Gambar 10.29 (a) Enam orbital 2pz pada atom karbon dalam benzena. (b) Orbital molekul terdelokalisasi dibentuk oleh tumpang tindih orbital 2pz. Orbital molekul yang terdelokalisasi memiliki simetri pi dan terletak di atas dan di bawah bidang cincin benzena. Sebenarnya, orbital 2pz ini dapat bergabung dalam enam cara berbeda untuk menghasilkan tiga orbital molekul ikatan dan tiga orbital molekul anti ikatan. Yang ditunjukkan di sini adalah yang paling stabil.

Tidak seperti orbital molekul ikatan pi dalam etilena, orbital-orbital dalam benzena membentuk orbital molekul terdelokalisasi, yang tidak dibatasi antara dua atom ikatan yang berdekatan, tetapi sebenarnya memperpanjang lebih dari tiga atau lebih atom. Karena itu, elektron yang berada di salah satu orbital ini bebas bergerak di sekitar cincin benzena. Karena alasan ini, struktur benzena kadang-kadang direpresentasikan sebagai berikut

di mana lingkaran menunjukkan bahwa ikatan pi antara atom karbon tidak terbatas pada pasangan atom individu; melainkan, densitas pi elektron terdistribusi secara merata ke seluruh molekul benzena. Atom karbon dan hidrogen tidak diperlihatkan dalam diagram yang disederhanakan.

Kita sekarang dapat menyatakan bahwa setiap hubungan karbon-ke-karbon dalam benzena mengandung ikatan sigma dan ikatan pi "parsial". Karenanya ikatan antara dua atom karbon yang berdekatan adalah antara 1 dan 2. Dengan demikian, teori orbital molekul menawarkan alternatif untuk pendekatan resonansi, yang didasarkan pada teori ikatan valensi.

Ion Karbonat

Senyawa siklik seperti benzena bukan satu-satunya dengan orbital molekul yang terdelokalisasi. Mari kita lihat ikatan pada ion karbonat (CO₃²⁻). VSEPR memprediksi geometri trigonal planar untuk ion karbonat, seperti itu untuk BF₃. Struktur planar ion karbonat dapat dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa atom karbon adalah hibridisasi sp². Atom C membentuk ikatan sigma dengan tiga atom O. Dengan demikian, orbital 2pz atom C yang tidak terkendali dapat secara bersamaan tumpang tindih orbital 2pz dari ketiga atom O (Gambar 10.30). Hasilnya adalah orbital molekul yang terdelokalisasi yang memanjang di atas keempat inti sedemikian rupa sehingga kerapatan elektron (dan karenanya perintah ikatan) dalam ikatan karbon-ke-oksigen semuanya sama. Teori orbital molekul memberikan penjelasan alternatif yang dapat diterima tentang sifat-sifat ion karbonat dibandingkan dengan struktur resonansi ion.

Kita harus mencatat bahwa molekul dengan orbital molekul yang terdelokalisasi umumnya lebih stabil daripada yang mengandung orbital molekul yang hanya memanjang di atas dua atom. Misalnya, molekul benzena, yang mengandung orbital molekul terdelokalisasi, secara kimia kurang reaktif (dan karenanya lebih stabil) daripada molekul yang mengandung ikatan C=C "lokal", seperti etilena.

Gambar 10.30 Ikatan pada ion karbonat. Atom karbon membentuk tiga ikatan sigma dengan tiga atom oksigen. Selain itu, orbital 2pz atom karbon dan oksigen tumpang tindih membentuk orbital molekul terdelokalisasi, sehingga ada juga ikatan pi parsial antara atom karbon dan masing-masing dari tiga atom oksigen.

Ulasan Konsep

Jelaskan ikatan dalam ion nitrat (NO₃⁻) dalam hal struktur resonansi dan orbital molekul yang terdelokalisasi.