11.2 Gaya Antarmolekul

Gaya antarmolekul adalah gaya atraktif atau tarik menarik antar molekul. Gaya antarmolekul bertanggung jawab atas perilaku non-gas dari gas yang dijelaskan dalam Bab 5. Gaya antarmolekul memberikan pengaruh lebih besar dalam fase materi yang terkondensasi — cairan dan padatan. Saat suhu gas turun, energi kinetik rata-rata dari molekulnya berkurang. Akhirnya, pada suhu yang cukup rendah, molekul tidak lagi memiliki energi yang cukup untuk melepaskan dirinya dari gaya tarik molekul tetangga. Pada titik ini, molekul berkumpul untuk membentuk tetes kecil cairan. Transisi ini dari fase gas ke fase cair dikenal sebagai kondensasi.

Berbeda dari gaya antarmolekul, gaya intramolekul menahan atom bersama-sama dalam sebuah molekul. (Ikatan kimia, dibahas dalam Bab 9 dan 10, melibatkan gaya intramolekul.) Gaya intramolekul menstabilkan molekul individu, sedangkan gaya antarmolekul terutama bertanggung jawab atas sifat umum materi (misalnya, titik leleh dan titik didih).

Umumnya, gaya antarmolekul jauh lebih lemah daripada gaya intramolekul. Biasanya dibutuhkan energi yang jauh lebih sedikit untuk menguapkan cairan daripada untuk memutus ikatan dalam molekul cairan. Misalnya, dibutuhkan energi sekitar 41 kJ untuk menguapkan 1 mol air pada titik didihnya; tetapi dibutuhkan sekitar 930 kJ energi untuk memutus dua ikatan O-H dalam 1 mol molekul air. Titik didih zat sering kali mencerminkan kekuatan gaya antarmolekul yang bekerja di antara molekul. Pada titik didih, energi yang cukup harus disuplai untuk mengatasi gaya tarik antar molekul sebelum mereka dapat memasuki fase uap. Jika dibutuhkan lebih banyak energi untuk memisahkan molekul zat A daripada zat B karena molekul A disatukan oleh gaya antarmolekul yang lebih kuat, maka titik didih A lebih tinggi daripada titik didih B. Prinsip yang sama berlaku juga untuk titik leleh zat tersebut. Secara umum, titik leleh zat meningkat dengan makin kuat gaya antarmolekul.

Untuk membahas sifat-sifat materi terkondensasi, harus dipahami berbagai jenis gaya antarmolekul. Gaya dipol-dipol, dipol yang diinduksi dipol, dan gaya dispersi membentuk apa yang umumnya disebut oleh ahli kimia sebagai gaya van der Waals, menurut nama fisikawan Belanda Johannes van der Waals (lihat Bagian 5.8). Ion dan dipol tarik menarik satu sama lain oleh gaya elektrostatis yang disebut gaya ion-dipol, yang bukan merupakan gaya van der Waals. Ikatan hidrogen adalah jenis interaksi dipol-dipol yang sangat kuat. Karena hanya sedikit unsur yang dapat berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen, ini diperlakukan sebagai kategori terpisah. Bergantung pada fase suatu zat, sifat ikatan kimia, dan jenis unsur yang ada, lebih dari satu jenis interaksi dapat berkontribusi pada tarikan total antar molekul, seperti yang akan dibahas berikut ini.

Gaya Dipol-Dipol

Gambar 11.1 Molekul yang memiliki momen dipol 

permanen cenderung sejajar dengan polaritas yang berlawanan 

dalam fasa padat untuk interaksi tarikan maksimum.

Gaya dipol-dipol adalah gaya tarik antarmolekul polar, yaitu antara molekul yang memiliki momen dipol (lihat Bagian 10.2). Asal usulnya adalah elektrostatis, dan dapat dipahami dalam istilah hukum Coulomb. Semakin besar momen dipol, semakin besar gaya yang diberikan. Gambar 11.1 menunjukkan orientasi molekul polar dalam padatan. Dalam cairan, molekul polar tidak ditahan sekuat padatan, tetapi cenderung diselaraskan dengan cara dirata-rata untuk memaksimalkan interaksi tarik menarik.

Gaya Ion-Dipol

Gambar 11.2 Dua jenis interaksi 

ion-dipol.

Hukum Coulomb juga menjelaskan gaya ion-dipol, yang menarik ion (baik kation atau anion) dan molekul polar satu sama lain (Gambar 11.2). Kekuatan interaksi ini bergantung pada muatan dan ukuran ion serta besarnya momen dipol dan ukuran molekul. Muatan pada kation umumnya lebih terkonsentrasi, karena kation biasanya lebih kecil dari anion. Oleh karena itu, kation berinteraksi lebih kuat dengan dipol daripada anion yang memiliki muatan dengan besaran yang sama.

