Monday, 5 December 2016

Kimia Organik Fisik

Gaya Van der Waals
Gaya ini dikemukakan pertama kali oleh johannes van der waals (1837-1923). Gaya Van der Waals merupakan gaya tarik menarik listrik yang relatif lemah akibat kepolaran molekul yang permanen atau terinduksi. Kepolaran permanen terjadi akibat kepolaran di dalam molekul, sedangkan kepolaran tidak permanen terjadi akibat molekul terinduksi oleh partikel lain yang bermuatan sehingga molekul bersifat polar sesaat secara spontan.

Konsep gaya tarik menarik antar molekul ini digunakan untuk menurunkan persamaan zat-zat yang berada dalam fase gas. Gaya ini terjadi karena adanya gaya tarik menarik antara inti atom dengan elektron atom lain yang disebut gaya tarik menarik elektrostatis (gaya coulomb) yang umumnya terdapat pada senyawa polar. Pada molekul non polar gaya Van Der Waals timbul karena adanya dipol-dipol sesaat atau gaya London.

Antar molekul yang mempunyai perbedaan keelektronegatifan yang sangat kecil terdapat gaya tarik menarik walaupun sangat lemah. Gaya tarik menarik itu dinamakan gaya van der waals. Karena gaya ini sangat lemah maka zat yang mempunyai ikatan van der waals akan mempunyai titik didih yang sangat rendah. Meskipun demikian gaya van der waals bersifat permanen dan lebih kuat dari gaya london. Contoh gaya van der waals terdapat pada senyawa hidrokarbon. Misalnya pada senyawa CH4. Perbedaan keelektronegatifan C (2,5) dengan H (2,1) sangat kecil, yaitu sebesar 0,4.

Senyawa-senyawa yang mempunyai ikatan van der waals akan mempunyai titik didih sangat rendah, tetapi dengan bertambahnya Mr Ikatan akan makin kuat sehingga titik didih lebih tinggi. Contohnya, titik didih C4H10>C3H8>C2H6>CH4. Contoh lainnya terdapat pada Br2 dan I2. Br2 berwujud cair tetapi mudah menguap dan I2 berwujud gas tetapi mudah menyublim. Hal ini disebabkan karena ikatan antara molekul Br2 dan I2 adalah ikatan van der waals.

Gaya Van der Waals merupakan gaya tarik antar dipol pada molekul polar. Molekul polar memiliki ujung-ujung yang muatannya berlawanan. Ketika dikumpulkan, maka molekul polar akan mengatur dirinya (membentuk formasi) sedemikian hingga ujung yang bermuatan positif akan berdekatan dengan ujung yang bermuata negatif dari molekul lain. tapi tentu saja formasinya tidak statis/tetap, kenapa? Karena sebenarnya molekul selalu bergerak dan bertumbukan/tabrakan.

Catatan:
Molekul/atom/zat akan diam tak bergerak jika energi kinetiknya = 0 (nol). Keadaan ini disebut keadaan diam mutlak, dicapai jika benda berada pada suhu 00K (-2730C)

Untuk jelasnya, bisa dilihat pada gambar berikut:

Gaya Van der Waals diperlihatkan dengan garis merah (putus-putus). Kekuatan gaya tarik antara dipol ini biasanya lebih lemah dari kekuatan ikatan ionik atau kovalen (kekuatannya hanya 1% dari ikatan). Kekuatannya juga akan berkurang dengan cepat bila jarak antar dipol makin besar. jadi gaya Van der Waaals suatu molekul akan lebih kuat pada fase padat dibanding cair dan gas.

Gaya Van der Waals terdiri dari tiga macam, yaitu:

gaya Keesom/Gaya elektrostatis, meliputi interaksi antara:
molekul ionik dengan molekul ionik
dipol permanen dengan dipol permanen
gaya Debye (interaksi antara dipol permanen dengan dipol terinduksi)
Gaya London/Gaya Dispersi (interaksi antara dipol sementara dengan dipol terinduksi)

Molekul polar memiliki distribusi atau kerapatan elektron yang tidak merata dikarenakan pada molekul polar memiliki perbedaan keelektronegatifan yang besar. Perbedaaan keelektronegatifan ini menyebabkan suatu atom terbagi menjadi dua muatan (dipol), satu ujung memiliki muatan positif dan ujung lainnya bermuatan negatif. Terdapat kecenderungan bahwa ujung positif akan berdekatan dengan ujung negatif atom lain yang berada di dekatnya.2 Keadaan ini disebabkan adanya gaya tarik-menarik yang disebut dengan gaya tarik dipol – dipol.

