Misteri Titik Didih: Kenapa HF Membelot?

Apa yang Putus Saat Mendidih?

Perubahan wujud seperti mendidih hanya memutus gaya tarik-menarik antarmolekul, bukan memecah ikatan kovalen di dalam molekul itu sendiri.

Perbedaan fase cair dan fase uap pada molekul diatomik saat mendidih

Saat cairan mendidih, molekul menyerap energi panas yang cukup sehingga mereka dapat saling berlarian menjauh. Yang terlepas hanyalah pegangan tangan antarteman (gaya antarmolekul). Sebaliknya, persendian di tubuh masing-masing orang tetap menyatu utuh.

Ikatan kovalen tunggal di dalam tubuh molekul sama sekali tidak terputus. Sebagai contoh, ketika cairan $\text{HCl}$ mendidih pada suhu $-85^\circ\text{C}$, senyawanya berubah wujud menjadi gas uap $\text{HCl}$. Partikel gas yang terbentuk tetap berupa molekul $\text{H}-\text{Cl}$ utuh, bukan terbelah menjadi atom $\text{H}$ dan atom $\text{Cl}$ terpisah.

Itulah sebabnya pernyataan pada Opsi B keliru. Kekuatan ikatan kovalen $\text{H}-\text{F}$ tidak relevan untuk menentukan titik didih karena ikatan di dalam molekul tersebut tidak ikut terputus saat mendidih. Dengan logika serupa, sifat asam suatu senyawa berkaitan dengan kemampuan melepas proton dalam larutan air (reaksi kimia), bukan penentu langsung tinggi-rendahnya titik didih sebagai sifat fisik, sehingga Opsi E juga tidak tepat.

Dalam sebuah laboratorium, metana cair dididihkan hingga berubah wujud sepenuhnya menjadi uap gas. Tentukan kebenaran dari pernyataan berikut tentang peristiwa yang terjadi pada tingkat partikel.

Ikatan kovalen antara karbon dan hidrogen pada metana terputus membentuk gas tunggal. — Salah
Jarak rata-rata antara satu molekul metana dengan molekul metana lainnya semakin jauh. — Benar

Saat cairan mendidih, molekul menyerap energi kalor untuk memutuskan gaya antarmolekul (tarikan antar molekul tetangga) sehingga jarak antarmolekul semakin renggang di fase uap. Ikatan kovalen C-H di dalam tubuh molekul metana (intramolekul) tetap utuh dan tidak terputus membentuk gas tunggal.

Saat proses mendidih terjadi pada senyawa molekuler, ikatan yang terputus adalah gaya antarmolekul, bukan ikatan kovalen intramolekul.

Tren Titik Didih dan Massa Molekul

Secara umum, massa molekul yang makin berat membuat gaya dispersi London semakin kuat, yang mendorong titik didih untuk naik.

Grafik tren kenaikan titik didih hidrogen halogenida terhadap massa molekul relatif

Setelah memahami bahwa mendidih adalah proses melepaskan pegangan tangan antarmolekul, pertanyaannya: faktor apa yang memengaruhi kuat-lemahnya tarikan antarmolekul tersebut?

Jawabannya terletak pada gaya dispersi London. Gaya tarik fisis ini timbul akibat pergeseran sementara awan elektron yang menghasilkan dipol sesaat. Kekuatannya sangat bergantung pada massa molekul relatif ($\text{Mr}$) serta jumlah dan ukuran sebaran elektron:

Semakin besar massa molekul dan ukuran partikelnya, awan elektronnya semakin mudah terpolarisasi.
Hal ini menghasilkan tarikan dispersi London antarmolekul yang semakin kuat.
Akibatnya, diperlukan energi kalor lebih tinggi (titik didih naik) untuk memisahkan molekul-molekul tersebut.

Pada deretan hidrogen halogenida, tren ini terlihat jelas: $\text{HCl}$ ($\text{Mr} = 36{,}5$) mendidih di $-85^\circ\text{C}$, $\text{HBr}$ ($\text{Mr} = 81$) di $-67^\circ\text{C}$, dan $\text{HI}$ ($\text{Mr} = 128$) di $-35^\circ\text{C}$. Kenaikan titik didih berjalan teratur seiring bertambahnya massa molekul.

Jika mengacu pada aturan massa ini, $\text{HF}$ yang hanya memiliki $\text{Mr} = 20$ dan elektron paling sedikit seharusnya memiliki gaya London terlemah serta titik didih terendah. Fakta ini membuktikan bahwa Opsi C (massa kecil bikin molekul rapat) dan Opsi D (gaya London mendadak dominan pada molekul kecil) bertentangan langsung dengan prinsip dasar gaya dispersi.

Molekul butana (Mr = 58) dan oktana (Mr = 114) merupakan zat cair yang sama-sama nonpolar dan mengandalkan gaya dispersi London. Manakah yang membutuhkan suhu lebih tinggi untuk diubah wujudnya menjadi gas dan mengapa?

