Ikatan Kimia: Bagaimanakah Sesuatu Bahan Itu Tercipta dan Terbentuk?

0
1118
views

Bagaimanakah sesuatu bahan itu tercipta dan terbentuk? Apakah konsep asas yang membenarkan ia terjadi? Dalam artikel ini, kita akan membincangkan fenomena asas yang membentuk bahan bahan kimia daripada unsur unsurnya.

Sebelum kita membincangkan ikatan kimia, saya rasa penting untuk kita meneliti kelas kelas bahan kimia itu sendiri dahulu. Seperti yang dibincangkan di artikel yang lepas, kita telah mendapat gambaran bahawa semua benda di dunia ini merupakan bahan kimia. Antijirim juga merupakan bahan kimia. Kita juga telah membincangkan bahawa semua bahan dalam dunia ini terdiri daripada atom. Jadi, sebelum meneliti perihal ikatan kimia, mari kita bincangkan pengkelasan bahan kimia.

Jetpack Langkawi

Pengkelasan bahan kimia terdiri daripada 3 kelas:

Unsur: Bahan yang dikatakan unsur kimia adalah bahan yang terdiri daripada atom atom yang sama jenis. Unsur kalium hanya mengandungi atom kalium, unsur natrium hanya mengandungi atom natrium.

Gambar 1: Logam kuprum merupakan sejenis unsur kimia. Unsur kuprum yang tinggi ketulenannya digunakan dalam wayar sebagai pengalir arus elektrik. Logam kuprum tulen berwarna perang metalik dan terdapat seakan akan warna merah jambu.
Gambar 2: Unsur sulfur, atau nama lazim dalam bahasa melayu belerang, merupakan satu lagi jenis unsur kimia yang tergolong dalam kumpulan kalkogen. Bahan ini hanya terdiri daripada unsur sulfur sahaja.

Sebatian: Bahan yang dikatakan sebatian kimia merupakan bahan yang mengandungi 2 atau lebih jenis atom yang terikat secara kimia. Seperti 2 atom oksigen terikat pada satu atom karbon, ya itu dia karbon dioksida. Ikatan kimia inilah fokus kita pada hari ini.

Gambar 3: Sebatian ionik kuprum(II) sulfat. Sebatian ini hasil ikatan kimia antara unsur kuprum, sulfur dan oksigen. Formula kimianya ialah CuSO4. Lihat, hasil ikatan antara unsur akan menghasilkan sebatian (bahan) yang sangat berbeza ciri cirinya. Kerana bahan ini adalah bahan yang berbeza daripada komponen komponennya.

Campuran: Bahan campuran merupakan sesuatu campuran fizikal antara sesama unsur ataupun sesama sebatian, mahupun campuran unsur dan sebatian. Campuran ini tidak melibatkan ikatan kimia, maka mereka dikatakan tercampur secara fizikal sahaja.

Gambar 4: Vodka sebahagian besarnya merupakan campuran air dan alkohol.
Gambar 5: Arca Victory pada monumen Siegessäule, Berlin diperbuat daripada pancalogam gangsa, sejenis pancalogam hasil campuran unsur kuprum dan unsur timah. Pancalogam merupakan satu contoh campuran.

Satu contoh campuran yang mudah ialah udara atmosfera. Udara yang kita hirup merupakan satu contoh campuran. Udara di atmosfera terbentuk hasil campuran 78% gas nitrogen, 21% gas oksigen, 0.9% gas argon, 0.04% karbon dioksida dan gas lain lain seperti neon, helium, metana dan wap air[2].

Sekarang kita dah bincang mengenai istilah asas kelas kelas bahan kimia, mari kita bincang mengenai ikatan kimia dan kelas kelas bahan kimia mengikut jenis pula. Ikatan kimia ini seperti hubungan manusia juga sebenarnya, jauh sangat rasa rindu, dekat sangat rasa menyampah, dan ada masanya, pelik dan rumit. Ikatan kimia merupakan tarikan kekal di antara atom atom untuk membentuk sebatian. Daya tarikan ini dihasilkan oleh daya elektrostatik, atau pada kes yang lain, dihasilkan oleh perkongsian elektron valens.

Gambar 6: Elektron valens merupakan elektron dalam petala paling luar dalam struktur sesebuah atom. Untuk perbincangan ikatan kimia ionik, kita akan gunakan model atom Bohr.