Hubungan gaya dipol – dipol dengan sifat fisik suatu senyawa. Semakin rendah gaya tarik dipol-dipol antar molekul , maka titik didih maupun titik leleh senyawa tersebut akan semakin tinggi. Kenyataan ini menyatakan bahwa gaya tarik dipol-dipol bukan merupakan faktor utama penentu besarnya titik leleh maupun titik didih suatu senyawa. Gaya dipol-dipol merupakan gaya yang bekerja antara molekul – molekul polar, yaitu antara molekul yang memiliki momen dipol. Semakin besar momen dipolnya, maka semakin kuat gayanya.
Suatu contoh interaksi dipol-dipol dapat dilihat pada asam klorida (HCl): ujung positif suatu molekul polar akan saling menarik dengan ujung negatif molekul lain dan mempengaruhi posisinya. Molekul polar mempunyai gaya tarik resultan. Contoh-contoh molekul polar adalah asam klorida (HCl) dan kloroform (CHCl3).

Ikatan hidrogen (hydrogen bond) adalah gaya tarik menarik antara suatu pasangan dari sebuah atom elektronegatif dan sebuah atom hidrogen yang terikat dengan nitrogen, oksigen, atau fluorin. Ikatan hidrogen sering digambarkan sebagai suatu interaksi dipol-dipol elektrostatik yang kuat. Namun, juga memiliki sejumlah ciri ikatan kovalen: mempunyai arah, lebih kuat dari interaksi van der waals, menghasilkan jarak antaratom yang lebih pendek dari jumlah jari-jari van der waals, dan umumnya melibatkan pasangan dalam jumlah terbatas, yang dapat ditafsirkan sebagai sejenis valensi.
Ikatan hidrogen antarmolekul menyebabkan tingginya titik didih air (100 °C) dibanding hidrida grup 16 lain, yang tidak mempunyai ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen antarmolekul juga turut menyebabkan struktur sekunder, tersier, dan kuartener dari protein dan asam nukleat. Juga berperan penting pada struktur polimer, baik sintetik maupun alamiah.

Berdasarkan kepolaran partikelnya gaya Van Der Waals dibagi menjadi :

Interaksi ion-dipol (molekul polar)
Interaksi dipol-dipol
Interaksi ion-dipol terinduksi
Interaksi dipol-dipol terinduksi

Interaksi ion-dipol (molekul polar)

Terjadi interaksi/tarik menarik antara ion dengan molekul polar (dipol) yang relative cukup kuat.

Interaksi dipol-dipol

Merupakan interaksi antara sesama molekul polar (dipol) yang terjadi antara ekor dan kepala dari molekul itu sendiri.

Interaksi ion-dipol terinduksi

Merupakan interaksi ion dengan dipol terinduksi. Dipol terinduksi merupakan molekul netral dan menjadi dipol akibat induksi partikel bermuatan yang berada di dekatnya. Ikatan ini relatif lemah karena kepolaran molekul terinduksi relatif kecil daripada dipol permanen.

Interaksi dipol-dipol terinduksi

Molekul dipol dapat membuat molekul netral lain yang bersifat dipol terinduksi sehingga terjadi interaksi dipol-dipol terinduksi dan ikatannya relatif lemah sehingga prosesnya berlangsung secara lambat.Antar aksi dipol terinduksi-dipol terinduksi (gaya london)

Gaya Van der Waals bersifat permanen sehingga lebih kuat dari gaya london. Gaya Van Der Waals terdapat pada senyawa Hidrokarbon seperti CH4. Perbedaan keelektronegatifan C(2,5) dengan H(2,1) sangat kecil, yaitu 0,4. Senyawa-senyawa yang memiliki ikatan Van Der Waals akan mempunyai titik didih yng sangat rendah, tetapi akan semakin tinggi apabila Mr bertambah karena ikatan akan semakin kuat (C4H10 > C3H8 > C2 H6> CH4).