Hidrasi, dibahas dalam Bagian 4.1, adalah salah satu contoh interaksi ion-dipol. Kalor hidrasi (Bagian 6.7) adalah hasil interaksi yang lebih disukai antara kation dan anion senyawa ionik dengan air. Gambar 11.3 menunjukkan interaksi ion-dipol antara ion Na⁺ dan Mg²⁺ dengan molekul air yang memiliki momen dipol yang besar (1,87 D). Karena ion Mg²⁺ memiliki muatan yang lebih tinggi dan jari-jari ion yang lebih kecil (78 pm) daripada ion Na⁺ (98 pm), ion ini berinteraksi lebih kuat dengan molekul air. (Pada kenyataannya, setiap ion dikelilingi oleh sejumlah molekul air dalam larutan.) Akibatnya, kalor hidrasi untuk ion Na⁺ dan Mg²⁺ masing-masing adalah 2.405 kJ/mol dan 21.926 kJ/mol. Perbedaan serupa terjadi untuk anion dari muatan dan ukuran yang berbeda.

Gambar 11.3 (a) Interaksi molekul air dengan ion Na⁺ dan ion Mg²⁺. (b) Dalam larutan air, ion logam biasanya dikelilingi oleh enam molekul air dalam susunan oktahedral.

Gaya Dispersi

Gambar 11.4 (a) Distribusi muatan bola dalam atom helium. 

(b) Distorsi yang disebabkan oleh pendekatan kation. 

(c) Distorsi yang disebabkan oleh pendekatan dipol.

Interaksi tarik menarik apa yang terjadi pada zat nonpolar? Untuk mengetahui jawaban dari pertanyaan ini, perhatikan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 11.4. Jika kita menempatkan ion atau molekul polar di dekat atom (atau molekul nonpolar), distribusi elektron dari atom (atau molekul) terdistorsi oleh gaya yang diberikan oleh ion atau molekul polar, menghasilkan semacam dipol. Dipol dalam atom (atau molekul nonpolar) dikatakan sebagai dipol terinduksi karena pemisahan muatan positif dan negatif dalam atom (atau molekul nonpolar) disebabkan oleh kedekatan ion atau molekul polar. Interaksi tarik menarik antara ion dan dipol yang diinduksi disebut interaksi dipol yang diinduksi ion, dan interaksi tarik menarik antara molekul polar dan dipol yang diinduksi disebut interaksi dipol yang diinduksi dipol.

Kemungkinan momen dipol diinduksi tidak hanya bergantung pada muatan ion atau kekuatan dipol tetapi juga pada polarisasi atom atau molekul — yaitu, kemudahan distribusi elektron dalam atom (atau molekul) dapat terdistorsi. Umumnya, semakin besar jumlah elektron dan semakin banyak awan elektron yang tersebar dalam atom atau molekul, semakin besar polarisabilitasnya. Yang dimaksud dengan awan difusi adalah awan elektron yang tersebar di volume yang cukup besar, sehingga elektron tidak terikat erat oleh inti.

Polarisasi memungkinkan gas yang mengandung atom atau molekul nonpolar (misalnya, He dan N₂) mengembun. Dalam atom helium, elektron bergerak pada jarak tertentu dari inti. Setiap saat kemungkinan besar atom memiliki momen dipol yang dibuat oleh posisi elektron tertentu. Momen dipol ini disebut dipol sesaat karena berlangsung hanya sepersekian detik. Detik berikutnya elektron berada di lokasi yang berbeda dan atom memiliki dipol sesaat baru, dan seterusnya. Dirata-ratakan dari waktu ke waktu (yaitu, waktu yang diperlukan untuk membuat pengukuran momen dipol), namun, atom tidak memiliki momen dipol karena semua dipol sesaat saling meniadakan. Dalam kumpulan atom He, dipol sesaat dari satu atom He dapat menginduksi dipol di setiap tetangga terdekatnya (Gambar 11.5). Pada saat berikutnya, dipol sesaat yang berbeda dapat membuat dipol sesaat di sekitar atom He. Poin pentingnya adalah bahwa jenis interaksi ini menghasilkan gaya dispersi, gaya tarik yang muncul sebagai akibat dari dipol sementara yang diinduksi dalam atom atau molekul. Pada suhu yang sangat rendah (dan kecepatan atom berkurang), gaya dispersi cukup kuat untuk menahan atom He bersama-sama, menyebabkan gas mengembun. Gaya tarik antar molekul nonpolar dapat dijelaskan dengan cara yang sama.

Gambar 11.5 Dipol yang diinduksi berinteraksi satu sama lain. Pola seperti itu hanya ada sesaat; pengaturan baru dibentuk di saat berikutnya. Jenis interaksi ini bertanggung jawab atas kondensasi gas nonpolar.