Ikatan yang mengikat atom atom melalui daya elektrostatik dinamakan ikatan ionik. Ikatan ionik ini terbentuk apabila sesebuah atom yang lebih elektropositif mendermakan elektron valens nya kepada atom yang lebih elektronegatif (cenderung untuk menerima elektron dan menjadi zarah bercas negatif). Hasilnya, atom yang lebih elektropositif akan bercas positif dan atom yang lebih elektronegatif akan bercas negatif. Zarah bercas ini dinamakan ion. Zarah cas bertentangan akan menarik sesama sendiri, lalu mengikat mereka untuk membentuk sebatian ionik. Inilah yang dikatakan ikatan ionik. Depa pakat kahwin dah aih.

Gambar 7: Atom natrium, Na, mendermakan satu elektron valens nya kepada atom fluorin, F. Hal ini menghasilkan daya elektrostatik yang mengikat mereka berdua untuk membentuk sebatian ionik, natrium fluorida, NaF.

Kalau pada kes lain di mana mereka berkongsi elektron pula, ikatan seperti ini dipanggil ikatan kovalen. Ikatan kovalen ni lazim berlaku antara atom bukan logam. Pembentukan ikatan kovalen berlaku disebabkan sesebuah atom cenderung untuk membentuk struktur susunan elektron yang lebih stabil di dalam petala valens nya. Kes yang sama menjadi sebab pembentukan ion di dalam ikatan ionik.

Gambar 8: Struktur ikatan antara atom karbon, C dan atom hidrogen, H dalam molekul metana. Bulatan biru dan merah menunjukkan asal usul elektron yang dikongsikan.

Elektron yang dikongsikan dalam ikatan kovalen terbentuk melalui pengacukan orbital atom (orbital hybridization); baca mengenai orbital dan model piawai atom di sini (https://www.thepatriots.asia/archives/3198). Elektron yang dikongsikan akan mendiami orbital yang dikacukkan. Dalam model atom Bohr, kita gambarkan elektron ini memenuhi petala valens sesebuah atom (seperti dalam gambar di atas).

Gambar 9: Pengacukan orbital dalam pembentukan struktur ikatan kovalen metana. Dua titik hitam menunjukkan kedudukan elektron yang dikongsikan. Gambar hak milik pencetakan Pearson.
Gambar 10: Dalam struktur lewis pula, dua elektron dikongsikan akan digammarkan sebagai dua titik ataupun satu garisan. Dengan kata lain, satu garisan ikatan dalam struktur lewis menggambarkan 2 elektron dikongsikan.

Kecenderungan sesebuah atom untuk membentuk ikatan jenis ionik ataupun kovalen ditentukan melalui perbezaan ciri elektropositif ataupun elektronegatif nya. Julat perbezaan elektronegativiti yang menentukan ikatan itu ionik mahupun kovalen tidak dapat ditentukan dengan tepat (kerana kimia peringkat atom sangat pelik, macam manusia juga). Secara umumnya, jika perbezaan elektronegativiti antara 2 atom itu melebihi 1.7 pada skala Pauling, ikatan yang terbentuk antara mereka berdua cenderung untuk menjadi ikatan ionik. Hal ini kerana salah satu atom diantara mereka (yang lebih elektronegatif) akan menarik elektron dengan lebih kuat berbanding atom yang lain. Begitu juga sebaliknya jika perbezaan elektronegativiti kurang daripada 1.7 pada skala Pauling, ikatan antara mereka cenderung untuk menjadi ikatan kovalen[3]. Hal ini kerana tiada di antara mereka yang lebih dominan dalam menarik elektron valens pasangannya.

Oleh sebab yang sama (elektronegativiti), ikatan kovalen terbahagi kepada 2 jenis, iaitu ikatan kovalen polar, dan ikatan kovalen tidak polar. Ikatan kovalen polar terbentuk apabila terdapat perbezaan dalam elektronegativiti melebihi 0.4 pada skala Pauling[4]. Hal ini akan membuatkan satu atom (yang lebih elektronegatif) menarik elektron sedikit kuat daripada atom yang terikat dengannya. Fenomena tersebut dinamakan momen dwikutub, dimana atom yang lebih elektronegatif dalam ikatan kovalen polar mempunyai cas separa negatif.

Gambar 11: Gambar ini menunjukkan anak panah pangkal silang yang menggambarkan arah momen dwikutub. Atom yang bercas separa dilabelkan dengan simbol delta bercas. Pangkal silang anak panah menunjukkan kawasan bercas separa positif (bukan salib ya) dan anak panah pula menunjukkan arah kecenderungan elektron untuk berkeliaran. Gambar hak milik Loren Williams.
Gambar 12: Peta potensi elektrostatik molekul air di mana kawasan biru ke hijau menggambarkan kepadatan elektron (biru paling kurang elektron, merah paling banyak elektron). Peta potensi elektrostatik sangat berguna apabila mahu menentukan momen dwikutub keseluruhan untuk molekul molekul yang besar.