Butana, karena molekul yang massanya kecil selalu menghasilkan kerapatan yang menyulitkan penguapan.
Oktana, karena dengan massa lebih besar gaya dispersi London-nya makin tebal menahan molekul bersama.
Oktana, sebab molekul berat akan menempel erat lewat reaksi ikatan kimia saat berada dalam fasa cairan.
Keduanya mendidih pada suhu setara karena molekul kecil dan molekul besar punya ikatan kovalen yang identik.

Jawaban: Oktana, karena dengan massa lebih besar gaya dispersi London-nya makin tebal menahan molekul bersama.

Oktana memiliki Mr dan ukuran awan elektron yang jauh lebih besar dibanding butana, sehingga gaya dispersi London antarmolekul oktana lebih kuat dan memerlukan energi panas lebih tinggi untuk mendidih (Opsi B benar). Opsi A salah karena massa kecil justru membuat gaya London lemah. Opsi C salah karena antarmolekul diikat oleh gaya fisis, bukan reaksi ikatan kimia. Opsi D salah karena titik didih ditentukan gaya antarmolekul, bukan ikatan kovalen intramolekul.

Kekuatan gaya dispersi London meningkat seiring besarnya massa molekul relatif, membuat titik didih semakin tinggi.

Tanjakan Dadakan Kurva HF: Ikatan Hidrogen

Anomali titik didih $\text{HF}$ yang melonjak tinggi berasal dari gaya antarmolekul ekstra-kuat yang disebut ikatan hidrogen, mengalahkan tren penurunan gaya London akibat $\text{Mr}$ yang kecil.

Grafik lonjakan anomali titik didih HF akibat ikatan hidrogen

Ketika data titik didih $\text{HF}$ yang sebenarnya diplot pada grafik di atas, garis tren tidak berlanjut turun ke bawah. Titik didih $\text{HF}$ justru melonjak tajam keluar dari garis tren hingga mencapai suhu $20^\circ\text{C}$.

Lonjakan tajam ini terjadi karena hadirnya jenis gaya tarik khusus: ikatan hidrogen.

Pada molekul $\text{HF}$, atom fluor menarik pasangan elektron ikatan dengan sangat kuat ke arah dirinya. Akibatnya:

Atom $\text{H}$ memiliki kerapatan muatan parsial positif ($\delta^+$) yang pekat.
Atom $\text{F}$ memiliki muatan parsial negatif ($\delta^-$) serta pasangan elektron bebas.
Terbentuk gaya elektrostatik antarmolekul ($\text{H}^{\delta+} \cdots \text{F}^{\delta-}$) yang kekuatannya jauh melampaui gaya dispersi London biasa.

Energi panas yang diperlukan untuk mematahkan ikatan hidrogen antarmolekul $\text{HF}$ jauh lebih besar dibandingkan energi untuk mengatasi gaya dispersi London pada molekul $\text{HI}$ yang berat. Oleh sebab itu, titik didih $\text{HF}$ melesat ke posisi puncak, membuktikan kebenaran Opsi A.

Senyawa H2S memiliki ukuran molekul dan Mr lebih besar daripada H2O, sehingga gaya dispersi London H2S diproyeksikan lebih kuat. Namun kenyataannya, cairan H2O mendidih pada suhu 100 °C sementara H2S mendidih jauh di bawah itu (-60 °C). Berdasarkan pemahamanmu mengenai interaksi antarmolekul, mengapa titik didih H2O melampaui H2S secara drastis?

Air (H2O) memanfaatkan gaya ekstra antarmolekul yang disebut ikatan hidrogen yang sulit dipatahkan energi kalor.
Gaya dispersi London air secara misterius bangkit menjadi gaya primer karena ukuran air yang luar biasa kecil dan padat.
Karena jumlah ikatan kovalen O-H dalam air dua kali lebih solid dari S-H menahan terpecahnya molekul air ke gas hidrogen dan oksigen tunggal.
Karena sifat kimia asam pada air mengubah stabilitas titik didih H2S di atmosfer.

Jawaban: Air (H2O) memanfaatkan gaya ekstra antarmolekul yang disebut ikatan hidrogen yang sulit dipatahkan energi kalor.

Titik didih H2O ($100^\circ\text{C}$) melonjak jauh di atas H2S karena antarmolekul H2O membentuk ikatan hidrogen yang sangat kuat (H terikat langsung pada atom O yang sangat elektronegatif). Opsi B salah karena molekul kecil justru memiliki gaya London yang lemah. Opsi C salah karena mendidih tidak memutus ikatan kovalen intramolekul. Opsi D salah karena sifat asam tidak menentukan titik didih fisis.

Keberadaan ikatan hidrogen pada molekul yang memiliki hidrogen terikat pada atom sangat elektronegatif menyebabkan lonjakan titik didih di luar tren gaya dispersi London.