Interpretasi mekanika kuantum dari dipol sesaat diberikan oleh Fritz London pada tahun 1930. London menunjukkan bahwa besarnya interaksi tarik menarik ini berbanding lurus dengan polarisasi atom atau molekul. Seperti yang diduga, gaya dispersi mungkin cukup lemah. Ini memang benar untuk helium, yang memiliki titik didih hanya 4,2 K, atau -269 ° C. (Perhatikan bahwa helium hanya memiliki dua elektron, yang terikat erat di orbital 1s. Oleh karena itu, atom helium memiliki kemampuan polarisasi yang rendah.)

Gaya dispersi, yang juga disebut gaya London, biasanya meningkat seiring dengan massa molar karena molekul dengan massa molar yang lebih besar cenderung memiliki lebih banyak elektron, dan gaya dispersi bertambah kuat seiring dengan bertambahnya jumlah elektron. Lebih jauh lagi, massa molar yang lebih besar seringkali berarti atom yang lebih besar yang distribusi elektronnya lebih mudah terganggu karena elektron terluarnya kurang terikat erat oleh inti. Tabel 11.2 membandingkan titik leleh zat serupa yang terdiri dari molekul nonpolar. Seperti yang diharapkan, titik leleh meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah elektron dalam molekul. Karena ini semua adalah molekul nonpolar, satu-satunya gaya antarmolekul tarik menarik adalah gaya dispersi.

Dalam banyak kasus, gaya dispersi sebanding dengan atau bahkan lebih besar dari gaya dipol-dipol antara molekul polar. Sebagai ilustrasi, bandingkan titik didih CH₃F (278,4°C) dan CCl₄ (76,5°C). Meskipun CH₃F memiliki momen dipol 1,8 D, tetapi memiliki titik didih pada suhu yang jauh lebih rendah daripada CCl₄ yang merupakan molekul nonpolar. CCl₄ mendidih pada suhu yang lebih tinggi karena mengandung lebih banyak elektron. Akibatnya, gaya dispersi antar molekul CCl₄ lebih kuat daripada gaya dispersi ditambah gaya dipol-dipol antara molekul CH₃F. (Ingatlah bahwa gaya dispersi terjadi di antara spesi dari semua jenis, baik netral maupun bermuatan bersih dan apakah polar atau nonpolar.)

Contoh 11.1 menunjukkan bahwa jika kita mengetahui jenis spesi yang ada, kita dapat dengan mudah menentukan jenis gaya antarmolekul yang ada di antara spesi tersebut.

Contoh 11.1
Apa jenis gaya antarmolekul yang ada di antara pasangan berikut: (a) HBr dan H₂S, (b) Cl₂ dan CBr₄, (c) I₂ dan NO₃⁻, (d) NH₃ dan C₆H₆?

Strategi
Klasifikasikan spesi menjadi tiga kategori: ionik, polar (memiliki momen dipol), dan nonpolar. Ingatlah bahwa gaya dispersi ada di antara semua spesi.

Penyelesaian
(a) Baik HBr dan H₂S adalah molekul polar

Oleh karena itu, gaya antarmolekul yang ada adalah gaya dipol-dipol, serta gaya dispersi.

(b) Baik Cl₂ dan CBr₄ adalah nonpolar, jadi hanya ada gaya dispersi di antara molekul-molekul ini.

(c) I₂ adalah molekul diatomik homonuklir dan oleh karena itu nonpolar, sehingga gaya antara I₂ dan ion NO₃⁻ adalah gaya dipol dan gaya dispersi yang diinduksi ion.

(d) NH₃ bersifat polar, dan C₆H₆ adalah nonpolar. Gaya tersebut adalah gaya dipol yang diinduksi dipol dan gaya dispersi.

Latihan
Sebutkan jenis gaya antarmolekul yang ada di antara molekul (atau satuan dasar) di masing-masing spesi berikut: (a) LiF, (b) CH4, (c) SO2.

Ikatan Hidrogen
Biasanya, titik didih rangkaian senyawa serupa yang mengandung unsur-unsur dalam kelompok periodik yang sama meningkat seiring dengan bertambahnya massa molar. Peningkatan titik didih ini disebabkan oleh peningkatan gaya dispersi untuk molekul dengan lebih banyak elektron. Senyawa hidrogen dari Golongan 4A mengikuti tren ini, seperti yang ditunjukkan Gambar 11.6. Senyawa teringan, CH₄, memiliki titik didih terendah, dan senyawa terberat SnH₄ memiliki titik didih tertinggi. Namun, senyawa hidrogen dari unsur-unsur di Grup 5A, 6A, dan 7A tidak mengikuti tren ini. Dalam masing-masing deret ini, senyawa paling ringan (NH₃, H₂O, dan HF) memiliki titik didih tertinggi, bertentangan dengan perkiraan berdasarkan massa molar. Pengamatan ini harus berarti bahwa ada gaya tarik antarmolekul yang lebih kuat pada NH₃, H₂O, dan HF, dibandingkan dengan molekul lain dalam golongan yang sama. Faktanya, jenis tarikan antarmolekul yang sangat kuat ini disebut ikatan hidrogen, yang merupakan jenis interaksi dipol-dipol khusus antara atom hidrogen dalam ikatan polar, seperti N-H, O-H, atau F-H, dan elektronegatif ataom O, N, atau F. Interaksi itu ditulis

