Polarisabilitas & Rahasia Gaya London
Jebakan Dipol Permanen
Pernah kepikiran nggak, saat kamu manasin zat cair sampai mendidih, apa sih yang sebenarnya 'dilawan' atau 'diputuskan' oleh energi panas itu?
Banyak orang terjebak berpikir kalau mendidih itu berarti memutuskan ikatan molekulnya sendiri, atau melawan "momen dipol permanen"-nya. Padahal, pada molekul hidrida Golongan IVA seperti Metana ($\text{CH}_4$), Silana ($\text{SiH}_4$), Germana ($\text{GeH}_4$), dan Stanana ($\text{SnH}_4$), momen dipol permanen itu sama sekali tidak ada. Lho, kok bisa? Padahal kan ada beda keelektronegatifan antara atom pusat (seperti C) dan hidrogen?
Coba ingat-ingat lagi bentuk ruang (geometri) molekul hidrida Golongan IVA. Karena atom pusatnya mengikat 4 atom identik dan tidak punya elektron bebas, mereka mengambil posisi paling saling menjauh: tetrahedral simetris (dengan sudut sempurna 109,5°).
Karena bentuknya yang sangat presisi dan simetris ke empat penjuru, kalaupun elektron sedikit lebih ditarik ke suatu arah, gaya tarikan (vektor) tersebut akan dibalas dengan tarikan yang persis sama ke arah berlawanan dan saling membatalkan (resultan nol). Mirip seperti empat orang yang main tarik tambang dari empat sudut berlawanan dengan kekuatan persis sama; simpul di tengahnya nggak akan bergeser ke mana-mana.
Kesimpulannya: Molekul-molekul dari $\text{CH}_4$ sampai $\text{SnH}_4$ bersifat nonpolar murni dan sama sekali TIDAK memiliki momen dipol permanen.
Meskipun ikatan antara atom hidrogen dan atom pusat (seperti Karbon atau Silikon) memiliki sedikit perbedaan keelektronegatifan, mengapa molekul-molekul ini secara keseluruhan tidak memiliki momen dipol permanen?
- A. Karena ikatannya sangat lemah sehingga tidak berpengaruh
- B. Karena senyawa-senyawa hidrida ini berwujud gas pada suhu kamar
- C. Karena bentuk molekul simetris yang mendistribusikan tarikan ke arah berlawanan, sehingga totalnya saling meniadakan
- D. Karena pergerakan elektron di dalam molekul-molekul ini tidak ada sama sekali
Jawaban: C. Karena bentuk molekul simetris yang mendistribusikan tarikan ke arah berlawanan, sehingga totalnya saling meniadakan
Walaupun terdapat perbedaan keelektronegatifan, geometri yang simetris penuh (seperti tetrahedral) membuat semua tarikan vektor tersebut seimbang dari segala sisi dan saling membatalkan satu sama lain.
Bentuk molekul yang simetris sempurna membuat resultan momen dipol bernilai nol.
Nonpolar Kok Bisa Cair?
Kalau molekul seperti $\text{CH}_4$ sampai $\text{SnH}_4$ semuanya nonpolar dan nggak punya kutub positif-negatif permanen, lalu gimana caranya molekul-molekul gas ini saling tarik-menarik sampai bisa berwujud cairan, sebelum akhirnya dididihkan kembali jadi gas?
Rahasia dari tarikan antar molekul nonpolar murni ada pada Gaya Dispersi London (atau Gaya London). Gaya ini lahir karena elektron di atom itu sifatnya nggak pernah diam!
Dalam molekul nonpolar mana pun, elektron selalu bergerak bebas nan acak di dalam awan elektron molekul tersebut. Dalam seperseribu detik, bisa saja elektron-elektron ini secara nggak sengaja menumpuk di salah satu sisi molekul.
Apa akibatnya? Sisi yang mendadak kelebihan elektron tersebut sementara jadi agak negatif, dan ujung yang ditinggalkan jadi positif. Ini disebut dipol sesaat (karena kemunculannya cuma sekelebat).
Tapi ingat, tetangganya juga punya elektron! Begitu dipol sesaat ini muncul, ujung negatifnya akan "mengusir" elektron dari molekul tetangganya supaya menjauh. Molekul tetangga yang kena imbas ini sekarang punya dipol terimbas. Nah, tarikan singkat antara si pembuat onar (dipol sesaat) dan korbannya (dipol terimbas) inilah yang merekatkan molekul-molekul nonpolar. Begitu seterusnya menjalar secara berantai.