Jenis ikatan kovalen polar dan tidak polar memberikan kesan besar terhadap ciri fizikal sesebuah molekul. Minyak tidak bercampur dengan air kerana minyak merupakan molekul tidak polar (tiada momen dwikutub) dan air merupakan molekul polar (mempunyai momen dwikutub. Oleh itu, polariti sesuatu bahan menentukan adakah dia akan larut atau tidak dalam sesuatu pelarut.

Sebatian ionik lazimnya larut dalam pelarut polar. Syukur terhadap kejadian molekul air yang polar kita dapat menikmati gula dan garam.

Terdapat lagi satu ikatan kimia yang kurang terkenal dibincangkan iaitu ikatan logam. Hal ini kerana dalam ilmu kimia umum, kita jarang membincangkan mengenai ikatan logam kerana ia hanya wujud dalam bahan logam. Jadi ikatan logam ini kebanyakkannya dibincangkan di dalam ilmu logam (metallurgy). Dalam logam (yang juga merupakan unsur), elektron valens mereka dibebaskan daripada atom mereka. Maka atom logam ini akan mencapai struktur yang petala valens yang stabil tanpa struktur elektron valens asal yang tidak stabil. Elektron yang dibebaskan pula akan berkeliaran pada seluruh bahan logam tersebut. Fenomena ini dinamakan lautan elektron. Atom logam yang stabil tanpa elektron valens asalnya bagaikan bola bola yang tenggelam terapung di lautan. Fenomena penyahsetempatan elektron inilah yang membuatkan logam sebuah pengalir elektrik yang baik, kerana elektron mudah bergerak dalam bahan logam tersebut.

Gambar 13: Gambar ini menunjukkan struktur ion logam bercas positif (logam yang kehilangan elektron valens nya) dalam lautan elektron. Elektron bebas digambarkan sebagai titik warna biru. Gambar hak milik spirit469.

Walaubagaimanapun, terdapat juga ikatan ikatan kimia yang pelik. Mereka tidak mematuhi peraturan asas konsep ikatan kimia. Kejadian mereka dapat dijelaskan dengan tafsiran quantum atom mereka. Ikatan ionik dan ikatan kovalen juga sebenarnya tidak wujud dalam keadaan hitam putih di mana sesebuah ikatan itu ionik atau kovalen, tetapi ia wujud dalam spektrum jenis jenis ikatan.

Gambar 14: Graf menunjukkan segitiga van Arkel-Ketelaar yang menunjukkan darjah sesuatu ikatan sama ada ikatan tersebut ionik, kovalen mahupun logam. Gambar hak milik Mark R. Leach.

Apabila sepasang atom membentuk ikatan, daya tarikan elektrostatik menarik mereka berdua. Tetapi dalam masa yang sama, nukleus mereka yang bercas positif akan saling menolak antara satu sama lain. Jarak yang stabil antara mereka (tidak terlalu menolak dan tidak terlalu menarik) akan dikatakan sebagai jarak ikatan. Jarak ikatan atom hidrogen dan oksigen dalam molekul air ialah 0.96 ångstrom.

Gambar 15: Graf menunjukkan hubungan antara daya tarikan/tolakkan dengan jarak antara atom. Jarak antara atom yang stabil merupakan jarak yang paling kurang tenaga potensinya. Gambar hak milik tutorvista.

Tenaga ikatan merupakan tenaga yang terkandung dalam ikatan sepasang atom, dan ia merupakan tenaga yang diperlukan untuk memutuskan ikatan mereka. Oleh kerana reaksi kimia merupakan satu proses pemutusan dan pembentukan ikatan kimia, sesebuah reaksi kimia memerlukan kita untuk mengatasi tenaga ikatan untuk reaksi tersebut terjadi. Kita akan bincang lebih dalam artikel akan datang mengenai reaksi kimia.

Rujukan:

1. Silberberg, M. and Amateis, P. (2015). Chemistry. 7th ed. McGraw-Hill Education.

2. NOAA Earth System Research Laboratory, (updated 2013-03)

3. Atkins, P. Loretta, J. (1997). Chemistry: Molecules, Matter and Change. New York: W. H. Freeman & Co. pp. 294–295.

4. Bishop, M. (2013). Molecular Polarity. [online] Preparatorychemistry.com. Available at: http://preparatorychemistry.com/Bishop_molecular_polarity.htm [Accessed 3 Aug. 2017].

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.