Gaya London

Gaya London pertama kali ditemukan oleh seorang ahli fisika dari Jerman, Fritz London, pada tahun 1930. Gaya London adalah gaya tarikan lemah yang disebabkan oleh dipol imbasan sekejap atau sesaat yang terjadi karena adanya pergerakan elektron dalam suatu orbital. Pergerakan tersebut dapat mengakibatkan tidak meratanya kepadatan elektron pada atom, sehingga atom tersebut mempunyai satu sisi dipol dengan muatan lebih negatif dibandingkan sisi yang lain. Mudahnya suatu atom untuk membentuk dipol sesaat disebut dengan polarisabilitas. Dipol – dipol ini dikatakan sesaat karena pergerakan elektronnya milyaran kali dalam satu detik.

Dipol sesaat pada suatu atom dapat mengimbas (menginduksi) atom yang berada di sekitarnya sehingga terjadi dipol terimbas. Hal tersebut yang menyebabkan terjadinya gaya tarik-menarik antara dipol sesaat dengan dipol terimbas.

Pergerakan elektron yang mengakibatkan dipol sesaat dalam suatu molekul akan bertambah besar apabila molekul tersebut memiliki jumlah elektron yang semakin besar pula. Jumlah elektron yang besar berkaitan dengan massa molekul relatif (Mr) molekul tersebut, sehingga semakin besar Mr suatu molekul, maka semakin besar polarisabilitasnya dan semakin besar pula Gaya Londonnya.Molekul dengan struktur panjang mempunyai kemungkinan lebih besar untuk mengalami dipol sesaat atau polarisabilitas. Hal ini dikarenakan molekul dengan struktur panjang mempunyai bidang yang lebih luas bila dibandingkan dengan molekul yang memiliki struktur lebih rapat dan kecil.

Kekuatan gaya London bergantung pada beberapa faktor, antara lain kerumitan molekul dan ukuran molekul.

Kerumitan Molekul

Lebih banyak terdapat interaksi pada molekul kompleks dari molekul sederhana, sehingga Gaya london lebih besar dibandingkan molekul sederhana.Semakin besar Mr semakin kuat Gaya london.

Ukuran Molekul

Molekul yang lebih besar mempunyai tarikan lebih besar dari pada molekul berukuran kecil, sehingga mudah terjadi kutub listrik sesaat yang menimbulkan gaya london besar.Dalam satu golongan dari atas ke bawah, ukurannya bertambah besar, sehingga gaya londonnya juga semakin besar.

Gaya London biasanya terjadi pada gas mulia yang mempunyai keelektronegatifan nol (stabil). Contohnya pada Neon, dimana gas Neon bisa dicairkan pada suhu yang tinggi atau rendah. Pada suhu yang sangat rendah atom-atom Neon akan saling berdekatan sehingga kestabilan elektronnya akan terganggu. Hal ini menyebabkan dalam atom Neon terbentuk dua kutub (dipol) antara molekul yang sama. Dipol ini membentuk ikatan sehingga Neon berubah menjadi cair. Dipol ini bersifat sementara, karena elektron selalu bergerak dalam orbital sehingga pada saat berikutnya dipol itu hilang.

Gaya van der Waals ini bekerja bila jarak antarmolekul sudah sangat dekat, tetapi tidak melibatkan terjadinya pebentukan ikatan antaratom. Misalnya, pada suhu -160oC molekul Cl2 akan mengkristal dalam lapisan-lapisan tipis, dan gaya yang bekerja untuk menahan lapisan-lapisan tersebut adalah gaya van der Waals. Paling sedikit terdapat tiga gaya antar molekul yang berperan dalam terjadinya gaya van der Waals, yaitu gaya dipol-dipol, gaya dipol terimbas, dan gaya dipol sesaat.



            1. Gaya dipol-dipol

            Gaya dipol-dipol terjadi pada molekul-molekul yang mempunyai dipol permanen atau molekul polar. Antaraksi antara kutub positif dari satu molekul dengan kutub negatif dari molekul lain menimbulkan gaya tarik-menarik yang relatif lemah. Kekuatan gaya dipol-dipol ini akan semakin besar bila molekul-molekul tersebut mengalami penataan dengan ujung positif suatu molekul ke ujung negatif dari molekul lain. Misalnya pada molekul-molekul HCl.

