Membongkar Bentuk Molekul dan Domain Elektron

Misteri Ikatan yang Miring

Pernah kepikiran nggak, kenapa molekul seperti $\text{SF}_4$ (Belerang tetrafluorida) bentuknya bisa "miring" atau nggak simetris?

Banyak yang ngira ini terjadi karena atom-atom Fluorin ($\text{F}$) yang nempel punya ukuran beda-beda, jadi posisinya berantakan. Padahal, semua atom F di $\text{SF}_4$ itu ukurannya identik sempurna! Jadi, bukan itu biang keroknya.

Di dunia molekul, bentuk geometri dikendalikan oleh medan gaya tolak-menolak antar elektron (dikenal dengan teori VSEPR). Di sekitar atom pusat Belerang ($\text{S}$), ada dua jenis penghuni yang sama-sama bermuatan negatif dan saling benci (tolak-menolak):

Pasangan Elektron Ikatan (PEI): Elektron yang dipakai gandengan antara $\text{S}$ dan $\text{F}$.
Pasangan Elektron Bebas (PEB): Elektron jomblo milik $\text{S}$ yang nggak dipakai berikatan.

Karena ukurannya yang super besar, PEB ini mendorong atom-atom $\text{F}$ menjauh darinya. Akibatnya, bentuk ruang molekul yang tadinya mungkin simetris beraturan malah jadi "bengkok" atau "miring" karena harus ngalah sama si balon gemuk ini.

Berdasarkan konsep desakan elektron, apa alasan utama sebuah molekul dengan atom ujung sejenis bisa memiliki bentuk yang 'miring' atau tidak simetris beraturan?

A. Karena ukuran atom pusat selalu lebih kecil dari atom ujungnya
B. Karena atom-atom ujung memiliki ukuran dan massa yang berbeda-beda
C. Karena adanya Pasangan Elektron Bebas (PEB) yang membutuhkan ruang lebih besar dan mendesak ikatan lain
D. Karena elektron ikatan menarik atom pusat lebih kuat daripada Pasangan Elektron Bebas

Jawaban: C. Karena adanya Pasangan Elektron Bebas (PEB) yang membutuhkan ruang lebih besar dan mendesak ikatan lain

PEB ibarat balon gemuk yang mendesak ruang lebih besar, sehingga menekan pasangan elektron ikatan dan membuat bentuk molekul jadi tidak simetris atau miring. Ukuran atom F sendiri identik.

Bentuk geometri molekul yang tidak simetris (bengkok/miring) disebabkan oleh desakan ruang dari Pasangan Elektron Bebas (PEB) yang lebih besar dari Pasangan Elektron Ikatan.

Algoritma Hitung $\text{AX}_n\text{E}_m$

Kalau kamu suka pendekatan sistematis dan rumus matematika yang pasti, kamu bisa menentukan bentuk dasar molekul hanya dengan algoritma 3 langkah simpel.

Kita menggunakan notasi $\text{AX}_n\text{E}_m$.

$\text{A}$ = Atom pusat.
$\text{X}$ = Pasangan Elektron Ikatan (PEI) atau jumlah atom luar yang menempel (sebanyak $n$).
$\text{E}$ = Pasangan Elektron Bebas (PEB) di atom pusat (sebanyak $m$).

Untuk $\text{SF}_4$, atom $\text{S}$ punya 6 valensi. Dari 6 itu, 4 dipakai berikatan dengan $\text{F}$. Sisa elektron bebas = $6 - 4 = 2$ elektron. Karena 2 elektron = 1 pasangan, maka nilai $E = \frac{2}{2} = 1$.

Gabungkan semuanya, kita dapat notasi $\text{AX}_4\text{E}$. Ini adalah koordinat pasti untuk mengetahui bentuk geometri 3D molekulnya!

Pada algoritma hitung notasi $\text{AX}_n\text{E}_m$, bagaimana cara matematika yang tepat untuk menemukan nilai $m$ (jumlah Pasangan Elektron Bebas)?

A. Mengurangi elektron valensi atom pusat dengan jumlah atom luar
B. Mengurangi elektron valensi atom pusat dengan jumlah elektron berikatan, lalu dibagi dua
C. Membagi total semua elektron dalam molekul dengan dua
D. Mengalikan valensi atom pusat dengan jumlah atom luar

Jawaban: B. Mengurangi elektron valensi atom pusat dengan jumlah elektron berikatan, lalu dibagi dua

Nilai E (PEB) adalah jumlah pasangan. Setelah mencari sisa elektron yang tidak dipakai berikatan, kita wajib membaginya dengan dua karena 1 pasangan terdiri dari 2 elektron.

Jumlah PEB (m) dihitung dengan membagi dua sisa elektron valensi setelah dikurangi jumlah atom yang diikat.

Kenapa $\text{AX}_4\text{E}$ Jadi Jungkat-jungkit?

Notasi $\text{AX}_4\text{E}$ berarti molekul ini punya total 5 "penghuni" atau domain (4 ikatan + 1 PEB).

Kalau kamu punya 5 benda yang harus diposisikan mengelilingi satu titik pusat senyaman mungkin (tolakan paling minim), bentuk dasarnya adalah Trigonal Bipiramidal. Bentuk ini punya dua jenis posisi:

Ekuatorial: 3 posisi di bagian sabuk/tengah (sudut antar mereka $120^\circ$).
Aksial: 2 posisi di kutub atas dan bawah (sudut $90^\circ$ terhadap sabuk).

Nah, si "balon gemuk" PEB harus milih posisi. Kalau dia milih posisi aksial, dia bakal berdesakan hebat $90^\circ$ dengan 3 ikatan di sabuk. Tapi, kalau dia milih posisi ekuatorial, dia cuma berdesakan $90^\circ$ dengan 2 ikatan di kutub.

Karena PEB benci desak-desakan, dia selalu milih posisi ekuatorial yang lebih longgar!

Setelah si balon PEB duduk manis di posisi ekuatorial (tapi bentuknya transparan/tak terlihat), sisa 4 atom $\text{F}$ yang kelihatan membentuk pola unik: dua lengan panjang ke atas bawah (aksial) dan dua lengan menapak di tanah.

Coba putar bayanganmu 90 derajat. Susunan 4 atom $\text{F}$ ini bentuknya persis menyerupai mainan jungkat-jungkit (seesaw) di taman bermain!

Gambar: Killarnee, CC BY-SA 4.0 — Wikimedia Commons

Posisi dua ikatan aksial menjadi "papan" jungkat-jungkitnya, sementara dua ikatan ekuatorial yang tersisa berfungsi sebagai penyangga atau kaki-kakinya. Ini membuktikan bahwa bentuk ruang molekul murni ditentukan oleh rumus domain elektron di sekeliling atom pusatnya.