A-H --- B atau A-H --- A

A dan B mewakili O, N, atau F; A-H adalah satu molekul atau bagian dari sebuah molekul dan B adalah bagian dari molekul lain; dan garis putus-putus melambangkan ikatan hidrogen. Ketiga atom tersebut biasanya terletak pada garis lurus, tetapi sudut AHB (atau AHA) dapat menyimpang sebesar 30° dari linieritas. Perhatikan bahwa atom O, N, dan F semuanya memiliki setidaknya satu pasangan elektron bebas yang dapat berinteraksi dengan atom hidrogen dalam ikatan hidrogen.

Gambar 11.6 Titik didih senyawa hidrogen dari unsur Golongan 4A, 5A, 6A, dan 7A. Meskipun biasanya kita mengharapkan titik didih meningkat saat kita bergerak ke bawah suatu golongan, kita melihat bahwa tiga senyawa (NH₃, H₂O, dan HF) berperilaku berbeda. Anomali dapat dijelaskan dalam istilah ikatan hidrogen antarmolekul.

Kekuatan rata-rata ikatan hidrogen cukup besar untuk interaksi dipol-dipol (hingga 40 kJ/mol). Dengan demikian, ikatan hidrogen memiliki pengaruh yang kuat pada struktur dan sifat banyak senyawa. Gambar 11.7 menunjukkan beberapa contoh ikatan hidrogen.

Gambar 11.7 Ikatan hidrogen dalam air, amonia, dan hidrogen fluorida. Garis padat mewakili ikatan kovalen, dan garis putus-putus mewakili ikatan hidrogen.

Kekuatan ikatan hidrogen ditentukan oleh interaksi coulomb antara pasangan elektron bebas dari atom elektronegatif dan inti hidrogen. Misalnya, fluor lebih elektronegatif daripada oksigen, jadi kita mengharapkan ikatan hidrogen yang lebih kuat ada di HF cair daripada di H₂O. Dalam fase cair, molekul HF membentuk rantai zigzag:

Titik didih HF lebih rendah daripada titik didih air karena setiap H₂O mengambil bagian dalam empat ikatan hidrogen antarmolekul. Oleh karena itu, gaya yang menahan molekul lebih kuat di H₂O daripada di HF. Kembali ke sifat air yang sangat penting ini di Bagian 11.3. Contoh 11.2 menunjukkan jenis spesi yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air.

Contoh 11.2
Manakah dari berikut ini yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air? CH₃OCH₃, CH₄, F₋, HCOOH, Na⁺.

Strategi
Suatu spesi dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air jika mengandung salah satu dari tiga unsur elektronegatif (F, O, atau N) atau memiliki atom H yang terikat pada salah satu dari tiga unsur ini.

Penyelesaian

Tidak ada unsur elektronegatif (F, O, atau N) di CH₄ atau Na⁺. Oleh karena itu, hanya CH₃OCH₃, F⁻, dan HCOOH yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air.

Pemeriksaan 
Perhatikan bahwa HCOOH (asam format) dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air dalam dua cara berbeda. 

Latihan 
Manakah dari spesi berikut ini yang mampu melakukan ikatan hidrogen di antara mereka? (a) H₂S, (b) C₆H₆, (c) CH₃OH.

Gaya antarmolekul yang dibahas sejauh ini semuanya bersifat tarik menarik. Perlu diingat, bahwa molekul juga menggunakan gaya tolak menolak satu sama lain. Jadi, ketika dua molekul saling mendekati satu sama lain, tolakan antara elektron dan antara inti dalam molekul mulai berperan. Besarnya gaya tolak meningkat sangat tajam seiring dengan berkurangnya jarak yang memisahkan molekul dalam fase terkondensasi. Inilah alasan mengapa cairan dan padatan sangat sulit untuk dikompres atau dimampatkan. Dalam fase ini, molekul sudah berada dalam kontak dekat satu sama lain, sehingga terjadi tolak menolak yang sangat kuat untuk dikompresi lebih lanjut.

HCOOH membentuk ikatan hidrogen dengan dua molekul H₂O.