            2. Gaya dipol terimbas

Gaya imbas terjadi bila terdapat molekul dengan dipol permanen berantaraksi dengan molekul dengan dipol sesaat. Adanya molekul-molekul polar dengan dipol permanen akan menyebabkan imbasan dari kutub molekul polar kepada molekul non polar, sehingga elektron-elektron dari molekul nonpolar tersebut mengumpul pada salah satu sisi molekul(terdorong/tertarik), yang menimbulkan terjadinya dipol sesaat pada molekul non polar tersebut. Terjadinya dipol sesaat akan berakibat adanya gaya tarik-menarik antar dipol tersebut yang menghasilkan gaya imbas.

3. Gaya dipol sesaat/dispersi (Gaya London)

Terjadinya gaya dispersi dijelaskan pertama kali oleh Fritz London. Gaya dispersi ini terjadi pada setiap molekul maupun zat ionik, hanya pada senyawa ionik ini terjadi pada setiap molekul maupun zat ionik, hanya pada senyawa ionik tidak begitu besar pengaruhnya. Akan tetapi, pada molekul-molekul kovalen nonpolar gaya dospersi sangat besar pengaruhnya. Menurut london terjdinya gaya dispersi pada molekul nonpolar akibat adanya pergerakan elektron mengelilingi inti secara acak, sehingga pada suatu saat elektron-elektron tersebut akan mengumpul pada salah satu sisi atom molekul. Pengumpulan elektron pada salah satu sisi atom molekul ini mengakibatkan terjadinya dipol. Pada sisi yang banyak elektron tersebut menjadi bermuatan negatif, sedangkan pada sisi yang lain terjadi kutub positif. Dipol yang terjadi ini akan menghilang atau berganti tempat (sisi) seiring dengan terus berputarnya elektron. Oleh karena sifatnya yang sesaat maka disebut dengan dipol sesaat.

Sifat Fisik Yang Mempengaruhi Kekuatan Gaya Van der Waals

Gaya dispersi antara molekul-molekul adalah lebih lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen diantara molekul. Hal ini tidak memungkinkan untuk memberikan harga yang eksak, karena ukuran daya tarik bervariasi sekali dengan ukuran dan bentuk molekul.

Seberapa jauh ukuran molekul memperngaruhi kekuatan ikatan daya dispersi

Titik didih gas mulia adalah



helium
-269°C
neon
-246°C
argon
-186°C
kripton
-152°C
xenon
-108°C
radon
-62°C

Semua unsur tersebut berada pada molekul monoatomik.
Alasan yang mendasari bahwa titik didih meningkat sejalan dengan menurunnya posisi unsur pada golongan adalah kenaikan jumlah elektron, dan juga tentunya jari-jari atom. Lebih banyak elektron yang kamu miliki, dan lebih menjauh sejauh mungkin, yang paling besar memungkikan dipol sementara terbesar dan karena itu gaya dispersi paling besar.

Karena dipol sementara lebih besar, molekul xenon lebih melekat (stickier) dibandingkan dengan molekul neon. Molekul neon akan berpisah satu sama lain pada temperatur yang lebih rendah dibandingkan molekul xenon – karena itu neon memiliki titik didih yang lebih rendah.

Hal ini adalah suatu alasan (semua yang lainnya sebanding) molekul yang lebih besar memiliki lebih banyak elektron dan lebih menjauh dari dipol sementara yang dapat dihasilkan – dan karena itu molekul yang lebih besar lebih melekat.

Seberapa jauh bentuk molekul mempengaruhi kekuatan gaya dispersi

Ukuran molekul juga begitu. Molekul yang panjang kurus dapat menghasilkan dipol sementara yang lebih besar berdasarkan pada pergerakan elektronnya dibandingkan molekul pendek gemuk yang mengandung jumlah elektron yang sama.

Molekul yang panjang kurus juga dapat lebih dekat satu sama lain – dayatarik meraka lebih efektif jika molekul-molekulnya benar-benar tertutup. Sementara yang lebih besar dapat lebih berdekatan dibandingkan molekul yang lebih pendek Sebagai contoh, molekul hidrokarbon butana dan 2-metilpropan keduanya memiliki rumus molekul C4H10, tetapi atom-atom disusun berbeda. Pada butana atom karbon disusun pada rantai tunggal, tetapi 2-metilpropan memiliki rantai yang lebih pendek dengan sebuah cabang.

Butana memiliki titik didih yang lebih tinggi karena gaya dispersinya lebih besar. Molekul yang lebih panjang (dan juga menghasilkan dipol dan lebih gemuk 2-metilpropana.

Sumber :