Pada molekul-molekul nonpolar murni seperti Metana dan Silana, fenomena mikroskopis apakah yang sebenarnya bertanggung jawab merekatkan mereka satu sama lain?
- A. Momen dipol permanen yang ada sejak senyawa itu terbentuk
- B. Pergerakan awan elektron secara acak yang sesekali menyebabkan penumpukan muatan sesaat
- C. Ikatan hidrogen yang muncul saat dipanaskan ke titik didih
- D. Terbentuknya ikatan kovalen antarmolekul yang sangat kokoh
Jawaban: B. Pergerakan awan elektron secara acak yang sesekali menyebabkan penumpukan muatan sesaat
Elektron tidak pernah diam. Ketika secara tak sengaja elektron berkerumun di satu sisi, sebuah dipol sesaat tercipta yang langsung mempengaruhi molekul sebelahnya, memicu Gaya London.
Gaya London muncul dari terbentuknya dipol sesaat akibat pergerakan acak awan elektron.
Polarisabilitas: Awan yang Goyah
Nah, di awal kamu punya pertanyaan tentang polarisabilitas. Miskonsepsi yang sering muncul adalah: "Kalau molekulnya makin besar dan banyak elektronnya, kemudahan terdistorsi (polarisabilitas)-nya malah makin susah atau menurun." Jawabannya: Itu terbalik!
Mari kita jernihkan dulu definisi polarisabilitas: polarisabilitas adalah seberapa mudah sebuah awan elektron suatu molekul terdistorsi (bergeser ke satu sisi saat ada usikan).
Coba bandingkan Karbon dalam $\text{CH}_4$ dengan Timah dalam $\text{SnH}_4$.
Karbon ($\text{C}$) itu ukurannya sangat kecil. Elektron-elektronnya berada dekat sekali dengan inti atom yang bermuatan positif, sehingga ditarik dengan kuat (dipegang erat-erat). Ibarat kamu memegang erat sebuah balon air kecil di kepalan tanganmu; susah kan menggoyangkan isinya? Karena kaku, polarisabilitasnya rendah.
Di sisi lain, Timah ($\text{Sn}$) punya struktur super bongsor dan tumpukan kulit elektron yang jauh lebih banyak. Elektron terluar pada $\text{SnH}_4$ letaknya jauuuh dari inti atom, sehingga gaya tarik dari inti sangatlah lemah. Elektron-elektron ini menjadi sangat "longgar", mirip seperti air yang ada di dalam balon yang sangat besar dan licin. Disenggol sedikit saja muatan luar, isi elektronnya gampang banget membludak geser ke satu sisi.
Krux-nya: Karena ukuran bertambah raksasa dan jarak elektron ke inti makin jauh, awan elektron di atom besar ini justru MAKIN MUDAH bergeser. Artinya, polarisabilitas dari $\text{CH}_4$ ke $\text{SnH}_4$ meningkat tajam!
Tentukanlah mana pernyataan yang benar dan yang salah mengenai polarisabilitas dan ukuran molekul di bawah ini! (Ingat kembali miskonsepsi yang baru dibahas)
- Semakin banyak jumlah elektron dan ukuran molekul membesar dari C ke Sn, kemudahan awan elektronnya untuk terdistorsi menjadi berkurang. — Salah
- Pada SnH4, elektron terluar terletak lebih jauh dari inti atom jika dibandingkan pada CH4, sehingga gaya pegang dari intinya lebih lemah. — Benar
- Dibandingkan Silana, molekul Stanana memiliki polarisabilitas yang lebih tinggi. — Benar
Polarisabilitas berbanding lurus dengan ukuran. Molekul besar (SnH4) memiliki elektron terluar yang renggang dari inti atom, sehingga gampang sekali membludak bergeser saat ada dorongan, tidak seperti molekul kecil (CH4) yang rapat dan terikat ketat.
Semakin besar ukuran molekul dan jumlah elektron, awan terluarnya semakin renggang dari inti sehingga polarisabilitasnya (kemudahan terdistorsi) justru meningkat tajam.